黄原胶的生产和分离工艺
阅读说明：本技术 黄原胶的生产和分离工艺 (Process for producing and separating xanthan gum ) 是由 薄文文 郑世涛 刘建阳 来凤堂 李树标 范婷婷 王婷 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于发酵生产技术领域,公开了黄原胶的生产和分离工艺,其包括恒容发酵工序和分离提取工序。本发明生产工艺简单、操作方便、提取成本低,产品透光率高。(The invention belongs to the technical field of fermentation production, and discloses a production and separation process of xanthan gum, which comprises a constant volume fermentation process and a separation and extraction process. The invention has simple production process, convenient operation, low extraction cost and high product light transmittance.)
技术领域
本发明属于发酵生产技术领域，具体涉及黄原胶的生产和分离工艺。
背景技术
黄原胶又称汉生胶，是黄单胞杆菌以碳水化合物为原料，经发酵生产的一种用途广泛的微生物多糖，黄原胶可溶于冷水及热水中，充分水合后形成高粘度溶液，具有高效的增稠作用，良好的耐温、耐盐、耐热以及耐酸碱性。黄原胶水溶性好，充分水合后形成高粘度溶液，是当前国际上集增稠、悬浮、乳化、稳定于于一体．性能最优越的生物胶；可作为乳化剂、稳定剂、凝胶增稠剂、浸润剂、膜成型剂等；被广泛应用于食品、医药、化工、石油等领域。
提高发酵效率，降低发酵成本，是黄原胶生产企业需要不断研究和解决的技术问题。申请人致力于黄原胶发酵工艺的研究，并且取得了一定的研究成果。例如，中国专利“低成本高品质黄原胶的发酵工艺”采用膜偶联透析发酵的方式，避免了由于营养物的缺乏、生存环境变差、黄原胶的反馈抑制作用等发酵中的问题，提升了发酵效率，黄原胶的总产量大幅提高，较单一发酵方式提高了60%。
现有技术对黄原胶提取分离工艺有较多的记载。
CN103205471A公开了一种适用于高浓度多价离子溶液的黄原胶制备工艺，属于黄原胶生产技术领域，其包括发酵阶段和提取阶段。通过在发酵过程中进行降PH、降温控制，发酵液提取过程中通过酸化处理，然后冷却用醇类反复结晶两次，固液分离、干燥、粉碎后得到黄原胶产品。
CN102659954A公开了一种黄原胶的分离纯化方法，具体步骤为：先将黄原胶发酵液稀释，进行珍珠岩过滤、中性蛋白酶降解、灭酶活、超滤浓缩、乙醇沉淀、离心干燥，得到高品质黄原胶产品。
上述工艺存在透光率较差以及工艺复杂等缺陷。
发明内容
在现有技术的基础上，申请人继续对黄原胶生产工艺进行优化，因此，本申请提出了黄原胶的生产和分离工艺。
本发明是通过如下技术方案来实现的。
黄原胶的生产和分离工艺，其包括恒容发酵工序和分离提取工序。
进一步地，所述恒容发酵工序包括如下步骤：
步骤1）将黄单胞菌种子液接入装有200L发酵培养基的300L发酵罐中进行发酵培养48h；
步骤2）以0.2L/min的速率从发酵罐上部流加营养液，同时发酵罐下部的放料口以0.2L/min的速率放出发酵液；
步骤3）当发酵进行至80h时罐内黄原胶浓度开始呈下降趋势，当发酵进行至84h时，结束发酵；合并步骤2）中的发酵液和发酵罐中的发酵液，用于后续分离提取工序。
进一步地，所述恒容发酵工序包括如下步骤：
步骤1）将黄单胞菌种子液按照10％的接种量接入装有200L发酵培养基的300L发酵罐中进行发酵培养，接种浓度OD600为1.5，发酵温度30℃，溶氧控制在20%，在发酵进行至48 h时，测得罐内葡萄糖浓度为2g/L；
步骤2）开始以0.2L/min的速率从发酵罐上部流加营养液，同时发酵罐下部的放料口以0.2L/min的速率放出发酵液；
步骤3）发酵罐内黄原胶浓度维持在恒定浓度，当发酵进行至80h时罐内黄原胶浓度开始呈下降趋势，当发酵进行至84h时，罐内黄原胶浓度下降至15 g/L，此时停罐结束发酵；合并步骤2）中的发酵液和发酵罐中的发酵液，用于后续分离提取工序。
优选地，
所述营养液的组分包括：葡萄糖，氯化铵，乙醇，精氨酸，蛋氨酸，VB1。
优选地，所述发酵培养基包括如下组分：葡萄糖40g/L、玉米淀粉60g/L、酵母粉5g/L、油酸10g/L、碳酸钙3g/L、七水硫酸镁1g/L、磷酸氢二钾1g/L、黄腐酸20mg/L、VB1 20mg/L，pH 7.0-7.2。
更优选地，
所述营养液的组分为：葡萄糖50g/L，氯化铵10g/L，乙醇10g/L，精氨酸2g/L，蛋氨酸2g/L，VB1 10mg/L。
进一步地，
所述分离提取工序包括如下步骤：
将发酵液通过高速碟片离心机离心，收集上层液体，按照100L：1kg的比例添加珍珠岩助滤剂过滤，调整滤液的pH至5.0，向溶液中加入乙醇，控制溶液中乙醇的体积百分比浓度在55％，搅拌45min，再自然沉降15min，然后500rpm离心3min，收集沉淀物；往沉淀物中添加乙醇，控制溶液中乙醇的体积百分比浓度在60％，搅拌40min，再自然沉降15min，然后500rpm离心3min，收集沉淀物，最后进行干燥、粉碎，即得黄原胶产品。
优选地，
所述高速碟片离心机的离心速率为5000rpm，离心时间为4min。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果主要包括但是并不限于以下几个方面：
本发明在常规发酵的基础上进行了改进，避免了菌株活性下降和黄原胶浓度过大反馈抑制导致的产酸效率下降。
本发明在常规发酵的后期，采用同时等量补料与放料的方式，同时调整补料营养液的组分，使得黄原胶浓度在一定范围内不变，防止发酵后期由于罐内黄原胶浓度积累过高造成的反馈抑制效果，同时维持菌体活力延长产胶周期，与常规发酵方式对比例2相比较，实施例1和对比例1均延长了发酵周期36h，发酵产胶量分别增加了117.7%和61.3%。通过比较实施例1和膜偶联透析发酵的方式发现，实施例1发酵产胶量增加了35%，说明本发明的发酵方式较膜偶联透析发酵更具备实际生产价值。
本发明补料的营养液组分中，葡萄糖和氯化铵用于维持菌体细胞增殖。适量乙醇对黄单胞菌产生胁迫作用，能够促进黄单胞菌产生黄原胶多糖。维持黄单胞菌持续产胶的关键因素之一是维持菌体活力，精氨酸和蛋氨酸能够维持黄单胞菌的活力。
本发明分离提取工序中，首先采用高速碟片离心机离心去除菌体，然后采用珍珠岩过滤去除小分子量蛋白，避免蛋白杂质残留对产品透光率造成影响；采用两次醇沉工艺提高了纯度。
本发明生产工艺简单、操作方便、提取成本低，产品透光率高。
附图说明
图1：营养液组分对发酵产胶率的影响。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的产品及方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品及方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
黄原胶的生产和分离工艺，其包括如下工序：
一、发酵工序：
将黄单胞菌ATCC 17915种子液按照10％(体积比)的接种量接入装有200L发酵培养基的300L发酵罐中进行发酵培养，接种浓度OD600为1.5，发酵温度30℃，溶氧控制在20%，在发酵进行至48 h时，测得罐内葡萄糖浓度为2g/L左右，此时黄原胶浓度为25g/L。
开始以0.2L/min的速率从发酵罐上部流加营养液，组分为：葡萄糖50g/L，氯化铵10g/L，乙醇10g/L，精氨酸2g/L，蛋氨酸2g/L，VB1 10mg/L；同时发酵罐下部的放料口以0.2L/min的速率放出发酵液；
发酵罐内黄原胶浓度在25g/L左右浮动，当发酵进行至80h时罐内黄原胶浓度开始呈下降趋势，当发酵进行至84h时，罐内黄原胶浓度下降至15 g/L，此时停罐结束发酵。
所述发酵培养基包括如下组分：葡萄糖40g/L、玉米淀粉60g/L、酵母粉5g/L、油酸10g/L、碳酸钙3g/L、七水硫酸镁1g/L、磷酸氢二钾1g/L、黄腐酸20mg/L、VB1 20mg/L，pH7.0-7.2。
分离提取工序：
将发酵液通过高速碟片离心机以5000rpm离心4min，收集上层液体，按照100L：1kg的比例添加珍珠岩助滤剂过滤，得到的滤液采用稀磷酸调pH至5.0，向溶液中加入乙醇，控制溶液中乙醇的体积百分比浓度在55％，搅拌45min，再自然沉降15min，然后500rpm离心3min，收集沉淀物；往沉淀物中添加乙醇，控制溶液中乙醇的体积百分比浓度在60％，搅拌40min，再自然沉降15min，然后500rpm离心3min，收集沉淀物，最后进行干燥、粉碎，即得黄原胶产品。经检测，含量为1％的黄原胶水溶液在波长为600nm时透光率大于90％。
对比例1
黄原胶的发酵工艺，其包括如下步骤：
黄单胞菌ATCC 17915种子液按照10％(体积比)的接种量接入装有200L发酵培养基的300L发酵罐中进行发酵培养，接种浓度OD600为1.5，发酵温度30℃，将发酵罐与陶瓷膜偶联，发酵时间为48h，将发酵罐中的发酵液经陶瓷膜分离，得到滤液和浓缩菌体，将滤液排入到料液储罐，把浓缩菌体打回发酵罐，同时向发酵罐中补加发酵罐培养基，使与未经陶瓷膜过滤之前的发酵液体积相同，继续发酵48h，得到发酵液，将发酵罐中的发酵液经陶瓷膜分离，得到滤液和浓缩菌体，将滤液排入到料液储罐；整个发酵过程中，通过流加葡萄糖溶液将残糖控制在不低于2％，通过调节搅拌转速与通气量保持溶氧水平为20％；所述陶瓷膜的截留分子量为10000Da。
所述发酵培养基包括如下组分：葡萄糖40g/L、玉米淀粉60g/L、酵母粉5g/L、油酸10g/L、碳酸钙3g/L、七水硫酸镁1g/L、磷酸氢二钾1g/L、黄腐酸20mg/L、VB1 20mg/L，pH7.0-7.2。
对比例2
黄原胶的发酵工艺，其包括如下步骤：
黄单胞菌ATCC 17915种子液按照10％(体积比)的接种量接入装有200L发酵培养基的300L发酵罐中进行发酵培养，接种浓度OD600为1.5，发酵温度30℃，将发酵罐与陶瓷膜偶联，发酵时间为60h；整个发酵过程中，通过流加葡萄糖溶液将残糖控制在不低于2％，通过调节搅拌转速与通气量保持溶氧水平为20％；
所述发酵培养基包括如下组分：葡萄糖40g/L、玉米淀粉60g/L、酵母粉5g/L、油酸10g/L、碳酸钙3g/L、七水硫酸镁1g/L、磷酸氢二钾1g/L、黄腐酸20mg/L、VB1 20mg/L，pH 7.0-7.2。
实施例2
实施例1和对比例1-2发酵性能比较。
表1
发酵性能指标 实施例1 对比例1 对比例2 发酵周期 h 84 84 60 单次发酵产胶总量 g 13500 10000 6200 平均产胶率 g/h 160.71 119.05 103.33
如表1所示，与常规发酵方式对比例2相比较，实施例1和对比例1均延长了发酵周期36h，发酵产胶量分别增加了117.7%和61.3%。通过比较实施例1和对比例1发现，实施例1发酵产胶量较对比例1增加了35%，说明本发明的发酵方式较对比例1的膜偶联透析发酵更具备实际生产价值。
实施例3
本发明营养液组分对发酵产胶率的影响。
首先，VB1是菌株增殖的影响因子，选择添加5-50mg/L的浓度，以10mg/L的浓度作为试验例，其余营养液组分见表2。
表2
组分 组1 组2 组3 组4 组5 组6 葡萄糖 100 50 100 50 100 50 氯化铵 5 10 10 10 5 5 乙醇 - 10 5 10 10 5 精氨酸 - - 2 2 2 - 蛋氨酸 - - - 2 - 2
结论：组1-5各营养液对产胶效率的影响，如图1所示，组4通过添加葡萄糖、氯化铵、乙醇、精氨酸、蛋氨酸以及VB1五种组分，发酵产胶率明显优于组1-3、5-6，较组1提高了26.5%。
营养液组分中，葡萄糖和氯化铵用于维持菌体细胞增殖。适量乙醇对黄单胞菌产生胁迫作用，能够促进黄单胞菌产生黄原胶多糖。维持黄单胞菌持续产胶的关键因素之一是维持菌体活力，精氨酸和蛋氨酸能够维持黄单胞菌的活力。
以上列举的仅是本发明的最佳具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。