食品制造中的細菌及其應用（5）

1.5    黃原膠
1.5.1    概況
黃原膠(Xamthan Gum)別名漢生膠，又稱(chēng)黃單胞多糖，是國際上70年代發(fā)展起來(lái)的新型發(fā)酵產(chǎn)品。它是由甘蘭黑腐病黃單胞細菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物為主要原料，經(jīng)通風(fēng)發(fā)酵、分離提純后得到的一種微生物高分子酸性胞外雜多糖。其作為新型優(yōu)良的天然食品添加劑用途越來(lái)越廣泛。
    國際上，黃原膠開(kāi)發(fā)及應用最早的是美國。美國農業(yè)部北方地區Peoria實(shí)驗室于60年代初首先用微生物發(fā)酵法獲得黃原膠。1964年，美國Merck公司Keco分部在世界上首先實(shí)現了黃原膠的工業(yè)化生產(chǎn)。1979年世界黃原膠總產(chǎn)量為2000t，1990年達4000t以上。在美國，黃原膠年產(chǎn)值約為5億美元，僅次于抗生素和溶劑的年產(chǎn)值，在發(fā)酵產(chǎn)品中居第3位。
我國對黃原膠的研究起步較晚，進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究的單位，如南開(kāi)大學(xué)、中科院微生物研究所、山東食品發(fā)酵研究所等，均已通過(guò)中試鑒定。目前全國有煙臺、金湖、五連等數家黃原膠生產(chǎn)廠(chǎng)，年產(chǎn)在200t左右，主要用作食品添加劑。我國生產(chǎn)黃原膠的淀粉用量一般在5%左右，發(fā)酵周期為72~96h，產(chǎn)膠能力30~40g/L，與國外比較，生產(chǎn)水平較低。隨著(zhù)黃原膠生產(chǎn)和應用范圍的進(jìn)一步發(fā)展，目前北京、四川、鄭州、蘇州、山東等地都有黃原膠生產(chǎn)新廠(chǎng)建成，預示著(zhù)我國的黃原膠生產(chǎn)將呈現一個(gè)新的局面。
1.5.2    黃原膠的分子結構及其性質(zhì)
1） 黃原膠的分子組成
    黃原膠是以5分子糖為一單元，由與此相同的單元聚合而成的高分子多糖物質(zhì)。每一單元由2分子葡萄糖，2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸組成。其主鏈由β-葡萄糖通過(guò)1，4-糖苷鍵相連而成的2分子葡萄糖為單元，其結構與纖維素結構相同，相間在葡萄糖的C3上連有2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸構成側鏈。在側鏈上有丙酮酸及竣酸側基。因其側鏈含酸性基團，在水溶液中呈多聚陰離子，構成黃原膠的三級立體結構：帶陰離子的側鏈纏繞主鏈形成螺旋結構，分子間靠氫鍵形成雙股螺旋，而雙股螺旋結構間又是靠微弱的非共價(jià)鍵維系，形成規則的"超級接合帶狀的螺旋聚合體”。
2） 黃原膠的性質(zhì)
①典型的流變特性
    隨著(zhù)剪切速率增加，因膠狀網(wǎng)絡(luò )遭到破壞，導致粘度降低，膠液變稀，但一旦剪切力消失，粘度又可恢復，因而使黃原膠具有良好的泵送和加工性能。利用這種特性在需要添加增稠劑的液體中加入黃原膠，不僅液體在輸送過(guò)程中容易流動(dòng)，而且靜止后又能恢復到所需要的粘度，因此被廣泛應用于飲料行業(yè)。
②  低濃度時(shí)的高粘性
    含2%~3%黃原膠的液體，其粘度高達3~7Pa.s。黃原膠的高粘性使其具有廣闊的應用前景，但同時(shí)又給生產(chǎn)上的后處理帶來(lái)麻煩。
③  耐熱性
    黃原膠在相當寬的溫度范圍內(-98~90℃)粘度幾乎無(wú)變化。黃原膠即使在130℃的高溫下保持36min后冷卻，溶液的粘度也無(wú)明顯變化。在經(jīng)多次冷凍-融化循環(huán)后，膠液的粘度并不發(fā)生改變。在高溫條件下若添加少量電解質(zhì)如0。5%NaCI，可穩定膠液的粘度。
④  耐酸、堿性
    黃原膠水溶液的粘度幾乎與pH值無(wú)關(guān)。這一獨特性質(zhì)是其他增稠劑如竣甲基纖維素(CMC)等所不具備的。
⑤相容性及溶解性
    黃原膠可與絕大部分的常用食品增稠劑溶液溶混，特別是與藻酸鹽類(lèi)、淀粉、卡拉膠、瓜膠溶混后，溶液的粘度以疊加的形式增加。
    黃原膠易溶于水，不溶于醇、酮等極性溶劑。在非常廣的溫度、pH和鹽濃度范圍內，黃原膠很容易溶解于水中，其水溶液可在室溫下配制，攪動(dòng)時(shí)應盡可能減少空氣混人。如果將黃原膠預先與一些干物質(zhì)如鹽、糖、味精等混勻，然后用少量水濕潤，最后加水攪拌，這樣配制出的膠液其性能更好。
⑥ 分散性及保水性
    黃原膠是食品添加劑中優(yōu)良的懸浮劑和乳化穩定劑。黃原膠對食品具有良好的保水、保鮮作用。
1.5.3    黃原膠的生產(chǎn)
1） 工藝流程
    菌種的擴培→發(fā)酵原料配比→發(fā)酵→發(fā)酵條件控制→分離→提純→干燥
2）  菌種
    黃原膠生產(chǎn)有廣泛的微生物來(lái)源，黃單胞菌屬的許多種類(lèi)菌株都能產(chǎn)生黃原膠。目前，國內外用于生產(chǎn)黃原膠的菌種大多是從甘蘭黑腐病病株上分離到的甘蘭黑腐病黃單胞菌，也稱(chēng)野油菜黃單胞菌。另外生產(chǎn)黃原膠的菌種還有菜豆黃單胞菌(X. phaseoli)、錦葵黃單胞菌(X. Malvacearum)和胡蘿卜黃單胞菌(X. carotae)等。我國目前已開(kāi)發(fā)出的菌株有南開(kāi)-01、山大-152、008、L4和L5。這些菌株一般呈桿狀，革蘭氏染色陰性，產(chǎn)莢膜。在瓊脂培養基平板上可形成黃色粘稠菌落，液體培養可形成粘稠的膠狀物。
3）  發(fā)酵培養基
    黃原膠發(fā)酵培養基的碳源一般是糖類(lèi)、淀粉等碳水化合物。在黃單胞菌菌體內酶的作用下，1、6-糖苷鍵被打開(kāi)，形成直鏈多糖，經(jīng)進(jìn)一步轉化，最終變成產(chǎn)物黃原膠。氮源一般以魚(yú)粉和豆餅粉為主。另外，還添加一些微量無(wú)機鹽，如鐵、錳、鋅等的鹽類(lèi)。特別是輕質(zhì)碳酸鈣以及NaH2PO4和MgSO4，它們對黃原膠的合成有明顯的促進(jìn)作用。
例如南開(kāi)大學(xué)的南開(kāi)-01菌種所使用的搖瓶發(fā)酵培養基如下：玉米淀粉4%，魚(yú)粉蛋白胨0.5%，輕質(zhì)碳酸鈣0.3%，自來(lái)水配制，pH7.0。在大罐生產(chǎn)中將魚(yú)粉蛋白胨改成魚(yú)粉直接配料，其他原料不變。國外用作黃原膠發(fā)酵的碳源多數是葡萄糖。
4）  發(fā)酵
①搖瓶發(fā)酵
    搖瓶發(fā)酵條件：接種量1%~5%，旋轉式搖床轉速220r/min，培養溫度28℃，發(fā)酵72h左右。發(fā)酵結束，黃原膠產(chǎn)酸能力為20~30g/L，對碳源的轉化率在60%~70%。
② 工業(yè)化生產(chǎn)
    接種量為5%~8%。由于培養基的高粘度，黃原膠生產(chǎn)屬高需氧量發(fā)酵，需大通風(fēng)量，一般為1~0.6m3/（m3min)。發(fā)酵溫度為25~28℃。碳源的起始濃度一般在2%~5%。
    黃原膠的收率取決于碳、氮源的種類(lèi)和發(fā)酵條件。目前收率一般在起始糖量的40%~75%。黃單胞菌容易利用有機氮源，而不易利用無(wú)機氮源。有機氮源包括魚(yú)粉蛋白胨、大豆蛋白胨、魚(yú)粉、豆餅粉、谷糠等。其中以魚(yú)粉蛋白胨為最佳，它對產(chǎn)物的生成有明顯的促進(jìn)作用，一般使用量為0.4%~0.6%。在氮源濃度較低時(shí)，隨氮源濃度的提高，細胞濃度也增加，黃原膠的合成速率加快，黃原膠得率也相應提高。起始氮源在中等濃度時(shí)，細胞濃度和黃原膠的合成速率均有提高，發(fā)酵時(shí)間被縮短，但黃原膠的得率卻降低，這是因為細胞生長(cháng)過(guò)快，使用于細胞生長(cháng)及維持細胞生命的糖量增加，用于合成黃原膠的糖反而減少，導致黃原膠得率下降。如果采用發(fā)酵后期流加糖的方法，使糖濃度始終維持在一定的水平，那么，由于補加的糖只用于細胞維持生命及合成黃原膠，而沒(méi)有生長(cháng)的消耗，從而得率就可比間歇發(fā)酵有較大提高。若起始氮源的濃度再提高，雖然細胞濃度有所增加，但黃原膠得率及合成速率卻降低了。其主要原因是"氧限制"，高濃度細胞隨著(zhù)發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵液粘度不斷增大，體積傳質(zhì)系數降低，造成氧供應能力逐漸下降，合成速率變慢，得率降低。
    黃原膠發(fā)酵培養基的起始pH值一般控制在6.5~7.0，這有利于初期的細胞生長(cháng)和后期的黃原膠合成。
5） 黃原膠的分離提取
    黃原膠通常由玉米淀粉輔以氮源及微量元素經(jīng)微生物發(fā)酵后制得。發(fā)酵醪中除含黃原膠(3%左右)外，還有菌絲體、未消耗完的碳水化合物、無(wú)機鹽及大量的液體。其中菌絲體等固形物占20%，水溶性無(wú)機鹽占10%。如果菌絲體等固形物混雜在黃原膠成品中，會(huì )造成產(chǎn)品的色澤差、味臭，從而限制了黃原膠的使用范圍。因此黃原膠的分離提取，其目的在于按產(chǎn)品質(zhì)量規格的要求將發(fā)酵醪中的雜質(zhì)不同程度地除去，通過(guò)純化、分離、濃縮和干燥等手段獲得成品。黃原膠成品分食品級、工業(yè)級和工業(yè)粗制品3種。
① 溶劑沉淀法
    先將發(fā)酵液用6mol/LHCI酸化，然后加入工業(yè)酒精使黃原膠沉淀。過(guò)濾后沉淀物先后用工業(yè)酒精和10%KOH洗滌，過(guò)濾，沉淀物干燥后進(jìn)行粉碎，經(jīng)過(guò)篩制得成品。本法由于直接用HCl和工業(yè)酒精進(jìn)行酸化沉淀，沒(méi)有去除掉菌體，因此僅能制得工業(yè)級黃原膠。
    為了制得食品級黃原膠，在上面的方法基礎上增加了離心除菌體和多次用酒精進(jìn)行沉淀、洗滌的操作，從而提高了成品的純度。
溶劑沉淀法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量高，大型化生產(chǎn)技術(shù)成熟，是目前國內采用的主要生產(chǎn)方法，但該方法溶劑用量大，需設置溶劑回收設備，投資較大，生產(chǎn)成本高。本法提取收率在97.7%。

②  鈣鹽-工業(yè)酒精沉淀法
    在酸性條件下，黃原膠與氯化鈣形成黃原膠鈣凝膠狀沉淀；加入酸性酒精脫去鈣離子，使成短絮狀沉淀；過(guò)濾，在沉淀中加人酒精并用氫氧化鉀溶液調節pH值。
③ 絮凝法
    絮凝劑與黃原膠作用產(chǎn)生絮狀沉淀，然后將沉淀物脫水，得到固型物含量為25%左右的濕濾餅；用多糖的非溶劑在適當條件下洗提上述濕濾餅，使其變?yōu)樗�溶性多糖。然后過(guò)濾，將水溶性濾餅干燥；經(jīng)粉碎、篩分后得到合格的黃原膠成品。
④  直接干燥法
    本法采用滾筒干燥或噴霧干燥等方法，直接將發(fā)酵液進(jìn)行干燥，從而制成工業(yè)粗制品級的黃原膠。該方法因為沒(méi)有分離提純工序，所以成品質(zhì)量差，限于對黃原膠質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合使用，有利于降低產(chǎn)品成本。
⑤  超濾脫鹽法
    本法采用近代分離技術(shù)，對高分子的黃原膠與小分子的無(wú)機鹽和水進(jìn)行超濾分離，將黃原膠發(fā)酵液濃縮至2.5%~5%，而無(wú)機鹽濃度從10%降低至0.5%~1%，然后再進(jìn)行噴霧干燥。本法與直接干燥法相比，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，達到工業(yè)精制品等級。
⑥ 酶處理-超濾濃縮法
    本法用酶處理發(fā)酵液，將蛋白質(zhì)水解，從而使發(fā)酵液變得澄清，簡(jiǎn)化了離心過(guò)濾這一步工序。本法使用的酶包括堿性蛋白酶，酸性或中性蛋白酶，或用復合酶共同進(jìn)行作用。用酶處理后，不但發(fā)酵液澄清度提高，而且氮含量降低，過(guò)濾性能得到改善，在微孔過(guò)濾中過(guò)濾速度可提高3~20倍，成品質(zhì)量也有提高。
綜上所述，黃原膠的分離提取方法很多，但在應用上都受到各自條件、特點(diǎn)的制約。比較而言，采用超濾濃縮純化發(fā)酵液的方法是比較理想的選擇。
6） 黃原膠的干燥
為了便于保藏和運輸，一般都將黃原膠制成干品。黃原膠的干燥有不同的處理方法：真空干燥、滾筒干燥、噴霧干燥、流化床干燥以及氣流干燥。由于黃原膠是熱敏性物質(zhì)，不能承受長(cháng)時(shí)間的高溫處理，因此使用噴霧干燥法會(huì )使黃原膠的溶解性變差。滾筒干燥雖然熱效率較高，但機械結構較復雜，用于大型工業(yè)化生產(chǎn)目前還難實(shí)現。帶有惰性球的流化床干燥，因兼有強化傳熱傳質(zhì)以及研磨粉碎的功能，物料滯留時(shí)間也較短，所以適合像黃原膠那樣的熱敏性粘稠物料進(jìn)行干燥。

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