淺談化學(xué)教學(xué)中黃原膠的制備

摘要：黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)過程中，使用淀粉作為碳源優(yōu)于其他碳源。用硅藻土過濾法比較經(jīng)濟(jì)，酶降解法更明顯地提高了黃原膠的質(zhì)量。超濾處理可將黃原膠發(fā)酵液中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的2％濃縮到8％以上，節(jié)省乙醇用量，降低成本。用乙醇沉淀濃縮后的黃原膠發(fā)酵液，產(chǎn)品的純度和收率均較高。

關(guān)鍵詞：黃原膠；發(fā)酵；超濾

在化學(xué)教學(xué)中，黃原膠是用黃單胞菌經(jīng)微生物發(fā)酵制取的生物細(xì)胞外粘多糖，具有良好的增黏性、耐酸堿性和抗高溫性，能耐高濃度鹽，具有乳化和均勻懸浮顆粒等性能，可廣泛應(yīng)用于食品、石油、陶瓷、紡織、印染、醫(yī)藥、造紙、地礦、滅火、涂料、化妝品等20多個行業(yè)，用微生物發(fā)酵的方法生產(chǎn)黃原膠在國內(nèi)外有著廣泛的前景，并且越來越引起人們的重視。

但由于黃原膠發(fā)酵液的黏度很高，采用過濾的方法不能有效去除其中的菌體，加之發(fā)酵液中黃原膠的含量很低(質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有1％～5％)，傳統(tǒng)的分離方法非常浪費(fèi)能源和材科。本文探討了影響黃原膠產(chǎn)量的一系列因素，得出了黃原膠發(fā)酵的最佳條件和提純及分離的技術(shù)。

一、 材料與方法

1. 菌種

野生油萊黃單胞菌

(Xanthomonas Campestris)

2. 種子培養(yǎng)基

3. 發(fā)酵培養(yǎng)基

4. 發(fā)酵條件

(1)碳源。碳源是生物發(fā)酵的一個重要影響因素。實(shí)驗(yàn)采用蔗糖、乳糖、葡萄糖和淀粉四種物質(zhì)作為碳源，通過測定發(fā)酵液的黏度，可以考察碳源對發(fā)酵效果的影響。從表1可以看出淀粉作為碳源發(fā)酵液的黏度高于其他碳源的發(fā)酵液粘度。

(2) pH值。pH對發(fā)酵液黏度的影響見表2。

黃原膠發(fā)酵周期為48～56h，24h前主要是菌體生長，24h以后進(jìn)入產(chǎn)膠期，36h左右產(chǎn)膠達(dá)到高峰。最有利于菌體生長的pH值為6.0～6.3，而pH值在7.3～7.6最適合膠的生產(chǎn)。產(chǎn)膠時pH值不斷下降會抑制糖基載體的活性，從而影響產(chǎn)膠。當(dāng)pH值降到5.4后，產(chǎn)膠完全停止。因此，發(fā)酵過程中必須保持pH中性。

(3) 消泡劑。發(fā)酵中后期，隨黃原膠生產(chǎn)發(fā)酵液黏度增大，代謝產(chǎn)生的CO2無法及時逸出而在液面處生成泡沫層，這對溶氧極為不利。若泡沫溢出發(fā)酵罐，還會導(dǎo)致染菌。消泡劑對發(fā)酵液逸出度的影響見表3。

由表3可看出對黃單胞菌這類易污染的菌體，菜籽油適合作消泡劑，菜籽油作消泡劑時，可參與菌體代謝并最終被分解。

二、 提純與濃縮

從發(fā)酵罐取出的發(fā)酵液尚含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95％以上的水分，以及一些未消耗的碳源、氮源和大量的黃單胞菌殘菌。高黏度、高雜質(zhì)和產(chǎn)品濃度低的特點(diǎn)給后提取過程造成極大的困難，使得去除雜質(zhì)、脫水、產(chǎn)品精制在總成本中占了相當(dāng)大的比例，后處理技術(shù)直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量。

酵液性質(zhì)不穩(wěn)定，易隨時間發(fā)生變化，如受空氣氧化、微生物污染等。分離過程很容易發(fā)生因pH、離子強(qiáng)度、溫度等變化，造成產(chǎn)物的失活。根據(jù)上述特點(diǎn)，提純分離過程的原則是：迅速加工，縮短停留時間，控制溫度和pH，減少或避免與空氣接觸受污染的機(jī)會，優(yōu)化提純和分離工藝路線。

1. 黃原膠的提純

發(fā)酵液中，黃原膠的含量很低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2％～5％，還含有不溶性固體懸浮物、可溶性有機(jī)物和無機(jī)離子。精制和提純黃原膠發(fā)酵液的常規(guī)方法是通過離心分離或抽濾，把不溶物質(zhì)從發(fā)酵液中分離出來。由于發(fā)酵液黏度很大，必須先用水稀釋，這樣又增加了分離過程的成本。采用了兩種新的提純技術(shù)：硅藻土過濾法和酶降解法。

(1) 硅藻土過濾法。因?yàn)楣柙逋劣休^小的顆粒度，表面呈多孔狀，極易吸附溶液中較小的固體顆粒，經(jīng)過濾處理，就能使菌體雜質(zhì)與硅藻土一起除去。為驗(yàn)證其加入量對膠產(chǎn)量的影響，取5份等量的發(fā)酵液試樣200mL，分別加入硅藻土(若產(chǎn)品的濃度較高，還需必要的稀釋)1g、2g、3g、4g、5g快速攪拌1h，過濾，所得的處理液透明度明顯提高，即硅藻土過濾法對去除菌體有顯著效果。

由表4可以看出，加入硅藻土處理后，所得處理液的黏度都比原發(fā)酵液的黏度小，說明硅藻土在吸附菌體殘骸的同時也吸收了一部分黃原膠。隨著加入量的增加，發(fā)酵液黏度出現(xiàn)了一個峰值，硅藻土使用的最佳質(zhì)量濃度為15g／L。

(2) 酶降解法。酶降解法是一種新型的凈化黃原膠發(fā)酵蔽的方法。首先熱處理殺死發(fā)酵液中的菌體，然后用蛋白酶和溶菌酶分別處理。將含有黃原膠和細(xì)胞殘?bào)w的發(fā)酵液在堿性條件下，升溫55℃殺死菌體。然后調(diào)節(jié)pH值為弱堿性，加入堿性蛋白酶，攪拌處理。再把所得的處理液冷卻到35℃，調(diào)節(jié)pH至7.0，加入溶菌酶，繼續(xù)攪拌處理。黏度測定如表5。

使用蛋白酶和溶菌酶對發(fā)酵液進(jìn)行降解，可除去菌體殘骸等蛋白質(zhì)不溶物。這種方法使所得的黃原膠具有較好的黏度和透光度。此提純工序可以減少稀釋、抽濾、離心分離這些復(fù)雜的步驟，最重要的是能提高產(chǎn)品的黏度。

使用硅藻土吸附發(fā)酵液中的不溶性固形物與酶降解方法相比，操作簡單且經(jīng)濟(jì)，但硅藻土同時也吸附部分黃原膠，降低產(chǎn)品收率。

2. 黃原膠的分離

發(fā)酵液中黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％～5％的發(fā)酵液無論是采用溶劑沉淀還是采用直接干燥法，均需耗用較多的沉淀劑和能量，且沉淀劑回收成本高。所以需要將發(fā)酵液濃縮到一定程度以降低沉淀劑用量和干燥所耗能量。

(1) 超濾。將酶降解或硅藻土處理后的發(fā)酵液加熱到30℃，加入到超濾設(shè)備進(jìn)行超濾。經(jīng)超濾處理后，濃縮液中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的2％～3％提高到8％～10％。后提取過程中可以節(jié)省大量酒精，降低了產(chǎn)品的成本。

(2) 乙醇提取。黃原膠產(chǎn)品的提取采用有機(jī)溶劑沉淀法(醇析法)，常用乙醇。

乙醇法是在發(fā)酵液中加一定量的鹽酸調(diào)節(jié)pH值，使其呈酸性。加入乙醇，攪拌成絮狀黃原膠沉淀，但乙醇耗量大。另外，由于乙醇與水形成共沸物，回收乙醇的能量消耗也很大。

三、結(jié)論

1. 黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)過程中，使用淀粉作為碳源優(yōu)于其他碳源。

2. 發(fā)酵過程維持pH值為7.0，空氣通入量(體積比)為0.5min-1和攪拌速度為500r／min，發(fā)酵黏度大。

3. 采用過濾法或酶降解法能達(dá)到一定的提純目的，用硅藻土過濾法比較經(jīng)濟(jì)，酶降解法更明顯地提高了黃原膠的質(zhì)量。

4. 超濾處理可將黃原膠發(fā)酵液中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的2％濃縮到8％以上，大大節(jié)省黃原膠提取過程中的乙醇用量，降低生產(chǎn)成本。

(5)用乙醇和沉淀濃縮后的黃原膠發(fā)酵液，產(chǎn)品的純度和收率均較高，但乙醇與水易形成共沸物，不易回收。如何在干燥之前最大限度地、廉價地把黃原膠提取出來，還需進(jìn)一步研究和探索。

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（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院）