黄原胶是一种具有重要工业应用价值的微生物 多糖，它是由黄单胞杆菌（Xanthomonas campestris) 以碳水化合物为主要底物经发酵而成的高分子胞外 杂多糖。它的基本结构是五糖重复单元，在以D-葡 萄糖以&D-1，4-葡萄糖苷键连接的纤维素主链上， 由1个葡萄糖醛酸残基夹在2个甘露糖单位中间组 成三糖侧链，以糖苷键交替连于葡糖单位的C-3位 上;乙酸以酯的形式连于侧链内部的甘露糖上，高丙酮酸黄原胶发酵与流变特性研究，而丙 酮酸与末端的甘露糖缩合成缩酮。其平均分子质量、 乙酰基和丙酮酸的含量不仅与菌种密切相关11 ]，而且 不同的发酵条件对其也有重要影响[2]。

黄原胶的流变学特性不仅与黄原胶的平均分子质 量和分子质量分布有关，还与其分子中乙酰基和丙 酮酸基团含量有关[4]。其中丙酮酸含量变化会影响黄 原胶大分子的空间排列、电荷在大分子上的分布以及 大分子的交联等，引起黄原胶溶液粘度和耐温性变化， 从而赋予黄原胶许多独特的流变学和功能特性。

文中主要研究了高丙酮酸含量黄原胶发酵液的 流变学特性，考察了发酵时间对黄原胶分子质量和丙 酮酸含量的影响，并探讨了分子质量和丙酮酸基团与 黄原胶流变学特性之间的关系。

1材料与方法

1.1材料

出发菌种：Xanthomonas campestris WXB- CLZ0403,江南大学生化工程研究室保存。

斜面培养基(g/ L):蔗糖20;蛋白胨5;牛肉膏3;

酵母膏1;琼脂20; pH 7.0~ 7. 2。

种子培养基(g/L):蔗糖20;蛋白胨5;牛肉膏3; 酵母膏 1;pH 7. 0~ 7. 2。

发酵培养基(g/L):淀粉50; NH4CI 2 5;酵母膏 1; MgS〇4 2. 5; CaC〇3 6; pH 7. 0~ 7. 2。

黄原胶样品:分别为HPX(本文所述工艺制备的 样品 I )，LPX(样品 II)，M PX(样品 IIJ，Kelco630( C. P. Kelco, W);将黄原胶样品配制成质量浓度为 0■ 5%的溶液，16 000 I./ min离心30 min，弃沉淀，上 清液用1% KCl透析，将黄原胶转化为钾盐形式的黄 原胶，再用去离子水反复透析，最后冷冻干燥。

1.2细胞培养

将斜面种子接种到摇瓶种子培养基中，置于220 I/ min的摇床，29 °C下恒温培养21 h，取2. 5 mL种子 培养液接种到装有30 mL发酵培养基的250 mL三 角瓶中，于220 i/ min的摇床，29 °C下恒温培养72 h。 1. 3分析方法

所有分析用发酵液在取样后立即离心除菌体。 根据发酵液的粘度，将其用1%的KCl溶液稀释2~ 6 倍，于12 000 i/min下离心30~ 50 min，沉淀菌体，然 后将沉淀溶于一定体积去离子水中，测定生物量，最 后收集上清液，测定还原糖、产胶率及丙酮酸含量。 1.3.1生物量测定

将上述沉淀溶于去离子水中，添加少量HCl，再 离心弃上清液，将菌体沉淀溶于去离子水中，于650 nm下测OD值，对照标准曲线计算生物量。

1.3.2产胶率测定

发酵液中黄原胶含量小于3 g/L时，通过发酵液 粘度和胶含量的关系，用Brookfield DV-E粘度计1 号转子于100 i/min下测发酵液粘度，确定产胶率[51;其他情况下，将上清液用约2~ 3倍体积的 95%乙醇沉淀，洗涤，在12 000 r/min下离心30 min，

收集沉淀，60 °C下真空干燥24 h称干重，计算黄原胶

产量。

1.3.3还原糖测定

发酵液中还原糖的测定采用3, 5■二硝基水杨酸 (DNS)比色法。

1.3.4丙酮酸含量测定

准确称取一定量的黄原胶于1 mol/L的HCl中, 置于密闭容器内沸水浴水解3~ 4 h，采用2, 4-二硝 基苯肼（DNPH)比色法测定水解液中丙酮酸的含 量[61。

1.3.5分子质量测定

采用乌式粘度计测特性粘度的方法测定黄原胶 的分子质量。

1.4流变学性质研究

黄原胶发酵液和水溶液流变行为符合幂定律公 式：

n = k 1

其中，表观粘度n采用Brookfield DV-E粘度计 于室温(25 °C±2°C)下测定，高丙酮酸黄原胶发酵与流变特性研究，流态特性指数n和浓度 系数k通过Brookfield技术文件AR" 82对表观粘度

进行换算[7]。

2结果与讨论

2.1高丙酮酸黄原胶发酵过程的流变学特性

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时间/h

■丙酮酸含量，♦平均分子量，〇细胞干重，

▼流态特性指数

图1黄原胶发酵液发酵过程中的流变特性，

平均分子质量和丙酮酸含量变化 黄原胶发酵液是典型的拟塑性流体，图1显示, 发酵液流态特性指数n随着时间延长越来越小，说 明发酵液粘度随着黄原胶产量的增加越来越大。黄 原胶中丙酮酸含量随发酵时间变化，图1显示，丙酮 酸含量从8 h时的3% —直增加到对数生长期结束时 的6. 0%左右;此后在生长稳定期内保持恒定不变。 若黄原胶的全部侧链均带有丙酮酸功能基团，则黄原 胶中丙酮酸含量则可达到理论最大值（质量分数 8.69%)。Shu和Yang[8]在研宄温度对黄原胶中丙 酉同酸含量的影响时也发现如此变化规律；而Cadmus 和Flores[9,101在研宄氮源对黄原胶中丙酮酸含量的 影响时也有类似发现。

同时从图1还发现，发酵过程中黄原胶平均分子 质量在菌体对数生长期迅速增加，并在生长期结束时 达到最大值6. 〇x 106u,此后在生长稳定期则保持不 变，这种变化与文献报道一致[1〇]。黄原胶平均分子 质量对黄原胶溶液的流变行为有明显影响[111,对最 终发酵液进行梯度稀释试验(用去离子水稀释消除丙 酮酸含量对黄原胶溶液粘度的影响，具体原因见2 2 节)，稀释溶液中的黄原胶平均分子质量是不变的，其 流态特性指数n只与黄原胶浓度有关。

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黄原胶浓度/g.L-1

•稀释发酵液 〇发酵液

图2不同时间发酵液与稀释的对应浓度最终 发酵液的流态特性指数n的比较

图2对稀释的对应浓度的最终发酵液和发酵过 程中发酵液的流态特性指数n进行对比，结果发现， 随着黄原胶含量的增加，两者之间的差值越来越小, 在黄原胶含量大于10g/L时则趋于一致。由于在黄 原胶含量相同的情况下流态特性指数n只与其平均 分子质量有关，因此图2中进一步验证了黄原胶平均 分子质量随着发酵过程逐渐增加，且在黄原胶含量大 于10g/L(即菌体对数生长结束时）时黄原胶平均分 子质量保持恒定不变。

2. 2高丙酮酸黄原胶的流变特性 2. 2. 1丙酮酸含量对10 g/ L黄原胶溶液粘度的影响 对比1%HPX在不同环境中的粘度时发现，如图 3所示，两者的粘度均随转子转速的增加而降低，而 添加KCl的胶溶液在低转速(低剪切率）下有更高的 粘度，高转速(高剪切率）下则两者相差不大。同样对 样品（I ~ W) 1%的胶溶液作类似的比较（见表1), 

分子质量对粘度的影响不作讨论，丙酮酸对粘度的影 响以添加1% KCl前后粘度的变化率m为指标，如 图4所示，丙酮酸含量小于3%时，An比较小;•而当 丙酮酸含量大于3%时，丙酮酸含量越高，则越 大，并且随着剪切速率变小，An变得越来越大，其中 丙酮酸含量最高的HPX胶溶液的粘度变化较其他几 个样品在各剪切速率下都要更明显。证明在电解质 环境中高丙酮酸含量赋予黄原胶更优良的拟塑性和 低剪切速率下高粘度的特性。Smith[ 12]等人认为，由 于丙酮酸基团位于黄原胶螺旋结构的外围,当其丙酮 酸化程度大于0. 31时，高丙酮酸黄原胶发酵与流变特性研究，黄原胶溶液中的电解质将有 助于消除黄原胶大分子之间的静电斥力，使得大分子 之间的交联作用被丙酮酸甲基基团之间非极性相互 作用所促进，从而促使溶液的粘度有较大的提高。

的影响

对比不同浓度的HPX和MPX在KCl溶液中的 流变特性时发现（如图5所示)，在黄原胶浓度较大 时，两样品的流态特性指数n相差不大，即流变学性 质相似;而在浓度较低时,HPX较MPX的流态特性 指数要小很多，此时它们的流变学性质显著不同。正 如图6所示，在2. 5 g/ L的黄原胶溶液中,HPX在低 剪切速率下表现出更高的粘度,在高剪切速率下两者 粘度相差不大，这说明HPX较MPX有更好的剪切 变稀性能。由表1可知，它们的平均分子质量相差不 大，主要的区别在于黄原胶中丙酮酸含量的差别，由 此可以推断高丙酮酸含量黄原胶具有低浓度下更优 越的拟塑性行为。 

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▲去离子水中，_1%KCl溶液中 图3 1%HPX在去离子水和1% KCl溶液中流变曲线

 

 

转子转速(r/min): ▲0. 3, _3, *30 图4 1%样品溶液在添加1% KCl前后粘度的变化 表1黄原胶样品的物理化学性质参数

样品描述特性粘度/ /mL'g- 1粘均分子质量

x 10- 6/u丙酮酸质量 分数/ %

IHPX

(本文所述工艺制备）1 260 56. 15. 9

IILPX1 742 29. 61. 5

IIIMPX1 347 06. 63. 4

Kclco630 (C P. Kdco)1 75 8 59. 74. 9

.2. 2丙酮酸含量对不同浓度黄原胶溶液流变特性

A HPX, ■ MPX

图5 HPX和MPX在不同浓度下流态特性 指数n的比较

 

3讨论

通过研究发现，黄原胶的品质与黄原胶的分子质 量和丙酮酸含量密切相关，采用本摇瓶发酵工艺生产 的黄原胶，丙酮酸的质量分数高达6%左右,它赋予 黄原胶良好的拟塑性和低剪切速率下高粘度的特性。 高丙酮酸黄原胶发酵与流变特性研究，尤其在低浓度下，显示了与普通黄原胶不同的特性, 这意味着高丙酮酸含量黄原胶具有非常优异的悬浮 和稳定特性。另外丙酮酸含量的提高还有利于黄原 胶的耐酸性、协同效应的增强，水合速率的增大等。