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黄原胶的性能与应用

发布日期:2014-09-29 12:59:56
黄原胶的性能与应用研究
黄原胶的性能与应用
黄原胶的性能与应用,重点先容了以玉米淀粉为原料生物合成黄原胶的发酵工艺以及产品分离提纯工艺;先容了黄原胶的 分子结构和其假塑流变性.对酸碱稳定性.悬浮乳化性以及与增稠剂的协效性等性能,并先容了其在食品. 石油和纺织等领域的应用;最后对目前国内外黄原胶生产状况作了调查分析。
黄原胶(Xanthan gum)又称黄胶、汉生胶,黄原胶的性能与应用,是 野油菜黄单胞杆菌以碳水化合物为主要原料,经发酵 工程生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖。1952 年由美国农业部依利诺斯州皮奥里尔北部研究所分离 到甘蓝黑腐病黄单胞菌,并使甘蓝提取物转化为水溶 性的酸性胞外杂多糖而得到。由于该多糖具有很高的 黏度、流动触变性和稳定的理化性质,且无毒,故作 为添加剂在日用化学领域具有广阔的市场前景,广泛 应用于食品、医药、采油、纺织、陶瓷、印染、香 料、化妆品及消防等领域。
1黄原胶的结构与性能 1. 1黄原胶的结构
黄原胶的分子结构见图1。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”结构聚合体分子摩尔比为 28 =3 :2 :17 :0.51~0. 63[1,它的相对分子质量在5X 106u左右。
 
图1黄原胶的分子结构
Fig. 1 Molecular structure of xanthan gum
黄原胶分子的一级结构是由卩一 1,4键连接的D
一葡萄糖基主链与三糖单位的侧链组成,其侧链由D 一甘露糖和D—葡萄糖醛酸交替连接而成。黄原胶的 分子侧链末端含有丙酮酸,其含量对性能有很大影 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。 黄原胶的二级结构[2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[3]是棒状双螺旋结构间靠微弱的非共价键结合形成 的螺旋复合体。
1.2黄原胶的性能 1. . 1假塑流变性
黄原胶溶液是一种典型的假塑性流体其溶液黏 度随剪切速率的増加而明显降低。在高剪切速率下, 聚合体结构解聚为无规则线团结构,使黏度迅速降 低;当剪切速率解除时,分子结构又恢复到双螺旋网 状聚合体状态,使溶液黏度瞬间恢复到最大。
1.22増稠性
黄原胶具有良好的増稠性能,特别是在低质量浓 度下具有很高的黏度。3X 10+1 g/L的黄原胶溶液能 产生0.09 Pa°s的有效黏度,黄原胶溶液的黏度是同 质量浓度下明胶的100倍。
1.. 3稳定性
黄原胶溶液在一定的温度范围内(一4 °C~ 93 °C) 反复加热冷冻,其黏度几乎不受影响,10 g/L黄原胶溶 液由25 °C加热到120其黏度仅降低3 %。
收稿日期:2⑴1—09 —10;修回日期:2002 — 07— 24
编辑概况:李兴存(1969—),男,山东人,硕士毕业于西北轻工业学院,现为北京石油大学化工学院在读博士,电话:(010 ) 89733637, E
—mail: Kxingcun @^.sina . com。
黄原胶溶液对酸碱十分稳定,在pH5 ~ 10其黏度 不受影响。黄原胶的性能与应用,能和许多盐溶液混溶,黏度不受影响。它 可以分别在 100g/LIKCl, 100g/LNaCl,100g/LCaCh 和50g/LNa2CO3溶液中长期存放90d(25°q),黏 
度几乎保持不变[4]。
许多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素 酶等都不能使黄原胶降解。
1.2 4悬浮性和乳化性
由于黄原胶理化性质稳定,因而具有良好的悬浮 性和乳化性。10 g/L的黄原胶溶液具有约5X 1(T4 N/ cm2的承托力。黄原胶借助于水相的稠化作用,可降 低油相和水相的不相溶性,能使油脂乳化在水中,因 而它可在许多食品饮料中用作乳化剂和稳定剂。
1.25与増稠剂的协效性
黄原胶可与大多数合成的或天然的増稠剂配伍, 如和槐豆胶、瓜尔胶、卡拉胶及魔芋胶等都能互溶, 混溶后使混合胶黏度显著提高[5 6。
2黄原胶的生产与分离
2.1 生产工艺
生产工艺流程:保藏菌种■※斜面活化■※摇瓶种子 (或茄瓶培养)—一级种子扩大培养■※二级种子扩大 培养一发酵罐发酵一发酵液一提取■※干燥一粉碎一包 装-※成品。
黄原胶在工业上主要是以玉米淀粉为碳源,以鱼 粉、豆饼粉为氮源,用C£〇3为pH调节剂,并在一 定量的消泡剂存在下,野油菜黄单胞杆菌经好氧深层 发酵而得到多糖含量在25 g/L左右的发酵液。发酵 温度为(28 ±1)控制一定的通风比。发酵时间
大约为72 h左右,产量最高可达28 g/L,发酵液黏 度最高可达9 Pa、左右。为解决发酵后期发酵液黏 度大、溶解氧水平低等问题,并针对黄单胞菌是一种 较为脆弱的菌体,李卫期等人[1研究结果表明,増加 发酵罐的高径比值为3 ~4适当减少搅拌桨叶直径, 减少挡板数目或不设挡板,有利于黄原胶的发酵。根 据国外黄原胶的双液相发酵和连续发酵研究,在国内 间歇发酵的基础上,许喜林等W研究了采用两步法发 酵合成黄原胶的方法。第1步是利用黄单胞菌发酵 采用了较小量的碳源及低的碳氮比,终止时间控制在 25 h,此时可获得较大的生物量及胞外酶,而不生成 黄原胶,以有利于胞外酶的分泌和菌体的分离;第2 步胞外酶发酵采用了无氮培养条件,且因发酵液中不 含菌体省去了稀释和分离菌体的工序,黄原胶的性能与应用,可降低生产成 本黄原胶的产率高于单纯菌体发酵。胡德亮等[9在 研究发酵的过程中,在产胶初期,添加一种表面活性 剂,而在发酵进行36 h后,补加20 %的水分,可使 产胶率提高15 %。
2.2分离提纯
2.21预处理工序
由于黄原胶发酵液具有较高的黏度使后处理非常 困难,其中菌体细胞的去除是提取工艺的一大障碍。 预处理工序主要去除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、不溶性杂质和色素 等。方法有过滤法[10、离心法[11]、酶降解法[12和次 氯酸盐氧化法[11。
李时岩等:14]用硅藻土过滤可除去发酵液中大部 分的菌体细胞,用中空纤维内压超滤法对黄原胶进行 提纯和浓缩,可除去发酵液中悬浮的不溶性固体、可 溶性离子物质和大部分色素,将黄原胶质量浓度从 25 g/L 提高到 87 g/L。
2.22沉淀分离
黄原胶的沉淀分离一般采用乙醇、异丙醇沉淀 法。工业上典型的沉淀方法是钙盐+工业乙醇沉淀 法11]:在黄原胶发酵液中加入终质量浓度为15 g/L 的钙盐[如Ca(OH)2和CaCk],黄原胶的性能与应用,充分混合后,逐步 加入8g/L的NaOH,再搅拌30min可形成黄原胶钙 盐复合沉淀物;将沉淀物压榨脱水、并充分打碎成块 状物,加入终质量浓度为500 g/L的工业乙醇用 HC1调pH至1. 5 ~ 2 0,搅拌30 min经过滤或离心 可得到黄原胶沉淀物;在该沉淀物中再加入300 g/L 的工业乙醇用NH4OH调pH至中性,经过滤或离 心、烘干、粉碎和过筛可得到黄原胶的产品。
其他类似方法有低级醇沉淀法^2、铝盐+异丙 醇沉淀法[10和季铵盐+甲醇沉淀法[13]。
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是理想的増稠剂、乳化剂和 成型剂等,用途极为广泛。黄原胶作为蛋糕的品质改 良剂,可以増大蛋糕的体积,改善蛋糕的结构,使蛋 糕的孔隙大小均匀,富有弹性,并延迟老化,延长蛋 糕的货架寿命。奶油制品、乳制品中添加少量黄原 胶,可使产品结构坚实、易切片,更易于香味释放, 口感细腻清爽。用于饮料,可使饮料具有优良的口 感赋予饮料爽口的特性,使果汁型饮料中的不溶性 成分形成良好的悬浮液,保持液体均匀不分层。加入 啤酒中可使其产泡效果极佳。加入2 0 g/L黄原胶于 焙烤食品中,可保持食品的湿度,抑制其脱水收缩, 延长贮存期。用于果冻,黄原胶赋予其软胶状态,加 工填充物时,可使果冻的黏度降低从而节省动力并易 于加工。在加工淀粉软糖和蜜饯果脯等配方中加入 0.5 g/L的黄原胶和槐豆胶,能够改进加工性能,大 大缩短加工时间。含有0. 5 g/L~7. 5 g/L黄原胶的巧 克力液体糖果,贮藏稳定性大为提高。方便面中加入 黄原胶,可提高加工过程的成品率,减少产品断碎干 裂,改善口感。它还广泛用于罐头、火腿肠、饼干、
点心和肉制品等产品中。
3.2黄原胶在石油工业中的应用
黄原胶另一个大的应用市场是石油工业。目前我 国油田用化学品主要是聚丙烯酰胺、CMC变性淀粉 等。黄原胶在増黏、増稠、抗盐及抗污染能力远比这些 聚合物优越。对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油 气田、防止井喷和大幅度提高采油率等方面都有明显 的作用。低浓度的黄原胶水溶液就可以保持水基钻井 液的黏液并控制其流变性能,因而在高速转动的钻头 部位黏度极小,大大节约了动力;而在相对静止的钻孔 部位却保持高能黏度,起到防止井壁坍塌、便于切削碎 石、排出井外等作用。黄原胶在三次采油中用作调剖 剂,具有成胶体系强度高、封堵性好、与地层水配伍性 强及热稳定性较强等特点,能保证其在应用过程中的 有效性。还可用于钻井之后的完井和修井、压裂和三 次采油。黄原胶的性能与应用,该产品作为一种理想的添加剂有非常好的发 展前景。
3.3黄原胶在纺织工业中的应用
黄原胶应用于印染工业,可控制浆的流变性质,防 止染料的迁移,使图纹清晰,与印染泥浆中的多数成分 可以互溶,而黄原胶自身的洗出特性也卓有成效。因 此,黄原胶广泛地应用于地毯、丝绸等印染行业中。
3.4黄原胶在其他领域中的应用
黄原胶在陶瓷、搪瓷、玻璃、医药、农药、印染、香 料、化妆品、胶黏剂和消防等行业中也有广阔的用途。 如使用黄原胶代替黏土作为釉浆悬浮剂和黏结剂,使 陶瓷和搪瓷产品的釉面平整、光亮,产品合格率可提高 40 %并可降低烧结温度、减少烧成遍数,降低琅粉用 量,改善劳动环境。用黄原胶作原料生产的凝胶泡沫 灭火剂,己用于森林灭火。黄原胶还可用于胶体炸药、 水溶性涂料、工业擦亮剂、除锈剂和湿法冶金的増稠 剂,药物和化妆品的润滑剂,印染工业的载色剂等。
4黄原胶的生产现状 41我国黄原胶的生产现状
我国自20世纪70年代以来,南开大学、山东食 品发酵研究所、山东大学、中国科学院微生物研究 所、无锡江南大学、中国农业科学院、郑州工学院等 科研单位相继开展了黄原胶的研究和开发工作。1992 年江苏金湖制药厂建成国内第一家黄原胶生产厂,全 国总产量不足100 t/a。到2001年全国产量迅猛増 力口,总产量己超过1.5万t/a其中山东中轩生物制 品有限企业产量最大,黄原胶的性能与应用,近1万t/a其他厂规模都较 小。据国家轻工业局规划发展司1999年8月提出的 《食品生物工程标志性目标》预测,到2005年,我国 食品黄原胶需求量将达到3万t/a而据石油行业专 家预测,在石油钻井和三次采油方面需要黄原胶即 10万t/a以上。由此可见,国内黄原胶仍具有巨大的 潜在市场。
42国外黄原胶的生产现状
目前,全世界的黄原胶产量达8万t/a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、日本和中国。目前仅美国Kelco企业就可达到 1.5万t/a~2万t/a的生产规模,是世界上最大的黄 原胶生产厂。据估计,全世界对黄原胶的需求量每年 以5 % ~7 %的速度増长。仅从世界石油组织分析结 果显示,近期世界石油行业钻井和三次采油方面需要 黄原胶即90万t/a ~ 100万t/a足见其巨大的市场 潜力。
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