新型微生物多糖-结冷胶类多糖

2021/4/7 12:14:21  作者:中华试剂网



    摘要:结冷胶类微生物多糖-结冷胶(S-60 )、韦兰胶(S-130)和S-88是近年来继黄原胶之后发展起来的第二代和第三代生物胶。本文对这一类新型微生物多糖的结构、性质、生产工艺、应用及市场前景做了简要的介绍。

       关键词:结冷胶,韦兰胶,S-88,结构性质,生产,应用

前言

 微生物多糖是由微生物在生长代谢的过程中,在不同的外部条件下代谢产生的一种多糖物质。微生物多糖安全无毒,有独特的理化性质,生产周期短,受地理环境、气候、自然灾害等因素的影响较小,产量及质量都很稳定,可以在人工控制条件下大量工业化生产 。它所产生的各种废渣、废液可以进行控制, 减轻了环保压力,因此拥有比动植物多糖更为广阔市场前景[1]。世界上微生物多糖的年产量增长率均在10%以上,而黄原胶、结冷胶等一些新型微生物代谢多糖年增长量更是高达30%,全世界微生物多糖年工业产值可达50100亿美元。

        20世纪80年代,继黄原胶之后,美国Kelco公司陆续发现了一组新的微生物多糖即结冷胶类多糖,其中包括结冷胶(S-60 )、韦兰胶(S-130)和S-88,它们是三种结构类似的微生物多糖,具有相同的四糖重复单元主链结构 [2]。在此对这三种极具发展前景的微生物多糖的性质、应用及生产作简单的介绍。

结冷胶(gellan gum

1.1 结构与性质

结冷胶是由β-D-葡萄糖, β-D-葡萄糖醛酸和α-L-鼠李糖按摩尔比2:1:1组成,分子量可达5x106道尔顿[3][4] 。天然结冷胶含有46%葡萄糖、30%鼠李糖、21%葡萄糖醛酸、3%乙酸和甘油酯,乙酰基和甘油酰基通常连接在葡萄糖残基的C2C6位上。将天然结冷胶在pH10的条件下加热处理,便可以除去分子上的乙酰基和甘油基因而获得低酰基结冷胶[5],工业上生产的一般是低酰基的结冷胶。

结冷胶作为近年来最有发展潜力的微生物多糖,具有如下特性:(1)是一种典型的假塑性流体,其水溶液的粘度随剪切速率的增加而明显降低,随剪切速率的减弱而恢复。(2)低用量、高凝胶强度。当结冷胶使用量>0.05%,即可形成澄清透明的凝胶[6]0.25%的使用量就可以达到琼脂1.5%的使用量和卡拉胶1%的使用量所产生的凝胶强度[7]。(3)结冷胶所形成的凝胶热稳定性高、在pH4.08.0之间几乎不受pH的影响,且对酶稳定,淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂肪酶、褐藻胶酶等均不会对结冷胶溶液的粘度和凝胶强度造成影响[8]。(4)具有优越的呈味性能和良好的配伍性。

1.2 结冷胶的市场与应用

结冷胶于1978年首次由美国科学家发现,1992年得到美国FDA的许可应用于食品、饮料\,是继黄原胶之后又一广泛应用于食品工业的微生物代谢胶。目前美国卖到日本的结冷胶每年约2000吨,中国约有近百吨的进口,价格高达 580 /公斤 (结冷胶生产成本仅比黄原胶略高一些,而销价却是黄原胶的二倍[8])。预测中国近年需求量能达到 2000吨以上。

结冷胶作为一种新型的微生物胞外多糖,其用途非常广泛,在食品领域主要用作增稠剂、凝结剂、悬浮剂和成膜剂等。作为一种新型的食品添加剂与其他同类产品相比具有用量少、性能更稳定、凝结度高、凝胶清亮和优越的呈味性能等优点,广泛应用于饮料、面包、乳制品、肉制品、面条、蛋糕、饼干、起酥油、速溶咖啡、鱼制品、雪糕、冰激凌、果冻、软糖等食品中[9][10]

结冷胶除在食品上广泛应用外,还可应用于其他领域。如在医药上可用作眼药水,软、硬胶囊,包衣剂及新型制剂用药水;在化工上可用做涂膜,胶粘剂,牙膏;农业上可用作叶肥、缓释肥料等[11]

1.3 生产工艺

       结冷胶的生产工艺流程图如下[6][11]

       试管菌种茄瓶菌种三角振荡(2818 h)→300L种子罐(2830 1820 h)→3000 L发酵罐(2830 72 h)→50t发酵罐(2830 72 h)→脱已酰过滤混合乙醇絮凝沉淀分离洗涤稀乙醇乙醇回收塔回收乙醇贮藏半成品真空干燥粉碎成品。

       结冷胶的产生菌-伊乐假单胞菌( Pseudomonas elodea)是一种好氧革兰氏阴性杆菌,能在以葡萄糖、淀粉、蔗糖等作碳源,硝酸铵、酵母膏、蛋白胨等为氮源以及其他微量元素的培养基中生长并产胶。国内外众多学者对结冷胶的生产培养基、发酵条件等做了大量的研究,发现碳源、氮源、种龄、接种量、温度、发酵培养基初始pH都对发酵有较大的影响。

结冷胶是高黏性的微生物代谢产物,发酵液中胞外多糖以黏性聚合物形式构成网状结构,微生物细胞被包裹其中,这给后提取工艺中菌体、色素及杂质的去除带来很大的难度。传统的提取方法是将发酵液适当稀释以降低其黏度,通过离心分离作用分离菌体和多糖,然后用异丙醇和乙醇来沉淀多糖。

 

2 韦兰胶 (welan gum)

2.1结构与性质

韦兰胶是产碱杆菌Alcaligenes sp.(ATCC31555)的代谢多糖,过去的编号为S-130 韦兰胶的结构与结冷胶类似 (1),但是在与葡萄糖醛酸及鼠李糖相连的葡萄糖残基的C3位上连接有α-L-鼠李糖或α-L-甘露糖支链,连接鼠李糖的几率占2/3;此外,约有半数的四糖片段上带有乙酰基及甘油基团[2]。韦兰胶中含有2.87.5%乙酰基,11.614.9%的葡萄糖醛酸。

韦兰胶的特性有:(1)能溶于冷水中,在水溶液中的呈现规则、稳定的结构,形成高粘度溶液。(2)具有假塑性流体特性(剪切稀化作用),静止状态下有良好的悬浮能力。(3)在pH212范围内也比较稳定,并且有良好的耐盐性能。 4)韦兰胶在1%NaOH存在并加热的条件下能形成凝胶,但其凝胶强度很弱。(5)对温度的稳定具有热可逆性,温度对韦兰胶的影响比较小,121下灭菌15分钟其粘度不会下降。0.4%的黄原胶溶液在135 时粘度已趋于零,但同等条件下的韦兰胶溶液要到163时粘度才接近于零。在正常条件下,温度升高造成韦兰胶溶液的粘度下降,在温度降低后可完全恢复。(6) 与其他胶有很好的兼容性。

2.2 韦兰胶的市场与应用

韦兰胶是美国Kelco公司80年代继黄原胶,结冷胶之后开发的最有市场前景的微生物多糖之一,迄今为止美国的Kelco公司是韦兰胶全球唯一的生产、供应商。国内目前只有南京化工学院在从事这方面的研究,还未见韦兰胶生产的公开报道。由于韦兰胶的优良特性,市场前景广阔,其国际市场价格高达15/t,但其生产成本却只需4/t[12]

由于韦兰胶的剪切稀化作用及其优良的流变性能,它主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、成膜剂和粘合剂应用于工农业的各个方面。特别是在食品、混凝土、石油、油墨等工业中有广泛的应用前景。

在食品工业方面,韦兰胶可应用于烘焙制品、乳制品、果汁、牛奶饮料、糖衣、糖霜、果酱、肉制品和各种甜点的加工中。

        在石油工业中,韦兰胶可用于调配钻井泥浆,以保持水基钻井液的粘度和控制其流变性能。韦兰胶还是一种新型的驱油剂,用于油井的三次采油,将韦兰胶调配成适合浓度的水溶液注入井内,压进油层驱油,可大大提高采油率。此外韦兰胶还可用于完井、修井、地层压裂和稠油输送的流动改进剂等。

韦兰胶可广泛应用于水泥和混凝土中,它能够增强泥浆的保水性,当它作为保水剂时不需要像其它的添加剂那样使用分散剂。韦兰胶可以增加水泥的可塑性,悬浮量,空气含量,抗下陷能力以及流动特性和抗失水性。而这些改进的特性在温度提高时仍能保持不变。与其它添加剂相比,较低浓度的韦兰胶就可以取得很好的效果。

2.3 生产工艺

韦兰胶的生产包括发酵和提取两部分。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发酵罐发酵发酵液提取干燥粉碎包装成品。

韦兰胶的发酵主要是以碳氢化合物为原料。碳氢化合物的主要来源有:葡萄糖、糖(甘蔗、甜菜、谷物)、糖蜜、淀粉、谷类的面粉(稻谷、小麦、燕麦等)、豆(大豆和豌豆)和米糠等。通常谷物需经水解糖化才能作为原料。并按一定比例加入磷(K2HPO4)、镁(MgSO4)、氮(NH4NO3)等。碳氢化合物的用量一般是2%4%。而氮源用量一般是0.05%0.4%。适合的氮源主要有酵母水解物,大豆粉,棉籽粉,干酪素,玉米浆。发酵温度可以是2535 ,但最优的温度一般控制在2832。发酵培养基的pH6.57.5,发酵周期一般是24天。

发酵液于75 巴氏灭菌10 15分钟,用5860%的异丙醇沉淀提取,将所得产品于5055 烘箱中烘干(大约一小时),然后进行粉碎和包装。

 

3  S-88

3.1 S-88的结构与性质

S-88是由一种未命名的Pseudomonas菌种(ATCC31554)发酵生产的。S-88的分子结构与结冷胶相似,不同的是它含有一个鼠李糖或甘露糖的单糖侧链,鼠李糖和甘露糖出现的概率大约是2:1S-88含有3.27%乙酰基,11.818.7%的葡萄糖醛酸。

S-88作为一种新型的微生物多糖,其特性如下:(1)是典型的假塑性流体。(2) 能在水中快速溶解,具有良好的水溶性。(3) 具有高增粘性,在水溶液中加入极少量,也可以产生很高的粘度。(4) 有很好的热稳定性,121 下灭菌15分钟其粘度几乎无变化。(5)S-88水溶液的粘度在pH49之间几乎不变化,且长期稳定。

3.2   S-88的市场与应用

 S-88也是由美国Kelco公司于80年代发现的,是很有发展前景的一种微生物代谢多糖,迄今尚未实现工业化生产。但由于其具有优良的特性,应用前景广泛。

        在食品工业中,主要可应用于焙烤食品、蛋糕、饮料、果冻、软糖、乳制品,肉制品,点心、罐头等的生产中。

 S-88用于石油工业,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都有明显的作用,由于S-88所具有的抗盐性、抗高温性,还适用于海洋钻井、高层盐区等特殊环境下的钻井。

         S-88用于农业上,可作为除莠剂、灭虫剂、肥料的悬浮剂。在喷撒期间,S-88能很好的控制其漂流和黏附,延长有效期,它也是这些农用化学物质的良好稳定剂。

  除此之外,S-88还可用于陶瓷、搪瓷、医药、化妆品、造纸、印染等几十个行业。

3.3 S-88的生产

         S-88的生产工艺流程与韦兰胶相同。

 生产S-88的基本原料也是碳水化合物,总碳的含量在2%4%为宜。氮源也是S-88生产不可或缺的原料,用量一般为0.05%0.%。发酵的温度一般选择在2832pH控制在6.57.5之间为好。发酵周期一般是2~4天。

        发酵液于75 巴氏灭菌10 15分钟,用适量浓度的醇溶剂例如异丙醇和乙醇沉淀提取,将所得产品于5055℃烘箱中烘干(大约一小时),然后进行粉碎和包装。

展望

        结冷胶类生物多糖自发现至今,已广泛应用于各个领域。这一类胶的生产设备基本上一致,只需将后提取设备经过改进即可,有着高额的利润空间及发展前景。

       经过无数科研工作者的努力,我国在结冷胶的生产方面取得了许多成果,但还存在一些问题,如产量低,用于通气搅拌的能源高;提纯用的有机溶剂的回收较困难等。而对于新开发的新型结冷胶类多糖-韦兰胶和S-88目前还鲜有企业进行工业化生产,我们应加强对它们的生产和应用方面的研究开发,使其早日实现国产化。

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