其是生物工程技术对黄原胶的发展起了重大的推动 作用，基因工程、酶工程、发酵工程技术的更新、膜分 离等分离技术的发展使黄原胶的应用价值得到了更 充分的展示。

1生产菌株

黄原胶的生产菌株为黄单孢菌属(Xanthomonas cam〇estris)的几个种，黄原胶生物合成的研究进展,目前工业化生产用菌株主要为 甘蓝黑腐病黄单孢杆菌。1961年Jeanes等首先从甘 蓝黑腐病斑中分离出甘蓝黑腐病黄单孢杆菌，赵大 建等在1986年也得到了编号为N.K-01的甘蓝黑 腐病黄单孢杆菌。

2发酵工艺

目前国内外都在黄原胶的发酵工艺方面开展了 很多研究，以提高产量和质量，国内的研究主要集中 在培养基配方和工艺改进方面，而国外的研究热点

黄原胶是由葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸以 2.8 2 2的摩尔比组成的一种微生物胞外杂多糖，

其‘五糖重复单元”主链由2个D-葡萄糖分子经 £- 1，4糖苷键连接而成，具有类似纤维素的骨架结 构，每2个葡萄糖中的一个碳三上连接有一个由2 个甘聚糖和1个葡萄糖醛酸组成的三糖侧链。黄原 胶独特的分子结构赋予了它众多卓越的理化性能，

如良好的増稠性、触变性、乳化性、假塑性等。黄原胶生物合成的研究进展,它还 有一个重要的特性是能够与其他多聚糖产生交互作 用导致黏度増加[1- 2]，同时还是一种经反复确认的 无毒安全的绿色物质，因此成为食品工业中广泛使 用的第一种细菌多糖和目前国际上性能最优越的生 物胶之一。

自20世纪60年代初美国Kelco公司投入工业 化生产以来，黄原胶产品在食品、轻工、医药、纺织、

化妆品、石油开采和消防等领域得到了非常广泛的 应用。

则为黄原胶的发酵动力学和代谢网络分析，从各个 角度阐述黄原胶的高产机理，并在此基础上改进工 艺，使产量得到提高。

2.1培养基组成

2.1.1碳源

碳源对黄原胶产量有非常重要的影响，一般所 用碳源以葡萄糖和蔗糖为多，研究表明较高的葡萄 糖浓度能够抑制细胞生长及黄原胶的产量[3- 5]，因 此很多工艺采取了流加碳源的方法，黄原胶产量可 以得到显著提高。Funahashi等的研究表明，当葡萄 糖初始质量浓度高于50 g/L时，既抑制细胞生长也 会使胶产量大幅度降低，初始质量浓度不高且将葡 萄糖质量浓度保持在30~ 40 g/L的水平，则可以得 到43 g/L的胶产量，而在分批发酵中只能得到 30 g/L的胶，但缺点是发酵周期长，从而使得黄原胶 的总体产量很低（0■ 36 g. L- 1 • h-1)l5]。Peters等通 过持续流加葡萄糖、盐和氮的发酵方式获得了高浓 度的菌体，最终葡萄糖质量浓度为50 g/L，并且得到 了极高的总体产量(0■ 9 g*L-、h- ^，黄原胶生物合成的研究进展,但发酵过程需 要极高的溶氧，因此对转速要求非常高（1 500

I./ min)[ 6]。

Amanullah等验证了 Funahashi的观点，即在匍

萄糖初始质量浓度为54 g/L时胶产量很低;发现在 氮源基本耗尽的情况下进行流加的效果非常显著； 并比较了初始葡萄糖质量浓度为40 g/L，每隔8 h 流加一次和连续流加2种方式，结果表明间隔加入 的发酵周期短，总体产量高(0■ 72 g，L-、h- 但所 需溶氧也比较高(转速达950 i/ min)。

从大批量生产的角度出发，各国研究者都在碳 源种类的选择上进行了大量研究。黄原胶生物合成的研究进展,从生产上考虑， 黄原胶发酵所用碳源多为玉米糖浆，但也有研究者 提出了用于黄原胶生产的其他一些价廉易得的碳 源。例如，Yoo等在黄原胶发酵生产中加入废甜菜 根作为蔗糖的补充，在一定培养条件下，黄原胶产量 比单纯的蔗糖发酵提高了约70%，具有较大的经济 效益[8]。

2.1.2氮源

氮源的种类和浓度对黄原胶的产量和质量都会 产生显著的影响。李卫旗和饶恕通过正交实验表明 氮源对黄原胶的产量具有极其显著的影响，碳源次 之19];赵学明等研究了在发酵罐中流加葡萄糖条件 下，以硫酸铵为氮源对细胞生长量和黄原胶产量的 影响，结果表明氮源浓度对黄原胶合成速率、最终胶 的情况下，黄原胶质量浓度在55 h内可达到 40 g/ Ll10J。

丙酮酸是黄原胶分子链上的侧链基团，它的存 在可赋予黄原胶许多优良性能如流变学特性等[11J。 黄原胶的质量(可以通过黏度来衡量)不仅受其浓度 和分子质量的影响，还与丙酮酸盐的含量有关。 Candia和Deckwei•通过实验证实了这一点，并提出丙 酮酸盐的含量和黄原胶的分子质量及实验所用氮源 氯化铵的浓度有关，当氯化铵质量浓度较高时 (5g/L)，丙酮酸盐的产量和黄原胶的分子质量很 低，从而降低了黄原胶的流变学特性，使其黏度降 低，只有氯化铵质量浓度在0. 6~ 3. 5 g/L的范围内 进行培养时才能得到较高的分子质量和丙酮酸盐浓 度，使黄原胶的质量得到提高[12J。

2.2黏度的解决方案

黄原胶溶液的黏度即使在浓度较低的情况下也 会非常大[13J，提高黄原胶产量的一个最大阻碍是发 酵后期发酵液黏度的増加，从而使物料的混合及氧 的分散能力大大下降，导致供氧不足，限制了黄原胶 产量的进一步提高，同时也増加了后提取的难度，最 终影响产品的产量和质量。目前主要可以从以下几 个方面着手解决黏度问题。

2.21消泡剂的应用

发酵液黏度的増大使得代谢产生的⑴2无法及 时逸出，液面产生大量泡沫，黄原胶生物合成的研究进展,严重影响溶氧并会导致 染菌。发酵过程中一般都加入化学消泡剂聚氧乙烯 聚氧丙烯季戊四醇醚(PPE)来解决泡沫问题，但PPE 的加入也会导致染菌的发生。马忠海采用混合消泡 剂(化学消泡剂和植物油并用）取得了较好的效 果[14J。李卫旗等以菜油替代PPE作为消泡剂取得 了更加满意的效果[15J。

2.22 固定化合成

浓度'得率都有重要的影响，在改瞧、提高供氧不同载体固定化合成的黄原胶产量没有作比较。

利用固定化细胞生产黄原胶可以使产胶过程与 黏度极大的发酵液分离，从而使细胞能够得到充足 的溶氧。早在1988年，Robinson等就尝试利用多孔 的硅藻土作为载体来发酵生产黄原胶l16J;还有文献 报道以多孔的聚亚氨酯塑料为固定化材料可以得到 56g/L的黄原胶[17J;近年来Yang课题组[18J比较了 棉毛巾和聚酯纤维等4种不同载体材料的吸附效 果，结果表明棉毛巾对细胞的吸附率要比聚酯纤维 高30%~ 40%。他们还在一种离心式棉毛巾填充 床反应器中进行黄原胶发酵，发酵50 h后几乎所有 细胞都被吸附并且黄原胶产量也继续増加，但对于

随着固定化方法的成熟发展，固定化细胞生产 黄原胶应该是一种切实可行的方法，如果选择好吸 附效率高、价格低、来源广的固定化材料，黄原胶的 生产将产生实质性的飞跃。

2.2. 3诱导合成

一些自由基如羟基等是植物抵抗外来微生物侵 犯的重要因素，甘蓝黑腐病黄单孢杆菌在对植物的 攻击过程中分泌黄原胶就是其中的一例。研究发现 黄原胶的水平与植物的病况直接相关，这也是应用 甘蓝黑腐病黄单孢杆菌来开发黄原胶的原因所 在119]。

基于上述理论，Rao等利用能够产生自由基的 次氯酸作为诱导剂，黄原胶生物合成的研究进展,对甘蓝黑腐病黄单孢杆菌进行 胞外处理，然后研究对细胞生长和黄原胶产量及质 量的影响。结果表明，同野生型相比，诱导处理后细 胞量没有大的变化，但发酵液中黄原胶产量由原来 的3.1 g/L提高到6.5 g/L，为相同条件下野生型产 量的210%，同时衡量还原剂质量的黏度也比野生 型提高了 20%。测定发酵液中醋酸盐和丙酮酸盐 的浓度变化可以看出，诱导后的细胞能够产生更多 的丙酮酸盐和更少的醋酸盐[20]，这与Hassle•等提 出的黄原胶的黏度随丙酮酸盐含量的増加和醋酸盐 含量的减少而増加是一致的[21]。

利用次氯酸作为诱导剂还可以诱导细胞内活性 氧的生成，从而为细胞生长和黄原胶的生成提供氧 源[22]。

3生物反应器研究

毫无疑问，溶氧在黄原胶发酵中具有非常重要 的作用，通常发酵液中的溶氧浓度影响到黄原胶产 生菌的生长速率、黄原胶的生成率以及黄原胶的质 量。而溶氧浓度的高低则与生物反应器的结构有着 直接而重要的关系。

传统的反应器为搅拌式反应器(STR)，大部分 的反应都是通过这种反应器来完成的，只是为了提 高黄原胶产量，有些研究者对工艺条件作了一些改 进。从不同角度分析问题，陆续提出了其他类型的 反应器，如许平1990年提出用泵式静态混合循环反 应器可増加氧气在高黏度发酵液中的传递速率，从 而使黄原胶产量得到提高[23- 24];而气升式反应器 能有效解决发酵过程中的通气和搅拌所带来的热量 问题，适合连续培养生产黄原胶[25]。

近几年对反应器的研究主要是在Yang等1996 上进行的，该反应器利用一种旋转的纤维床来使菌 体分散固定化并与养分和氧气接触，同时还产生离 心力使黄原胶与菌体分离，从而获得高的氧传递速 率和胶产量(总体产量可达1g*L、h ^，而一般的 搅拌式反应器只能达到0.5 g*L-、h- 并且减轻了 后提取中菌体分离的压力，这种反应器结构对石油 输送具有重要意义[26];然后通过实验比较了使用 STR和CPBR的黄原胶产量，其中CPBR又分为2种 操作方式，即将整个细胞基质浸没在发酵液中 (CPBR~ LC)和置于发酵液之上(CPBR~ GC)，结果表 明CPBR~GC方式下可以得到的总体产量最高（1 g*L-、h- ^，并且葡萄糖的转化率最低，STR的总体 产量最低而葡萄糖转化率高^7]。CPBR^GC方式能 够避免发酵液黏度高而限制溶氧的问题，如果将它 用于工业生产，应该具有较好的应用前景。

4发酵动力学研究

了解黄原胶的发酵动力学特性是实现黄原胶生 产过程中定量优化控制的必要基础，人们建立了很 多动力学模型来描述黄原胶的发酵动力学过程。早 期的动力学模型以经典的发酵动力学模型为基础， 同时考虑氮源消耗对黄原胶生长的限制作用，一般 包括以下4个方程式：①描述菌体生长的动力学方 程，通常多米取Monod型或者Logistic型方程；②描 述黄原胶生成的产物动力学方程，通常采取Luedet inrPiiet型方程；③描述碳源消耗的动力学方程； ④描述氮源消耗的动力学方程。

年发明的一种离心式填充床反应器(CPBR)的基础浓度对黄原胶产量的影响，同时还能对不同反应条

近年来，人们认识到溶氧、温度、pH值等发酵环 境对于黄原胶生产的重要影响，开始建立一些包含 这些因素的更为复杂的动力学模型。这方面的工作 主要由Garcia等给出。1995年，Garcia等将溶氧作 用引入模型，建立了包含5个常微分方程式的描述 菌体、碳源、氮源、溶氧以及产物随时间变化的非结 构动力学模型，并提出黄原胶最适宜的发酵条件为： 温度28 °C，质量分数为2 57 x 10- 4的铵离子以及足 够充分的溶氧[28]。在此基础上，Gacia等进一步研 究了碳源以及氮源的细胞代谢作用，将细胞代谢作 用引入模型方程，提出了一个描述黄原胶发酵的代 谢结构动力学模型，并对不同温度下的实验结果都 给出了较好的拟合[29]。最近Gacia等则进一步以 铵离子氮源、DNA、RNA、细胞内蛋白质以及黄原胶 产量为基本研究对象，提出了一个全新的生化结构 动力学模型。这个模型不仅能够刻画不同初始氮源

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现代化工

第25卷第2期

件下的产量给出较好的预测[30]。

在此期间，Serrano等根据黄原胶的假塑性特 性，研究了不同转速下黄原胶流变学特性的改变对 其产量的影响，并引入了反应器有效容积的概念，提 出了一个非结构动力学模型131]。2003年Letisse等 考虑多种氮源对于黄原胶生产的影响，提出了一个 新的非结构动力学模型[32]。

5结语

提高黄原胶产量主要是从上述几个方面进行 的，发酵配方的改进始终是非常重要的一部分并己 比较成熟，但从动力学方面来研究培养基组成对黄 原胶产量的影响应该会给我们一些新的启示和思 路。高黏度始终是困扰黄原胶产量的一个问题，采 用固定化细胞生产，并在反应器中通入纯氧，可能会 获得较好的结果;诱导合成方法只见报道而在生产 中没有被应用，有必要进行深入研究;同时新型反应 器的研制也是提高黄原胶产量的一个较好的途径。 最后应该指出的是作为食品添加剂，黄原胶的质量 也是非常重要的，因此改进发酵工艺的同时也要兼 顾质量，否则一些改进会増加后处理的压力，反而会 提高生产成本.