黄原胶gMW)是由黄单胞菌(Xaw/Aowowflw利用碳水化合物产生的一种胞外

多糖，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，广泛应用于食品、 石油、印染、纺织等领域[1].但黄原胶特殊的流体力学性质给黄原胶工业化生产带来诸多的工程问 题，提取黄原胶便是其中最难解决的问题之一.黄原胶发酵液的高粘度、高杂质与低浓度的特性给 黄原胶的提取造成极大的困难，提取过程直接决定黄原胶的质量与生产成本，使提取黄原胶成为 工业制备黄原胶的关键工序[2].目前黄原胶提取的主要问题表现在有机溶剂用量大、产品颜色深、 氮含量高、细菌含量超标.提取黄原胶可以采用醇析法[3]、盐醇析法[4]及膜分离方法[5-7].醇析法是 目前工业上应用最多的一种提取黄原胶的成熟方法，但该法需要使用大量醇，醇在回收过程中消 耗大量能量，同时不可避免醇的损失，一方面污染环境，另一方面增加黄原胶的生产成本[6].盐醇 析法是在醇析的过程中加入无机盐，从而减少在醇析过程中醇的用量，但该法在一定程度上影响 产品黄原胶的质量[2].膜分离方法是采用超滤对黄原胶发酵液进行浓缩，可以大幅减少醇用量，黄 原胶的质量有所提高，被认为是一种高效节能的提取黄原胶的方法[5-7]，但建立大规模的工业化装 置比较困难.为了配合制备食品级黄原胶工业开发的需要，本工作考察了 3种不同预处理方法对黄 原胶收率和产品质量的影响，对采用硅藻土过滤法对黄原胶发酵液进行预处理、超滤-醇析提取黄 原胶的工艺条件进行全面考察与优化，并与传统的直接醇析、硅藻土过滤然后进行醇析提取黄原 胶进行比较，为工业采用超滤-醇析提取黄原胶提供参考.

2材料与方法

2.1材料

新鲜黄原胶发酵液由上海北新泾柠檬酸厂黄原胶中试车间提供，它是以玉米淀粉为碳源，玉 米楽与味精为复合氮源，经甘蓝黑腐黄单胞菌XUB-11(X训祕owowos1 ca^e^r/sXUB-11)发酵得到. 发酵液中黄原胶浓度22.4 g/L，菌体浓度1.53 g/L，残糖浓度0.87 g/L，发酵液呈淡黄色.

收稿日期：2003-11-10，修回日期：2004-02-02

作者筒介：朱圣东(1968-)，男，湖北省巴东县人，博士研宄生，生化工程专业，通讯联系人. 

蛋白酶与溶菌酶是由上海昆仑酶制剂公司生产的工业级酶制剂；硅藻土是由浙江嵊州华力硅 藻土制品有限公司生产的CD06型硅藻土助滤剂，颜色为浅黄色，H2〇<1%，紧堆密度0.42 g/cm3, 烧失量<1%，含 Si〇2多85%, Al2〇3<5%, Fe2〇3<1.8%，渗透率 0.1~0.3，湿密度<0.40 g/cm3, +150 目筛余0%~1%，+320目筛余0%~3%;其它均为市售工业原料.

2.2预处理方法 2.2.1硅藻土过滤法[5]

在250 mL烧杯内加入50 mL新鲜黄原胶发酵液，再加入等体积的自来水进行稀释，然后加 入0.5 g硅藻土，搅拌10 min,过滤，滤液用于超滤-醇析.

2.2.2酶降解法[3]

在250 mL烧杯内加入50 mL新鲜黄原胶发酵液，加热升温到60oC,调节pH为8~9,搅拌加 入15 mg蛋白酶，搅拌5 min,然后冷却到30oC,调节pH为6.5~7.5,加入25 mg溶菌酶，搅拌5

min,然后静置1h,用于超滤-醇析.

2.2.3次氯酸盐氧化法[4]

在250 mL烧杯内加入50 mL新鲜黄原胶发酵液，加入10 mL 6%的次氯酸钠，用NaOH调节 pH到11.5,搅拌1h,然后用盐酸调节pH为6.5~7.5,用于超滤-醇析.

2.3超滤-醇析流程

 

1,5,6. Reservoir

2.Pump

3.Buffer tank

4.Ultra-filter

7.Pressure gauge

8.Valve

图1超滤浓缩黄原胶发酵液流程图

Fig.1 Flow chart ofXa:ntha-n gum ultra-filtration

 

图2超滤实验装置图

Fig.2 Scheme of ultra-filtration set up

将经过预处理的黄原胶发酵液在一自制超滤器内进行浓缩，流程如图1所示.浓缩后的黄原 胶发酵液经过醇析、过滤、干燥，得黄原胶成品.超滤实验装置如图2所示，超滤器具有圆形平板 结构，其外径为48 mm,超滤膜UFM-1, UFM-2, UFM-4的截留分子量分别为105, 5x105, 106,购 自上海寿尔仕公司，超滤膜UFM-3截留分子量为106,购自国家海洋局杭州水处理中心.

2.4分析方法

黄原胶的质量按黄原胶的国家质量标准GB13886-92分析.

3结果与讨论

3.1不同预处理方法对黄原胶的质量及收率的影响

表1给出了不同预处理方法对黄原胶的质量及收率的影响.由表可以看出，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，采用硅藻土法进 行预处理，黄原胶成品的质量明显优于酶降解法与次氯酸盐氧化法，特别是总氮与丙酮酸含量.尽 管采用硅藻土法进行预处理黄原胶成品的收率低于酶降解法与次氯酸盐氧化法，但为了确保黄原 胶成品的质量，黄原胶发酵液预处理应采用硅藻土预处理法.

3.2硅藻土过滤预处理法工艺条件优化

表2给出了黄原胶发酵液稀释倍数与硅藻土用量对黄原胶收率的影响，黄原胶发酵液等倍稀释最好，稀释倍数太小会影响黄原胶成品的收率，稀释倍数太大会加重 超滤与醇析的负担.由表中No.3和No.6~10可以看出，硅藻土用量小时过滤难以进行，硅藻土用 量太大时黄原胶的收率下降，适宜的硅藻土用量为0.5 g(即新鲜黄原胶发酵液质量的1%).因此确 定硅藻土过滤预处理法的适宜工艺条件为黄原胶发酵液等倍稀释，硅藻土用量为黄原胶发酵液质 量1%,此时黄原胶收率为98%.

表1不同预处理方法对黄原胶的收率与质量的影响

Table 1 Effect of pretreatment method on Xa:ntha-n gum yield and quality

Pretreatment methodDiatomite filtrationEnzyme degradationNaClO oxidation

Yield (%)98100100

AppearanceMilk whiteLight yellowMilk white

Shear value6.26.14.8

Viscosity (mPa-s)1050950550

Total nitrogen (%)0.81.21.5

Pyruvic acid (%)2.51.60.8

表2黄原胶发酵液稀释倍数与硅藻土用量对黄原胶收率的影响

Table 2Effect of dilution and diatomite loading on Xanthan gum yield

Experiment No.12 3 45 6 78 910

Dilution volume ratio0.00.5 1.0 1.52.0 1.0 1.01.0 1.01.0

Diatomite loading (g)0.50.5 0.5 0.50.5 0.1 0.30.7 0.81.0

Yield (%)9396 98 9898 - -97 9694

 

Ultra-filtration membrane type

图3超滤膜对透过液平均透过通量的影响 Fig.3 Effect of ultra-filtration membrane type on average filtrate flux

3.3超滤浓缩条件优化 3.3.1超滤膜对黄原胶发酵液超滤浓缩的影响 将5 L经过硅藻土过滤预处理的黄原胶发 酵液，在温度7= 20oC、进料流量0=100 L/h、

操作压力P=0.2 MPa时，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，采用4种不同超滤膜 超滤，在超滤器内黄原胶浓度Q由10.2 g/L 浓缩至60 g/L.图3为不同超滤膜对黄原胶发 酵液超滤浓缩透过液平均透过通量的影响，从 图可以看出，采用UFM-4膜较好，以后实验 均采用该膜.

3.3.2 操作条件对黄原胶发酵液超滤浓缩影响 表3给出了不同操作条件对黄原胶发酵

液超滤浓缩的影响，其中No.1~6为Q=10.2 g/L,

7=20oC, 0=100 L/h时，不同操作压力对黄原胶发酵液超滤浓缩透过液透过通量的影响.从表可以 看出，透过液透过通量随操作压力的增加而增加，在P<0.2 MPa时，透过液透过通量随操作压力 的增加线性增加，而当P>0.2 MPa时，透过液的透过通量随操作压力的增加而缓慢增加，因此黄

原胶发酵液超滤浓缩的操作压力为0.2 MPa较好.No.7~12为Cf=50.4 g/L, 7=20oC, P =0.2 MPa时，

不同进料流量对黄原胶发酵液超滤浓缩透过液透过通量的影响.从中可以看出，随进料流量的增加 透过液透过通量先增加，然后基本保持不变，这是由于随着膜面流速的增加，料液湍动程度及沿 膜的剪应力增加，膜面的浓差极化减轻，透过液透过通量会增加.当0=100 L/h时，再增加进料流 量对增加透过液透过通量基本无影响，适宜的进料流量应为100 L/h. No.4及13~17为Cf=10.2 g/L,

0=100 L/h,P=0.2 MPa时，不同温度对黄原胶发酵液超滤浓缩的影响.从中可以看出，随温度的增 加透过液透过通量缓慢增加，适当提高温度对黄原胶发酵液超滤浓缩是有利的.综合考虑，对于超 滤温度可以不加控制.No.4及18~21给出了在7=20°C, 0=100 L/h, P=0.2 MPa时，不同进料浓度对 黄原胶发酵液超滤浓缩的影响.可以看出，随浓度的增加透过液透过通量减小，这是由于随着浓度 的增加，粘度增加，膜面的浓差极化加重，在浓度达到62 g/L时，水透过通量减小至初始透过液 透过通量的1/2以下.综合考虑，黄原胶浓缩液的终浓度应控制在60 g/L左右.因此确定超滤浓缩 的适宜工艺条件为：采用UFM-4超滤膜，0=100 L/h(此时膜面流速为2.46 m/s),户=0.2 MPa，黄原 胶浓缩液的终浓度60 g/L左右，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，对应的黄原胶收率为98%.

表3操作条件对黄原胶发酵液超滤浓缩的影响

Table 3 Effect of operational conditions on Xa:ntha-n gum ultra-filtration process

ExperimentOperational conditionFiltrate flux

No.Pressure (MPa)Feed flow rate (L/h)Temperature (oC)Xanthan gum conc. (g/L) [L/(m2-h)]

10.051002010.233

20.101002010.238

30.151002010.242

40.201002010.245

50.251002010.246

60.301002010.247

70.20302050.414.7

80.20602050.419.8

90.20902050.422.8

100.201202050.422.9

110.201502050.423.0

120.201802050.422.9

130.201001010.243.2

140.201001510.243.8

150.201002510.245.2

160.201003010.245.5

170.201003510.245.8

180.201002021.336

190.201002030.632

200.201002040.526

210.201002060.219

3.4醇析条件优化

3.4.1不同醇类对黄原胶醇析的影响

经过桂藻土过滤预处理超滤浓缩的黄原胶发酵液(Cf=62 g/L)10 mL，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，用盐酸调节pH到5.5，分 别用99%的工业甲醇、95%的工业乙醇、98%的工业异丙醇使黄原胶完全沉淀，所需醇的最小体积 分别为10, 12与14 mL.考虑到毒性及工业来源，采用95%的工业乙醇进行醇析较好.

3.4.2 pH及95%工业乙醇用量对黄原胶醇析的影响

取10 mL经桂藻土过滤预处理超滤浓缩的黄原胶发酵液(Cf=62 g/L)，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，于不同pH下加入12 mL 95%的工业乙醇，醇析黄原胶的量见表4中No.1~5.可以看出，pH=5.5条件下进行醇析较好.表 中No.4及6~10为用盐酸调节pH到5.5时95%工业乙醇用量对黄原胶醇析的影响，可见工业乙醇 用量超过12 mL，醇析黄原胶的量不再增加，因此95%工业乙醇用量为12 mL较好.因此，醇析 最佳工艺条件为：采用95%的工业乙醇作为醇析溶剂，pH=5.5, 95%工业乙醇用量为黄原胶超滤 浓缩液体积的1.2倍.

表4 pH与乙醇用量对黄原胶醇析的影响

Table 4 Effects of pH and ethanol loading on Xa:ntha-n gum alcohol-precipitation

Experiment No.12345678910

pH8.07.06.05.555.55.55.55.55.5

Ethanol loading (mL)12121212123691518

Xanthan gum recovered (g)0.560.580.590.620.600.260.430.590.620.62

3.5不同黄原胶提取方法的比较

表5为采用直接醇析[3]、硅藻土过滤后醇析[5]、硅藻土过滤-超滤-醇析3种不同方法在优化工 艺条件下处理5L新鲜黄原胶发酵液所得黄原胶产量、质量及酒精耗量.由表可以看出，采用硅藻 土过滤-超滤-醇析提取黄原胶的质量明显优于另外两种方法，特别是总氮含量、细菌数与灰分.另 外，采用硅藻土过滤-超滤-醇析提取黄原胶的酒精耗量仅为直接醇析的22%，为硅藻土过滤后醇 析酒精耗量的11%，大大减少了酒精的用量，节约了生产成本.

表5不同分离纯化方法对黄原胶产量、质量及酒精耗量的影响

Table 5 Effect of extraction method on Xanthan gum output, quality and ethanol consumption

Separation and purification methodAlcohol-precipitationAlcohol-precipitation after diatomite filtration pretreatmentUltra-filtration and alcohol-precipitation after diatomite filtration pretreatment

Xanthan gum output (g)121110108

AppearanceLight yellowMilk whiteMilk white

Shear value5.86.26.2

Viscosity (mPa-s)1 00010501050

Total nitrogen (%)2.10.80.5

Pyruvic acid (%)2.52.52.5

Bacteria number (g-1)>100003000500

Ash (%)13119.5

Ethanol consumption (L)10202.2

4结论

(1)硅藻土过滤是一种较好的黄原胶发酵液预处理方法，最佳操作条件是黄原胶发酵液等倍稀 释，硅藻土用量为初始黄原胶发酵液的1%.

(2) 超滤浓缩优化工艺条件为：采用UFM-4超滤膜，超滤醇析提取黄原胶工艺条件，进料流量0=100 L/h(膜面流速2.46 m/s), 操作压力0.2 MPa，黄原胶浓缩液终浓度60 g/L左右.

(3) 醇析最佳工艺条件为：采用95%的工业乙醇作为醇析溶剂，pH=5.5, 95%工业乙醇用量为 黄原胶超滤浓缩液体积的1.2倍.