CN110256602B - 一种可得然胶纯化方法及应用 - Google Patents

Abstract

本公开属于可得然胶工业化生产技术领域，具体涉及一种可得然胶纯化方法及应用。针对现有技术中微生物多糖可得然胶发酵液除菌效率低效果差、产品纯度低，凝胶体透明度低，离子浓度高，形成的凝胶强度低(依据GB28304)的问题，本公开提供了一种高效的可得然胶发酵液除菌方法，以可得然胶发酵液或粗制可得然胶产品在碱液中溶解，而后通过高剪切快速降低粘度后采用过滤机一般高效过滤除去菌体及不溶性杂质，清液加酸中和沉淀可得然胶，过滤浓缩并水洗除盐，酒精沉淀、干燥得高品质的可得然胶产品。该方法简便易行、成本经济，可适用于大规模工业化生产高品质可得然胶。

Description

一种可得然胶纯化方法及应用

技术领域

本公开属于可得然胶工业化生产技术领域，具体涉及一种微生物多糖可得然胶高效除菌、纯化方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

微生物多糖可得然胶(Curdlan)又称热凝胶，属于微生物胞外分泌物，是由大约300-500个葡萄糖残基以β-1,3-D-糖苷键连接而成的、无分支的均一多糖聚合物。由于可得然胶对人体安全无毒，具有良好的凝胶性能，作为食品添加剂被广泛应用于食品工业。此外，在饲料、医药、建材以及石油开发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。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6000mPa.s，通过物理沉降、离心、过滤等手段完全除去菌体及杂质的目的很难实现，下游纯化过程难度较大。导致可得然胶发酵液除菌效率低，产品纯度低，离子浓度高，形成的凝胶强度低(依据GB28304)，凝胶体透明度低，并且离心、过滤等手段分离高粘物料的效率低，设备投资大，难易形成大规模工业化生产路线。目前公开的专利CN201110218879.3、CN201410089577.4、CN201410090447.2中提供了几种可得然胶提取纯化的方法。有的采用发酵直接溶剂沉淀制备可得然胶产品；有的采用大量稀释碱溶后通过微滤膜过滤除菌提取可得然胶产品；也有的采用溶菌酶、蛋白酶处理发酵液后碱溶过滤除杂的方法。发明人认为，上述有些方法在制备过程中需额外加入酶或絮凝剂等，引入一定的后处理步骤。有报道提到通过添加蛋白酶等方法虽然能够降解发酵液中游离的菌体，但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，分离效果不佳。采用物理分离方式纯化的难度较大，并且纯化得到的可得然在纯度和凝胶强度上并不理想。

发明内容

为了突破微生物多糖可得然胶工业化生产过程中除菌纯化的产业瓶颈，本公开基于可得然胶分子溶于碱溶液的理化性质，通过大量的筛选、优化发现一定强度的机械剪切可以显著降低可得然胶碱溶液的粘度，使其能够方便的进行后续处理。本公开中的可得然胶纯化除菌的方法，克服了高浓度可得然胶碱溶液粘度高、难处理的技术问题。

为了实现上述技术效果，本公开提供以下技术方案：

本公开第一方面，提供一种可得然胶纯化方法，所述纯化方法包括如下步骤：将待处理可得然胶粗品与碱液混合得到碱溶液，通过机械剪切使碱溶液降粘，过滤除杂后加入稀盐酸中和得到水悬液，浓缩该水悬液并洗涤脱盐，向洗涤后的浓缩液中加入乙醇溶液脱水得到沉淀部分，即为可得然胶。

现有技术中的研究表明可得然胶分子在水溶液中以棒状螺旋结构存在，因此不溶于水(附图1)。在高浓度碱溶液中可得然胶分子以不规则团形式成溶解状态。因此可得然胶在碱溶液中分子排布由规则结构解聚为不规则(附图2)，宏观表现为溶液的粘度由溶解初始开始逐渐降低的过程直至稳定。

本公开基于上述原理通过大量的研究发现碱液稀释后的可得然胶产品在机械剪切作用下，能够使高浓度的可得然胶粘度快速并显著降低，使后续过滤除杂能够方便的进行。采用中和凝胶后过滤浓缩的方法，在除去可溶性杂质的同时不引入其他成分，不增加后续处理步骤，并且制备得到的可得然胶品质良好，纯度超过96％(折干，w/w)，凝胶强度提高至1044-1300g/cm²，性能稳定。

优选的，所述碱溶液中可得然胶的浓度为1.6-2.3％(w/v)，[OH^-]浓度为0.35-0.60mol/L。

上述范围内可得然胶在碱液中溶解程度接近饱和，在机械剪切作用下，该浓度范围下的可得然胶碱溶液粘度呈现持续的下降，能够在较短时间内达到方便进行后续处理的粘度值。

在一些具体的实施例中，所述碱液为氢氧化钠或者氢氧化钾。

优选的，所述机械剪切通过高剪切乳化机、搅拌器进行。

在一些具体的实施例中，所述高剪切乳化机的速率为5000～8000r/min，处理时间为5～10min。

本公开研究表明，1.6-2.3％(w/v)范围内的可得然胶碱溶液的初始粘度为1500～2800mPa.s，经过高剪切乳化处理后的碱溶液粘度降低至30～70mPa.s，相比机械剪切之前的粘度显著降低。由于可得然胶不溶于水、酒精等，在应用过程中，为了获取可得然胶水悬液，需要通过高剪切的方式帮助可得然胶分散于水中。而可得然胶在碱液中呈现溶液状态，本公开研究表明一定强度的机械剪切作用可以改善可得然胶分子间的作用方式，使粘度显著的降低。30～70mPa.s范围内的溶液可以较为容易的进行过滤操作，能够通过13～48μm孔径的滤膜，对菌类和杂质的去除较为彻底。

优选的，所述降粘后的碱溶液通过添加助滤剂过滤除杂。

在一些具体的实施例中，所述过滤设备为真空带式过滤机或板块过滤机，过滤介质的孔径为300～1000目。

在一些具体的实施例中，所述助滤剂为硅藻土、膨润土、珍珠岩的混合物(重量比例为1:2:2～1:5:3)，添加量为可得然胶碱溶液的0.5～1.2％(w/v)。

优选的，所述可得然胶水悬液通过过滤浓缩至质量百分浓度为8-12％时，向浓缩液中加水洗涤脱盐至溶液电导率为500-1000μs/cm，继续浓缩所述水悬液至重量百分浓度达到8～15％。

优选的，所述可得然胶水悬液浓缩并洗涤脱盐的过程温度控制在30℃以下。

优选的，所述脱水的方式如下：洗涤后的浓缩液与90～95％(v/v)的乙醇溶液混合至乙醇最终浓度为60-70％(v/v)，过滤分离得到可得然胶产品。

进一步优选的，重复上述脱水步骤得到含水量更低的可得然胶产品。

优选的，所述纯化方法还包括对可得然胶进行干燥的步骤。

在一些具体的实施例中，所述可得然胶经干燥机45-50℃真空干燥2～5小时后经粉碎过筛即得。

本公开第二方面，提供上述纯化方法在可得然胶产品制备领域的应用。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开技术与现有的提取技术相比，通过高剪切乳化技术高效的强化可得然胶碱溶液的降粘过程，在碱溶液中可得然胶的浓度提高了50％的基础上，使其粘度快速减低(降粘时间缩减90％以上)，能够利用可控简单的过滤操作完成可得然胶的除菌除杂纯化，大大降低了后续提取过程中物料的处理量与生产设备成本，显著节能降耗，且本公开技术方法与工艺设备选择简单，便于实施。

(2)利用本公开技术所获得的可得然胶产品的质量有了显著提高，可得然胶纯度超过96％(折干，w/w)，凝胶强度提高至1044-1300g/cm²，产品性能稳定，凝胶外观透明度媲美进口产品。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为可得然胶在水悬液中的排列结构示意图；

图2为可得然胶在碱溶液中分布方式示意图；

图3为对比例1中可得然胶产品凝胶实物图；

其中图3A为市售进口可得然胶产品(Takeda Chemical Industries,Ltd.日本大阪)，图3B为实施例1中方法纯化后的可得然胶产品，图3C为纯化前的可得然胶粗品。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，可得然胶为菌体的胞外分泌物，发酵后菌体杂质沉降在产物中分离较为困难。现有技术中针对可得然胶粗品的纯化问题，多采用加入酶、有机试剂或絮凝剂进行纯化的方法，增加了后续处理步骤，另外纯化后的产品纯度不够高。为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种可得然胶的纯化方法，该方法制备的可得然胶纯度高且凝胶强度良好，制备过程中不引入其他成分，工艺简便易于工业扩大生产。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

一种微生物多糖可得然胶发酵液的高效除菌方法，其具体工艺步骤内容如下：

(1)稀释碱溶

向氢氧化钠液中加入可得然胶发酵液，不断搅拌使其完全溶解，控制溶液里可得然胶的浓度为1.6％(w/v)，[OH^-]浓度为0.35mol/L。溶解完成后溶液初始粘度1500mPa.s。

(2)高剪切快速降低粘度

稀释碱溶完成后，采用剪切速率5000r/min处理可得然胶碱溶液6min使其粘度快速降低，以便于后续过滤除菌，处理后可得然胶碱溶液粘度降至31mPa.s。

(3)过滤除菌

将步骤(2)中降低粘度的可得然胶碱溶液通过添加助滤剂过滤除去菌体及颗粒型杂质。所述过滤设备为真空带式过滤机，过滤介质的孔径为500目；所述助滤剂为硅藻土、膨润土、珍珠岩的混合物(重量比例为1:2:2)，添加量为可得然胶碱溶液的0.5％(w/v)。

(4)中和沉淀

将步骤(3)中已除去菌体及杂质后的可得然胶碱溶液加入稀盐酸进行中和，使可得然胶沉淀。

(5)过滤浓缩及除盐

将中和后的可得然胶水悬液通过过滤浓缩，滤出液外排，当浓缩至浓缩液重量百分浓度为12％时，再经过滤后的浓缩液中加纯水继续洗涤脱盐，当然洗液电导率为800μs/cm左右时，浓缩可得然胶水悬液至12％。处理过程温度控制在30℃以下。

(6)酒精沉淀

将浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入高度酒精(90～95°，v/v)至酒精最终浓度70°(v/v)，过滤分离得到湿可得然胶产品，再向湿可得然胶产品中加入3倍体积(v/w)高度酒精(浓度90～95°，v/v)进一步脱水洗涤后过滤分离得到低含水可得然胶。

(7)干燥

将步骤(6)中得到的低含水可得然胶经干燥机50℃真空干燥2.5小时，然后经粉碎筛分即得可得然胶产品。所获得的可得然胶产品的灰分0.25％(w/v)，凝胶强度1210g/cm²，可得然胶纯度96.5％(折干，w/w)，产品性能稳定。本实施例中纯化后的可得然胶食物如图3B所示。

实施例2

一种微生物多糖可得然胶发酵液的高效除菌方法，其具体工艺步骤内容如下：

(1)稀释碱溶

向氢氧化钠液中加入可得然胶发酵液，不断搅拌使其完全溶解，控制溶液里可得然胶的浓度为2.0％(w/v)，[OH^-]浓度为0.50mol/L。溶解完成后溶液初始粘度2300mPa.s。

(2)高剪切快速降低粘度

稀释碱溶完成后，采用剪切速率7000r/min处理可得然胶碱溶液8min使其粘度快速降低，以便于后续过滤除菌，处理后可得然胶碱溶液粘度降至52mPa.s。

(3)过滤除菌

将步骤(2)中降低粘度的可得然胶碱溶液通过添加助滤剂过滤除去菌体及颗粒型杂质。所述过滤设备为真空带式过滤机，过滤介质的孔径为800目；所述助滤剂为硅藻土、膨润土、珍珠岩的混合物(重量比例为1:3:3)，添加量为可得然胶碱溶液的0.8％(w/v)。

(4)中和沉淀

将步骤(3)中已除去菌体及杂质后的可得然胶碱溶液加入稀盐酸进行中和，使可得然胶沉淀。

(5)过滤浓缩及除盐

将中和后的可得然胶水悬液通过过滤浓缩，滤出液外排，当浓缩至浓缩液重量百分浓度为11％时，再经过滤后的浓缩液中加纯水继续洗涤脱盐，当洗液电导率为700μs/cm左右时，浓缩可得然胶水悬液至11％。处理过程温度控制在30℃以下。

(6)酒精沉淀

将浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入高度酒精(90～95°，v/v)至酒精最终浓度65°(v/v)，过滤分离得到湿可得然胶产品，再向湿可得然胶产品中加入2.5倍体积(v/w)高度酒精(浓度90～95°，v/v)进一步脱水洗涤后过滤分离得到低含水可得然胶。

(7)干燥

将步骤(6)中得到的低含水可得然胶经干燥机48℃真空干燥3.0小时，然后经粉碎筛分即得可得然胶产品。所获得的可得然胶产品的灰分0.22％(w/v)，凝胶强度1260g/cm²，可得然胶纯度96.7％(折干，w/w)，产品性能稳定。

实施例3

一种微生物多糖可得然胶粗产品的高效除菌方法，其具体工艺步骤内容如下：

(1)稀释碱溶

向氢氧化钠液中加入可得然胶粗产品的水悬液，不断搅拌使其完全溶解，控制溶液里可得然胶的浓度为2.3％(w/v)，[OH^-]浓度为0.60mol/L。溶解完成后溶液初始粘度2800mPa.s。

(2)高剪切快速降低粘度

稀释碱溶完成后，采用剪切速率8000r/min处理可得然胶碱溶液10min使其粘度快速降低，以便于后续过滤除菌，处理后可得然胶碱溶液粘度降至66mPa.s。

(3)过滤除菌

将步骤(2)中降低粘度的可得然胶碱溶液通过添加助滤剂过滤除去菌体及颗粒型杂质。所述过滤设备为真空带式过滤机，过滤介质的孔径为350目；所述助滤剂为硅藻土、膨润土、珍珠岩的混合物(重量比例为1:5:3)，添加量为可得然胶碱溶液的1.0％(w/v)。

(4)中和沉淀

将步骤(3)中已除去菌体及杂质后的可得然胶碱溶液加入稀盐酸进行中和，使可得然胶沉淀。

(5)过滤浓缩及除盐

将中和后的可得然胶水悬液通过过滤浓缩，滤出液外排，当浓缩至浓缩液重量百分浓度为9％时，再经过滤后的浓缩液中加纯水继续洗涤脱盐，当洗液电导率为1000μs/cm左右，浓缩可得然胶水悬液至9％。处理过程温度控制在30℃以下。

(6)酒精沉淀

将浓缩液泵入脱水罐，向脱水罐内加入高度酒精(90～95°，v/v)至酒精最终浓度60°(v/v)，过滤分离得到湿可得然胶产品，再向湿可得然胶产品中加入3倍体积(v/w)高度酒精(浓度90～95°，v/v)进一步脱水洗涤后过滤分离得到低含水可得然胶。

(7)干燥

将步骤(6)中得到的低含水可得然胶经干燥机45℃真空干燥4.5小时，然后经粉碎筛分即得可得然胶产品。所获得的可得然胶产品的灰分0.36％(w/v)，凝胶强度1180g/cm²，可得然胶纯度96.1％(折干，w/w)，产品性能稳定。

对比例1

一种微生物多糖可得然胶粗产品的提取方法，其具体工艺步骤内容如下：

(1)离心脱水

将可得然胶发酵液离心，条件为4000r/min离心5min，取沉淀去上清，得可得然胶湿产品。

(2)酒精脱水

向步骤(1)中所得可得然胶湿产品中3倍体积(v/w)加入高度酒精(90～95°，v/v)，充分搅拌混合均匀使可得然胶充分脱水，过滤分离得到可得然胶短丝状固体，再向短丝状固体可得然胶中加入3倍体积(v/w)高度酒精(浓度90～95°，v/v)进一步脱水洗涤后过滤分离得到低含水可得然胶。

(3)干燥与粉碎

将步骤(2)中得到的低含水可得然胶经干燥机45℃真空干燥4.5小时，然后经粉碎筛分即得可得然胶粗产品。所获得的可得然胶产品的灰分6.25％(w/v)，凝胶强度628g/cm²，可得然胶纯度80.2％(折干，w/w)，其凝胶见附图3C。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种可得然胶纯化方法，其特征在于，所述纯化方法包括如下步骤：将待处理可得然胶粗品与碱液混合得到碱溶液，通过机械剪切使碱溶液降粘，过滤除杂后加入稀盐酸中和得到水悬液，浓缩该水悬液并洗涤脱盐，向洗涤后的浓缩液中加入乙醇溶液脱水得到沉淀部分，即为可得然胶；所述碱溶液中可得然胶的浓度为1.6-2.3％，[OH-]浓度为0.35-0.60mol/L；机械剪切的高剪切速5000～8000r/min，处理时间为5～10min，处理后碱溶液粘度降低至30～70mPa.s；

所述可得然胶水悬液通过过滤浓缩至质量百分浓度为8-12％时，向浓缩液中加水洗涤脱盐至溶液电导率为500-1000μs/cm，继续浓缩所述水悬液至重量百分浓度达到8％以上；

所述脱水的方式如下：洗涤后的浓缩液与90～95％的乙醇溶液混合至乙醇最终浓度为60-70％，过滤分离得到可得然胶产品。

2.如权利要求1所述的一种可得然胶纯化方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠或者氢氧化钾。

3.如权利要求1所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，所述机械剪切通过高剪切乳化机进行。

4.如权利要求1所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，降粘后的碱溶液通过添加助滤剂过滤除杂。

5.如权利要求4所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，所述过滤的设备为真空带式过滤机或板块过滤机，过滤介质的孔径为300～1000目。

6.如权利要求4所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，所述助滤剂为硅藻土、膨润土、珍珠岩的混合物，添加量为可得然胶碱溶液的0.5～1.2％。

7.如权利要求1所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，所述可得然胶水悬液浓缩并洗涤脱盐的过程温度控制在30℃以下。

8.如权利要求1所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，重复所述脱水步骤。

9.如权利要求1所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，所述纯化方法还包括对可得然胶进行干燥的步骤。

10.如权利要求9所述的可得然胶纯化方法，其特征在于，可得然胶经干燥机45-50℃真空干燥2～5小时后经粉碎过筛即得。

11.权利要求1-10任一项所述的可得然胶纯化方法在可得然胶产品制备领域的应用。

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