食品制造中的细菌及其应用（5）

1.5    黄原胶
1.5.1    概况
黄原胶(Xamthan Gum)别名汉生胶，又称黄单胞多糖，是国际上70年代发展起来的新型发酵产品。它是由甘兰黑腐病黄单胞细菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物为主要原料，经通风发酵、分离提纯后得到的一种微生物高分子酸性胞外杂多糖。其作为新型优良的天然食品添加剂用途越来越广泛。
    国际上，黄原胶开发及应用最早的是美国。美国农业部北方地区Peoria实验室于60年代初首先用微生物发酵法获得黄原胶。1964年，美国Merck公司Keco分部在世界上首先实现了黄原胶的工业化生产。1979年世界黄原胶总产量为2000t，1990年达4000t以上。在美国，黄原胶年产值约为5亿美元，仅次于抗生素和溶剂的年产值，在发酵产品中居第3位。
我国对黄原胶的研究起步较晚，进行开发研究的单位，如南开大学、中科院微生物研究所、山东食品发酵研究所等，均已通过中试鉴定。目前全国有烟台、金湖、五连等数家黄原胶生产厂，年产在200t左右，主要用作食品添加剂。我国生产黄原胶的淀粉用量一般在5%左右，发酵周期为72~96h，产胶能力30~40g/L，与国外比较，生产水平较低。随着黄原胶生产和应用范围的进一步发展，目前北京、四川、郑州、苏州、山东等地都有黄原胶生产新厂建成，预示着我国的黄原胶生产将呈现一个新的局面。
1.5.2    黄原胶的分子结构及其性质
1） 黄原胶的分子组成
    黄原胶是以5分子糖为一单元，由与此相同的单元聚合而成的高分子多糖物质。每一单元由2分子葡萄糖，2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸组成。其主链由β-葡萄糖通过1，4-糖苷键相连而成的2分子葡萄糖为单元，其结构与纤维素结构相同，相间在葡萄糖的C3上连有2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸构成侧链。在侧链上有丙酮酸及竣酸侧基。因其侧链含酸性基团，在水溶液中呈多聚阴离子，构成黄原胶的三级立体结构：带阴离子的侧链缠绕主链形成螺旋结构，分子间靠氢键形成双股螺旋，而双股螺旋结构间又是靠微弱的非共价键维系，形成规则的"超级接合带状的螺旋聚合体”。
2） 黄原胶的性质
①典型的流变特性
    随着剪切速率增加，因胶状网络遭到破坏，导致粘度降低，胶液变稀，但一旦剪切力消失，粘度又可恢复，因而使黄原胶具有良好的泵送和加工性能。利用这种特性在需要添加增稠剂的液体中加入黄原胶，不仅液体在输送过程中容易流动，而且静止后又能恢复到所需要的粘度，因此被广泛应用于饮料行业。
②  低浓度时的高粘性
    含2%~3%黄原胶的液体，其粘度高达3~7Pa.s。黄原胶的高粘性使其具有广阔的应用前景，但同时又给生产上的后处理带来麻烦。
③  耐热性
    黄原胶在相当宽的温度范围内(-98~90℃)粘度几乎无变化。黄原胶即使在130℃的高温下保持36min后冷却，溶液的粘度也无明显变化。在经多次冷冻-融化循环后，胶液的粘度并不发生改变。在高温条件下若添加少量电解质如0。5%NaCI，可稳定胶液的粘度。
④  耐酸、碱性
    黄原胶水溶液的粘度几乎与pH值无关。这一独特性质是其他增稠剂如竣甲基纤维素(CMC)等所不具备的。
⑤相容性及溶解性
    黄原胶可与绝大部分的常用食品增稠剂溶液溶混，特别是与藻酸盐类、淀粉、卡拉胶、瓜胶溶混后，溶液的粘度以叠加的形式增加。
    黄原胶易溶于水，不溶于醇、酮等极性溶剂。在非常广的温度、pH和盐浓度范围内，黄原胶很容易溶解于水中，其水溶液可在室温下配制，搅动时应尽可能减少空气混人。如果将黄原胶预先与一些干物质如盐、糖、味精等混匀，然后用少量水湿润，最后加水搅拌，这样配制出的胶液其性能更好。
⑥ 分散性及保水性
    黄原胶是食品添加剂中优良的悬浮剂和乳化稳定剂。黄原胶对食品具有良好的保水、保鲜作用。
1.5.3    黄原胶的生产
1） 工艺流程
    菌种的扩培→发酵原料配比→发酵→发酵条件控制→分离→提纯→干燥
2）  菌种
    黄原胶生产有广泛的微生物来源，黄单胞菌属的许多种类菌株都能产生黄原胶。目前，国内外用于生产黄原胶的菌种大多是从甘兰黑腐病病株上分离到的甘兰黑腐病黄单胞菌，也称野油菜黄单胞菌。另外生产黄原胶的菌种还有菜豆黄单胞菌(X. phaseoli)、锦葵黄单胞菌(X. Malvacearum)和胡萝卜黄单胞菌(X. carotae)等。我国目前已开发出的菌株有南开-01、山大-152、008、L4和L5。这些菌株一般呈杆状，革兰氏染色阴性，产荚膜。在琼脂培养基平板上可形成黄色粘稠菌落，液体培养可形成粘稠的胶状物。
3）  发酵培养基
    黄原胶发酵培养基的碳源一般是糖类、淀粉等碳水化合物。在黄单胞菌菌体内酶的作用下，1、6-糖苷键被打开，形成直链多糖，经进一步转化，最终变成产物黄原胶。氮源一般以鱼粉和豆饼粉为主。另外，还添加一些微量无机盐，如铁、锰、锌等的盐类。特别是轻质碳酸钙以及NaH2PO4和MgSO4，它们对黄原胶的合成有明显的促进作用。
例如南开大学的南开-01菌种所使用的摇瓶发酵培养基如下：玉米淀粉4%，鱼粉蛋白胨0.5%，轻质碳酸钙0.3%，自来水配制，pH7.0。在大罐生产中将鱼粉蛋白胨改成鱼粉直接配料，其他原料不变。国外用作黄原胶发酵的碳源多数是葡萄糖。
4）  发酵
①摇瓶发酵
    摇瓶发酵条件：接种量1%~5%，旋转式摇床转速220r/min，培养温度28℃，发酵72h左右。发酵结束，黄原胶产酸能力为20~30g/L，对碳源的转化率在60%~70%。
② 工业化生产
    接种量为5%~8%。由于培养基的高粘度，黄原胶生产属高需氧量发酵，需大通风量，一般为1~0.6m3/（m3min)。发酵温度为25~28℃。碳源的起始浓度一般在2%~5%。
    黄原胶的收率取决于碳、氮源的种类和发酵条件。目前收率一般在起始糖量的40%~75%。黄单胞菌容易利用有机氮源，而不易利用无机氮源。有机氮源包括鱼粉蛋白胨、大豆蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、谷糠等。其中以鱼粉蛋白胨为最佳，它对产物的生成有明显的促进作用，一般使用量为0.4%~0.6%。在氮源浓度较低时，随氮源浓度的提高，细胞浓度也增加，黄原胶的合成速率加快，黄原胶得率也相应提高。起始氮源在中等浓度时，细胞浓度和黄原胶的合成速率均有提高，发酵时间被缩短，但黄原胶的得率却降低，这是因为细胞生长过快，使用于细胞生长及维持细胞生命的糖量增加，用于合成黄原胶的糖反而减少，导致黄原胶得率下降。如果采用发酵后期流加糖的方法，使糖浓度始终维持在一定的水平，那么，由于补加的糖只用于细胞维持生命及合成黄原胶，而没有生长的消耗，从而得率就可比间歇发酵有较大提高。若起始氮源的浓度再提高，虽然细胞浓度有所增加，但黄原胶得率及合成速率却降低了。其主要原因是"氧限制"，高浓度细胞随着发酵的进行，发酵液粘度不断增大，体积传质系数降低，造成氧供应能力逐渐下降，合成速率变慢，得率降低。
    黄原胶发酵培养基的起始pH值一般控制在6.5~7.0，这有利于初期的细胞生长和后期的黄原胶合成。
5） 黄原胶的分离提取
    黄原胶通常由玉米淀粉辅以氮源及微量元素经微生物发酵后制得。发酵醪中除含黄原胶(3%左右)外，还有菌丝体、未消耗完的碳水化合物、无机盐及大量的液体。其中菌丝体等固形物占20%，水溶性无机盐占10%。如果菌丝体等固形物混杂在黄原胶成品中，会造成产品的色泽差、味臭，从而限制了黄原胶的使用范围。因此黄原胶的分离提取，其目的在于按产品质量规格的要求将发酵醪中的杂质不同程度地除去，通过纯化、分离、浓缩和干燥等手段获得成品。黄原胶成品分食品级、工业级和工业粗制品3种。
① 溶剂沉淀法
    先将发酵液用6mol/LHCI酸化，然后加入工业酒精使黄原胶沉淀。过滤后沉淀物先后用工业酒精和10%KOH洗涤，过滤，沉淀物干燥后进行粉碎，经过筛制得成品。本法由于直接用HCl和工业酒精进行酸化沉淀，没有去除掉菌体，因此仅能制得工业级黄原胶。
    为了制得食品级黄原胶，在上面的方法基础上增加了离心除菌体和多次用酒精进行沉淀、洗涤的操作，从而提高了成品的纯度。
溶剂沉淀法工艺简单，产品质量高，大型化生产技术成熟，是目前国内采用的主要生产方法，但该方法溶剂用量大，需设置溶剂回收设备，投资较大，生产成本高。本法提取收率在97.7%。

②  钙盐-工业酒精沉淀法
    在酸性条件下，黄原胶与氯化钙形成黄原胶钙凝胶状沉淀；加入酸性酒精脱去钙离子，使成短絮状沉淀；过滤，在沉淀中加人酒精并用氢氧化钾溶液调节pH值。
③ 絮凝法
    絮凝剂与黄原胶作用产生絮状沉淀，然后将沉淀物脱水，得到固型物含量为25%左右的湿滤饼；用多糖的非溶剂在适当条件下洗提上述湿滤饼，使其变为水溶性多糖。然后过滤，将水溶性滤饼干燥；经粉碎、筛分后得到合格的黄原胶成品。
④  直接干燥法
    本法采用滚筒干燥或喷雾干燥等方法，直接将发酵液进行干燥，从而制成工业粗制品级的黄原胶。该方法因为没有分离提纯工序，所以成品质量差，限于对黄原胶质量要求不高的场合使用，有利于降低产品成本。
⑤  超滤脱盐法
    本法采用近代分离技术，对高分子的黄原胶与小分子的无机盐和水进行超滤分离，将黄原胶发酵液浓缩至2.5%~5%，而无机盐浓度从10%降低至0.5%~1%，然后再进行喷雾干燥。本法与直接干燥法相比，产品质量有所提高，达到工业精制品等级。
⑥ 酶处理-超滤浓缩法
    本法用酶处理发酵液，将蛋白质水解，从而使发酵液变得澄清，简化了离心过滤这一步工序。本法使用的酶包括碱性蛋白酶，酸性或中性蛋白酶，或用复合酶共同进行作用。用酶处理后，不但发酵液澄清度提高，而且氮含量降低，过滤性能得到改善，在微孔过滤中过滤速度可提高3~20倍，成品质量也有提高。
综上所述，黄原胶的分离提取方法很多，但在应用上都受到各自条件、特点的制约。比较而言，采用超滤浓缩纯化发酵液的方法是比较理想的选择。
6） 黄原胶的干燥
为了便于保藏和运输，一般都将黄原胶制成干品。黄原胶的干燥有不同的处理方法：真空干燥、滚筒干燥、喷雾干燥、流化床干燥以及气流干燥。由于黄原胶是热敏性物质，不能承受长时间的高温处理，因此使用喷雾干燥法会使黄原胶的溶解性变差。滚筒干燥虽然热效率较高，但机械结构较复杂，用于大型工业化生产目前还难实现。带有惰性球的流化床干燥，因兼有强化传热传质以及研磨粉碎的功能，物料滞留时间也较短，所以适合像黄原胶那样的热敏性粘稠物料进行干燥。

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