CN103897074A

CN103897074A - 一种利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法

Info

Publication number: CN103897074A
Application number: CN201410090447.2A
Authority: CN
Inventors: 董学前; 吉武科; 武琳; 张永刚; 刘建军
Original assignee: SHANDONG FOOD FERMENTATIVE INDUSTRY RESEARCH AND DESIGN INST
Current assignee: Shandong Cuiyuan Yikang Biotechnology Co., Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103897074B

Abstract

本发明公开了一种利用膜分离工艺纯化可得然胶的方法：将可得然胶发酵液或粗制可得然胶产品在碱液中溶解，利用在水溶液中完全伸展的可得然胶分子能够通过10nm以上孔径的微滤膜，而微生物菌体及不溶性杂质不能通过微滤膜的原理以及陶瓷微滤膜能耐酸碱的优势，通过陶瓷微滤膜过滤分离去除可得然碱溶液中的微生物菌体及不溶性杂质，收集得到浓度较低的澄清的可得然胶碱溶液，向澄清的可得然胶碱溶液中加酸中和，可得然胶以中和凝胶的形式析出，利用超滤膜过滤浓缩可得然胶中和凝胶并加水洗涤脱盐，最后有机溶剂脱水、干燥，得到高品质的可得然胶产品：产品折干纯度超过95%，凝胶强度提高至1000～1200g/cm²，性能稳定。

Description

一种利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法

技术领域

本发明涉及一种可得然胶的精制方法，具体涉及一种利用膜分离技术纯化可得然胶的方法，属于可得然胶工业化生产技术领域。

背景技术

可得然胶（Curdlan）是一种微生物胞外多糖，具有在加热条件下形成凝胶的独特性质，又称作热凝胶或热凝结多糖。可得然胶分子是以β-1,3-D-糖苷键连接而成的无分支的均一多糖聚合物，大约由300～500个葡萄糖残基组成，平均相对分子量约74000D（道尔顿）。可得然胶对人体安全无毒，不溶于水但可溶于碱性溶液而形成粘稠状溶液。可得然胶作为食品添加剂被广泛应用于食品工业，可改善产品的持水性、粘弹性、稳定性，提高产品的口感。此外，在饲料、医药、建材以及石油开采等领域也具有良好的应用前景。

可得然胶发酵液是一种悬浮态浑浊液，发酵结束后静置一段时间，可得然胶与菌体杂质一起沉淀在反应器底部，在下游纯化过程中可得然胶与菌体的分离非常难。现有技术中，中国专利申请CN201110218879.3、CN201010011352.9等公开了几种可得然胶提取纯化的方法，有的采用碱溶发酵液后直接利用溶剂沉淀制得可得然胶产品；有的采用碱溶可得然胶后利用离心机分离菌体及杂质，然后利用有机溶剂沉淀提取可得然胶；也有的在可得然胶发酵液中添加溶菌酶、蛋白酶降解微生物菌体，碱溶可得然胶后利用有机溶剂沉淀提取可得然胶产品。

如果不除去可得然胶发酵液中的微生物菌体及杂质，直接利用溶剂沉淀碱溶液中的可得然胶产品，生产的可得然胶产品纯度低，凝胶性能差。而可得然胶碱溶液粘度高，4%的可得然胶在1mol/L（OH^-）碱溶液中溶解后粘度高达6000cp，采用常用的离心、过滤等手段也无法完全除去可得然胶碱溶液中的菌体及杂质。通过添加溶菌酶、蛋白酶等方法虽然能够降解发酵液中游离的菌体，但在实践中发现大量的菌体细胞被可得然胶包裹在内层，形成微小的不溶性颗粒，酶制剂无法作用，溶液中仍残留大量菌体。因此目前公开的可得然胶提取方法不能有效的除去微生物菌体及杂质，导致产品纯度低，盐离子浓度高，形成的凝胶强度低（依据GB28304），灰分高，凝胶体透明度低。如果采用这些常规手段去除微生物菌体及杂质，其生产效率将大大降低，难易形成大规模工业化路线。

发明内容

针对上述现有技术，为解决目前可得然胶产品纯度低、离子浓度高、形成的凝胶强度低、凝胶体透明度低等问题，本发明提供了一种利用膜分离工艺纯化可得然胶的方法。本发明将可得然胶发酵液或粗制可得然胶产品在碱液中溶解，利用在溶液中完全伸展的可得然胶分子能够通过10nm以上孔径的微滤膜，而微生物菌体及不溶性杂质不能通过微滤膜的原理以及陶瓷微滤膜能耐酸碱的优势，通过陶瓷微滤膜过滤分离去除可得然碱溶液中的微生物菌体及不溶性杂质，收集得到浓度较低的澄清的可得然胶碱溶液，向澄清的可得然胶碱溶液中加酸中和，可得然胶以中和凝胶的形式析出，利用超滤膜过滤浓缩可得然胶中和凝胶并加水洗涤脱盐，最后有机溶剂脱水、干燥，得到高品质的可得然胶产品。。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，包括以下步骤：

（1）稀释碱溶：取可得然胶发酵液或可得然胶粗制品，加入到碱溶液中，不断搅拌使其完全溶解，得溶解液，控制溶解液中可得然胶的浓度为0.3～1.0%(w/v，g/ml)，[OH^-]浓度为0.2～0.5mol/L；

所述碱溶液优选氢氧化钠溶液或/和氢氧化钾溶液；

（2）微滤膜过滤除杂：溶解液采用微滤膜过滤以除去菌体及不溶性杂质，所述微滤膜为50～200nm孔径的陶瓷微滤膜；控制操作过程滤出液的温度在30℃以下，收集滤出液；每当截留液固形物浓度达到1%(w/v，g/ml)时，补充上述碱溶液使[OH-]浓度为0.5mol/L，，继续浓缩，直至溶液中90%（质量百分数）以上的可得然胶被滤出液带出，结束过滤操作；

（3）中和沉淀：上述微滤膜过滤完成后，收集滤出液得到澄清的可得然胶碱溶液，加入稀盐酸（优选的稀盐酸中HCl的质量浓度为9.5%～10.5%）中和至pH为7.0±0.5，可得然胶呈凝胶状析出（可得然胶不溶于中性的水，但酸碱中和过程可形成凝胶），以凝胶混合液形式存在；

（4）超滤浓缩及除盐：将上述可得然胶中和凝胶利用超滤膜过滤浓缩，控制操作温度在30℃以下，滤出液外排，浓缩过程中不断向浓缩液中添加纯净水，当电导率降为500～1800μs/cm时，停止添加纯净水，并继续浓缩至可得然胶最终质量浓度在8%以上；所述超滤膜的截流分子量为2000-10000D（道尔顿）；

（5）酒精沉淀与干燥：将上述可得然胶浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入80%～95%乙醇（w/v，g/ml）至乙醇最终浓度为52%～58%（w/v，g/ml），过滤分离得到湿可得然胶（沉淀），粗粉碎后在45～50℃真空干燥2～5小时，再次粉碎筛分后得到可得然胶成品，纯度超过95%(折干，w/w，g/g)，凝胶强度提高至1000～1200g/cm²，性能稳定。

本发明的利用膜技术分离纯化可得然胶的方法，采用碱溶可得然胶后微滤膜过滤的方法除去了发酵过程产生的菌体及不溶性杂质，对可得然胶碱溶液中和后采用超滤膜过滤的方法浓缩并除去了可溶性盐类物质，得到了纯的高固形物含量的可得然胶水悬液，经溶剂脱水，干燥获得了高品质可得然胶，产品折干纯度超过95%，凝胶强度提高至1000～1200g/cm²（高于国家标准规定的450g/cm²的下限），性能稳定。本发明的提取纯化工艺与现有的提取技术相比，溶剂消耗量减少80%，大大节省了能耗。

本发明的利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，具有以下创新点：

1、采用微滤膜过滤的方式除去菌体及不溶性杂质：可得然胶发酵液是一种悬浮态浑浊液，发酵结束后静置一段时间，可得然胶与菌体杂质一起沉淀在反应器底部，在下游纯化过程中与菌体的分离非常难。目前生产上大都利用可得然胶溶于碱性溶液,采用离心分离的手段进行分离菌体，可得然胶碱溶液粘度大，4%的可得然胶在1mol/L[OH^-]碱溶液中溶解后粘度高达6000cp，对离心机分离因数要求高，目前能够大规模生产可得然胶的工业离心机分离因数低，很难满足完全分离可得然胶菌体的要求，离心分离效果差，导致产品杂质含量高，形成凝胶的强度差；采用高分离因数的离心机生产效率低，产能小，单位产品投资大。虽然膜分离技术是除去发酵液中微生物菌体的一种重要手段，但由于可得然胶碱溶液粘度大，呈强碱性，目前没有关于采用膜滤手段除菌的报道。本发明打破常规思路，降低可得然胶碱溶液的浓度，使可得然胶分子在碱溶液中的相互间作用力降低，因而能够能够通过10nm以上孔径的微滤膜，而微生物菌体及不溶性杂质粒径较大不能通过微滤膜，控制操作过程可得然胶碱溶液的温度不超过30℃，保证生产过程溶液粘度不增加的情况下，采用能够耐受高碱环境以及孔径为50～200nm的陶瓷微滤膜过滤除去了可得然胶碱溶液中微生物菌体及不溶性杂质。本发明采用的陶瓷微滤膜可耐受较高浓度的碱溶液。

2、超滤纯化的选择：可得然胶不能溶于pH呈中性的水中，利用盐酸中和可得然胶碱溶液后可得然胶以高含水中和凝胶形式析出，无法直接固液分离。常规方法采用向可得然胶中和凝胶中加入有机溶剂沉淀可得然胶，初始溶液中可得然胶浓度低，导致溶剂消耗量大，溶剂回收过程能源消耗大，产品的生产成本高。可得然胶分子量高达74000D（道尔顿），不能通过截留分子量为2000-10000的超滤膜，本发明中和可得然胶碱溶液后，采用超滤膜可以脱去可得然胶中和凝胶中的部分水分得到可得然胶浓缩液，膜浓缩过程不断向浓缩液中添加纯净水至电导率降至500～1800，可洗去浓缩液中小分子可溶性杂质及盐类物质，同时提高了可得然胶产品的纯度。由于可得然胶是热敏性物质，膜滤浓缩过程中溶液温度很容易升高，导致产品的凝胶强度下降，甚至出现不形成凝胶的状况，温度升高也导致浓缩液粘度越来越高，形成难以分离的状况。因此，本发明控制超滤浓缩过程中体系温度不超过30℃（可利用换热设备实现），保证可得然胶中和凝胶在水中的稳定性以及析出状态，最终提高固形物浓度至8%以上，再利用溶剂（乙醇）脱水，大大节约了有机溶剂的用量，提高了产品纯度和产品质量。具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。应当注意的是，本发明所列举的实施例仅是本发明技术方案中具有代表性的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，基于本发明的实施例所得到的其它实施例，都落入本发明的保护范围。

实施例1 利用膜工艺分离纯化可得然胶

步骤如下：

（1）稀释碱溶：取可得然胶发酵液，加到氢氧化钠溶液中，不断搅拌使其完全溶解，控制溶解液中可得然胶的浓度为0.5%(w/v，g/ml)，[OH^-]浓度为0.5mol/L；

（2）微滤膜过滤除杂：溶解液采用50nm孔径的陶瓷微滤膜除去微生物菌体及不溶性杂质；控制操作过程溶解液温度在30℃以下，收集滤出液；每当截留液固形物浓度达到1%(w/v，g/ml)时，补充氢氧化钠溶液使[OH^-]浓度为0.5mol/L，继续浓缩，直至溶液中90%的可得然胶被滤出液带出，结束过滤操作；

（3）中和沉淀：上述微滤膜过滤完成后，收集滤出液，加入稀盐酸（稀盐酸中HCl的质量浓度为10%）中和至pH为7.0±0.5，可得然胶呈凝胶状析出；

（4）超滤浓缩及除盐：将上述中和后的可得然胶含水凝胶通过超滤膜浓缩，超滤膜的截留分子量为5000D，控制浓缩液温度在30℃以下，滤出液外排，浓缩过程中不断向浓缩液中添加纯净水，当电导率降为1500μs/cm时，停止添加纯净水，继续浓缩至可得然胶浓度为8.2%；

（5）酒精沉淀与干燥：将上述可得然胶浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入95%乙醇（w/v，g/ml）至乙醇最终浓度为58%（w/v，g/ml），过滤分离得到湿可得然胶（沉淀），再经干燥机在50℃真空干燥3小时，然后经粉碎筛分即得成品可得然胶。所获得的可得然胶产品的灰分0.2%(w/w)，凝胶强度1150g/cm²，可得然胶纯度97%(w/w，g/g)，产品性能稳定。

实施例2 利用膜工艺分离纯化可得然胶

步骤如下：

（1）稀释碱溶：向氢氧化钠溶液中加入可得然胶粗制品，不断搅拌使其完全溶解，溶解液中可得然胶的浓度为0.4%(w/v，g/ml)，[OH^-]浓度为0.3mol/L；

（2）微滤膜过滤除杂：溶解液采用100nm孔径的陶瓷微滤膜过滤除去微生物菌体及不溶性杂质；控制操作过程可得然胶碱溶液温度在30℃以下，收集滤出液；每当截留液固形物浓度达到1%(w/v)时，补充氢氧化钠溶液使[OH^-]浓度为0.5mol/L，继续浓缩，直至溶液中90%的可得然胶被滤出液带出，结束过滤操作；

（3）中和沉淀：收集上述滤出液，加入稀盐酸（稀盐酸中HCl的质量浓度为10%）中和至pH为7.0±0.5，可得然胶呈凝胶状析出；

（4）超滤浓缩及除盐：将上述中和后的可得然胶含水凝胶通过超滤膜浓缩，超滤膜的截留分子量为5000D，控制浓缩液温度在30℃以下，滤出液外排，浓缩过程中不断向浓缩液中添加纯净水，当电导率降为1100μs/cm时，停止添加纯净水，继续浓缩至可得然胶浓度为8.2%；

（5）酒精沉淀与干燥：将上述可得然胶浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入85%乙醇（w/v，g/ml）至乙醇最终浓度为55%（w/v，g/ml），过滤分离得到湿可得然胶（沉淀），再经干燥机在50℃真空干燥3小时，然后经粉碎筛分即得成品可得然胶。所获得的可得然胶产品的灰分0.15%(w/w)，凝胶强度1180g/cm²，可得然胶纯度98%(w/w，g/g)，产品性能稳定。

实施例3 利用膜工艺分离纯化可得然胶

步骤如下：

（1）稀释碱溶：向氢氧化钾溶液中加入可得然胶发酵液，不断搅拌使其完全溶解，最终可得然胶的浓度为0.4%(w/v，g/ml)，[OH^-]浓度为0.3mol/L；

（2）微滤膜过滤除杂：溶解液采用100nm孔径的陶瓷微滤膜过滤除去微生物菌体及不溶性杂质；控制操作工程可得然胶碱溶液的温度在30℃以下，滤出液外排；每当截留液固形物浓度达到1%(w/v)时，补充氢氧化钾溶液使[OH-]浓度为0.5mol/L，继续浓缩，直至溶液中90%的可得然胶被滤出液带出，结束过滤操作；

（3）中和沉淀：收集上述滤出液，加入稀盐酸（稀盐酸中HCl的质量浓度为9.5%）中和至pH为7.0±0.5，可得然胶呈凝胶状析出；；

（5）酒精沉淀与干燥：将上述可得然胶浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入80%乙醇（w/v，g/ml）至乙醇最终浓度为52%（w/v，g/ml），过滤分离得到湿可得然胶（沉淀），再经干燥机在50℃真空干燥3小时，然后经粉碎筛分即得成品可得然胶。所获得的可得然胶产品的灰分0.15%(w/w)，凝胶强度1010g/cm²，可得然胶纯度96%(w/w，g/g)，产品性能稳定。

Claims

1.一种利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（2）微滤膜过滤除杂：溶解液采用微滤膜过滤以除去菌体及不溶性杂质，控制操作过程滤出液的温度在30℃以下，收集滤出液；每当截留液固形物浓度达到1%(w/v，g/ml)时，补充上述碱溶液使[OH^-]浓度为0.5mol/L，继续浓缩，直至溶液中90%以上的可得然胶被滤出液带出，结束过滤操作；

（3）中和沉淀：上述微滤膜过滤完成后，收集滤出液得到澄清的可得然胶碱溶液，加入稀盐酸中和至pH为7.0±0.5，可得然胶呈凝胶状析出，以凝胶混合液形式存在；

（4）超滤浓缩及除盐：将上述凝胶混合液利用超滤膜过滤浓缩，控制操作温度在30℃以下，滤出液外排，浓缩过程中不断向浓缩液中添加纯净水，当电导率降为500～1800μs/cm时，停止添加纯净水，并继续浓缩至可得然胶最终质量浓度在8%以上；

（5）酒精沉淀与干燥：将上述可得然胶浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入80%～95%乙醇（w/v，g/ml）至乙醇最终浓度为52%～58%（w/v，g/ml），过滤分离得到湿可得然胶，粗粉碎后在45～50℃真空干燥2～5小时，即得。

2.根据权利要求1所述的利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，其特征在于：所述碱溶液为氢氧化钠溶液或/和氢氧化钾溶液。

3.根据权利要求1所述的利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，微滤膜为50～200nm孔径的陶瓷微滤膜。

4.根据权利要求1所述的利用膜工艺分离纯化可得然胶的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，超滤膜的截流分子量为2000～10000D。