一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂及其制备方法和应用 (Defoamer for rhamnolipid fermentation liquor and preparation method and application thereof ) 是由 余龙飞 李欢玲 贾康乐 麦裕良 黄淋佳 郑小珊 辛锦兰 吴海福 李锌娜 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂及其制备方法和应用。本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂具有极强的消泡能力,只需极低的用量即可有效控制鼠李糖脂发酵过程中产生的泡沫。此外,消泡剂具有长效性,一次添加即可满足48h的发酵过程对泡沫控制的需要,极大的节约了人工及成本。此外,所用原料温和,由于添加量极低,加上有机硅链段和聚醚链段在发酵后期会被发酵菌分解成培养基碳源组分,使用后不需要额外增加消泡剂分离去除工序。由于没有引入其他表面活性剂,因此不会影响鼠李糖脂提纯后的纯度。本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂,可以显著提高鼠李糖脂的提取率,却不会降低鼠李糖脂的纯度,提高了生产效率。(The invention provides a defoaming agent for rhamnolipid fermentation liquor and a preparation method and application thereof. The defoamer for the rhamnolipid fermentation liquid has strong defoaming capability, and can effectively control foams generated in the rhamnolipid fermentation process only by using extremely low dosage. In addition, the defoaming agent has long-acting performance, the requirement of 48h fermentation process on foam control can be met by adding the defoaming agent once, and labor and cost are greatly saved. In addition, the used raw materials are mild, and due to the extremely low addition amount, the organic silicon chain segment and the polyether chain segment can be decomposed into a culture medium carbon source component by zymophyte in the later fermentation period, and no additional defoaming agent separation and removal procedure is needed after the use. Because other surfactants are not introduced, the purity of the rhamnolipid after purification cannot be influenced. The antifoaming agent for the rhamnolipid fermentation liquor can obviously improve the extraction rate of the rhamnolipid, but can not reduce the purity of the rhamnolipid, and improves the production efficiency.)
技术领域
本发明属于表面活性剂技术领域，尤其涉及一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂及其制备方法和应用。
背景技术
鼠李糖脂是一种无毒，无污染，能生物降解，具有良好的选择性和专一性的阴离子表面活性剂，具有良好的表面活性，在医药、食品、化妆品、环境保护等众多工业领域有独特的应用前景。
鼠李糖脂的生物发酵采用好氧生物发酵法，好氧生物发酵过程大多是伴随通气而进行的。通入的空气与培养基中表面活性物质的结合往往会产生泡沫而难以破灭。虽然泡沫在食品技术、医药、化妆品、海洋技术、环境技术和消防等领域发挥着重要作用，但是在生物发酵过程中，泡沫的产生会造成发酵产品丢失、菌种染菌、污染传感器、减少工作体积和环境污染等危害。特别当发酵产物是表面活性剂时，发酵过程中产生的泡沫更加稳定，限制了整个行业的工业化生产。对于好氧生物发酵而言，对泡沫控制的要求是既要有一定的泡沫量，又要除去多余的泡沫，同时控制泡沫的能力不因发酵时间的延长而降低，所以消除发酵过程中多余的泡沫就显得尤为重要。相关技术中，消泡方式主要有化学消泡法、物理消泡法和机械消泡法。物理消泡法和机械消泡法的消泡效果经多个团队实验发现效果并不明显。专利CN103966282B中介绍了一种物理消泡法，将发酵罐中的泡沫导入到消泡罐顶部，并通过孔径为1-2mm的泡沫喷淋头喷淋到消泡罐内，同时将高于消泡罐内气压0.1-0.25MPa的无菌空气瞬间释放到消泡罐内，待泡沫消除后停止释放，将泡沫液化后的发酵液用蠕动泵导回发酵罐，该方法虽然可以实现消泡，但增加了一整套消泡体系，包括消泡罐、消泡回路及消泡装置，需要进行压力控制，增加了染菌的可能性与操作的复杂性化学消泡剂的种类极为繁多，效率很高，因而在发酵生产中应用最为广泛。在通风发酵中，化学消泡剂一般为天然植物油、聚醚类、高级醇、硅油、含表面活性剂的复合消泡剂等。
工业上，鼠李糖脂产量较高的工艺主要以植物油为碳源，原因是植物油在作为碳源的同时也可作为消泡剂。但利用植物油作消泡剂存在一定的风险，在大量泡沫存在的情况下，植物油用量的增加会导致发酵液含油量提高，发酵液易乳化，难以分离。聚醚类消泡剂消泡效率低，添加量高，过多的使用需要增加后期的分离提纯工艺。单纯的二甲基硅油虽然消泡性较好，但分散性及抑泡性差，难以满足长达几十小时的发酵过程中对泡沫控制的需要。含表面活性剂的复合消泡剂存在将新的表面活性剂引入发酵液中，影响了鼠李糖脂的纯度。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，该消泡剂具有极强的消泡能力，只需极低的用量即可有效控制鼠李糖脂发酵过程中产生的泡沫。
本发明还提供了上述鼠李糖脂发酵液用消泡剂的制备方法。
本发明还提供了上述鼠李糖脂发酵液用消泡剂的应用
本发明的第一方面提供了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，制备原料包括端聚醚改性聚硅氧烷、聚醚改性七甲基三硅氧烷和溶剂；
所述端聚醚改性聚硅氧烷具有如下所示的结构：
其中，R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)a(OCH2CH2)bOR1，R1为-COCH3、-COCH2CH2CH2CH3中的至少一种，n为10～100，a为3～15，b为3～10；
所述聚醚改性七甲基三硅氧烷具有如下所示的结构：
其中，G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)e(OCH2CH2)fOR2，R2为-COCH3、-COCH2CH2CH2CH3中的至少一种，e为8～15，f为0～5。
本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂，至少具有以下有益效果：
对于消泡剂而言，消泡剂需要和起泡体系有一定的不相容性，这样消泡剂在起泡体系中才能以一定结构、粒径的液滴/颗粒存在于气-液界面即气泡表面，消泡剂的表面张力需要低于起泡液，存在气泡表面的消泡剂组分由于更低的表面张力，气泡表面表面张力差异导致气泡破裂，泡沫被消除。同时，更低的表面张力和不相容性，更大程度避免了消泡剂组分被起泡体系表面活性剂乳化包覆而失去消泡作用、导致抑泡能力差的问题。此外，消泡剂还需要具有良好的迁移能力，可快速迁移至气-液界面即气泡表面，才能起到快速的消泡作用。
本发明鼠李糖脂发酵液用消泡剂的制备原料中，端聚醚改性聚硅氧烷结构式为R-A-R结构，其中A是聚硅氧烷链段，属于疏水链段(不亲水)，R是聚醚链段，其中，R的结构可分为-PO-EO结构或者-EO-PO结构。PO为(OCH(CH3)CH2)，是疏水链段，EO为(OCH2CH2))，是亲水链段。疏水的A链段和疏水的PO链接在一起，形成一整条疏水链段，而亲水的EO链段在分子链的两端，形成了EO-PO-A-PO-EO的结构。该结构的特点就是在水体系中会自动形成规整的“书钉状”排列，EO进入水相，而PO和A链段朝向空气或者气泡内部，从而实现了快速和持久抑泡。但如果是PO-EO-A-EO-PO结构，就无法形成规整的“书钉状”排列，在体系中是无序的，消泡性能大打折扣。
本发明鼠李糖脂发酵液用消泡剂的制备原料中，聚醚改性七甲基三硅氧烷是个伞状结构，其结构特点之一是表面张力非常低，低于22mN/m，而鼠李糖脂发酵液的表面张力是26.2mN/m，满足了消泡机理中的“比起泡体系更低的表面张力“这个要求；结构特点之二是迁移能力强，具有非常强的迁移能力，满足了消泡机理中的”良好的迁移能力“要求。
因此，上述制备原料的作用使得本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂具有极强的消泡能力，只需极低的用量即可有效控制鼠李糖脂发酵过程中产生的泡沫。此外，消泡剂具有长效性，一次添加即可满足48h的发酵过程对泡沫控制的需要，极大的节约了人工及成本。
本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂，所用原料温和，由于添加量极低，加上有机硅链段和聚醚链段在发酵后期会被发酵菌分解成培养基碳源组分，使用后不需要额外增加消泡剂分离去除工序。
本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂，没有引入其他表面活性剂，因此不会影响鼠李糖脂提纯后的纯度。
本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂，可以显著提高鼠李糖脂的提取率，却不会降低鼠李糖脂的纯度，提高了生产效率。
根据本发明的一些实施方式，所述制备原料中，包括重量份计的端聚醚改性聚硅氧烷20～40份。
根据本发明的一些实施方式，所述制备原料中，包括重量份计的端聚醚改性聚硅氧烷25～32份。
特定结构的端聚醚改性聚硅氧烷有助于形成规整的“书钉状”排列，而其他聚醚改性硅油是“梳状“聚醚改性硅油，无法形成规整的“书钉状”排列，消泡能力不够好。
根据本发明的一些实施方式，所述制备原料中，包括重量份计的聚醚改性七甲基三硅氧烷5～10份。
根据本发明的一些实施方式，所述制备原料中，包括重量份计的聚醚改性七甲基三硅氧烷5～8份。
根据本发明的一些实施方式，聚醚改性七甲基三硅氧烷的CAS号为27306-78-1。
根据本发明的一些实施方式，所述制备原料中，包括重量份计的溶剂50～75份。
根据本发明的一些实施方式，所述溶剂为低级醇。
根据本发明的一些实施方式，所述低级醇包括乙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。
本发明的第二方面提供了制备上述鼠李糖脂发酵液用消泡剂的方法，将所述端聚醚改性聚硅氧烷、聚醚改性七甲基三硅氧烷和溶剂混匀。
根据本发明的一些实施方式，混匀过程在常温下进行。
根据本发明的一些实施方式，常温为10℃～40℃。
根据本发明的一些实施方式，混匀过程施加100rpm～500rpm速度的搅拌。
根据本发明的一些实施方式，混匀过程搅拌的时间为10min～60min。
本发明的制备鼠李糖脂发酵液用消泡剂的方法，制备条件温和，设备要求低，易于工业化推广。
本发明的第三方面提供了上述李糖脂发酵液用消泡剂在制备生物表面活性剂中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述生物表面活性剂包括高分子生物表面活性剂。
根据本发明的一些实施方式，所述生物表面活性剂包括酰基缩氨酸系生物表面活性剂。
根据本发明的一些实施方式，所述生物表面活性剂包括糖脂、脂肽和磷脂。
根据本发明的一些实施方式，所述生物表面活性剂包括槐糖脂、海藻糖脂和脂肽。
本发明的李糖脂发酵液用消泡剂，使用时，添加量为发酵液质量的0.01％～0.02％。
附图说明
图1是端聚醚改性聚硅氧烷的书钉状结构示意图。
图2是端聚醚改性聚硅氧烷的梳状结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将256g端聚醚改性聚硅氧烷、64g聚醚改性七甲基三硅氧烷和480g无水乙醇于室温300r/min转速下搅拌混合反应30min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷分别购自广东金柏化学有限公司的C-9960和SP-5160。
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)10(OCH2CH2)5OCOCH3，n＝50；
聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)8OCOCH2CH2CH2CH3)。
实施例2
本实施例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将200g端聚醚改性聚硅氧烷、40g聚醚改性七甲基三硅氧烷和560g无水乙醇于室温100r/min转速下搅拌混合反应60min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷分别购自广东金柏化学有限公司的C-9935和SP-5186。
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)3(OCH2CH2)5OCOCH3，n＝100；
聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)15OCOCH3。
实施例3
本实施例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将240g端聚醚改性聚硅氧烷、40g聚醚改性七甲基三硅氧烷和520g无水乙醇于室温500r/min转速下搅拌混合反应10min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷分别购自广东金柏化学有限公司的C-9978和SP-5122。其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)15(OCH2CH2)3OCOCH2CH2CH2CH3，n＝10；
聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)15(OCH2CH2)2OCOCH3。
实施例4
本实施例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将200g端聚醚改性聚硅氧烷、64g聚醚改性七甲基三硅氧烷和536g无水乙醇于室温250r/min转速下搅拌混合反应25min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷分别购自广东金柏化学有限公司的C-9909和SP-5108。
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)15(OCH2CH2)10OCOCH2CH2CH2CH3，n＝75；
聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)10(OCH2CH2)5OCOCH2CH2CH2CH3。
对比例1
本对比例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将256g端聚醚改性聚硅氧烷、64g聚醚改性七甲基三硅氧烷和480g无水乙醇于室温300r/min转速下搅拌混合反应30min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷分别购自广东金柏化学有限公司的C-6309和SP-5108。
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH2CH2)5(OCH(CH3)CH2)10OCOCH3，n＝50；
聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)8OCOCH2CH2CH2CH3。
对比例2
本对比例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将240g端聚醚改性聚硅氧烷和560g无水乙醇于室温100r/min转速下搅拌混合反应60min。其中，端聚醚改性聚硅氧烷购自广东金柏化学有限公司的C-9935。
其中，端聚醚改性聚硅氧烷的结构如下式所示：
R为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)3(OCH2CH2)5OCOCH3，n＝100。
对比例3
本对比例制备了一种鼠李糖脂发酵液用消泡剂，具体过程为：将280g聚醚改性七甲基三硅氧烷和520g无水乙醇于室温500r/min转速下搅拌混合反应10min。其中，聚醚改性七甲基三硅氧烷购自广东金柏化学有限公司的SP-5122。
其中，聚醚改性七甲基三硅氧烷的结构如下式所示：
G为-(CH2)3(OCH(CH3)CH2)15(OCH2CH2)2OCOCH3。
性能测试：
1、消泡能力测试：往500mL带刻度量筒中加入100mL鼠李糖脂发酵液作为起泡液，以3L/min的速度鼓入空气，当气泡量达到500mL高度时，停止鼓气，立刻将准确称量净重为10mg消泡剂与0.5mL的鼠李糖脂发酵液混合物一次滴入量筒中，测定泡沫消除干净所用的时间。
2、抑泡能力测试：往500mL带刻度的量筒中加入100mL的鼠李糖脂发酵液作为起泡也，准确称量净重为10mg消泡剂，放入鼠李糖脂发酵液中，以3L/min的速度连续鼓入空气，分别记录1h、12h、24h、36h、48h的泡沫高度。如若中间泡沫高度达到500mL，则记录泡沫高度达到500mL的时间。
鼠李糖脂的产量、提取率及纯度所使用的检测方法为本领域所熟知。结果见表1。
表1消泡剂性能测试结果
从表1可以看出，由本发明实施例1～4制备的鼠李糖脂发酵液用消泡剂各项性能皆大幅优于对比例及市售样品。其中：
(1)从消泡能力测试结果可以看出，实施例1～4的消泡时间都在15s之内完成，大幅优于对比例及市售样品。其中，大豆油的消泡力最差。
(2)从抑泡能力测试结果可以看出，实施例1～4的抑泡时间皆超过了48h，48h时的泡沫远未达到500mL高度，实现了一次添加即可保证整个发酵过程的泡沫控制需要。而对比例及市售样品皆未超过24h，抑泡能力欠缺。其中，大豆油的抑泡能力最差，只保持了9min。
(3)从实施例2、3与对比例2、3的抑泡能力测试结果可以看出，本发明采用的具有特定结构的端聚醚改性聚硅氧烷和聚醚改性七甲基三硅氧烷具有协同增效作用，远优于单一组分的效果。
(4)从表1可以看出，本发明的鼠李糖脂发酵液用消泡剂可显著提高鼠李糖脂的产量及提取率，同时对纯度没有明显影响。而市售发酵消泡剂因为引入了其他成分的表面活性剂，因此降低了鼠李糖脂的纯度。
特定结构的端聚醚改性聚硅氧烷有助于形成图1所示的规整的“书钉状”排列，而其他聚醚改性硅油是图2所示的“梳状“聚醚改性硅油，无法形成规整的“书钉状”排列，消泡能力不够好。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
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