结冷胶发酵生产工艺优化研究

来源:用户上传      作者: 杨冬月 彭军 王念祥 陆启明 朱萌萌

　　摘要通过摇瓶试验，得出了结冷胶生产工艺中的最佳发酵培养基配方。通过改变发酵培养基中碳源、氮源的百分比，进而测量结冷胶发酵液的粘度、产胶率，来确定最佳发酵工艺。50 L罐发酵试验得到发酵液粘度为19 600 cp，粗胶产率达1.73%，清胶产率0.80%，试验结果为生产中优化结冷胶的发酵工艺、提高结冷胶的粘度和产胶率提供科学依据。
　　关键词结冷胶；发酵；工艺；优化；产胶率
　　中图分类号TS201.2文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）11-0025-01
　　
　　OptimizationofProductionTechnologyinGellanGumFermentation
　　YANG Dong-yuePENG JunWANG Nian-xiangLU Qi-mingZHU Meng-meng
　　（Technology Center，Dancheng Caixin Sugar Industry Co Ltd，Zhoukou Henan 477150）
　　AbstractOptimal fermentation formula for production of gellan gum was obtained by the shake flask experiment. By changing the percentage of the carbon source and nitrogen source in the fermentation culture medium，viscosity and gum productive rate in gellan gun ferme ntation liguor were measured，so as to determine the best fermentation technology.In the experiment of 50 L canist，fermentation liquor viscosity was 19 600 cp，exceed rough gum productive rate reached 1.73%，and gel resin productive rate reached0.80%. The results of this experiment set a scientific direction for optimizing the production technology of gellan gum fermentation and raising the viscosity and gum productive rate.
　　Key wordsgellan gum；fermentation；technology；optimization；gum productive rate
　　
　　结冷胶（Gellan Gum）是以少动鞘脂单胞菌为产生菌，以葡萄糖等单糖或双糖为原料，经特定的生物发酵制成，它是一种细胞外生物高分子多糖类物质，由β-1，3-D葡萄糖、β-1，4-D葡萄糖酸和α-1，4-L鼠李糖摩尔比为2∶1∶1组成，这些单体形成线行四糖具体单位[1]。它于1978年由美国Kelco有限公司生产制造，在1992年获得FDA权威性认证，成为继黄原胶之后又一种在食品中应用的微生物胞外多糖[2]。根据其分子结构可以分为高酰基和低酰基2种。作为一种新型的微生物胞外多糖，结冷胶以其耐酸、耐碱、耐盐、耐温性能好，低浓度凝胶，透明度好，保水性能好，高悬浮、高稳定性等特点[3-4]，在食品、药品以及工业领域中有着广泛的应用[5]，具有良好的市场前景。然而不论是高酰基结冷胶还是低酰基结冷胶产量都非常低，很难大规模的应用于工业生产，李海军等[6]在2007年通过多次试验对其发酵工艺进行优化，也只是将其粗胶产胶率提高到1.16%。本文对结冷胶发酵生产工艺进一步优化，筛选出适合工业化生产的优化工艺，为其大规模的工业生产奠定了基础。
　　1材料与方法
　　1.1试验材料
　　供试菌种为结冷胶菌种G3.1（实验室保藏）；培养基与试剂：牛肉膏、鱼蛋白胨、酵母膏（北京奥博星生物有限公司），豆粉（自制），蔗糖、磷酸盐等均为分析纯；仪器：电子天平（精确到0.001 g），电子显微镜，CX21FS1（日本OLYMPUS公司生产），DV-II型粘度计（美国Brookfield），LS-30型立式压力蒸汽灭菌器（上海博讯实业有限公司医疗设备厂），微生物发酵罐（江苏科海），HIQ-150型生物摇床（武汉江城生物科技有限公司）。
　　1.2试验方法
　　培养条件：①摇瓶培养。种子接种量1％；发酵接种量5％，转速260 r/min，pH值7.0～7.2，温度（30±1） ℃。②发酵罐培养。50 L发酵罐装培养基为40 L，接种量5％，pH值7.0～7.2，温度（30±1） ℃，调节转速和空气流量控制溶氧，过程添加20% NaOH溶液控制pH值。还原糖测定采用GB50097-1985标准。发酵液粘度测定除有说明外，在25 ℃，4号转子，30 r/min条件下测定。粗胶含量测定采用乙醇沉淀法。
　　2结果与分析
　　2.1不同碳源对结冷胶发酵的影响
　　培养基其他各条件不变，使用葡萄糖、蔗糖、乳糖、可溶性淀粉及玉米淀粉进行发酵试验，发酵效果见表1。由表1可知，蔗糖作碳源时发酵液的粘度和粗胶产率最高，分别为17 300 cp、1.62%；乳糖和葡萄糖作碳源时发酵效果一般，粘度分别为10 700、15 300 cp，粗胶产率分别为1.46%、1.57%；而可溶性淀粉和玉米淀粉作碳源发酵效果差。
　　2.2不同氮源对结冷胶发酵的影响
　　培养基其他各条件不变，使用豆粉、豆饼粉、鱼蛋白胨、玉米浆进行发酵试验，发酵效果见表2。由表2可知，玉米浆发酵效果最差，粘度及粗胶产率分别为5 800 cp、0.50%；豆粉和豆饼粉发酵效果一般，粘度分别为13 200、15 600 cp，粗胶产率分别为1.47%、1.52%；利用鱼蛋白胨的发酵效果最好，
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　　粘度及粗胶产率分别为17 800 cp、1.60%。
　　2.3不同无机盐对结冷胶发酵的影响
　　培养基其他各条件不变，使用KH2PO4、MgSO4・7H2O、KCl、FeSO4・4H2O进行发酵试验，发酵效果见表3。由表3可知，不论是粘度还是粗胶产率，利用KH2PO4进行发酵的效果最好，分别为18 000 cp、1.58%。
　　2.4正交试验设计及分析
　　条件优化采用正交试验，通过上述2.1、2.2、2.3的发酵试验，确定最佳发酵碳源为蔗糖，氮源为鱼蛋白胨，无机盐为KH2PO4。正交试验设计方案及结果见表4。由表4可知，影响结冷胶发酵因素的顺序为A＞B＞C。得出的结冷胶发酵最佳配方为：A3B2C1，即蔗糖2.75%，鱼蛋白胨0.25%，磷酸盐0.10%。
　　2.550 L发酵罐中试验结果
　　利用摇瓶优化得到的发酵配方在50 L发酵罐中发酵生产结冷胶，发酵罐搅拌速度（120～150）r/min，温度30 ℃，pH值控制在7.0～7.2，如有必要加入NaOH溶液调整；发酵结果见表5。由表5可知，50 L发酵罐粗胶收率明显高于摇瓶收率。利用50 L发酵罐中的发酵液酸沉、酒洗脱色后，溶胶脱酰[7]，过滤得到澄清胶收率为0.80%，透光率90%，凝胶强度达1 800 g/cm?2以上。
　　3结论与讨论
　　50 L发酵罐在生产过程中，由于转速、风量、pH值可在线调控，可以较好地控制溶氧量。因此，其发酵液的粘度、粗胶及清胶产率均高于摇瓶。通过试验表明，结冷胶发酵最佳条件：碳源为蔗糖2.75%，氮源为鱼蛋白胨0.25%，无机KH2PO4 0.10%。该配方在50 L发酵罐中发酵，粗胶产率可以达到1.73%，粘度19 600 cp，清胶收率可以达到0.80%，透光率90%，理化指标、微生物指标均符合WHO/FAO对结冷胶用作食品添加剂的规定。
　　4参考文献
　　[1] 伍德.发酵食品微生物[M].徐岩，译.北京：中国轻工业出版社，2001：217.
　　[2] DONALD E，PSZCZOLA.Gellan gum wins IFT′s food technology indust-rial achievement award[J].Food Technology，1993，47（9）：94-96.
　　[3] 李小勇，李洪军，贺志非，等.结冷胶及其在食品工业中的应用[J].食品与发酵工业，2005，31（6）：94-96.
　　[4] 王能强，王普.一种新型微生物胞外多糖――结冷胶（gellan gum）[J].浙江化工，2004，35（4）：13-16，46.
　　[5] 胡国华. 新型食品胶在我国的开发应用现状及前景[J].中国食品添加剂，2005（5）：33-42.
　　[6] 李海军，颜震，朱希强，等.结冷胶发酵生产工艺的优化[J].食品与药品，2007，9（17）：7-12.
　　[7] JAYA A J，COLQUHOUNA I J，RIDOUTA M J.Analysis of structure and function of gellans with different substitution patterns[J].Carbohydrate Polymergs，1998（35）：179-188.
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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