黄原胶(xanthan gum),又称黄胶、汉生胶、黄单 胞多糖，是由甘蓝黑腐病黄单胞杆菌(Xanthomonas campesHrS)或其他黄单胞杆菌属的菌株以碳水化合物为主 要原料经发酵产生的高分子酸性胞外杂多糖。黄原胶_ 方面具有独特的流变性、良好的水溶性、对热及酸碱 的稳定性、与多种盐类有很好的相容性，作为增稠剂、 悬浮剂、乳化剂、稳定剂，广泛应用于食品、石油、 医药等20多个行业，是目前世界上生产规模最大的微生 物多糖；另外重要的方面在于黄原胶来源于自然界，是 —种可再生的资源，既有生物相容性，又可以被生物 降解[1]。在黄原胶的生物发酵生产过程中，由于具有高 黏度的特性，导致发酵液中后期黏度大，通常当发酵 液中的黄原胶含量为2g/L时，其黏度即可达到4000卬以 上[2]。不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,随着黄单胞杆菌分泌到自身胞外多糖的积累，给 发酵过程中的气液混合、溶氧传递、营养物质传递以 及热量的传递等带来了很大的困难，因此，这一问题 是目前提高黄原胶发酵生产水平的主要制约因素，而且 对黄原胶的黏度、分子量大小、分子量分布、丙酮酸 功能基团含量及流变特性等产生至关重要的影响[3"«。改 变目前国内黄原胶生产普遍使用的六直叶涡轮搅拌系 统，延长气体在罐内的停留时间，提高混合效率，开 发适合黄原胶高黏性物系发酵的新型搅拌系统，对于解 决黄原胶发酵过程中存在的上述问题，有着重要的现实 意义。

本实验室在黄原胶水溶液的冷模实验状态下，分别 对底层桨采用六直叶圆盘涡轮(6DT)、六凹叶圆盘涡轮 (6CBDT)、六叶布鲁马金(6BM)以及最大叶片式桨 (MB),上层桨采用六斜叶圆盘涡轮(6PDTD(U))(上推式 

黄原胶的质量浓度(g/L)=

和下压式)、双折叶圆盘涡轮(P2DTD(!J))(上推式和下压 式)以及最大叶片式(MB)等几种桨型组合进行了系统的研 究，选出了两组气含率和KLa值较高的桨型组合：上 层桨为下压式双折叶圆盘涡轮，下层桨为六叶布鲁马金 和单独最大叶片桨(MB)，将这两组桨型应用于机械搅拌 式生物反应器黄原胶的发酵，针对发酵过程中黄原胶的 浓度、黏度、淀粉含量、分子量及丙酮酸功能基团的 含量等参数的变化与传统的六直叶圆盘涡轮(6DT)进行对 比研究，以期得到一组适合黄原胶等高黏性物系发酵的 新型搅拌桨，进而开发适合于黄原胶等高黏性物系发酵 的新型机械搅拌式生物反应器。

1材料与方法

1.1菌种

野油菜黄单胞菌汰a^〇ffl〇nascarnpes&古)XG-101由

烟台大学化工制造工程山东省高校重点实验室保存。

1.2培养基

菌种斜面培养基：含淀粉5.0g/L、牛肉膏3.0g/L、 NaCl 5.0g/L、蛋白胨 10.0 g/L、琼脂 15.0〜20.0g/L,初 始 pH7.4。

种子培养基：含(NH4)2S〇4 1g/L、MgS〇4 0.12g/L、 CaC〇3 3g/L、酵母浸粉2.4g/L、淀粉10.6g/L、葡萄糖 2.1g/L,初始 pH7.6。

发酵培养基：含淀粉40g/L、豆粉8g/L、CaC〇3 3g/L, 初始pH7.6。

1.3生物反应器及其运行条件

采用日本丸凌株式会社生产的MSJU3型机械搅拌式生 物反应器，反应器的有效容积为30L,配备的两层搅拌 桨型组合：T/D=0.5,D=0.3m;配备的单个最大叶片式 桨：T/D=0.653,D=0.3m,发酵液的溶氧浓度采用原电 池型溶氧电极插于两层搅拌桨之间自动检测；采用2% 的H2SO4溶液和2%的NaOH溶液自动控制调节发酵液的 pH值；121°C灭菌30min,冷却后按10%的接种量接入 种子发酵液，不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,发酵温度28°C,两层搅拌桨型组合转速 为800r/min,最大叶片式桨根据单位体积功耗折算后的 转速为260r/min;通气比均为1:1(V/V),发酵周期为 92h。

1.4检测方法

1.4.1发酵液中菌体浓度的测定

采用分光光度计在650nm吸长处测定菌液光密度

(OD650nm)。

1.4.2发酵液黏度的测定

采用DV-2+PRO数字式黏度计，于室温下，用27号

转子测定。

1.4.3黄原胶浓度的测定

用95%以上的乙醇重复沉淀黄原胶两次，然后 70C真空干燥，用天平准确称量所得黄原胶样品的干

重。

黄原胶的干重g) 发酵液的体积L)

1.4.4还原糖、淀粉浓度的测定

采用斐林试剂法[6]。

1.4.5丙酮酸含量的测定

样品预处理：准确量称取黄原胶样品50mg,加入 25ml 1mo|/L HC丨溶液，在100C水解3h,使黄原胶侧链 基团中的丙酮酸水解释放，转速(10000r/mh、10min)离 心除去菌体，然后定容并取适量以0.45pm孔径的水系 滤膜过滤即得到待测液。

丙酮酸标准样品的配制：分别准确称取10、20、 30mg丙酮酸置于100m丨容量瓶中，用超纯水溶解并定 容，配制成丙酮酸标样系列溶液。

色谱分离条件：色谱分离柱为Ireland Symmetry (150mm X4.6mm,5^_m);流动相为 0.2 mo/L H3PO4; 紫外检测器波长为210nm;进样量为20pi;流动相流 速为0.8ml/min;柱温为室温。

1.4.6黄原胶分子量的测定

由Mark-Houwink方程：[n]=KMw计算得到。如

已知a、K值，只要测出特性黏度[til,即可计算出分 子量M w。

[n]用乌氏黏度计在25 ±o.rc测定：

(1)用0.08mol/L NaCl作溶剂，稍确配制浓度为 0.5〜lmg/ml的黄原胶样品溶液，加10ml于乌氏黏度计 中，测流出的时间为。然后分别加入5、5、10、 10ml 0.08mol/L NaCl将黄原胶样品逐渐稀释，流出时间 分别为 t2、t3、t4、t5。

⑵用同样方法测得〇.〇8 mol/L NaCl溶剂流出时间为to。 数据处理如下(外推法)：

n*p

Huggins 公式：=[n]+K[n]2Cp

Cp

t — to

已知r| ■ P =〇

to

nsp/Cp对Cp作图，并外推至Cp — 0(即无限稀释)， 另以lng对应Cp作图(ru=t/t〇)，并外推至Cp —0，W 作图直线?交于纵坐标上一点，其截距即为【n]。

已知野油菜黄单胞菌菌株所产生黄原胶的K、a值 分别为0.0247922和0.6941283,报据[n】=KM&,即可求 出分子量Mw。

2结果与分析

2.1不同搅拌桨体系对发酵液中微生物量的影响

 

Fig. 1 Growth curves of strain XG-101 under different impeller

systems

黄原胶发酵过程中发酵液的光密度随时间不断变 化，不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,发酵液光密度的变化可以看作是其中菌体量的变 化，故光密度随时间的变化曲线可以看作是菌体的生长 曲线，体现发酵过程中菌体的生长情况[7]。如图1所示， 菌体生长曲线随发酵时间不断上升，在24〜36h,分别 进入稳定期，MB发酵体系下的菌体生长量在进入稳定 期后，明显优于P2DTD+6BM组合发酵体系下的微生物 生长量，并且随着发酵时间的进行，各搅拌体系下的 微生物量都在下降，但MB发酵体系下的微生物量下降 相对较小。冷模研究表明，MB搅拌桨体系下与其他组 合桨体系下相比，具有较高的溶氧水平，上述实验结 果与华璟薇[8]研究结果一致：发酵液中的溶氧浓度对菌 体生长速率影响不大，但是对菌体浓度达到最大之后的 菌体的稳定期的长短却有着明显的影响。当溶氧浓度只 有饱和浓度的6.25%,即溶氧浓度为6%时，此稳定期 只有9h;而当溶氧浓度为其饱和值的25%时，即溶氧 浓度为25%,此稳定期可达28h以上。通常当发酵液溶 氧浓度过低时，稳定期短，说明菌体的呼吸受到限制， 菌体活力受到影响[8]。

2.2不同搅拌桨体系对发酵液中黄原胶浓度的影响

 

图2发酵液中黄原胶浓度随时间的变化

Fig.2 Relationship between xanthan concentration and fermentation time under different impeller system

从黄原胶的流变特性对MB结构来分析，黄原胶水 溶液是一种假塑性流体，随着剪切力的增大，黏度会 迅速减小，最大叶片式搅拌桨剪切能力较强，黄原胶 水溶液在其搅拌过程中被剪切稀化，从而有利于气液传 质，同时，最大叶片式桨也具有较好的轴向循环作用， 剪切流与循环流的统一使得该桨的传质性能较优； P2DTD+6BM上层采用下压式双折叶圆盘涡轮、下层采 用六叶布鲁马金，不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,两种桨都能在产生径向流的同时又能 产生轴向流，尤其是布鲁马金属于剪切循环兼顾型叶 轮，适用于既需要一定剪切、又需要高循环的场合， 而下压式双折叶圆盘涡轮在产生很强剪切流的同时又能 产生一定的轴向流，可以强化混合效果，较好地满足 黄原胶发酵液对较大流动循环量的需求，改善反应器内 部的传质混合效果。

黄原胶属次生代谢产物，发酵动力学为菌株生长与 产物合成非偶联类型，与抗生素和微生物毒素等物质合 成代谢类似，代谢产物的合成是在菌体浓度接近或达到 最高后才开始的％如图2所示，P2DTD+6BM搅拌体 系具有良好的传质混合效果可以缩短菌体的增殖期，发 酵液中黄原胶浓度的稳定增长期提前，明显早于 6TD+6TD体系。黄原胶发酵过程初期表现为低黏度的牛 顿体系，随着产物的形成和积累，发酵液黏度渐增， 在后期呈现为高黏度的假塑性非牛顿体系，限制了氧的 传递和其他营养物质的交换，影响黄原胶产量的进一步 提高。78h后发酵液中黄原胶浓度继续增加，MB和 P2D TD +6BM体系下黄原胶浓度的增长幅度高于 6TD+6TD〇MB和P2DTD+6BM都具有较好的气液分散 效果、较高的气含率和较大的传质系数，使气体在罐 内能够较长时间地停留，在一定程度上克服了发酵后期 存在的上述问题。

2.3不同搅拌桨体系对发酵液中黄原胶黏度的影响

 

图3 发酵液黏度随时间的变化

Fig.3 Relationships between viscosity and fermentation time under different impeller systems

由图3可见，MB和P2DTD+6BM体系下发酵中后 期黄原胶发酵液的黏度高于6TD+6TD体系发酵液的黏 度。通常黄原胶发酵液的黏度与黄原胶的浓度、平均 分子量之间有着正相关的关系。对照图2和图4可以看 出，MB和P2DTD+6BM体系下发酵液中黄原胶浓度的 增加与其平均分子质量的增加均高于6TD+6TD体系.

粉时温度60°C是不恒定的，所以发酵刚开始时，培养基 中淀粉和葡萄糖的初始含量有所差别(图6、7)。发酵开 始后随着菌体的迅速繁殖，其分泌的外淀粉酶活力也随着 增加，淀粉被逐渐水解为葡萄糖，发酵液中淀粉浓度随 之降低，葡萄糖浓度增加。

 

图7 发醇液中葡萄糖含量随时间的变化 Fig.7 Relationships between glucose concentration and fermentation time under different impeller systems

不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,根据生物反应动力学原理，在任何微生物发酵过程 中，当发酵液中的底物下降到一定浓度时，菌体代谢 速率非常缓慢，在工业生产中可以结束发酵。如图7所 示，实验中黄原胶发酵结束时P2DTD+6BM和MB体系 发酵液中的葡萄糖含量基本相同，均下降到0.5g/100ml 左右，均比6TD + 6TD体系下的葡萄糖含量(0.81g/100m) 低。碳源一部分用来构成细胞成分，_部分维持正常的 新陈代谢，另外_部分用于目的产物的合成， P2D TD +6BM和MB体系下的残糖含量明显低于 6TD+6TD体系下的残糖含量，这些一部分用来维持微生 物正常的新陈代谢，另外，就是用来合成黄原胶。正 如图2所示，P2DTD+6BM和MB体系下发酵所得黄原 胶产量比6TD+6TD体系下的产量高很多。

3结论

3.1上述实验验证了冷模实验下的结论：P2DTD + 6BM 和MB体系具有较高的气含率和KLa值。

3.2不同搅拌体系下黄原胶发酵的研究,在P2DTD+6BM和MB体系下发酵较高的传质系 数、较好的宏观稳定流型，可以提高底物淀粉的转化 率，增加发酵液中黄原胶的浓度，减少最终发酵液中 淀粉的残留量。

3.3P2DTD+6BM体系下发酵推动了更大范围的液体， 降低了静止区的厚度，尤其值得一提的是，MB体系下 发酵几乎不存在滞留区，P2DTD+6BM和MB体系下不

仅提高了最终黄原胶发酵产量，更重要的是提高了黄原 胶的发酵质量(黄原胶平均分子质量和丙酮酸功能基团的 含量）。