黄原胶(Xanthan gum)是20世纪50年代美国农 业部北方研究室从野油菜黄单胞菌NRRLB-1459中 发现中性水溶性多糖，又称为汉生胶，是一种用途广泛 微生物胞外多糖。由于该多糖具有很高粘度、流动触 变性和稳定理化性质，且无毒，故作为添加剂在许多领 域具有广阔市场前景。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非常 广泛应用。在20世纪80年代后,科学技术发展尤其是 生物工程技术对黄原胶发展起着重大推动作用，基因 工程、酶工程、发酵工程技术更新、膜分离等分离技术 进展使黄原胶应用价值得到更充分展示。

黄原胶是一种类白色或浅米黄色可流动粉末，是 目前国际上集稳定、增稠、悬浮、乳化于一体，性能最优 越生物胶。黄原胶无味、无臭、无毒、食用安全，易溶于 水;在水溶液中呈多聚阴离子，具有独特理化性质。 1.2.1稳定性

黄原胶溶液在一定温度范围内(-4 °C〜93 °C)反复 加热冷冻，黄原胶特性及生产，其粘度几乎不受影响;10 g/L黄原胶溶液由 25°C加热到120°C，其粘度仅降低3%。黄原胶溶液对 酸碱十分稳定，在pH为5〜10范围内其粘度不受影 响，能和许多盐溶液混溶，粘度不受影响。它可分别在 100 g/L KC1，100 g/LNaCl，100 g/L CaCI:和 50 g/L NaaCO;溶液中长期存放90天(25°C),粘度几乎保持 不变[3许多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维 素酶等都不能使黄原胶降解。

1.2.2假塑流变性

1黄原胶分子结构和理化性质 1.1黄原胶分子结构

黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛 酸、乙酸和丙酮酸组成“五糖重复单元”结构聚合体，分 子摩尔比为28 : 3 : 2 : 17 : 0_51〜0.631",相对分子质 量在5xl〇6左右。黄原胶分子一级结构由p-1,4键连 接的D-葡萄糖基主链与三糖单位侧链组成，其侧链 由D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸交替连接而成。黄原胶 分子侧末端含有丙酮酸，其含量对黄原胶性能有很大 影响,在不同溶氧条件下发酵所得黄原胶，其丙酮酸含 量有明显差异。一般，溶氧速率小，其丙酮酸含量低。

黄原胶除拥有规则一级结构外，还拥有二级结构，

经X射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子间靠氢 键作用而形成规则的螺旋结构一二级结构。双螺旋结 构之间依靠微弱作用力形成网状立体结构，这是黄原 胶三级结构，它在水瘠液中以液晶形式存在。

收稿'日期：2006-08-14 

黄原胶溶液是一种典型假塑性流体，其溶液粘度 随剪切速率増加而明显降低。在高剪切速率下，聚合 体结构解聚为无规则线团结构，使粘度迅速降低；当 剪切速率解除时，分子结构又恢复到双螺旋网状聚合 体状态，使溶液粘度瞬间恢复到最大。

1.2.3增稠性

黄原胶具有良好增稠性能，特别是在低质量浓度 下具有很高粘度，0.3 g/L黄原胶溶液即能产生0.09 Paq 有效粘度。

1.2.4与增稠剂协效性

黄原胶可与大多数合成或天然增稠剂配伍，黄原胶特性及生产，如与 槐豆胶、瓜尔胶、卡拉胶及魔芋胶等都能互溶，混溶后 使混合胶粘度显著提高。

1.2.5悬浮性和乳化性

由于黄原胶理化性质稳定，因而具有良好悬浮性 和乳化性，10 g/L黄原胶溶液具有5xl(T4N/cm2承托 力。黄原胶借助于水相稠化作用，可降低油相和水相 不相溶性，能使油脂乳化在水中，因而可在许多食品 饮料中用作乳化剂和稳定剂。

2黄原胶生产

黄原胶生产包括发酵和提取两部分。发酵工艺有 连续法和间歇法，但真正工业化的是间歇法。实际过 程是:种子发酵、种子扩大和发酵。目前国内外都在黄 原胶发酵工艺方面开展很多研究，以提高产量和质 量。国内研究主要集中在培养基配方和工艺改进方 面，而国外研究热点则为黄原晈发酵动力学和代谢网 络分析，从各个角度阐述黄原胶高产机理，并在此基 础上改进工艺，使产量得到提高。

提取工艺包括t6]:发酵液处理;沉淀反应，过滤沉 淀物并进行洗涤、干燥、粉碎，成品包装。

2.1生产工艺

工艺流程为：菌种—摇瓶—扩大培养—发酵罐发 酵—提取—干燥―粉碎—成品包装。黄原胶生产受 到培养基组成、培养条件（温度、pH值、溶氧量等）、 反应器类型、操作方式（连续式或间歇式）等多方面 因素影响。

2.2生产菌株

黄原胶生产菌株为黄单孢菌属几个种，目前工业 化生产用菌株主要是甘蓝黑腐病黄单孢杆菌(Xan- thomonascampestris，亦名野油菜黄单胞菌），直杆状， 宽0.4叫〜0.7 pm,有单个鞭毛，可移动，革兰氏阴 性，好氧。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 到编号为N. K-01甘蓝黑腐病黄单孢杆菌。

此外,菜豆黄单胞菌(X. phaseoli)、锦葵黄单胞菌 (X. malvacearam)和胡萝卜黄单胞菌(X. carotae)亦可 作为发酵菌种。

2.3培养基组成 2.3.1碳源

碳源对黄原胶产量有非常重要影响，黄原胶特性及生产，一般所用碳 源以葡萄糖、蔗糖或淀粉为多。研究表明，较高葡萄糖 浓度能抑制细胞生长及黄原胶产量[7〜9]，因此很多工 艺采取流加碳源方法，黄原胶产量可得到显著提高。 Peters等采用持续流加葡萄糖、盐和氧发酵方式，获得 高浓度菌体，最终葡萄糖浓度为50 g/L,且得到极高总 体产量(0.9 g/L/h)，但发酵过程需要极高瘠氧，因此对 转速要求非常髙（1500r/min)_。

各国研究者都在碳源种类选择上进行大量研究。 从生产上考虑，黄原胶发酵所用碳源多为玉米糖浆， 但也有研究者提出用于黄原胶生产其它一些价廉易 得碳源。如Y〇〇等在黄原胶发酵生产中加入废甜菜根 作为蔗糖补充，在一定培养条件下，黄原胶产量比单 纯蔗糖发酵提高约70%,具有较大经济效益[11]。

2.3.2氮源

氮源形式既可是有机化合物，也可为无机化合 物，氮源种类和浓度对黄原胶产量和质量都会产生显 著影响。

赵学明等研究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影响，结果 表明，氮源浓度对黄原胶合成速率、最终胶浓度、得率 都有重要影响，在改良设备、提高供氧情况下，黄原晈 质量浓度在55 h内可达40 g/Ln2〕。

丙酮酸是黄原胶分子链上侧链基团，它的存在可 赋予黄原胶许多优良性能，如流变学特性等[m。黄原 胶质量（可通过粘度衡量）不仅受其浓度和分子质量 影响，还与丙酮酸盐含量有关[14、15]。Candia和Decqwer 通过实验也证实这一点,并提出丙酮酸盐含量与黄原 胶分子质量及实验所用氮源氯化铵浓度有关，当氯化 铵质量浓度较高时(5 g/L)，丙酮酸盐产量和黄原胶分 子质量很低，从而降低黄原胶流变学特性，使其粘度 降低，只有氯化铵质量浓度在0.6〜3.5 g/L范围内进 行培养时，才能得到较高分子质量和丙酮酸盐浓度， 使黄原胶质量得到提高[16]。

2.4发酵环境控制

由于分泌出黄原胶包裹在细胞周围，妨碍营养物 质运输，影响菌种生长，因此，接种阶段时除应增加细 胞浓度外，还应尽量降低黄原胶产量，这样就需多步接 种(每步接种时间必须控制在7 h以下，以免黄原胶生 成)，接种体积一般为反应器中料液体积5%〜10%，接 种次数应随发酵液体积增大而增多。

发酵温度不仅影响黄原胶产率，还能改变产品结 构组成。研究指出，较高温度可提高黄原胶产量，但降 低产品中丙酮酸含量，因此,如需提高黄原胶产量，应 选择温度在3〜33°C，而要增加丙酮酸含量就应选

择温度范围在27°C〜31°C。

pH范围在中性时最适于黄原胶生产，随着产品产 出，酸性基团增多,pH降至5左右。研究表明，控制反应中 pH对菌体生长有利，但对黄原胶生产没有显著影响〔18〕。 2.5生物反应器

黄原胶发酵过程中需要什么样反应器，应要综合 考虑多种因素，黄原胶特性及生产，如发酵液性质、搅拌浆形状、通气状况、 能量消耗等。由于黄原胶溶液粘度较大，且发酵过程 中需要充足氧气,通常发酵液中溶氧浓度影响到黄原 胶产生菌生长速率、黄原胶产量及黄原胶质量;所以， 有些反应器就不适于生产。而空气提升式反应器由于 能有效解决黄原胶发酵中通气和搅拌所带来热量问 题，减少能源消耗，所以较为适合连续培养。配备有流 化床塔式反应器，由于其气泡转移系数较高，在分批 发酵中也有应用。用泵式静态混合循环反应器能增加 氧气在高粘度发酵液中传递速率，从而可提高黄原胶 产量™。近几年对反应器研究主要是在Yang等1996 年发明一种离心式填充床反应器（CPBR)基础上进 行，该反应器利用一种旋转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lg/L/h)，而一般搅拌式反应器只能达到 0.15 g/L/h,并且减轻后提取中菌体分离压力。

选择反应器要让其充分发挥作用，还必须辅以合 适搅拌浆。通过实验证实，圆盘涡轮式搅拌浆由于能 快速破碎气泡，而其本身不会被气泡淹没，所以在发 酵工业上使用较为合适^]。由于黄原胶发酵液特殊性 质，用普通搅拌浆如圆盘涡轮式搅拌浆、叶片涡轮式 搅拌浆等一般难以达到要求，但它们耗能小。赵大健 等在0.2 m3的2级种子培养罐和1.2 m3的中试发酵罐 中，采用两层直叶圆盘涡轮搅拌,4块标准挡板，单管 通气，可通过加大搅拌桨直径和搅拌转速，提高溶氧 速度。Nienow等™在19 m3发酵罐中分别采用4层直 叶圆盘祸轮、4层Ecato公司Prochem maxflo Ts型搅 拌桨或3层A315桨进行搅拌，发现采用直叶圆盘涡 轮时混合最差，通气后搅拌效率最低。近年来,为了适 应高枯度和高通气率发酵工艺需要，许多研究人员设 计一些新型搅拌浆;还有一些搅拌浆采用复合型 式，即将两种具有不同优点搅拌浆结合在一起，如螺 旋(上部）一涡轮式(下端)搅拌浆。

2.6发酵动力学

了解黄原胶发酵动力学特性是实现黄原胶生产 过程中定量优化控制必要基础，人们建立很多动力学 模型描述黄原胶发酵动力学过程。早期动力学模型以 经典发酵动力学模型为基础，同时考虑氮源消耗对黄 原胶生长限制作用，一般包括4个方程式:描述菌体生 长动力学方程，描述黄原胶生成产物动力学方程，描

述碳源消耗动力学方程及描述氮源消耗动力学方程。

近年来，人们认识到溶氧、温度、pH值等发酵环境 对黄原胶生产重要影响，开始建立一些包含这些因素 更为复杂动力学模型。1995年,Garcia等将溶氧作用 引入模型，建立包含5个常微分方程式描述菌体、碳 源、氮源、溶氧及产物随时间变化非结构动力学模型， 并提出黄原胶最适宜发酵条件为：温度28'C，质量分 数为257x10-4铵离子及足够充分溶氧['最近Garcia 等则进一步以铵离子氮源、DNA、RNA、细胞内蛋白质 及黄原胶产量为基本研究对象,提出一个全新生化结 构动力学模型。这个模型不仅能刻画不同初始氮源浓 度对黄原胶产量影响，同时还能对不同反应条件下产 量给出较好预测。黄原胶特性及生产，另外，Pinches等[26)在以NRBLBL 1459 S4-1 II为菌种黄原胶发酵中对生物量、黄原胶 浓度、葡萄糖浓度和溶氧浓度分别建立数学模型，并 进行发酵过程模拟。Serrano等根据黄原胶假塑性特 性,研究不同转速下黄原胶流变学特性改变对其产量 影响，并引入反应器有效容积概念，提出一个非结构 动力学模型[27]。

3黄原胶提取 3.1预处理工序

一般的，最终发酵液中组分为:黄原胶10〜30 g/L, 细胞1〜10g/L，残余营养物质3〜10g/L,及其他代 谢物。预处理工序主要是去除菌体细胞和各种不溶性 杂质，使黄原胶中不再含有活性菌体细胞、不溶性杂 质和色素等。方法有过滤法、离心法、酶降解法和次氯 酸盐氧化法等。

3.2沉淀分离

黄原胶沉淀分离一般采用乙醇、异丙醇沉法。 加入有机溶剂不仅可降低溶液粘度和增加黄原胶溶 解度，还可洗脱杂质(如盐、细胞、有色组分等)，但单独 加有机试剂所需量太大，成本过高。如要全部沉淀每 体积发酵液中黄原胶，需三倍体积丙酮，六倍体积乙 醇。加入盐离子可降低黄原胶极性从而降低其水溶性， 且加入盐离子强度越高，效果越明显，如Ca2+、Al3+等。 因而，加入含低浓度盐有机试剂是目前较为通用方法[如， 如加入I g/LNaCl可使乙醇使用量减半；加入二价离 子虽可使有机试剂使用量更小,但使产物一黄原胶盐 溶解度降低，因此一般不采用。

4黄原胶国内外发展现状

自20世纪50年代以来，采用发酵工程技术生产 各种微生物多糖是国际上热门课题，黄原胶就是微生 物多糖中最具代表性、商品化程度最高一种。美国首 先对黄原胶进行研究并实现工业化生产，目前能大规 模生产黄原胶国家有美国、法国、日本、奥地利和中国， 全世界黄原胶产量达7万吨/年以上。

20世纪70年代以来,我国南开大学、中国科学院 微生物研究所等科研单位相继开展黄原胶研究和开 发工作；虽起步较晚，但我国科技工作者依靠自己智 慧和力量，从自然界中筛选出黄原胶生产菌株，研制 开发出高附加值发酵产品黄原胶，并于上世纪80年代 投入商品化生产。自80年代中期山东烟台微生物多 糖厂、江苏金湖黄原胶厂率先进行工业规模黄原胶生 产以来，据不完全统计,国内黄原胶生产厂由2、3家增 至今天十几家，年总产量也由百十吨增加到2万吨左 右™。当前，我国黄原胶生产技术不断进步，生产规模 日趋大型化，应用面也逐步扩大。据国家轻工业规划 发展及石油行业专家预测，黄原胶特性及生产，国内黄原胶仍具有巨大潜 在市场；然而，在产量不断增加中，产品质量应有更明 显改观。