發(fā)酵法在黃原膠生產(chǎn)中的應用

1、發(fā)酵法在黃原膠生產(chǎn)中的應用作者：食工0802 陳貝莉 0810100227 指導老師：蔣予箭摘要：本文對黃原膠作了簡單的介紹，指出其在食品工業(yè)中的應用。著重討論了發(fā)酵法生產(chǎn)黃原膠，從菌種的選取及保存、發(fā)酵工藝、提取工藝三個方面介紹黃原膠的生產(chǎn)工藝，在發(fā)酵工藝中著重介紹固體發(fā)酵法和兩步發(fā)酵法，并說明黃原膠發(fā)酵工藝的影響因素，使黃原膠生產(chǎn)過程中可以從這幾個方面進行工藝優(yōu)化，提高黃原膠的產(chǎn)量及質量。關鍵字：黃原膠、固體發(fā)酵法、兩步發(fā)酵法、影響因素、發(fā)酵工藝正文：1. 前言黃原膠應用范圍很廣，目前世界上食品工業(yè)應用占60 ，石油及其它工業(yè)占40。黃原膠在食品工業(yè)中是理想的增稠劑、乳化劑、成型劑，在某些

2、茍刻條件下(如pH3 9，溫度80130)，它的性能基本穩(wěn)定，比明膠、CMC、海藻膠、果膠等優(yōu)越。黃原膠另一個大市場是石油工業(yè)，黃原膠在增粘、增稠、抗鹽、抗污染能力遠比其它聚臺物強，尤其在海洋、海灘、高鹵層和永凍土層鉆井，黃原膠用于泥漿處理、完井液和三次采油等方面效果顯著，對加快鉆井速度、防止油井坍塌、保護油氣田、防止井噴、大幅度提高采油率等方面都有明顯的作用。黃原膠在其它行業(yè)中也有廣大的市場。用它作為釉漿懸浮劑和粘結劑被稱為陶瓷工業(yè)的重大技術革新。對于具有如此重要作用的黃原膠，我國黃原膠的還存在許多影響和制約因素。本文著重闡述了黃原膠對于食品的應用、黃原膠的生產(chǎn)工藝及黃原膠生產(chǎn)工藝中影響因素

3、的控制。2. 黃原膠的特性簡介黃原膠是一種高分子雜多糖，即由以131，4糖苷鍵相連的葡萄糖構成，三個相連的單糖組成其側鏈：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。與主鏈相連的甘露糖通常由乙?；揎?，側鏈末端的甘露糖與丙酮酸發(fā)生縮醛反應從而被修飾，而中間的葡萄糖則被氧化為葡萄糖醛酸，分子量一般在2×10650×106u之間。黃原膠這種獨特的分子結構和雙螺旋體的分子體態(tài)，使得黃原膠具有優(yōu)異的性能和廣泛的用途。其優(yōu)異的性能主要體現(xiàn)在（1）強親水性、（2）增稠性、（3）酶穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、（4）酸，堿，鹽穩(wěn)定性、（5）流變性、（6）懸浮性和乳化性、（7）黃原膠與其他食品膠的配伍性和協(xié)同增效性。3.

4、 黃原膠在食品中的應用黃原膠具有優(yōu)良的乳化穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、與食品中其他組分的相溶性以及流變性，被廣泛應用于各種食品中，能顯著改善食品的質地、口感、外觀品質提高其商業(yè)價值。黃原膠在食品工業(yè)中的應用具體可概括為以下幾個方面：3.1 作為增稠穩(wěn)定劑黃原膠作為增稠穩(wěn)定劑應用于各種果汁飲料、濃縮果汁、調味料(如醬油、蠔油、沙托調味汁)的食品中。3.2 作為乳化劑黃原膠作為乳化劑用于各種蛋白質飲料、乳飲料等中可防止油水分層、提高蛋白質的穩(wěn)定性、防止脂肪上浮、防止蛋白質沉淀。3.3 作為填充劑及品質改良劑黃原膠作為穩(wěn)定的高粘度填充劑，可廣泛應用于蛋糕、面包、餅十、糖果等食品的加 ，使食品具有更優(yōu)越的保形

5、性。延長其松軟時間，使食品有更長的保質期， 獲得比傳統(tǒng)做法更好的口感。3.4 作為乳化穩(wěn)定劑黃原膠作為乳化穩(wěn)定劑應用于冷凍食品，在冰洪淋、雪糕中應用可控制冰品、抗融化、延長保存期、提高膨脹率等。3.5 作為保水劑黃原膠可作為保水劑廣泛應用于各種肉制品的加工，能顯著增加肉制品的持水性、延長貨架期、抑制淀粉的回生，提高嫩度、色澤和風味，從而提高出品率。3.6 作為保鮮劑黃原膠可替代亞硫酸鹽作為保鮮劑廣泛應用于水果、蔬菜的保鮮加工處理，可防止果蔬失水、褐變等現(xiàn)象的發(fā)生，從而延長產(chǎn)品保質期，同時又避免了使用亞硫酸鹽使食品失去原色而被漂白并產(chǎn)生不愉快的嗅感的缺點。3.7 作為凝固劑黃原膠作為凝同劑用于果

6、凍，賦予果凍軟膠狀態(tài)，加工填充物時，使果凍的粘度降低。4. 發(fā)酵法生產(chǎn)黃原膠4.1 生產(chǎn)菌種的選育及保藏4.1.1 生產(chǎn)菌種的選育黃原膠生產(chǎn)菌株大多采用十字花科植物黑腐病的病原細菌黃單孢桿菌及其變異株，可從土壤中和植物的病原體上分離篩選得到。我國的黃原膠生產(chǎn)菌株多數(shù)為野油菜黃單胞桿菌，采用常規(guī)方法進行黃原膠生產(chǎn)菌株的選育。除了常規(guī)方法，還可以通過物理化學誘變的方法來誘變育種來改進黃原膠生產(chǎn)菌的特性產(chǎn)膠能力，改善產(chǎn)物的性能等。例如經(jīng)誘變處理可以篩選到不產(chǎn)色素的黃原膠生產(chǎn)菌株。俞峰等人將野油菜黃單胞菌用硫酸二甲酯、氯化鋰或紫外線連續(xù)兩次復合處理，利福平或桿菌肽的抗藥性平板篩選，所獲得的變異株發(fā)酵液

7、粘度提高30%-70%，產(chǎn)膠率提高20%-80%。高質、優(yōu)質黃原膠生產(chǎn)菌最為理想的選育方法是采用基因工程手段，定向地改造和構建新型工程菌，以達到優(yōu)質、高產(chǎn)、低能耗的目的。4.1.2 生產(chǎn)菌種的保藏為了避免生產(chǎn)菌株退化和變異，要盡量限制菌株的傳代次數(shù)，避免將菌株長期保存在瓊脂斜面上，最好用冷凍干燥和低溫保存法保藏。有實驗結果表明，對黃原膠菌種長期保藏采用礦物油保藏法。此法簡單易操作，保存菌種存活率高，最長保存時間可達56年。菌種保藏5年后，經(jīng)測定，搖瓶發(fā)酵液平均粘度為原菌種的817 ，產(chǎn)膠率876 ，各種性能基本保持不變，保存效果理想。該實驗具體操作如下：（1） 選用優(yōu)質無色、中性、比重為080

8、9gcm 的礦物油，裝入三角瓶中，加棉塞，用防潮紙包好。98MPa火 30min取出， 置于40 溫箱中蒸發(fā)水分， 或于ll0l70烘箱去水分，經(jīng)無菌檢查后備用。（2） 將需要保藏的黃原膠菌種接種在葡萄糖瓊脂斜面上，于2830 恒溫箱培養(yǎng)48h(斜面宜短，最好不要超過試管的13)，以得到健壯的菌體細胞，備用。（3） 在無菌條件下，用無菌吸管吸取已滅過菌的礦物油，注入已培養(yǎng)好的新鮮的斜面菌體細胞上，以高于斜面項端l3cm 為準，使菌體與空氣隔絕。（4） 將已灌注礦物油的菌種斜面以直立狀態(tài)置于低溫(5 左右)干燥處保藏。（5） 任移接或再培養(yǎng)時，先沿試管壁倒去附在菌體卜的礦物油，將菌體移接在適宜的

9、斜面培養(yǎng)基上，生長繁殖后上搖瓶，測粘度與產(chǎn)膠率。一般情況下，要進行生產(chǎn)，需經(jīng)分離復壯。此實驗結果表明：采用不常用的礦物油保藏法，保藏時間長，菌株存活率高，菌種各種性狀保存良好，最長保存時間可達56年，且操作簡單易行。4.2 發(fā)酵工藝目前黃原膠的發(fā)酵可采用分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等發(fā)酵方式，最常用的發(fā)酵方式是分批發(fā)酵，傳統(tǒng)的發(fā)酵方法工藝流程如圖1所示：圖1 黃原膠生產(chǎn)流程概圖除了傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)方法，還有研究者發(fā)現(xiàn)了其他方式的發(fā)酵方法。以下介紹了固體發(fā)酵法和兩步發(fā)酵法兩種黃原膠的發(fā)酵方式：4.2.1 固體發(fā)酵法本實驗采用野油菜黃單胞菌作為菌種，采用固體發(fā)酵法進行黃原膠生產(chǎn)的研究。4.2.1.

10、1 培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，瓊脂2g，水lOOmL。種子培養(yǎng)基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，水lOOmL。發(fā)酵培養(yǎng)液：蔗糖5g，蛋白胨0.5g，0.3g，碳酸鈣0.3g，磷酸二氫鉀0.5g，硫酸鎂0.25g，硫酸亞鐵0.025g，檸檬酸0.025g，水100mL。4.2.1.2 實驗方法（1）取 9cm的培養(yǎng)皿，倒入25mL固體培養(yǎng)基，30培養(yǎng)4d8d。（2）啤酒糟用自來水洗滌2次，烘干后備用。（3）培養(yǎng)基組成的研究：分別以葡萄糖、麥芽糖、乳糖和淀粉代替發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源，進行發(fā)酵培養(yǎng)，并做空白對照，確定最佳的碳源。在發(fā)酵培養(yǎng)基中加入05氮源，

11、即蛋白胨、酵母粉、硝酸銨、硫酸銨，乙酸銨和黃豆餅粉進行發(fā)酵培養(yǎng)，確定最佳的氮源。（4） 基質含水率的研究：稱取10g啤酒糟，加入lOmL、15mL、20mL、30mL、40mL的液體培養(yǎng)基攪拌均勻，攪勻后的固態(tài)培養(yǎng)基轉入250n1L三角瓶中，121滅菌15min，接種后進行培養(yǎng)。（5） 對平皿培養(yǎng)液菌體和黃原膠含量、固態(tài)發(fā)酵中黃原膠含量進行檢測本實驗得到如下結論：瓊脂表面培養(yǎng)證實固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)黃原膠的潛力，黃原膠的產(chǎn)率為335；利用啤酒糟為基質，補充發(fā)酵培養(yǎng)液，可用于黃原膠的發(fā)酵生產(chǎn)。以蔗糖、黃豆餅粉為原料，啤酒糟與培養(yǎng)液比例為l：3時，培養(yǎng)厚度不超過6cm的條件下發(fā)酵5d，黃原膠的產(chǎn)量達到最

12、大，為353 gkg。4.2.2 兩步發(fā)酵法本實驗采用甘藍黑腐病單胞菌作為菌種，采用兩步培養(yǎng)法進行黃原膠生產(chǎn)的研究。4.2.2.1 培養(yǎng)基斜面與平板培養(yǎng)基：營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基一級培養(yǎng)培養(yǎng)基：蔗糖80g/L ，(NH4 )2SO4 1.0g/L ，酵母膏1.0g/L，CaCO32.0g/L，MgSO4 0.12g/L，KH2PO40.5g/L，檸檬酸0.01g/L, pH7.2二級發(fā)酵培養(yǎng)基:蔗糖60g/L，酵母膏0.08g/L，CaCO34.0g/L，MgSO40.08g/L,KH2PO4 0.5g/L，KC120g/L，檸檬酸0.01g/L，pH7.24.2.2.2 實驗方法兩步發(fā)酵法:菌種活化

13、一級培養(yǎng)微濾除去菌體無菌體發(fā)酵液二級發(fā)酵罐加入發(fā)酵培養(yǎng)基黃原膠發(fā)酵用酒精沉淀法對黃原膠進行鑒別，用粘度法對黃原膠含量進行測定。本實驗疾結果表明：采用兩步發(fā)酵法生產(chǎn)黃原膠，其產(chǎn)膠量可以提高245，醇耗減少40 ，因此兩步發(fā)酵法生產(chǎn)黃原膠的技術具有廣闊的應用前景。5. 黃原膠生產(chǎn)工藝的影響因素及工藝控制在黃原膠的發(fā)酵過程中，pH值、溫度、接種量、轉速等因素影響著黃原膠的發(fā)酵。進來許多研究表明：黃單胞菌的最適生長溫度是24-27，最適產(chǎn)黃原膠的溫度為30-33，因此，采用分段控制溫度為宜，在發(fā)酵產(chǎn)膠期將發(fā)酵溫度由27調整到32，有利于細胞生長和產(chǎn)黃原膠；發(fā)酵過程中pH控制在6.5-7.5，最適pH為

14、7.0，pH控制要嚴格，最好控制pH為7.0±0.5，否則會影響黃原膠發(fā)酵產(chǎn)率和質量；黃原膠的接種量一般為發(fā)酵液的7.5%（體積分數(shù)）左右，接種量的大小與種子液的質量密切相關；轉速也可調整至200rmin左右為宜。6. 黃原膠的提取工藝6.1 工藝路線基本要求（1） 發(fā)酵液在預處理、濃縮或沉淀、干燥等處理過程中，應盡可能不破壞黃原膠的分子結構，以保持黃原膠性能穩(wěn)定和使用方便；（2） 通過純化處理，減少菌體細胞、培養(yǎng)基成分等雜志的含量，改善其色澤，氣味和功能特性；（3） 降解和鈍化一系列不利的酶類，如纖維素酶和果膠酶等；（4） 通過化學修飾，改變其功能特性，以適應不同用途的要求；（5）

15、 食品級的黃原膠還應符合衛(wèi)生質量標準6.2 黃原膠提取工藝過程典型的提取工藝過程包括：發(fā)酵液預處理、膠的分離純化、脫水干燥、粉碎和包裝。6.2.1 發(fā)酵液預處理預處理方法大致分為三種：第一種是物理處理方法，如采用熱處理使菌體細胞及蛋白質等有機殘留物變性凝集，通過過濾除去這些雜志；第二種是化學處理方法，如加入鹽可絮凝顆粒，硅藻土可吸附雜志顆粒等；第三種是生物化學處理方法，如采用酶法講解細胞成為可溶性物質或碎片、采用二次發(fā)酵除去菌體細胞和殘余的有機物等。6.2.2 黃原膠的分離提取膠的分離提取方法有直接干燥法和沉淀分離提取法，其中沉淀分離提取法通常有醇沉淀法和鹽析沉淀法兩種。干燥法可采用滾筒干燥、

16、噴霧干燥、氣流干燥、流化床造粒干燥等。醇沉淀法中常用的醇有甲醇、乙醇和異丙醇，該方法的缺點是醇耗量大，成本較高。鹽析沉淀法中常用的鹽有氯化鈣、氯化鋁、硝酸鋁、季銨鹽，其中最常用的是鈣離子沉淀法。該方法的優(yōu)點是醇用量少，成本較低，其缺點是產(chǎn)品質量較差。6.2.3 脫水干燥經(jīng)沉淀分離得到的黃原膠產(chǎn)物，一般先進行壓榨或離心脫水處理。脫水后的產(chǎn)物一般采用氣流干燥或真空干燥，干燥溫度控制在60左右，溫度過高會導致產(chǎn)品顏色加深，溶解度降低。終產(chǎn)品的水分一般控制在10%左右。6.2.4 粉碎與包裝根據(jù)用途不同對黃原膠細度有要求，一般在0.180mm左右，根據(jù)細度要求選擇不同的機械設備。粉碎過程中要考慮設備發(fā)

17、熱溫度過高的問題，防止溫度過高對黃原膠性能的破壞。參考文獻：【1】產(chǎn)黃原膠酶菌種的選育及發(fā)酵條件的研究；劉晗、白雪芳、杜昱光；中國科學院大連化學物理研究所，大連，116023【2】固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)黃原膠的研究；朱斌、顏延寧；China Brewing 2010 N08【3】黃原膠(Xanthan Gum)的特性、生產(chǎn)及應用；黃成棟、白雪芳、杜昱光；中國科學院大連化學物理研究所大連 1 1602【4】黃原膠的結構、性能與應用；郭瑞、丁恩勇；牙膏工業(yè)2007年第2期【5】黃原膠的開發(fā)應用現(xiàn)狀；聶凌鴻、周如金；糧油食品科技第12卷2004年第6期【6】黃原膠的生產(chǎn)與市場；張懷杰；(核工業(yè)第五研究設計院鄭州市，4