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食品级黄原胶纯化工艺的研究进展

发布日期:2015-06-15 10:31:24
黄原胶的制备包括发酵、纯化和制成成品三部分。黄原胶发酵液具有髙黏度、高杂质和有效成 分含量低的特点,给纯化过程造成困难,使纯化成本在总制备成本中占了相当大的比例。黄原胶成 品分工业粗品级、工业级、食品级和药用辅料级四种,其中食品级和药用辅料级黄原胶因质量要求 最高,所以纯化难度和成本最高9本文综述了国内外食品级黄原胶的纯化工艺,为进一步探讨成本 低、效率高的纯化工艺提供参考。 2. 食品级黄原胶纯化工艺 食品级黄原胶的纯化包括发酵液预处理、固-液分离和提取分离三个步骤。溶剂法直接提取的黄 原胶产品含有大量菌体蛋白和色素杂质,总氮含量高、透明度差、色泽深•采用合适的预处理和固_ 液分离法有助于提高食品级黄原胶的质量和产量。 2.1发酵液预处理 预处理主要是对发酵液中的菌体细胞、残余糖、有机氮、色素及其它代谢产物等在提取分离前 进行处理。预处理的方法包括巴氏灭菌法、酶解法和吸附法等。 巴氏灭菌法(pasteurization)是一种既可杀死病菌又能保持营养物质不变性的灭菌法, 现在常常被广义地用于定义需要杀死各种病原菌的热处理方法。巴氏灭菌法能杀死细菌,破 坏细胞和酶,降低发酵液黏度,有利于后续纯作f艺的进行⑴•黄成栋等采用巴氏灭菌法进 行预处理,由于温度较高,可以提高黄原胶的溶解度,并在一定程度上降低溶液的黏度,利于随后 的离心和过滤。恥1^等[4]调节发酵液!)1110~12,温度5〇'<60*(:,处理3〇1〇111以上,消除了细菌的 活性,防止后续酶处理时酶失活• 虽然巴氏灭菌法工艺简单,但控制不好温度会导致黄原胶降解。酶解法是在发酵液中加入 蛋白酶或溶菌酶等降解细胞壁,使菌体裂解成小片断和水溶性的含氮化合物,在沉淀多糖时大部分 留在溶液中,与絮凝的多糖分离。基本过程为:发酵液先进行加热灭活,调节pH后,加入适量的蛋 白酶或溶菌酶,充分搅拌,然后进行离心和过滤,可以去除大部分菌体,提高产品纯度。所有酶处 理法都不用稀释和浓缩发酵液,从经济和可操作性角度来看是有价值的。Thomas等151采用碱性蛋白 酶和溶菌酶混合处理的方法,得到了透光度达94 %以上的黄原胶发酵液并确定了酶作用的条件,包 括时间、温度、pH值等•徐国华等w先将发酵液进行第一次醇沉,过滤、溶解后采用碱性蛋白海和 溶菌酶双酶解,然后将酶高温灭活,进行二次醇沉,得到了高透明黄原胶产品。Joseph等171先在发 酵液中加入螯合剂、表面活性剂和有机酸等一种或多种,调pH 6.5〜7.5、温度50~60 ■〇,然后用酸 性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶或蛋白酶和溶菌酶的混合酶处理〇.5~2 h,最后过滤和离心, 得到了透光度较高的黄原胶发酵液,简化了纯化步骤,降低了成本。 吸附法是在黄原胶发酵液中加入吸附剂以吸附菌体达到纯化目的。朱圣东等181采用吸附法进行 预处理,在发酵液中加入1 %硅藻土,吸附10 n>in,结果表明,黄原胶成品的质量明显优于酶解法, 但收率略低。Scott[s]在酶裂解细胞后,调pH ltTll,用硅藻土进行吸附,可吸附约80 %的细胞碎 片,既缩短了纯化时间又节约了成本,同时也克服了酶处理的缺点如细胞碎片中蛋白质为细菌提供 营养等:Yang[wl利用纤维材料吸附黄原胶发酵液中大部分细菌及细胞碎片,提高了黄原胶发酵液纯 度,降低了纯化步骤和成本。 2.2发酵液固-液分离 固-液分离是将菌体细胞和不溶性杂质等从黄原胶发酵液中分离,常用的方法有离心法、过滤法 和超滤法。 离心法和过滤法是多糖纯化中最常用的固-液分离方法[11],其特点是操作简单,能分离溶液中大 部分杂质。离心法是采用高速离心机,在11000 r/min下离心30 rain,可去除菌体细胞和不溶性杂 质;过滤法是将发酵液加热或适当稀释以降低黏度,然后用滤材如微孔滤膜等过滤以达到去除菌体 和不溶性杂质的目的。 离心法和过滤法虽然操作简单,但它们均需大量稀释发酵液,否则达不到除菌目的,这样会增 加成本。超滤法是通过选择一定孔径的超滤膜,用超滤器将菌丝体、水、色素、残余糖、有机氮、 部分无机盐等杂质与黄原胶分离,既能去除不溶物能去除可溶性小分子杂质(包括盐类)[12]。 超滤膜分离的技术特点为:分离过程无相变化,节能显著:分离过程在常温下进行,尤其适宜于热 敏物质的分离和浓缩;仅用压力作为膜分离的推动力,分离装置简单,操作容易,易于自控和维修, 适用范围广。超滤法可以提高黄原胶的浓度,降低提取、分离成本并提高产品质量;产品处理时间 短,避免黄原胶降解。费利江等™通过预处理、超滤脱盐、浓缩的工艺路线使食品级黄原胶的 指标达到标准黏度1.5 Pa 总氮含量小于0.5 %,灰分含量小于6 %,大幅度提高了质量,并解 决了质量不稳定的问题。Lee等[1〜采用中空纤维超滤膜将2.5 %的黄原胶浓缩至15 %后提取,可节 省能耗80 %,在乙醇沉淀前用超滤方法处理可大大节省纯化成本• Beatriz等[1W在2.5 %的黄原胶 发酵液中添加了 1 %氯化钾和大于30 %的异丙醇,大大提髙了超滤速度并节省了醇用量,降低了纯 化歲本。Gaddy等[17]采用超滤法先浓缩黄原胶与非水溶性溶液的混合液,除去了大部分杂质,在黄 原胶浓度较高的情况下也取得了较好的纯化效果。总之,在黄原胶纯化工艺中用超滤法对黄原胶发 酵液进行一定程度的浓缩,对降低黄原胶提取费用及大规模推广应用有积极的作用。 2.3黄原胶的分离 黄原胶的分离是采用一些能使黄原胶在溶液中溶解度降低后分相、脱水、析出或能与黄原胶结 合絮凝沉淀的溶剂以达到沉淀分离的目的。沉淀法是简单且经济实用的分离高分子物质的方法。分 离黄原胶常用的方法有酸沉淀法、醇沉淀法、盐-醇沉淀法。 黄原胶溶液对酸碱稳定,在pH 4~10之间性质无明显变化。当pH<3时可形成沉淀.絮凝析出, 故可以通过酸沉淀法分离黄原胶。该方法具有成本低,能耗省的优点。但该方法的酸用量不易控制, 酸浓度过大易变性,过低则不易沉淀,在食品级黄原胶的分离中已较少应用111。 食品级黄原胶最常用的分离方法是醇沉淀法。黄原胶在多种液体介质中都可形成稳定的状态, 它易溶于水,能溶于甘油、乙二醇、浓度低于40 %的甲醇、乙醇和异丙醇。当醇浓度达60 %~70 % 时,降低了黄原胶与水分子间的亲和力,增加了黄原胶分子间的亲和力,使之相互絮凝而形成沉淀 与水分开,故可用醇对黄原胶进行分离。在分离黄原胶时,常用的溶剂有小分子醇如甲醇、乙醇和 异丙醇等,这些溶剂可降低黄原胶的溶解性,有助于脱色及脱去无用的低分子物质[_。RiacU^^ 采用3倍发酵液量的乙醇、Maria等[2n采用1. 44倍发酵液量的异丙醇沉淀黄原胶,都取得了好的效 果。张学欢等®研究表明,分离黄原胶时,乙醇和异丙醇混合使用效果优于单独使用乙醇或异丙醇, 且当乙醇:异丙醇为3:1时分离效果最好。 醇沉淀法虽然效果好,但醇消耗较多,成本较高。盐-醇沉淀法是在黄原胶溶液中添加氣化钾、 氯化钠等电解质,使阳离子与黄原胶分子的阴离子部位结合,降低黄原胶分子的电荷。Blanch等的 研究表明U3],加人无机盐促进黄原胶在醇溶剂中的沉淀,减少醇的用量,且黄原胶分离量增加了两 倍以上• 添加氣化钾至最终浓度为5%,使异丙醇的用量大大减少(异丙醇/发酵液 为1/2),提高了黄原胶产量,降低了纯化成本。Yun等[2M研究表明,乙醇初步沉淀后用十六烷基三 甲基溴化铵沉淀精制可得到较纯多糖。目前,加入含低盐浓度的有机试剂沉淀黄原胶是较为通用的 方法。 3. 展望 3.1菌种是提高食品级黄原胶产量和质量的主要因素之一。好的菌种不仅能增加黄原胶的产量, 而且能降低发酵液中杂质和色素的含量,降低纯化成本,提高产品质量。除了一般的诱变方法外, 基因工程技术将为黄原胶的菌种改良提供技术支 3.2改进或寻求新的操作简单的预处理和纯化方法,并将两者有机结合,可降低食品级黄原胶 纯化成本,提高质量和产量。
 
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