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黄原胶的特性发展现状生产及其应用

发布日期:2014-09-28 22:27:25
黄原胶的特性发展现状生产及其应用研究
黄原胶的特性发展现状生产及其应用
黄原胶的特性发展现状生产及其应用,黄原胶是一种用途广泛的微生物胞外多糖。本文简要先容了其分子结构和理化性质、发展现状、生产 及其在食品工业中的应用。
黄原胶(Xanthan gum),又名汉生胶,是由野油 菜黄单胞杆菌(Xanthomnas campestris)以碳水化 合物为主要原料(如玉米淀粉)经发酵工程生产的 一种作用广泛的微生物胞外多糖^。它具有独特 的流变性,良好的水溶性、对热及酸碱的稳定性、与 多种盐类有很好的相容性,作为増稠剂、悬浮剂、乳 化剂、稳定剂,可广泛应用于食品、石油、医药等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。 
1黄原胶的分子结构和理化性能 1.1黄原胶的分子结构
黄原胶是由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”结构 聚合体,分子比为2. 8: 3: 2 1. 7 0. 51~ 0. 63。黄原 胶分子的一级结构是由0- 1,4键连接的D-葡萄 糖基主链与三糖单位的侧链组成,其侧链由D-甘 露糖和D-葡萄糖醛酸交替连接而成,分子比例为 2 1,三糖侧链由在C- 6位置带有乙酰基的D-甘 露糖以a- 1, 3键与主链连接,在侧链末端的D-甘 露糖残基上以缩醛形式带有丙酮酸(图1)[1,2]。
图1黄原胶的分子结构
黄原胶的分子量在2x 106~ 50x 106之间>3]。近 年来,国内外学者对黄原胶在水溶液中的构象进行了 大量的研究,认为黄原胶在氯化钠水溶液中主要以多 分子缔合状态存在,少量以单分子状态存在,且为蠕 状链,缔合状态的分子呈分段的双股螺旋构象[4],这 是黄原胶的二级结构。黄原胶的双螺旋依靠微弱的 共价键形成网状立体结构,这是黄原胶的三级结构,
它在水中以液晶的形式存在。
1.2黄原胶的理化性质
黄原胶是一种类白色或浅米黄色的可流动的粉末,黄原胶的特性发展现状生产及其应用,是目前国际上集増稠、悬浮、乳化、稳定于一体, 性能最优越的生物胶。黄原胶无味、无臭、无毒、食 用安全,易溶于水。在水溶液中呈多聚阴离子,具有 独特的理化性质。具体表现为[5,(1)在极宽的剪 切率和浓度范围内保持极高的假塑性;(2)在热水和 冷水中有良好的溶解性;(3)有良好的増粘性和悬浮 能力,在低浓度下具有较高的粘度;(4)有很高的稳 定性,耐酸碱、高盐环境,抗高温、低温冷冻,抗生物 酶解,抗污染能力强;(5)可同多种物质(酸、碱、盐、 表面活性剂、生物胶等)互配,具有满意的兼容性; (6)有良好的分散作用、乳化稳定作用。
2黄原胶国内外发展现状
自20世纪50年代以来,采用发酵工程技术生 产多种微生物多糖是国际上的热门课题,黄原胶的特性发展现状生产及其应用,并己有数 种微生物多糖己具备相当的工业化规模。黄原胶 就是其中最具代表性、商品化程度最高的一种。
美国首先对黄原胶进行了研究并于60年代实现 工业化生产。目前生产黄原胶的国家和地区主要有美 国、法国、英国、日本、德国、韩国、中国和台湾省。全世 界的黄原胶产量达5万吨/年以上,其中能够大规模生 产黄原胶的国家有美国、法国、奥地利和日本。目前仅 美国Kelco企业,就达到年产1.5~ 2万吨的生产规模, 是世界上最大的黄原胶生产厂。法国Rhone Poulen公 司近年以8000万法郎的代价,把他在法国Melle的综合 企业中生产黄原胶的能力扩大了 20%,成为世界第二 大黄原胶生产厂家17]。据统计,1993年世界黄原胶产 量251d,消费量为23kt。1997年需求27kt,年需求平均 增长5. 7%。1997年国际市场份额分别为美国N* trasweet kelco 占 62%,法国 Rhone Poulene 占 21%,奥地 利 Tungbunzlauei.占 11%,SBI 占 6%[8]。
早年黄原胶主要用于石油钻探,进入90年代, 其主要用途己转向食品,约占总量的60%。美国 作为黄原胶的最大生产国和消费国,其70%用于 食品。美国1975年食品工业用黄原胶为950t, 1979年为1100t,占黄原胶总用量的29%。1993 年达7000~ 9000t,占黄原胶总用量的70%,主要 用于低热量食品、调味汁、布丁、微波食品等。
表1全国黄原胶生产企业及规模(不完全统计)
生产企业生产规模(吨/年)类别
淄博中轩集团生物制品有限企业10000食品级、工业级
山东金粟生物制品有限企业3000食品级、工业级
山东福瑞集团2000食品级、工业级
甘肃省武威顺兴生物化工厂1500食品级、工业级
河南沁阳生物化学厂1000工业级
江苏金湖制药厂600食品级、工业级
上海国润生物技术有限企业500食品级、工业级
河南天冠集团500食品级、工业级
河北新河生物化工有限企业300食品级、工业级
黑龙江甘南柠檬酸厂300食品级
合计10家19700
我国1979年才开始对黄原胶进行研究开发, 虽然起步较晚,黄原胶的特性发展现状生产及其应用,但我国科技工编辑依靠自己的智慧 和力量,在无任何资料可供借鉴的情况下,毅然从 自然界中筛选出黄原胶生产菌株,并研制开发出高 附加值的发酵产品一黄原胶,并于八十年代投入 商品化生产。自80年代中期,山东烟台微生物多 糖厂、江苏金湖黄原胶厂率先进行工业规模的黄原 胶生产以来,据不完全统计,国内黄原胶的生产厂 由2、家増加到今天的十几家,年总产量也由百十 吨増加到2万吨左右(见表1)[9]。我国黄原胶的 生产技术不断进步,生产规模日趋大型化,应用面 也逐步扩大。“十五”期间预测发展到3万吨。然 而,在产量的不断増加中,产品质量应有更明显的 改观,在其产业化的过程中,有关生产工艺的规范 化、生产过程的质量控制、产品的质量指标、检测方 法等方面,都存在一些不容忽视的问题,值得探讨。
3黄原胶生产
3.1 菌种ll0]
黄原胶发酵的菌种一般采用野油菜黄单胞菌(亦 名甘蓝黑腐病黄单胞菌),此外,菜豆黄单胞菌(X. _p haseoli)、锦奏黄单胞菌(X. mfllvaoeorum)和胡萝卜 黄单胞菌(X. carotoej和亦可作为发酵菌种。
3.2培养基[11]
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KH2P〇4、MgS〇4、Ca>
CO3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。
3. 3生产工艺
目前国外采用的生产工艺为:
 
包装
发酵罐为专用搅拌式反应器,目前也逐步改为 气升式发酵罐,以减少能耗。后处理采用的是物理 脱水与化学沉淀相结合办法。
国内生产黄原胶常用的工艺流程与国外相同,但 发酵罐为标准型通用反应器。后处理采用的是乙醇 沉淀法,酒精消耗量很大。其生产工艺流程如下:
 
采用上述工艺后,可省去原后处理乙醇沉淀的 大量消耗,节约成本[12]。
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,黄原胶的特性发展现状生产及其应用,但真正工业化的是间歇 法。实际过程是:种子发酵、种子扩大和发酵。
提取工艺包括^3』:
(1)发酵液处理。经离心法、过滤法或酶处理法预 处理除去菌体及不溶性杂质,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J取精制品;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。
食品级黄原胶的提取方法,一般采用甲醇、异 丙醇、乙醇等低级醇作为沉淀剂。由于后提取使用 乙醇,成本高,生产和应用均受到限制。
1987年我国研究成功采用非醇法生产黄原胶,
1991年正式获得国家发明专利权。这是我国黄原胶 生产的关键性突破,彻底解决了后提取成本高的问 题,从而为黄原胶大量国产化开辟了可行之路。
非醇提取法生产黄原胶采用XC —8420菌种, 其发酵过程为18]:菌种在种子罐中内经分级培养 后,接种到发酵罐中,在30°C条件下,通气、搅拌, 发酵时间为48小时~ 60小时,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。
在后提取工艺中完全不使用酒精等有机溶剂。 与通常的溶剂提取法相比大大降低了生产成本,免 除溶剂回收、储存装置、节约能源、提取设备及车间 也不再要求防爆。
4黄原胶在食品工业中的应用
黄原胶作为食品添加剂,己被许多国家接受。 这种多糖通过控制产品的流变学行为而显著改善 食品的质地、口感、外观品质,提高其商业价值,己 在饮料、糕点、果冻、罐头食品、海产品、肉制品加工 等领域中重要的稳定剂、悬浮剂、乳化剂、増稠剂、 粘合剂及具高附加值、高质量的加工原料。具体可 概括为以下几个方面^14,15』:
4 1作为耐酸、耐盐的増稠稳定剂,应用于各种果 汁饮料、浓缩果汁、调味料(如酱油、蚝油、沙拉调味 汁)的食品中。黄原胶的稳定效果明显优于其它 胶,具有较强的热稳定性,一般的高温杀菌对其不 会有影响,可用于各种果汁饮料、果肉饮料、植物蛋 白饮料等,用量为0.08%~ 0.3%。黄原胶优良的 耐盐耐酸碱性可完全取代酱油中的传统増稠剂淀 粉等,可以克服淀粉沉淀的缺点,且能使酱油细腻 均一,提高挂壁性和着色性,延长货架期,果酱、豆 酱等风味调制酱,用黄原胶作増稠稳定剂,使酱体 统一,涂拌性好,不结块,易于灌装,且提高口感。
4 2作为乳化剂用于各种蛋白质饮料、乳饮料等 中,黄原胶的特性发展现状生产及其应用,防止油水分层和提高蛋白质的稳定性,防止蛋 白质沉淀,也可利用其乳化能力作为起泡剂和泡沫 稳定剂,如用于啤酒制造等。在以豆类蛋白为主的 乳化体系中加入0. 02%的黄原胶后,乳化性明显 提高,并使混合体系具有高的剪切率和热诱导的高 粘特性。
4 3作为稳定的高粘度填充剂,可广泛应用于各类点 心、面包、饼干、糖果等食品的加工,在不改变食品的 传统风味的前提下,使食品具有更优越的保形性,更 长的保质期,更良好的口感,有利于这些食品多样化 和工业化规模生产。在各种冷冻食品生产中,黄原胶 具有防止其失水,延缓老化,延长保质期的作用。
4 4作为乳化稳定剂应用于冷冻食品,在冰淇淋、 雪糕中黄原胶能调整混合物粘度,是使其具有均匀 稳定的组成,组织滑软,由于黄原胶的粘度和温度 的关系有可塑性和剪切性能,故在加工操作时粘度 下降,阻力减小,有利于工艺进行,而在冷却老化阶 段,粘度恢复,有利于提高膨胀率,防止冰淇淋组织 中大冰晶的形成,使冰淇淋口感润滑细腻,同时提 高了产品的冻融稳定性,而且在融化时奶油和水混 合均匀,不会产生浆液分离现象。一般老化时间2 ~ 3h,用量 0. 2% ~ 0. 4%。
4 5黄原胶可广泛应用于各种肉制品的加工,可明 显提高制品的嫩度、色泽和风味,还可以提高肉制品 的持水性,从而提高出品率。对方火腿、圆火腿这些 肉块制品,需经腌制剂的腌制,不应开始就加入黄原 胶,否则粘液层会影响腌制剂的渗透,一般在腌制完 后再加入1%的预先配制好的黄原胶溶液,再加入 其它辅料,搅拌均匀后装灌或注入肠衣。对午餐肉、 红肠等肉糜制品在斩拌肉时,可直接将预先配制好 的黄原胶溶液倒入搅拌机,然后再加入淀粉之类的 辅料,黄原胶用量0. 1% ~ 0. 3%。
4 6黄原胶可广泛应用于水果、蔬菜的保鲜加工处 理,可防止果蔬失水、褐变等现象的发生,从而延长 产品保质期。以往人们常采用含有亚硫酸盐的食品 保鲜剂处理新鲜果蔬,以求延长生菜生果的货架寿 命,但是亚硫酸盐能使食品失去原色而被漂白并产 生不愉快的嗅感和味感。经长期研究发现利用黄原 胶即可配制不含亚硫酸盐的保鲜剂。
4 7黄原胶可应用于罐头食品的加工,有利于保持 产品的外观,而且利用黄原胶的假塑性,能控制装罐 时的粘度,易于灌注。研究发现,在加工蘑菇罐头时 先用黄原胶或含黄原胶及其它一些化合物的溶液对 材料进行预处理,能有效地克服加工中蘑菇的皱缩、 褐变及组织致密化等现象发生。
4 8黄原胶在面食制品中,是很好的值得推广的添 加剂。在面条、拉面、方便面生产中,加入黄原胶,増 强了面团的筋力,压出的面片有韧性,烘干时降低断 条率,同时改善产品口感,吃口有筋,清新爽滑,对油 炸方便面还可节省用油,降低成本。在速冻铰子馄 炖皮中加入黄原胶,能提高产品的口感,减少烂皮和 混汤度;在馅类产品中加入总量的0. 05%~ 0. 1%的 黄原胶,可以有利于汤汁的保水,保证产品在开水中 煮透,汤汁香味浓郁,并可提高和改善口感,黄原胶 用作面包、蛋糕等的填充剂成分,可延长这些产品松 软的时间,延长产品的货架寿命。
5展望
近年来,世界黄原胶生产国家经过不断的技术 改造,其生产能力己达5万余吨/年,产品供不应求,黄原胶的特性发展现状生产及其应用, 价格一直比较坚挺,工业级黄原胶价格在3. 5万~ 4. 5万元/吨范围内波动,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/吨。黄 原胶应用领域之广,价格之昂贵是许多其它微生物 多糖所无法比拟的,国内外对需求市场潜力巨大,发 展前景十分诱人。伴随西部大开发和十五规划目 标,国内黄原胶生产厂家将増至数十家,黄原胶生产 将成为我国发酵领域的又一新兴产业。
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