黄原胶的生产和应用

黄原胶的生产和应用

1 前言

黄原胶(Xanthangum),又称黄胶、汉生胶、黄单细胞多糖,是野油菜黄单孢杆菌(Xanthomonascampestris)以碳水化合物为主要原料,经发酵工程生产的一种作用广泛的微生物胞外多糖,简称XC。

黄原胶是50年代美国农业部北部地区研究所(NRRL)首先发现。普通商品黄原胶是含有K、Na、Ca等盐的混合物,其它类型有:脱乙酰胺的黄原胶、丙酮酸232黄原胶和与铬盐交联的高触变性黄原胶等。它具有如下特性:在热水和冷水中有很好的溶解性;有良好的增粘性和悬浮能力,在低浓度下具有较高的粘度;有很高的稳定性,耐酸碱、高盐环境,抗高温、低温冷冻,易生物降解,抗污染能力强,在-4~93e范围内反复加热、冷冻,其粘度基本不变;可同多种物质(酸、碱、盐、表面活性剂、生物胶等)互配,具有令人满意的兼容性;有良好的触变性(剪切稀释能力)和假塑性(恢复能力);有良好的分散作用、乳化稳定作用。黄原胶和刺槐豆胶、瓜尔豆胶等半乳甘露聚糖配合使用时有极为显著的协同增效作用,可显著提高粘度和耐盐稳定性,达到用量少、成本低和提高使用效果的目的。

黄原胶可广泛用于食品、石油、陶瓷、纺织、印染、医药、造纸、地矿、灭火、涂料、牙膏、化妆品等20多个行业。近年来,世界黄原胶生产国家经过不断的技术改造,其生产能力已达5万余t/a,工业级黄原胶价格在3.5万~4.5万元/t范围内波动,食品级则根据质量、供需双方情况波动幅度更大,为5万~10万元/t,从外国进口的工业级黄原胶约为6万~7万元/t,食品级则为15万元/t左右,可见黄原胶的市场广阔,前景看好,是目前世界上生产规模最大且用途极为广泛的微生物多糖。

2 黄原胶的生产

2.1 培养基

黄单孢杆菌产生黄原胶常用的培养基是:以葡萄糖、蔗糖或淀粉等为碳源,以蛋白质、鱼粉、豆粉或硝酸盐为氮源,加KH2PO4、MgSO4、CaCO3等无机盐和Fe2+、Mn2+、Zn2+等微量元素,以及生成促进剂谷氨酸、柠檬酸等。

2.2 生产工艺

黄原胶的生产包括发酵和提取两部分。发酵工艺有连续法和间歇法,但真正工业化的是间歇法。实际过程是:种子培养、种子扩大和发酵。黄单孢杆菌在生长过程中吸收氧气,放出二氧化碳。其生长温度为2~35e,40e黄单孢杆菌就停止生长。提取工艺包括

(1)发酵液处理。经离心法、过滤法、酶处理法、次氯酸盐氧化法、过滤及超滤浓缩法预处理除去菌体细胞和各种不溶性杂质,使黄原胶中不再含活性的菌体细胞、影响产品质量的不溶性杂质和色素等,并对发酵液进行浓缩。

(2)沉淀反应:用钙盐、铝盐、季铵盐或酸沉淀法制取工业级精制品;用有机溶剂沉淀法制取食品级精制品。

(3)过滤沉淀物并进行洗涤。

(4)干燥、粉碎、筛分、成品包装。

2.2.1 工业级黄原胶的生产

工业级黄原胶的提取方法一般是先将发酵液进行灭菌处理,杀死活菌细胞,直接经喷雾干燥或滚筒干燥而制得,但这种方法因发酵液含水量太高而消耗大量的能量,产品纯度较低,且成品颜色较深,成本较高;另一种方法是用钙盐、铵盐等沉淀黄原胶,见图1。

因其产品附加值低,市场用受到限制,因此国内一般发展食品级黄原胶。

2.2.2 食品级黄原胶的生产

食品级黄原胶的提取方法,一般用醇作为沉淀剂,常用的有甲醇、异丙醇、乙醇等低级醇。由于后提取选用乙醇,成本高,生产和应用受到限制。非醇法生产黄原胶有效地解决了这一问题。其工艺流程为:菌种在种子罐内经分级培养后,接种到发酵罐中,在30e条件下,通气、搅拌,发酵时为48~60h,放罐后用稀盐酸调pH值为2,黄原胶即沉淀下来,经脱水干燥后得淡黄色成品。但此方法对提取设备及管道提出了苛刻的要求,同时需对含盐酸废水进行处理。因此,国内食品级对黄原胶生产中,沉淀剂的选择仍是有待解决的问题。

3 黄原胶的应用

3.1 黄原胶在食品工业中的应用

黄原胶在食品工业中主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂和稳定剂,在某些苛刻条例下(如pH值为3~9,温度80~130e),它的性能能基本稳定,明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。在食品工业中把它应用于奶制品,如奶酪、果奶饮料、冰淇淋、酸奶等中,可起到改善品质、增加稳定性、易香味释放、口感细腻清爽的作用;用于果汁饮料时能保持液体均匀、不分层;加入啤酒,产泡丰富;在沙拉调汁中加入黄原胶,乳化稳定可达一年以上;点心馅中加入黄原胶因其假塑性而大大方便了加工过程,使产品不发生胶体脱水收缩现象,保持松软润口。许多食品添加剂不耐高温,使其消毒成了大问题,而黄原胶没有这种缺陷。在一些副食品加工时,用黄原胶水溶液预处理后对成品的失水起着特殊的保护作用,能达到保湿保鲜效果。

3.2 黄原胶在石油工业中的应用

黄原胶用于油田开发方面较之聚丙烯酰胺、CMC(羧甲基纤维素)、变性淀粉及一些植物多糖(如瓜尔胶、四菁胶等)有明显的技术优势,它的增粘、增稠、抗盐、抗污染能力较强。尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井,防止井喷等有明显作用,低浓度的黄原胶水溶液就可保持水基井液的粘度、使钻井液有好的悬浮性能,这可防止井壁坍塌、抑制地层井喷、便于将切削下的碎石排出井外,其性能远好于聚丙烯酰胺;黄原胶的假塑使处于钻头附近的黄原胶液由于高速旋转引起的强剪切而表现出极低的粘度,具有低磨阻特性,有利于节省能耗;由于黄原胶的抗盐性、耐高温性,黄原胶液用于三次采油的流变控制液可提高10%以上的采收率。目前国外约有30%~40%的黄原胶用于钻井泥浆和三次采油。

3.3 黄原胶在其它工业中的应用

黄原胶在其它行业中也有广大的市场,用它作为釉浆悬浮剂和粘结剂,被称为陶瓷工业的重大技术革新,并解决了烧制各种异型陶瓷的技术难题。用黄原胶作原料生产的凝胶泡沫灭火剂,已用于森林扑火、有机溶剂及其它化学品的灭火中。黄原胶能用作灭虫剂、肥料的悬浮剂。在喷洒期间能很好的控制其漂流和粘附,延长有效期,是农用化学物质的良好稳定剂。黄原胶可作为水基油墨和乳化油墨的悬浮剂和稳定剂,控制水的渗透性和失水而保持均匀的光泽。黄原胶还可用于胶体炸药、水溶性涂料、工业擦亮剂、除锈剂、湿法冶金的增稠剂,药物、化妆品的润滑剂,牙膏增稠剂,印染工业的载色剂等。