淺談化學教學中黃原膠的制備

摘要：黃原膠發酵生產過程中，使用淀粉作為碳源優于其他碳源。用硅藻土過濾法比較經濟，酶降解法更明顯地提高了黃原膠的質量。超濾處理可將黃原膠發酵液中多糖質量分數由原來的2％濃縮到8％以上，節省乙醇用量，降低成本。用乙醇沉淀濃縮后的黃原膠發酵液，產品的純度和收率均較高。

關鍵詞：黃原膠；發酵；超濾

在化學教學中，黃原膠是用黃單胞菌經微生物發酵制取的生物細胞外粘多糖，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，可廣泛應用于食品、石油、陶瓷、紡織、印染、醫藥、造紙、地礦、滅火、涂料、化妝品等20多個行業，用微生物發酵的方法生產黃原膠在國內外有著廣泛的前景，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，加之發酵液中黃原膠的含量很低(質量分數只有1％～5％)，傳統的分離方法非常浪費能源和材科。本文探討了影響黃原膠產量的一系列因素，得出了黃原膠發酵的最佳條件和提純及分離的技術。

一、 材料與方法

1. 菌種

野生油萊黃單胞菌

(Xanthomonas Campestris)

2. 種子培養基

3. 發酵培養基

4. 發酵條件

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

(2) pH值。pH對發酵液黏度的影響見表2。

黃原膠發酵周期為48～56h，24h前主要是菌體生長，24h以后進入產膠期，36h左右產膠達到高峰。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。產膠時pH值不斷下降會抑制糖基載體的活性，從而影響產膠。當pH值降到5.4后，產膠完全停止。因此，發酵過程中必須保持pH中性。

(3) 消泡劑。發酵中后期，隨黃原膠生產發酵液黏度增大，代謝產生的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。若泡沫溢出發酵罐，還會導致染菌。消泡劑對發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

從發酵罐取出的發酵液尚含有質量分數為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、高雜質和產品濃度低的特點給后提取過程造成極大的困難，使得去除雜質、脫水、產品精制在總成本中占了相當大的比例，后處理技術直接影響產品的產量。

酵液性質不穩定，易隨時間發生變化，如受空氣氧化、微生物污染等。分離過程很容易發生因pH、離子強度、溫度等變化，造成產物的失活。根據上述特點，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會，優化提純和分離工藝路線。

1. 黃原膠的提純

發酵液中，黃原膠的含量很低，質量分數一般在2％～5％，還含有不溶性固體懸浮物、可溶性有機物和無機離子。精制和提純黃原膠發酵液的常規方法是通過離心分離或抽濾，把不溶物質從發酵液中分離出來。由于發酵液黏度很大，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：硅藻土過濾法和酶降解法。

(1) 硅藻土過濾法。因為硅藻土有較小的顆粒度，表面呈多孔狀，極易吸附溶液中較小的固體顆粒，經過濾處理，就能使菌體雜質與硅藻土一起除去。為驗證其加入量對膠產量的影響，取5份等量的發酵液試樣200mL，分別加入硅藻土(若產品的濃度較高，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，發酵液黏度出現了一個峰值，硅藻土使用的最佳質量濃度為15g／L。

(2) 酶降解法。酶降解法是一種新型的凈化黃原膠發酵蔽的方法。首先熱處理殺死發酵液中的菌體，然后用蛋白酶和溶菌酶分別處理。將含有黃原膠和細胞殘體的發酵液在堿性條件下，升溫55℃殺死菌體。然后調節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℃，調節pH至7.0，加入溶菌酶，繼續攪拌處理。黏度測定如表5。

使用蛋白酶和溶菌酶對發酵液進行降解，可除去菌體殘骸等蛋白質不溶物。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、離心分離這些復雜的步驟，最重要的是能提高產品的黏度。

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

2. 黃原膠的分離

發酵液中黃原膠質量分數為2％～5％的發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酵液加熱到30℃，加入到超濾設備進行超濾。經超濾處理后，濃縮液中多糖質量分數由原來的2％～3％提高到8％～10％。后提取過程中可以節省大量酒精，降低了產品的成本。

(2) 乙醇提取。黃原膠產品的提取采用有機溶劑沉淀法(醇析法)，常用乙醇。

乙醇法是在發酵液中加一定量的鹽酸調節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、結論

1. 黃原膠發酵生產過程中，使用淀粉作為碳源優于其他碳源。

2. 發酵過程維持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，發酵黏度大。

3. 采用過濾法或酶降解法能達到一定的提純目的，用硅藻土過濾法比較經濟，酶降解法更明顯地提高了黃原膠的質量。

4. 超濾處理可將黃原膠發酵液中多糖質量分數由原來的2％濃縮到8％以上，大大節省黃原膠提取過程中的乙醇用量，降低生產成本。

(5)用乙醇和沉淀濃縮后的黃原膠發酵液，產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，還需進一步研究和探索。

參考文獻：

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（江蘇食品職業技術學院）