高透明黃原膠提取新工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

趙蘭坤，朱心雙，王均成，周敬，杜鵬

（1.內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.山東阜豐發(fā)酵有限公司，山東莒南276600）

高透明黃原膠提取新工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

趙蘭坤2，朱心雙1，王均成1，周敬1，杜鵬1

（1.內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.山東阜豐發(fā)酵有限公司，山東莒南276600）

針對(duì)NaOH影響高透明黃原膠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量及粘度降低，產(chǎn)生的堿性廢水帶來后續(xù)環(huán)保壓力以及一價(jià)Na+電荷性偏弱增加乙醇用量等問題，采用CaCl2替代前者進(jìn)行發(fā)酵預(yù)處理，降低了原材料消耗，提高了提取收率；針對(duì)超濾無法有效解決高粘度液體過濾效率低、設(shè)備投入高等問題，采用雙酶法去除發(fā)酵液中殘留的菌體蛋白等不溶物質(zhì)，有效提高高透明黃原膠產(chǎn)品的純度、透光度和粘度。采用鹽式雙酶法提取新工藝，有效降低了提取過程中酸堿和乙醇的消耗，減輕了后續(xù)環(huán)保處理壓力，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提升，平均收率達(dá)到86.11%，產(chǎn)品透光平均達(dá)到91%，較傳統(tǒng)工藝收率提高了5.96%，透光提高了11.97%。

高透明黃原膠；酶解；提取

前言

高透明黃原膠是一種由假黃單胞菌屬發(fā)酵產(chǎn)生的單胞多糖，其水溶液具有透明度高，增稠懸浮性能好，流變假塑性可控的特性。高透明黃原膠是黃原膠的升級(jí)產(chǎn)品，目前己在食品飲料、石油鉆探、化妝品、洗滌劑、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，高透明黃原膠產(chǎn)品分離提取的工藝方法主要有直接干燥法、超濾膜分離法、有機(jī)溶劑沉淀法和鹽析沉淀法等，但在應(yīng)用上都受到各自條件的制約。直接干燥法是采用滾筒干燥或者噴霧干燥等方法干燥發(fā)酵液，其工藝簡單、操作方便、成本低廉，但不能去除色素和其中的有機(jī)物和無機(jī)物等雜質(zhì)［1］。超濾膜分離方法是采用超濾對(duì)高透明黃原膠發(fā)酵液進(jìn)行濃縮，可以大幅減少醇用量，高透明黃原膠的質(zhì)量有所提高［2-5］，但建立大規(guī)模的工業(yè)化裝置比較困難。有機(jī)溶劑沉淀法是目前工業(yè)上應(yīng)用最多的一種提取高透明黃原膠的成熟方法，但該法需要使用大量醇，在回收醇過程中消耗大量能量，同時(shí)醇的損失不可避免，一方面污染環(huán)境，另一方面增加高透明黃原膠的生產(chǎn)成本［6］。鹽析沉淀法是在醇析的過程中加入無機(jī)鹽，從而減少在醇析過程中醇的用量，但該法在一定程度上影響高透明黃原膠的質(zhì)量［7］。隨著國際上對(duì)透明型黃原膠需求的逐漸增加，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，對(duì)透明型黃原膠生產(chǎn)新工藝關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，對(duì)提升我國生物多糖產(chǎn)業(yè)在國際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力具有迫切而現(xiàn)實(shí)的意義。我公司通過比較不同的高透明黃原膠提取方法，最終采用鹽式雙酶法提取高透明黃原膠，利用該方法提取的高透明黃原膠制備工藝簡單、操作方便、提取成本低、產(chǎn)率高、透光率高。

1　材料與方法

1.1材料

新鮮高透明黃原膠發(fā)酵液由內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司黃原膠車間提供；堿性蛋白酶與溶菌酶是由上海昆侖酶制劑公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)酶制劑；乙醇是由公司內(nèi)部蒸餾工序生產(chǎn)的食品級(jí)乙醇；鈣鹽是豐鎮(zhèn)市富華氟化工有限公司生產(chǎn)的無水氯化鈣。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1高透明黃原膠提取工藝路線

1）一次提?。涸邳S原膠發(fā)酵液中加入乙醇和鈣鹽，控制溶液中的乙醇濃度在50%～70%，利用單因素實(shí)驗(yàn)確定鈣鹽的最適添加量；2）雙酶解法：利用單因素實(shí)驗(yàn)確定堿性蛋白酶和溶菌酶的添加量及維持時(shí)間；3）滅酶處理：經(jīng)過雙酶解的溶液加熱至80～100℃，保溫20～60 min，溶液冷卻至40℃，再加入乙醇，控制溶液中的乙醇濃度在70%～90%，混合攪拌30～90 min進(jìn)行二次提?。?）分離提純：二次提取溶液通過過濾機(jī)進(jìn)行固液分離，濾液直接進(jìn)入一次提取工序，固體經(jīng)干燥、粉碎后獲得高透明黃原膠產(chǎn)品。

圖1　鹽式雙酶法提取工藝路線

1.2.2鈣鹽用量的確定

在高透明黃原膠發(fā)酵液中加入乙醇和鈣鹽，控制溶液中的乙醇濃度在50%～70%，分別加入1、2、3、4、5、6、7、8 kg/m3的鈣鹽，測(cè)定不同鈣鹽濃度下高透明黃原膠的提取收率和溶液粘度，同時(shí)觀察溶液中的不溶物。

1.2.3堿性蛋白酶、溶菌酶的維持時(shí)間和添加量確定

將稀釋后的發(fā)酵液升溫至65℃，并保溫，調(diào)節(jié)pH值為5.5，然后加入堿性蛋白酶，確定堿性蛋白酶的最適添加量及維持時(shí)間。將堿性蛋白酶酶解溶液冷卻至40℃，調(diào)節(jié)pH為9.5，然后加入溶菌酶，確定溶菌酶的最適添加量及維持時(shí)間。

1.3分析方法

1.3.1粘度測(cè)定

高透明黃原膠0.2%淡水粘度，0.2%高透明黃原膠水溶液1 200 r/min攪拌1 h，25℃，3號(hào)轉(zhuǎn)子，60 r/min條件下用旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定粘度。

1.3.2透光率測(cè)定

高透明黃原膠產(chǎn)品透光率，1%高透明黃原膠乙醇溶液靜置90 s，利用725s型分光光度計(jì)在600 nm條件下進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3提取收率的計(jì)算

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1無水氯化鈣添加量對(duì)高透明黃原膠提取效果的影響

鈣鹽添加量對(duì)高透明黃原膠提取效果的影響如表1所示。由表1可以看出，隨著鈣鹽使用量的不斷增加，高透明黃原膠收率不斷提高。當(dāng)無水氯化鈣的使用量為5 kg/m3時(shí)，高透明黃原膠的提取收率達(dá)到86%，并且粘度達(dá)到最高；當(dāng)無水氯化鈣的使用量達(dá)到6 kg/m3時(shí)，開始有不溶物出現(xiàn)，原因是氯化鈣不能徹底溶解，提取收率和粘度都開始下滑。因此，當(dāng)無水氯化鈣使用量為5 kg/ m3時(shí)，效果最佳。

表1　不同鈣鹽使用量對(duì)提取效果的影響表

2.2加酶量和維持時(shí)間對(duì)高透明黃原膠透光率的影響

2.2.1堿性蛋白酶對(duì)高透明黃原膠透光率的影響

堿性蛋白酶維持時(shí)間對(duì)高透明黃原膠透光率的影響如表2所示。發(fā)酵液升溫至65℃，調(diào)節(jié)pH至5.5時(shí)以25萬U/m3加入蛋白酶。從表2可以看出，單獨(dú)采用堿性蛋白酶酶解菌體，作用時(shí)間3 h和4 h差別較小，為提高生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中，維持時(shí)間采用3 h。

表2　堿性蛋白酶酶解時(shí)間對(duì)高透明黃原膠產(chǎn)品透光的影響

堿性蛋白酶添加量對(duì)高透明黃原膠透光率的影響如表3所示。發(fā)酵液升溫至65℃，pH 5.5時(shí)以25萬U/m3加入堿性蛋白酶，并維持3 h。由1-9可見，隨著堿性蛋白酶添加量的增加，高透明黃原膠產(chǎn)品透光率逐步增加，但添加量超過30萬U/m3時(shí)，透光率提升效果不明顯。為節(jié)約成本，按照30萬U/m3添加堿性蛋白酶。

表3　堿性蛋白酶加量對(duì)高透明黃原膠產(chǎn)品透光的影響

2.2.2溶菌酶對(duì)高透明黃原膠透光率的影響

在發(fā)酵液溫度40℃，pH 9.5條件下單獨(dú)采用溶菌酶酶解菌體，由表4可見，作用時(shí)間6 h和7 h效果較好且差別較小，為提高生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中，維持時(shí)間采用6 h。

表4　溶菌酶酶解時(shí)間對(duì)高透明黃原膠產(chǎn)品透光的影響

如表5所示，隨著溶菌酶添加量的增加，高透明黃原膠產(chǎn)品透光率逐步增加，但添加量超過65萬U/m3時(shí)，透光率提升效果不明顯。為節(jié)約成本，按照65萬U/m3添加。

2.3鈣鹽及雙酶法提取高透明黃原膠整體實(shí)驗(yàn)

按照上述取得的最佳條件，向發(fā)酵液中添加5 kg/m3的CaCl2，在發(fā)酵液溫度65℃，pH 5.5的條件下添加蛋白酶30萬U/m3，酶解3 h；在發(fā)酵液溫度40℃，pH 9.5的條件下，添加溶菌酶65萬U/m3并維持6 h，酶解全部完成后滅酶醇提。重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5　溶菌酶加量對(duì)高透明黃原膠產(chǎn)品透光的影響

表6　鈣鹽及雙酶法提取高透明黃原膠產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，鈣鹽及雙酶法提取高透明黃原膠工藝平均收率達(dá)到86.11%，產(chǎn)品平均透光率達(dá)到91%，較傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品收率和透光率均有大幅度提升。

3　結(jié)論

鹽式雙酶法提取高透明黃原膠，產(chǎn)品平均收率達(dá)到86.11%，透光率平均達(dá)到91%。較傳統(tǒng)工藝收率提高了5.96%，透光率提高了11.97%，產(chǎn)品收率及品質(zhì)提升十分明顯。同時(shí)因新工藝使用鈣鹽取代氫氧化鈉，不僅降低了原材料和能源的消耗，提高了提取收率，同時(shí)也減輕了后續(xù)環(huán)保處理壓力。

因此，鹽式雙酶法提取新工藝的大力推廣，必將促進(jìn)高透明黃原膠乃至微生物多糖行業(yè)的迅速發(fā)展。采用新技術(shù)生產(chǎn)的高透明黃原膠產(chǎn)品，因其品質(zhì)的大幅度提升必將在醫(yī)藥、化妝品、食品、三次采油等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)該工藝的推廣將對(duì)生物高分子材料和高粘度生物發(fā)酵行業(yè)的進(jìn)步及行業(yè)整體技術(shù)水平、競(jìng)爭(zhēng)能力和系統(tǒng)創(chuàng)新能力的提高具有積極推動(dòng)作用。

［1］莫錫榮，吳慧雄.薄層蒸發(fā)干燥法提取黃原膠的初步研究［C］.第三屆全國農(nóng)副產(chǎn)品綜合利用化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì).1989.

［2］張國英，羅國華，秦彩云，等.黃原膠的發(fā)酵生產(chǎn)與提純［J］.現(xiàn)代化工，2000，20（12）：32-34.

［3］LO Y M，YANG S T，MIN D B.Ultrafiltration of xanthan gum fermentation broth：Process and economic analyses［J］.Journal of Food Engineering，1997，31（2）：219-236.

［4］LO Y M，YANG S T，MIN D B.Kinetic and feasibility studies of ultrafiltration of viscous xanthan gum fermentation broth［J］. Journal of Membrane Science，1996，117（1-2）：237-249.

［5］刁虎欣，趙大健，鄒翔，等.食品級(jí)黃原膠酶法脫蛋白及其主要性能的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1989，15（5）：47-52.

［6］劉清泉，童靜蘋，張恒義，等.食品級(jí)黃原膠的研制及應(yīng)用［J］.山東食品與發(fā)酵，1990（4）：1-13.

［7］徐世艾.黃原膠的制備［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2000，26（5）：56-61.

（責(zé)任編輯：朱小惠）

Purification of high transparent xanthan gum from fermentation broth

ZHAO Lankun2，Zhu Xinshuang1，WANG Juncheng1，ZHOU Jing1，DU Peng1
（1.Inner Mongolia Fufeng Biological Technology Co.，Ltd.，Hohhot 010070，China；2.Shandong Fufeng Fermentation Co.，Ltd.，Junan 276600，China）

Due to large volume of waste water discharge，ethanol consumption and low viscosity of xanthan gumwhen the fermentation broth was treated by NaOH，a new CaCl2pretreatment method was developed.To solve low ultrafiltration efficiency of high viscosity liquid and high equipment investment，couple enzymatic hydrolysis method was also employed to remove insoluble substances in fermentation broth and the purity，transmittance and viscosity of final product were improved. The new technology could effectively reduce the consumption of acid，base and ethanol，relieve the pressure of environmental protection facilities.The yield and transmittance of product reached 86.11%and 91%in average，which was increased by 5.96%and 11.97%compared with the traditional process，respectively.

xanthan gum；enzymatic hydrolysis；purification

TQ929

A

1674-2214（2015）03-0043-04

2015-06-26

趙蘭坤（1975—），男，山東臨沂人，工程師，山東阜豐發(fā)酵有限公司總經(jīng)理，研究方向?yàn)樯锇l(fā)酵，E-mail：fufengyf@163.com.