黄原胶的发酵和提取
牛佐朕
（组别：周三组指导教师：魏东盛日期：2014.11.19）
[摘要]:利用野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）可以产生胞外荚膜多糖的性质，通过种子培养基的培养，种子培养基提取液接种到发酵培养基培养72h,并用乙醇提纯制得黄原胶，求得多糖产率，了解微生物多糖在工业上的制法以及用途。
[关键词] 黄原胶，发酵，提纯
正文：
1.前言：
黄原胶应用范围很广，目前世界上食品工业应用占60％，石油及其它工业占40％。黄原胶在食品工业中是理想的增稠剂、乳化剂、成型剂，在某些苟刻条件下(如pH3— 9，温度80—130℃)，它的性能基本稳定，比明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。黄原胶另一个大市场是石油工业，黄原胶在增粘、增稠、抗盐、抗污染能力远比其它聚台物强，尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井，黄原胶用于泥浆处理、完井液和三次采油等方面效果显著，对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷、大幅度提高采油率等方面都有明显的作用。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。对于具有如此重要作用的黄原胶，我国黄原胶的还存在许多影响和制约因素。本文着重阐述了黄原胶对于食品的应用、黄原胶的生产工艺及黄原胶生产工艺中影响因素的控制。
多糖是多个单糖分子经脱水缩合形成的结构复杂、高分子量的糖类物质，广泛分布与自然界中。多糖也出现在微生物中——G+和G-细胞壁的主要成分肽聚糖就是细菌的细胞质合成运送至细胞膜外，构成细胞壁的多糖物质。
黄原胶是用黄单孢菌经微生物发酵制取的生物细胞外粘多糖,具有良好的增粘性、假塑性、耐酸碱性和抗高温性,能耐高浓度盐,具有乳化和均匀悬浮颗粒等性能。用微生物发酵的方法生产黄原胶在国内外有着广泛的前景,并且越来越引起人们的重视。
2.材料和方法
2.1材料
2.1.1菌种：
野油菜黄单胞菌
2.1.2培养基
斜面保藏培养基：牛肉膏蛋白胨琼脂斜面。
种子培养基：
成分蔗糖鱼蛋白胨牛肉粉蒸馏水pH=7.0
用量20g 5g 3g 1000ml 发酵培养基：
成分蔗糖鱼蛋白胨牛肉粉碳酸钙自来水pH=7.5
用量40g 5g 3g 3g 1000ml
2.1.3用具：
三角烧瓶（250ml），烧杯（500ml），培养皿，玻璃棒，药匙，尼龙纱布，
天平，微量取样器，枪头，旋转式摇床，烘箱
2.1.4试剂：
95%乙醇
2.2实验方法：
2.2.1接种及种子培养
以无菌操作挑取斜面菌苔移接至种子培养基，28℃，220r/min旋转摇瓶振荡
20h；
2.2.2发酵培养
以无菌操作吸取1ml种子液移接至发酵培养基中，接种量为2%，0.1MPa灭菌
20min，28℃，220r/min旋转摇瓶振荡培养72h；
2.2.3黄原胶的提纯
发酵培养结束后，将发酵液转入500ml烧杯中（因发酵液粘稠，需用药匙仔
细刮取，否则可能会减低产量），向其中缓慢加入100ml乙醇，并同时迅速搅拌，
使沉淀析出；使用双层尼龙纱布过滤沉淀，将两组沉淀合并，再次在烧杯中使用
50ml 乙醇洗涤沉淀，并挤压沉淀使乙醇去除；再次使用30ml 乙醇洗涤沉淀，用捏饺子的手势使劲捏沉淀，使乙醇去除；将沉淀在培养皿上铺展开来成薄薄一层；使用烘箱70℃烘烤沉淀，并在烘烤30min 时打开烘箱是酒精逸散；烘烤数小时后，取出沉淀，称量并计算产率。
3.结果与讨论
3.1实验结果：
黄原胶重量 0.78g 产率= ）发酵液体积（）黄原胶质量（ml g =100ml
50g 78.0 =1.56% 3.2讨论与分析： 3.2.1配置培养基时由于碳酸钙不溶，所以最后加入碳酸钙，其作用是提高黄原胶的产量，并增加发酵液的黏度。这是因为在黄原胶发酵生产的过程中会产生丙酮酸等酸性物质，使发酵培养基呈酸性，不利于菌种的生长繁殖和黄原胶的生成碳酸钙起到中和缓冲的作用。
3.2.2在黄原胶的发酵过程中，pH 值、温度、接种量、转速等因素影响着黄原胶的发酵。进来许多研究表明：黄单胞菌的最适生长温度是24-27℃，最适产黄原胶的温度为30-33℃，因此，采用分段控制温度为宜，在发酵产胶期将发酵温度由27℃调整到32℃，有利于细胞生长和产黄原胶；发酵过程中pH 控制在
6.5-
7.5，最适pH 为7.0，pH 控制要严格，最好控制pH 为7.0±0.5，否则会影响黄原胶发酵产率和质量；黄原胶的接种量一般为发酵液的7.5%（体积分数）左右，接种量的大小与种子液的质量密切相关；转速也可调整至200r ／min 左右为宜。
3.2.3发酵液预处理:预处理方法大致分为三种：第一种是物理处理方法，如采用热处理使菌体细胞及蛋白质等有机残留物变性凝集，通过过滤除去这些杂志；第二种是化学处理方法，如加入盐可絮凝颗粒，硅藻土可吸附杂志颗粒等；第三种是生物化学处理方法，如采用酶法讲解细胞成为可溶性物质或碎片、采用二次发酵除去菌体细胞和残余的有机物等。
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[2]李娟，王君高，杨婷婷.《黄原胶发酵生产培养基优化研究》；中国食品添加剂试验研究.2012(01)148-153
[3]黄成栋、白雪芳、杜昱光；《黄原胶(Xanthan Gum)的特性、生产及应用》；中国科学院大连化学物理研究所大连 1 1602
[4]杨瀑，张学欢，汪智姝，杨秋艳，温皓程，张永奎；《黄原胶发酵及提取工艺的优化研究》；《食品工业》2008年第6期
黄原胶发酵及提取工艺的优化研究 张学欢张永奎 摘要黄原胶(Xanthan Gum)是由黄单胞菌属菌分泌的酸性胞外杂多糖，因其具有良好的稳定性和流变性，因而被广泛用于多种行业。本实验在前人研究成果的基础上，以提高黄原胶的产量为目的，通过单因素实验确定了：在30℃，180r/min的条件下摇床培养72h，初始碳源浓度为6%（蔗糖：淀粉＝1：2），接种量为6%，；提取黄原胶时，加入2%（w/w）的硅藻土，充分震荡10min后离心30min（4000r/min），加入1%（w/v）的KNO3以及3倍体积的混醇（乙醇：异丙醇=3：1）能有效的提高提取率。在10L发酵罐中进行了小试，产胶率为3.21%。 关键词黄原胶；发酵；提取 The optimal control of the xanthan gum production and extraction Abstract:Xanthan Gum(XG) is a kind of acidic extracelluar carbohydrate by Xanthomonas campestris. This polysaccharide is used in many professions due to its characteristic. In order to improve the production rate of XG, the following studies were done. At the condition of 30 and 180r/min, The ℃ proper concentration of the carbon source is 6%,the composition of sucrose and starch is optimum carbon source and the optimum inoculum size is 10%. For the conditions of extraction XG, adding diatomite of 2%, agitation for 10 min, centrifugalization for 30min(4000r/min), adding KNO3 of 1% and alcohol for 3 times volume(ethyl alcohol: dimethyl carbinol=3:1) could improve the extraction effectively. Finally, the study in the fermentation tank were done, the viscosity of the final fermentation broth is 9320mPa?s, the production rate is 3.21%. Keywords:Xanthan gum; Fermentation; Extraction 引言 黄原胶(Xanthan gum)是由野油菜黄单胞菌或其它黄单胞菌属的菌株以碳水化合物为主要原料经发酵产生的一种胞外酸性水溶性多糖[1]。因其具有优良的理化性质[2]，从本世纪50年代后期发现以来，到60年代初就开始进行商业性生产。本课题主要是在前人研究的基础上，以提高黄原胶的产量为目的，通过对培养基中碳源的组成，过程参数进行比较实验和控制的研i究，对黄原胶提取过程进行优化，并且通过在小型发酵罐中进行小试，为黄原胶的大规模工业生产提供参考，也为以后类似的研究打下一定基础。 1实验材料 1.1细菌 从龙泉驿区十陵镇菜园中采得十字花科植物油菜病变组织中筛选、诱变、驯化后得到的野油菜黄单胞菌UV。 1.2基础培养基 表1 基础培养基 Table1 Basic medium
黄原胶(Xanthan Gum)的特性、生产及应用 许多微生物都分泌胞外多糖，它们或附着在细胞表面，或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中，这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。这些分泌的多糖结构各异，其中一些有着优良的理化性质，已为人类广泛应用。对于仍不为人类所知的绝大多数多糖，人们试图通过相关的多糖结构问的相互比较，推断出构效关系，从而人为地主动修饰、构造多糖，以满足应用的需要。其中，黄原胶是人类研究最为透彻、商业化应用程度最高的一种。． 1 黄原胶的结构 黄原胶(xanthan gum)是20世纪50年代美国农业部的北方研究室(Northern Re． gional Research Laboratories，NRRL)从野油菜黄单孢菌(Xanthomonas campestris)NRRLB一1459发现了分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。黄原胶由五糖单位重复构成，如图1，主链与纤维素相同，即由以13—1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，分子量一般在2×10。～2×10 D之间。黄原胶除拥有规则的一级结构外，还拥有二级结构，经x一射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子问靠氢键作用而形成规则的螺旋结构。双螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构，这是黄原胶的三级结构，它在水溶液中以液晶形式存 在¨。 2 黄原胶的性质 黄原胶的外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，美国FDA于1969年批准可将其作为不限量的食品添加剂，1980年，欧洲经济共同体也批准将其作为食品乳化剂和稳定剂。由其二级结构决定，黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时也可形成高粘度的、典型的非牛顿溶液，具有明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观粘度迅速降低)。溶液粘度的影响因素还包括溶质浓度、温度(既包括黄原胶的溶解温度，又包括测量 时的溶液温度)、盐浓度、pH值等，现分别简述之。 2．1 温度的影响黄原胶溶液的粘度既受测量时溶液温度的影响，也受溶解温度的影响。如下图2a所示，像大多数溶液一样，(在同平剪切力下测定)黄原胶溶液的粘度随溶液的温度(T )的升高而降低，且此变化过 程在10"C～80T：完全可逆。
黄原胶生产工艺 黄原胶是由D 一葡萄糖、D 一甘露糖、D 一葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成“五糖重复单元”, 结构聚合体, 分子摩尔比为28 : 3 : 2 : 17: 0 .5 1 一0. 63 。黄原胶分子一级结构由p 一1, 4 键连接的D 一葡萄糖基主链与三糖单位侧链组成, 其侧链由D 一甘露糖和D 一葡萄糖醛酸交替连接而成。黄原胶分子侧末端含有丙酮酸, 其含量对黄原胶性能有很大影响, 在不同溶氧条件下发酵所得黄原胶, 其丙酮酸含量有明显差异。一般,溶氧速率小, 其丙酮酸含量低 生产工艺 工艺流程为: 菌种摇瓶扩大培养发酵罐发酵提取干燥粉碎成品包装 1. 1 生产菌株 黄原胶生产菌株为黄单抱菌属几个种, 目前工业化生产用菌株主要是甘蓝黑腐病黄单孢杆菌(亦名野油菜黄单胞菌) , 直杆状,宽0. 4 林n l ~ 0. 7 林m ,有单个鞭毛, 可移动,革兰氏阴性, 好氧。19 61 年Je an e S 等首先从甘蓝黑腐病斑中分离出甘蓝黑腐病黄单抱杆菌, 赵大建等在19 8 6 年也得到编号为N . K 一01 甘蓝黑腐病黄单抱杆菌。此外, 菜豆黄单胞菌、锦葵黄单胞菌和胡萝卜黄单胞菌亦可作为发酵菌种。 1. 2 培养基组成及优化 1.2.1 培养基 固体培养基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，琼脂2g，水100mL。 种子培养基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，水100mL。 发酵培养液：蔗糖5g，蛋白胨0.5g，0.3g，碳酸钙0.3g，磷酸二氢钾0.5g，硫酸镁0.25g，硫酸亚铁0.025g，柠檬酸0.025g，水100mL。 1.3 试验方法 1.3.1 平皿培养 取Φ9cm的培养皿，倒入25mL固体培养基，30℃培养4d~8d。 1.3.2 啤酒糟处理 啤酒糟（取自江苏食品职业技术学院啤酒实训中心）用自来水洗涤2次，烘干
水溶性优良增稠剂-黄原胶 黄原胶是一种微生物多糖，亦称黄单胞多糖，也称汉生胶。黄原胶是国际上新近发展起来的一种新型发酵产品。英文名称为Xanthan Gum商品名有Kelzan（工业级，美国）、Keltrol （食品级，美国）、Xc-Polymer（石油用）等。黄原胶是以淀粉为主要原料，经微生物发酵及一系列生化过程，最终得到的一种生物高聚物。其主要成分为葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸等。分子量达数百万。它具有突出的高粘性和水溶性，独特的流变学特性，优良的温度稳定性和PH稳定性，令人满意的兼容性。 1. 黄原胶的结构 黄原胶分子由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸构成的“五糖重复单元”结构聚合体，分子量在2×106～20×106之间[2]，所含乙酸和丙酮酸的比例取决于菌株和后发酵条件。黄原胶聚合物骨架结构类似于纤维素，但是黄原胶的独特性质在于每隔一个单元上存在的由甘露糖醋酸盐、终端甘露糖单元以及两者之间的一个葡萄糖醛酸盐组成的三糖侧链。侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷。带负电荷的侧链之间以及侧链与聚合物骨架之间的相互作用决定了黄原胶溶液的优良性质。黄原胶高级结构是侧链和主链间通过氢键维系形成螺旋和多重螺旋。黄原胶的二级结构是侧链绕主链骨架反向缠绕，通过氢键维系形成棒状双螺旋结构。黄原胶的三级结构是棒状双螺旋结构间靠微弱的非极性共价键结合形成的螺旋复合体。 在低离子强度或高温溶液中，由于带负电荷侧链间的彼此相互排斥作用，黄原胶链形成一种盘旋结构。然而即使电解质浓度的少量增加也会减少侧链间的静电排斥，使得侧链和氢键盘绕在聚合物骨架上，聚合物链伸展成为相对僵硬的螺旋状杆。随着电解质浓度的增加，这种杆状结构在高温和高浓度的状态下也能稳定存在。在离子强度高于0.15mol/L 时，此结构可维持至100℃而不受影响。 一般水溶性聚合物骨架被化学药品或酶攻击、切断后，会丧失其增稠能力。而在黄原胶溶液中，聚合物骨架周围缠绕的侧链使它免于被攻击，所以黄原胶对化学药品和酶攻击的降解具有良好的抵抗性。 2.黄原胶的性能 黄原胶是一种类白色或浅黄色的粉末,是目前国际上集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体,性能较为优越的生物胶[3]。分子侧链末端含有丙酮酸基团的多少，对其性能有很大影响[4]。黄原胶具有长链高分子的一般性能，但它比一般高分子含有更多的官能团，在特定条件下会显示独特性能。它在水溶液中呈多聚阴离子且构象是多样的，不同条件下表现出不同的特性,具有独特的理化性质。具体表现为： 2.1 悬浮性和乳化性 黄原胶因为具有显著的增加体系粘度和形成弱凝胶结构的特点而经常被使用于食品或其它产品，以提高O/W乳状液的稳定性。但麻建国[5]等的研究发现，只有黄原胶的添加量达到一定量后，才能得到预定的稳定作用。在黄原胶质量分数小于0.001％时，试验体系的稳定性变化不大；质量分数在0.01～0.02％时样品底部富水层出现，但体系无明显分层；质量分数大于0.02％时，乳状液很快分层。只有当质量分数超过0.25％时，黄原胶才能起到提高体系稳定性的作用。 2.2 水溶性 黄原胶在水中能快速溶解，有很好的水溶性。特别是在冷水中也能溶解，可省去繁杂的加热过程，使用方便。 2.3 流变性
黄原胶的发酵和提取 牛佐朕 （组别：周三组指导教师：魏东盛日期：2014.11.19） [摘要]:利用野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）可以产生胞外荚膜多糖的性质，通过种子培养基的培养，种子培养基提取液接种到发酵培养基培养72h,并用乙醇提纯制得黄原胶，求得多糖产率，了解微生物多糖在工业上的制法以及用途。 [关键词] 黄原胶，发酵，提纯 正文： 1.前言： 黄原胶应用范围很广，目前世界上食品工业应用占60％，石油及其它工业占40％。黄原胶在食品工业中是理想的增稠剂、乳化剂、成型剂，在某些苟刻条件下(如pH3— 9，温度80—130℃)，它的性能基本稳定，比明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。黄原胶另一个大市场是石油工业，黄原胶在增粘、增稠、抗盐、抗污染能力远比其它聚台物强，尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井，黄原胶用于泥浆处理、完井液和三次采油等方面效果显著，对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷、大幅度提高采油率等方面都有明显的作用。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。对于具有如此重要作用的黄原胶，我国黄原胶的还存在许多影响和制约因素。本文着重阐述了黄原胶对于食品的应用、黄原胶的生产工艺及黄原胶生产工艺中影响因素的控制。 多糖是多个单糖分子经脱水缩合形成的结构复杂、高分子量的糖类物质，广泛分布与自然界中。多糖也出现在微生物中——G+和G-细胞壁的主要成分肽聚糖就是细菌的细胞质合成运送至细胞膜外，构成细胞壁的多糖物质。 黄原胶是用黄单孢菌经微生物发酵制取的生物细胞外粘多糖,具有良好的增粘性、假塑性、耐酸碱性和抗高温性,能耐高浓度盐,具有乳化和均匀悬浮颗粒等性能。用微生物发酵的方法生产黄原胶在国内外有着广泛的前景,并且越来越引起人们的重视。
第八章发酵动力学 发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。 fermentation kinetics 生化反应工程的基础内容之一，以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控 发酵动力学 制创造条件。 研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。 发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。 它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。 发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。 在发酵中同时存在着菌体生长和产物形成两个过程，它们都需要消耗培养基中的基质，
发酵动力学 因此有各自的动力学表达式，但它们之间是有相互联系的，都是以菌体生长动力学为基础的。所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化 菌体生长可分迟滞、对数、减速、静止、衰退等五个时期。其中菌体的主要生长期是对数期，它的特点是： 随着基质浓度继续下降，菌体的衰老死亡逐步与生长平衡以至超过生长，也即进入静止和衰退期。 发酵动力学 J.莫诺于1949年提出了一个μ与S间的经验关联式，此式被称莫诺方程式： μm为最大比生长速率, 即不因基质浓度变化而改变的最大μ值;Ks为饱和常数，即在数量上相当于μ=0.5μm时的S值。Ks值愈小，说明在低基质浓度范围中，S对μ愈为敏感,而保持μm的临界S值愈低。在一般情况下，当S>10Ks时，μ=μm 当时,μ=(μm/Ks)S。产物的形成常与菌体的生长或浓度有关.α、β为常数 ；qP为比产物形成速率。在限制性基质的消耗和菌体生长间常用下式表示：
2. 添加剂的通用名称、功能分类， 用量和使用范围 一、通用名称 中文名称：黄原胶 英文名称：Xanthan Gum 二、功能分类 稳定剂、增稠剂 三、使用量 最大使用量9 g/kg 说明：欧盟批准的黄原胶在特殊医学用途婴儿及幼儿配方食品中的最大使用量为1.2g/L，按照雅培水解乳蛋白婴儿配方奶粉的标准冲调倍数7.5:1折算，即9 g/kg。 四、使用范围 特殊医学用途婴儿配方食品
3.证明技术上确有必要和使用效果的 资料或者文件
前言 欧洲食品科学委员会（Scientific Committee on Food，SCF）在1997年关于《Opinion on Certain Additives for Use in Foods for Infants and Young Children in Good Health and in Foods for Special Medical Purposes for Infants and Young Children》中指出：“委员会意识到，由于下面原因，相对于批准于正常的婴幼儿食品中的添加剂，特殊医学用途婴幼儿配方食品的性质决定了其需要的添加剂种类可能更广，添加量可能更高。委员会还认识到，由于历史原因，长期以来不同厂商在其特殊医学用途婴幼儿配方食品中开发使用的不同添加剂，可能仍然具有相同的功能……特殊医学用途婴幼儿配方食品包含种类繁多的产品，有液态、粉末状和半固态等多种形态，每一种特定配方有其独特的技术要求。特殊医学用途婴幼儿配方食品一般由“元素”类型（配方含有游离氨基酸，葡萄糖浆或麦芽糊精以及低含量的脂肪）或者“半元素”类型（配方含水解蛋白，麦芽糊精以及脂肪）成分以及维生素、矿物质和微量元素组成。脂肪和淀粉的使用往往也与在正常婴幼儿中使用的不同。” 因此，特殊医学用途婴儿配方食品由于产品配方及工艺的特殊性，其添加剂的使用的的技术要求与正常婴幼儿食品的差别很大。特殊医学用途婴儿配方食品中需要使用那些批准于正常婴幼儿食品的添加剂之外其他添加剂。 1.选择黄原胶作为增稠剂的依据： ?首先，特殊医学用途婴儿配方食品缺少乳化稳定成分，需要添加黄原胶作为增稠剂： a. 维持产品物系稳定，防止冲调复溶后产品中油溶性营养素浮至顶层氧 化，低水溶性成分如膳食纤维的沉淀，以避免营养素摄入不均；
摘要 黄原胶是由甘蓝黑腐黄单胞菌利用碳水化合物产生的一种胞外杂多糖，它具有良好的水溶性、增粘性、假塑性和耐酸碱、耐盐及耐酶解的能力，被广泛应用于食品、石油、印染、纺织等领域。此次毕业设计的题目是年产1000 吨黄原胶发酵工厂设计。为满足生产任务的要求，通过查阅相关的文献书籍，收集黄原胶发酵生产资料，从而设计出经济合理的黄原胶发酵生产路线。随后对工艺流程中所涉及的物料和热量等进行了衡算，同时完成了对主要生产设备和辅助设备的合理选型。另外，绘制出厂区总平面布置图、发酵车间的平面布置图、发酵车间立体布置图、全厂的工艺流程图、发酵罐的结构图和精馏塔的结构图。 关键词：年产1000吨黄原胶；发酵；工厂设计
Abstract Xanthan gum is an anionic extracellular heteropolysaccharide produced by the bacterium Xanthomonas campestris XUB-11.It has good water solubility and viscosity, plasticity and increasing resistance to acid and alkali, salt and enzyme-resistant ability.Xanthan gum is widely used in petroleum, printing and dyeing, food, textile and other fields.The topic of this graduation project is an annual output of 1000 tons of xanthan gum fermentation plant design. To meet the requirements of production task, by reviewing some relevant articles and books, collecting the fermentation production of xanthan gum, thus scheme out the economic rationality of xanthan gum fermentation route. Subsequently to compute material and heat balance involved in the technological process ,and complete a reasonable selection of main production equipment and auxiliary equipment. In addition, draw the layout of the factory, chief fermentation workshop, floor plan, three-dimensional layout of the fermentation plant, whole plant process flow diagram, structure diagram of the fermentation tanks and distillation column chart. Keywords:an annual output of 1000 tons of xanthan gum; fermentation; plant design
产黄原胶发酵培养基的优化工艺研究 杨健，姚笛，王颖，于长青，王长远，高玉荣 （黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319） 摘要：本实验研究不同培养基成分及不同添加量的碳源、氮源等营养物质对黄原胶产量及其黏度的影响。在其他营养物质一定的情况下，利用单因素实验分别对培养基中碳源、氮源、无机盐等进行了初步筛选，得到的最佳碳源是玉米淀粉，氮源是豆饼粉，加入磷盐、镁盐、钙盐等有利于黄单胞菌的生长及其代谢产物-黄原胶的分泌。最后利用正交实验确定了碳源、氮源、碳酸钙的最佳添加量。结果表明：玉米淀粉5%，豆饼粉0.5 %，碳酸钙0.4%时，黄原胶产率可达3.44 %，黏度达19.26 mm2/s。 关键词：黄原胶；发酵；培养基；优化 文章篇号：1673-9078(2011)8-935-937 Optimization of the Fermentation Medium for Producting Xanthan Gum YANG Jian, YAO Di, WANG Ying, YU Chang-qing, WANG Chang-yuan, GAO Yu-rong (College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China) Abstract: The effects of different media composition and different amounts of carbon, nitrogen and other nutrients on the production of xanthan gum and viscosity were studied. The best carbon and nitrogen sources were corn starch and soybean powder, respectively. The addition of phosphate, magnesium and calcium enhanced the growth of Xanthomonas and the secretion of its metabolite-xanthan gum. The addition contents of carbon, nitrogen and CaCO3 were optimized by orthogonal experiment: cornstarch 5%, soybean powder 0.5%, CaCO3 0.4.%, under these conditions, Xanthan gum yield was 3.45 % and viscosity of fermentation broth was 19.26 mm2/s. Key words: xanthan gum;fermentation; culture medium; Optimization; 黄原胶（Xanthan gum）又称黄胶、汉生胶，是一种自然多糖和重要的生物高聚物，它是由五糖单位重复构成，主链与纤维素相同，即以β-1,4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链[1,2]。黄原胶具有良好的增粘性和悬浮能力，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；可同多种物质（酸、碱、盐、表面活性剂、生物胶等）互配，具有令人满意的兼性，并有良好的触变性和假塑性；有良好的分散作用和乳化稳定作用[2]。黄原胶已广泛用于食品、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，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[4~5]。 上世纪50年代中期美国农业部北部研究中心Jeanne等人发现了黄原胶，它的生产菌是野油菜黄单胞杆菌NRRLB-1459，此后研究发现甘蓝黑腐病黄单胞杆菌、锦葵黄单胞杆菌、胡萝卜黄单胞杆菌、木薯萎蔫病黄胞菌、美人蕉枯叶黄单胞杆菌等都能产黄原胶。我国收稿日期：2011-04-20 基金项目：黑龙江省教育厅科技研究项目（11551324） 通讯作者：姚笛（1980-），女，硕士，讲师，研究方向为食品微生物与生物技术 黄原胶研究起步于20世纪70年代末，随着黄原胶工业化生产技术日趋完善，尤其是生物技术的发展使黄原胶的发酵产率、发酵液胶浓度等指标大大提高，发酵周期大大缩短。随着人们对黄原胶功效的深入了解，寻求有利于黄单胞菌生产高产量、高黏度黄原胶的培养基，就显得尤为重要[6]。黄原胶在工业上主要是以淀粉为碳源，以鱼粉、豆饼粉为氮源，由野油菜黄单胞杆菌经好氧深层发酵而得到含黄原胶的发酵液，发酵液可通过酶降解和硅藻土吸附提纯，用超滤技术浓缩提纯发酵液，然后用乙醇析出浓缩液中的黄原胶[7]。 发酵培养基不仅影响黄原胶的产量而且对产物的质量也有一定的作用[8]。本实验目的是确定产黄原胶发酵培养基的最佳碳源、氮源、无机盐等营养因素，然后优化各项营养物质的添加量以达到对产黄原胶发酵培养基的优化，通过小规模的发酵试验，以期达到对黄原胶的大规模工业化生产提供理论参考。 1 材料与方法 1.1 实验材料 1.1.1 菌种 野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris 10258)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。 935
随着人们对活性多糖的研究的不断深入，许多具有高商业价值的多糖物质不断被研究和开发，如透明质酸、黄原胶。黄原胶因具有突出的高粘性和水溶性、独特的流变特性、优良的温度稳定性和pH 稳定性、极好的兼容性以及安全环保等特性已经成为研究和开发的热点，现已广泛应用于石油开采、食品工业、纺织和化妆品等诸多方面。1 黄原胶的分子结构和构象 黄原胶（Xanthan gum ）是由野油菜单胞菌（亦名甘蓝黑腐黄单胞菌）、菜豆黄单胞菌、锦葵黄单胞菌和胡萝卜黄单胞菌等分泌的一种大分子生物多糖。黄原胶是一种水溶性生物多糖，由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的“五糖重复单元”的结构聚合体，具有类似纤维素的一级结构，包括由β-1，4键连接的D-葡萄糖基主链以及含三个糖单位的侧链，侧链由两个D-甘露糖和一个D-葡萄糖醛酸交替连接而成，如图1所示[1]，平均相对分子量在2×106~2×107Da 。黄原胶常以由侧链与主链之间通过氢键结合形成双螺旋结构，并以多重螺旋聚合体的二级结构状态存在，如图2所 示，正是由于这些多螺旋体形成的网络结构，使黄原胶具有良好的控制水的流动性质，因而具有很好的增稠性能[2]。螺旋以非共价键力如氢键、 静电作用力、空间位阻效应保持稳定，黄原胶在水溶液中具有3中构象：天然黄原胶可能具有一个相对较规则的双螺旋结构；经长时间的热处理，黄原胶螺旋链会伸展为无序的卷曲结构；冷却后，螺旋和卷曲链在体系中均有相当程度的存在[3]。 此外，Ca 2+、M g 2+、Ba 2+、K +、Na +等离子通过分子内和分子间的盐桥作用能联结分子链，促进黄原胶向双螺旋状态转变。正是黄原胶复杂的聚集态结构和分子间作用力决定了其溶液在低剪切力、低浓度下具有高粘度和假塑性行为，侧链缠结起来将主链保护起来，使黄原胶溶液具有良好的耐热、 耐酸和耐盐性能，并对酶解也具有良好的稳定性。黄原胶的特性、生产及应用进展 任宏洋1，王新惠2* （1.西南石油大学化学化工学院，四川成都610500；2.长江师范学院生命科学与技术学院，四川重庆 408100） 摘要:黄原胶是Xanthomnas.sp 分泌的胞外水溶性多糖，由于其有突出的高粘性和水溶性、独特的流变特性、优良的温度稳定性和pH 稳定性、极好的兼容性以及安全环保等特性，已被广泛于石油开采、食品工业、纺织和化妆品等诸多行业。主要综述了黄原胶的分子结构、分子特性、生产以及应用的研究进展。关键词：黄原胶；生物多糖；粘度中图分类号：TS2202.3;TQ920.6;TS201.2 文献标识码：B Study on Production,Properties and Development of Xanthan Gum REN Hong-yang 1,WANG Xin-hui 2* (1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan ，China; 2.College of Life Science and Technology,Yangtze Normal University,Chongqing 408100,Sichuan ，China ）Abstract:Xanthan gum is a microbial polysaccharide and an important industrial biopolymer.Xanthan gum is highly slouble in both cold and hot water and xanthan solutions are highly viscous even at low polymer concentration.These properties are useful in many industrial applications,especially in food industry and in oil-extraction operation.This review focuses on various aspects of xanthan gum production,the chemical structure,and the solution properties of xanthan.Key words:Xanthan gum ；M icrobial polysaccharide;Viscosity 收稿日期:2009-11-30 作者简介：任宏洋(1980-),男，博士，主要从事油田废水处理的研究和教学工作。 *通讯作者，王新惠（1982-），女，博士生，主要从事应用微生物和发酵工程的研究和教学工作。 图1 黄原胶一级结构示意图 第37卷第2期2010年03月 酿酒LIQUOR MAKING Vol.37.№.2Mar.，2010 文章编号:1002-8110（2010）02-0017-03 17
黄原胶，它是以碳水化合物为主要原料，用野油菜黄单胞杆菌，经微生物有氧发酵制取的胞外多糖，其水溶液具有独特的流变特性—“剪切稀化”，剪切速率增加,溶液的表观粘度明显下降；剪切速率减小，表观粘度恢复原状，是一种典型的假塑性流体。1961年美国Kelco公司首先采用野油菜黄单胞杆菌 NRRLB-1459开始黄原胶的半工业化生产。其产品主要用于油田的钻井泥桨配制及采油工艺过程。1963年正式工业化生产。1969年食品与药物管理局（FDA）批准黄原胶作为食品添加剂，其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中的应用。1975年黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。1983年联合国世界卫生组织（WHO）和粮农组织（FAO）也批准黄原胶作为食品工业稳定剂、乳化剂、增稠剂。我国黄原胶研究起步于20世纪70年代末，1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并被列入食品添加剂名单。目前，国内大约有45%的黄原胶用于食品加工，40%用于石油工业，15%用于农药、饲料、日化、环保等行业。我国黄原胶50%以上用于出口，国际市场非常广阔，国内市场潜力很大。 黄原胶是人类研究最深、商业化应用程度最高的微生物胞外多糖。由于其独特的剪切稀释性质，良好的增稠性，理想的乳化稳定性，对酸、碱、热、反复冻融的高度稳定性以及对人体的完全无毒害等许多优良的特性，而在食品、石油、医药、日用化工等十几个领域有着极其广泛的应用。超乎寻常的稳定性极大地扩展了黄原胶的应用范围，但同时也引起了一些应用问题。我国黄原胶研究起步晚，但发展迅速。我国黄原胶行业在高速发展同时也受到自身条件的制约。我国黄原胶企业技术不过关，资金缺乏，生产人员素质低，直接影响着我国黄原胶的产品质量与色泽；食品级黄原胶的成本较高，降低成本的关键因素是降低发酵过程中的染菌率，降低电能的消耗，降低乙醇的损失，食品级黄原胶的成本直接影响着食品生产企业的使用；而工业级黄原胶的产品附加值较低，与其它化学助剂相比，价格又偏高，造成我国工业级产品较少企业生产，限制了其在非食品工业的发展。这些因素，阻碍了我国黄原胶行业的发展。 黄原胶(Xanthan Gum)的特性、生产及应用 许多微生物都分泌胞外多糖，它们或附着在细胞表面，或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中，这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。这些分泌的多糖结构各异，其中一些有着优良的理化性质，已为人类广泛应用。对于仍不为人类所知的绝大多数多糖，人们试图通过相关的多糖结构问的相互比较，推断出构效关系，从而人为地主动修饰、构造多糖，以满足应用的需要。其中，黄原胶是人类研究最为透彻、商业化应用程度最高的一种。． 1 黄原胶的结构 黄原胶(xanthan gum)是20世纪50年代美国农业部的北方研究室(Northern Re．gional Research Laboratories，NRRL)从野油菜黄单孢菌(Xanthomonas campestris)NRRLB一1459发现了分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。黄原胶由五糖单位重复构成，如图1，主链与纤维素相同，即由以13—1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基
黄原胶发酵新工艺的制作方法 专利名称黄原胶发酵新工艺的制作方法 技术领域本发明涉及一种黄原胶发酵工艺。 2、背景技术黄原胶(Xanthan gum)是黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)发酵产生的细胞外酸性杂多糖，也称黄单胞多糖。早在1958年，美国Lilly等人已分离得到一株菜豆黄单胞杆菌，可使淀粉转化为水溶性的粘性多糖。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了黄原胶。1961年，美国Kelco公司采用野 油菜黄单胞菌NRRLB-1459开始了黄原胶半工业化生产，主要用于油井的钻井泥浆和采油技术，1963年正式工业化生产，1969年，美国FDA批准黄原胶可用作食品添加剂。其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中应用，1975年， 黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。1983年，联合 国世界卫生组织(WHO)和粮农组织(FAO)也批准黄原胶作为食品工业用稳定剂、乳化剂、增稠剂。由于黄原胶属于生物高新技术领域，目前主要有美国、英国、法国、瑞士等少数几个国家生产。 我国黄原胶的研究和生产起步较晚，70年代后期才开始研究。中科院微生物研究所、山东食品发酵研究所、山东大学、南开大学均于80年代中期分别通过中试鉴定。1985年由张孝
宽设计的烟台微生物多糖厂率先在我国实现了黄原胶的工 业化生产，生产的工业级黄原胶产品的质量与美国同类产品XC-Polymer相当。其主要技术指标—流变性甚至优于美国产品。1986年通过省级鉴定，1988年获国家科技进步奖。之后，我国又有多家企业投资黄原胶项目，由于黄原胶技术密集程度高，工程化难度大，大多没有成功，尤其是发酵生产技术的研究和最终产品的分离提取技术制约了我国黄原 胶工业的发展。2000年10月，由张孝宽设计的黄河龙集团生物二程有限公司建成投产，黄原胶发酵和提取生产线全部实现微机自动控制，通过生产实践检验，黄原胶产品质量及生产成本达到国际先进水平，标志着我国第二代黄原胶生产技术已经成熟。 黄原胶的发酵生产按照操作方式可分为间歇式、流加式、半连续式或连续式。 间歇式生产是将菌种和培养基一次加入发酵罐内进行培养，发酵终了取出整个反应物的生产方法。流加式是指先将一定量的培养液装入发酵罐，随着微生物细胞对营养物质的不断消耗，将新的营养成分不断补充到发酵罐中，到反应终止后，取出整个反应物。半连续式是指在间歇式的基础上，不全部取出反应产物，剩余部分重新补充新的营养成分，再按间歇式操作的方式进行。连续式是指将微生物菌种和培养基连续不断地加入到发酵罐内进行培养，并连续不断地取出发酵产
甘蓝黑腐病黄单抱杆菌在生产黄原胶中的应用 生产菌株： 黄原胶生产菌株为黄单抱菌属几个种, 目前工业化生产用菌株主要是甘蓝黑腐病黄单抱杆菌(X an -th o m o n a s e a l n p e s tri s ,亦名野油菜黄单胞菌),直杆状,宽0. 4 μm~ 0. 7μm ,有单个鞭毛,可移动,革兰氏阴 性, 好氧。 许多微生物都分泌胞外多糖，它们或附着在细胞表面，或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中，这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。这些分泌的多糖结构各异，其中一些有着优良的理化性质，已为人类广泛应用。对于仍不为人类所知的绝大多数多糖，人们试图通过相关的多糖结构问的相互比较，推断出构效关系，从而人为地主动修饰、构造多糖，以满足应用的需要。其中，黄原胶是人类研究最为透彻、商业化应用程度最高的一种。． 1 黄原胶的结构 黄原胶(xanthan gum)是20世纪50年代美国农业部的北方研究室(Northern Re．gional Research Laboratories，NRRL)从野油菜黄单孢菌(Xanthomonas campestris)NRRLB一1459发现了分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。黄原胶由五糖单位重复构成，如图1，主链与纤维素相同，即由以13—1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，分子量一般在2×10。～2×10 D之间。黄原胶除拥有规则的一级结构外，还拥有二级结构，经x一射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子问靠氢键作用而形成规则的螺旋结构。双螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构，这是黄原胶的三级结构， 它在水溶液中以液晶形式存在¨。 2 黄原胶的性质 黄原胶的外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，美国FDA于1969年批准可将其作为不限量的食品添加剂，1980年，欧洲经济共同体也批准将其作为食品乳化剂和稳定剂。由其二级结构决定，黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时也可形成高粘度的、典型的非牛顿溶液，具有明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观粘度迅速降低)。溶液粘度的影响因素还包括溶质浓度、温度(既包括黄原胶的溶解温度，又包括测量时的溶液温度)、盐浓度、pH 值等，现分别简述之。 2．1 温度的影响黄原胶溶液的粘度既受测量时溶液温度的影响，也受溶解温度的影响。如下图2a所示，像大多数溶液一样，(在同平剪切力下测定)黄原胶溶
发酵法在黄原胶生产中的应用 作者：食工0802 陈贝莉 0810100227 指导老师：蒋予箭 摘要：本文对黄原胶作了简单的介绍，指出其在食品工业中的应用。着重讨论了发酵法生产黄原胶，从菌种的选取及保存、发酵工艺、提取工艺三个方面介绍黄原胶的生产工艺，在发酵工艺中着重介绍固体发酵法和两步发酵法，并说明黄原胶发酵工艺的影响因素，使黄原胶生产过程中可以从这几个方面进行工艺优化，提高黄原胶的产量及质量。 关键字：黄原胶、固体发酵法、两步发酵法、影响因素、发酵工艺 正文： 1.前言 黄原胶应用范围很广，目前世界上食品工业应用占60％，石油及其它工业占40％。黄原胶在食品工业中是理想的增稠剂、乳化剂、成型剂，在某些苟刻条件下(如pH3— 9，温度80—130℃)，它的性能基本稳定，比明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。黄原胶另一个大市场是石油工业，黄原胶在增粘、增稠、抗盐、抗污染能力远比其它聚台物强，尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井，黄原胶用于泥浆处理、完井液和三次采油等方面效果显著，对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷、大幅度提高采油率等方面都有明显的作用。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。对于具有如此重要作用的黄原胶，我国黄原胶的还存在许多影响和制约因素。本文着重阐述了黄原胶对于食品的应用、黄原胶的生产工艺及黄原胶生产工艺中影响因素的控制。 2. 黄原胶的特性简介 黄原胶是一种高分子杂多糖，即由以13—1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，分子量一般在2×10^6～50×10^6u之间。