黄原胶及其应用:
黄原胶及其应用,1952年美国的Jeans等—分离到一株甘蓝黑腐病黄单孢 杆菌.能使甘蓝提取物转化为水溶性的胞外酸性杂多糖。由于 该多糖有很高的粘度、流动触变性等性能.称为黄原胶，它具 有广阔的市场前景和诱人的经济效益。70年代国外实现了责 原胶的工业化生产，0前黄原胶已有50余种产品规格，产量 近3万吨，价格约为1. 4万美元/吨。
国内对黄原胶的研究始于19 7 9年.中科院微生物所和南 开大学[2]在4m3的发酵罐屮采用玉米淀粉作原料得到了黄原 胶，目前已有十几家企业生产黄原胶。总体上说.围内的研究 主要集中在生物化学和产品后处押方面.而对发酵动力学、工 程、工艺和产品规格方面的研究和开发很少。
1黄原胶的生物化学
Sutherland1^等发现黄原胶的生物合i机制不同于蛋白 质、核酸等生物大分子.S介成不需要模板，属于非模板合成， 在16种酶的作用下分别以糖一核甘酸和C5S-Upid-p糖基载 体脂作为一级和二级糖基载体，经过梭甘酸的形成、五糖重复 单元的形成、五糖重复单元在胞外聚合成黄原胶胞外多糖三 个阶段。
U菌种和培养基
已发现甘蓝黑腐病黄单孢杆菌、锦葵黄单孢杆菌、胡萝卜 黄单孢杆菌、木薯萎矮病货单孢杆菌等菌种均能产生黄原胶. 但目前仍多以甘蓝黑腐病黄单孢杆菌及其变兄株为产生菌。 黄原胶及其应用SutherhmdW认为，筛选细胞噔合成缺陷或某些抗菌素菌株可 能获得黄原胶高产菌，高产菌需冷冻干燥或无营养液保存。
黄单孢杆菌产生黄原胶常用的培养基W是：以葡萄糖、蔗 糖或淀粉等为碳源，以蛋白质、鱼粉、豆粉或硝酸盐为氮源，加 KHzPOoMgSOhCaCOs 等无机盐和 IV-1、Mnz+、Zn2+等微 量元素，以及生成促进剂谷氨酸、柠檬酸、延胡素酸等。
1986年赵大健等M从甘蓝黑腐病斑中分离出甘蓝黑腐 病黄孢杆菌N.K-01.经培养后.分别引种到摇瓶和发酵罐中 发酵，黄原胶产量可分别达28〜30g/L和22. 4g/L,淀粉的转 化率分别是70%和55%。N. K-01菌利用玉米淀粉作碳源产 生黄原胶的能力高于萄葡糖的.且连续十代没出现小菌落而 使发酵能力降低.这与文献[fi]的报道不同：NRRL B-1459甘 蓝黑腐病黄单孢杆菌在长期传代后会蜕变为小菌落，使黄原 胶的产量和丙酮酸的含量均大大降低；谷氨酸等生成促进剂 对N. K-01菌无促进作用.而对NRRL B-M59菌冇促进作 W ;此外用常规的紫外线或其它化学诱变处理往往得不到高 产菌株，反而淫易形成失去胶荚膜的祖造增蔺落。
江伯英w用野油菜黄申.孢杆菌接种在4 %的淀粉培养基 屮，15h后能使淀粉完全液化.发酵48h能产生23〜29g/L黄 原胶。
鉴于采用淀粉为底物的黄原胶发酵液在用低级酵提取时 会发生剩余淀粉和黄原胶同时沉淀的现象，影响产品的质M . 刘秀芳等[8]从萝卜的黑色病斑中分离出了-•种U菌株，其最 佳的碳源是蔗糖、黄原胶产量21. 23g/L以上、发酵液粘度高 达6457cP;在最佳的发酵条忭下.黄原胶产量可达28g/L以 上、发酵液粘度高达14000〜16000cPw。王修埴等在2t屮 试罐上研究了 U菌株的发酵工艺，将L4菌种经培养后按 5%的接种量转入21发酵罐.装料1.於，搅拌转速为18〇17_ mm,发酵72h.所得发醉液的粘度在8000cP以h、最高达 12000cP.底物的平均转化率是62. 45.%。后来20t的工 业罐屮，以庶糖为底物，装料l〇~15t.搅拌转速为160i'/mui, 发酵液的粘度为7000CP〜9500cP.多糖对底物的平均转化率 是 61. 6%。
由于采用菌体发酵时存在发酔后期因高粘而造成供氧不 足的困难，许喜林等研究了采用两步法发酵合成黄原胶的 方法,第一步是利用黄单胞菌发酵，采用了较小量的碳源及低 的碳氮比.终止时间控制在2 5 h.此时可获得较大的生物量及 胞外酶.而不生成黄原胶，以有利于胞外酶的分泌和菌体的分 离;第二步胞外酶发酵采用了无氮培养条件，且因发酵液中不 含菌体省去了稀释和分离菌体的工序.可降低生产成本.黄原 胶的产率高于单纯菌体发酵时的产率.
Pmchus 等[16]以第二代大菌落 NRRL BL1459 S4-L I 为 菌种.培养基中除了碳源、氮源外.还加入了许多盐类（磷酸二 氢钾、硫酸钾、硫酸镁、氯化钙、柠檬酸、氯化铁）和微量元素 (如硫酸锌、硫酸铜、硫酸锰、钼酸钠、碘化钾、硼酸），以更有利 于黄原胶的产量和质量；分别以L-谷氨酸、蛋白胨为氮源，发 现L-谷氨酸作氮源时发酵后期容易出现供氧不足、氮源耗尽 的问题，而蛋白胨作氮源时不会出现这种现象；此外还发现一 般情况下黄原胶的发酵过程由氮源控制。
Peters等[1:：!将NRRL BL1459 S4-L 1经培养后、接种发 酵合成黄原胶.培养基中也加入了多种盐类和微量元素，发酵 过程中靠自动滴加4%的盐酸或10%的氢氧化钠来保持pH =7. 0
Suh等研究发现，采用葡萄糖作碳源、氯化铵作氮源 (加入量分别是50g/L和2g/L)、_K它条件同Peters等[1叫寸， 发酵过程由氮源控制。
可以看出，国内的研究集中在菌种和发酵方法上.而国外 则对影响黄原胶产量、质量和效益的氮源、盐类、微量元素等 因素作了大量的研究.优化了生产工艺、提高了产品质量。
1-2分子结构
1975年Jansson等[<]发现黄原胶的主链由两个D-葡萄 糖分子经(3- (1 — 4)核甙键连接构成线性的纤维素结构，主链 上的每个D-葡萄糖分子有一条“由两个D-甘露糖分子和一 个葡萄糖醛酸分子:组成”的侧链，有的侧链还有乙酸和丙酮 酸.由于侧链含有酸性基团，因此黄原胶在水溶液中呈现多聚 阴离子特性。黄原胶分子的带电荷侧链反向缠绕纤维素主链， 形成类似捧状的一级钢性结构[1黄原胶分子问靠氢键形成 双股的二级螺旋立体结构[2°];双股螺旋结构间靠微弱的非共 价键结合，排列成整齐的“超级接合带状”的三级螺旋聚合结 构[21 ]，•在极稀（小于1 % )的水溶液中，不加热时黄原胶呈现典 型的四级菊花状聚集_结构[7]。
王德润用透&电镜研究了单个黄原胶分子形貌，用扫 描电镜研究了温度、超声波和浓度等因素对黄原胶分子形貌 的影响，证明黄原胶分子由40余个亚基组成了右手双螺旋结 构。他们用GPC方法[23]研究了在水溶液中黄原胶的构象，发 现黄原胶在水溶液中多以缔合态存在、少量以黾分子态存在， 在缔合态和分子态之间存在动态平衡，缔合态为多分子分段 两两缔合呈右旋双螺旋构象。
赵大健等[5]采用纸层分析证明N. K-01黄原胶含葡萄 糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、丙酮酸和乙酸五种组分，用气相色谱 法证明N. K-01黄原胶多糖由葡萄搪、甘露糖和葡萄糖醛酸 三种单糖组成，N. K-01黄原胶的红外谱分析图谱与美国黄 原胶红外分析图谱相同、证明它们有相同的化学组成，用电泳 分析发现N. K-01黄原胶不含蛋白质，用特性粘度法算得N. K-01黄原胶的分子量是241000。王德润等根据透射电镜 的研究结果，计算出黄原胶的分子量是6 X 1〜25 X 106.用 光散射法[23 24]测定的黄原胶分子量是2. 36X 106。
2黄原胶的发酵动力学和工程
这方面H外进行/充;分的研究.但公开发表的资料较少. 旦多为实验室的动力学研究，闽内的研究很少》
黄元胶发酵工艺多为间歇式.1972年Shn等研究广 连续发酵工艺.发现黄原胶的得率是稀释速的函数.当稀释速 率是0. UhT1时,黄原胶的说高得率是0. S4g/h/kg.葡萄糖的 转化率由问歇发酵时的60%提高到连续发酵时的80%以匕 赵大健等W在0. 2m3的二级种子培养罐和I 的中试 发酵罐屮，采用两层R直叶圆盘涡轮搅拧.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.来提高溶氧速 度。
Galmdo等研究表明，在低浓度和中等浓度的黄原胶 液中，通气时的搅拌功耗下降较小，气含率较高.而在高浓度 的黄原胶液（〇. 3 5 g / L)中，通气功耗下降很多、且冇严_设的不 稳定现象。
Zhao等[27]在中试规模的黄原胶发酵罐屮，用大直径的 Rushton桨取代小浆，结合转速的控制，使功耗及发酵周期大 幅度下降，传热系数增加一倍以卜1。
Pmches等迮发酵罐中采用3层fi丧叶圆盘涡轮搅 拌.用NRRL BL1459 S4-L 1为菌种的黄原胶发酵中对生物 浓度、黄原胶浓度、葡萄糖浓度和溶氧浓度分别建立了数学模 嗯.并进行了发酵过程模拟。
Peters等[⑴在发酵罐中采用二层IntL'rm屯桨搅拌.当通 黄原胶及其应用入空气时由于发酵后期发酵液粘度很大.若转速低于400r/ mm会发生供氧不足的现象，降低了黄原胶的产M和分子tt; 若保持总气量不变、通入部分纯氧，则供氧能力明显增加、黄 原胶的浓度也增加（即使转速很低）.因此供氧M (尤其发酵后 期）是影响黄原胶产量和质量的重耍因素.可从工艺和工程两 方面克服供氧不足的问题；此外电镜分析发现在罐中发酵情 况与摇瓶发酵不完仝相同.带搅拌的罐中发酵时菌体表面不 存在粘液fe-。
Numow等在19tn3的发酵罐中分别采用4层直叶圆 盘祸轮、4层Ecato公司的Prochem Maxflo Ts塑搅伴楽或3 层A315桨进行搅拌，发现采用直叶圆迓涡轮时混合敁差，通 气后搅拌效率最低。
此外，Pons等在鼓泡塔屮研究了黄原胶的发酵过程及 模型化问题，发现同样功耗时鼓泡塔中氧的混合和传递情况 比搅拌釜中好得多；采用Pmchcs等的微分方程数学模5S. 对发酵过程进行了模拟.与实验结果吻合较好。Suh等[1«研 究了鼓泡塔和气升式反应器中黄原胶的发酵过程发现气升 式反应器中氧传递速率满足不了菌体生长的要求.导致黄原 胶的生产速率较低、发酵周期很长；由于黄原胶发酵后期粘度 很大，加上发酵液是有屈服应力的假塑性流体.使发酵罐中溶 氧、混合和传递很困难.需要很高的能耗.而对鼓泡塔的研究 发现，同一横截面上可瞬间混合均匀.因此利用鼓泡塔进行黄 原胶发酵有很大的优势。
3黄原胶的后处理
由于黄原胶发酵液具有较高的粘度使后处理非常困难. 其中菌体细胞的去除是提取工艺的一大障碍。
3. 1预处理
该工序主要去除菌体细胞和各种不溶件杂质，使黄原胶 屮不再含活性的菌体细胞、影响产品质fi的不溶性杂质和色 素等。由于荧原胶发酵液的粘度很高，因此各种后处理方法均 需将原始发酵液稀释至400〜500cP,以利于菌体细胞和杂质 的去除以及黄原胶的沉淀，常用的方法有离心法[<]，过滤 法〜，酶降解法[3« .次氯酸盐氧化法w，过滤一超滤浓缩法w 等。
3.2沉淀法
利用黄原胶在某些溶剂栉某些条件下失稳凝聚而沉淀的 原理，将黄原胶从发酵液屮提出来，常用的方法有低级醇沉淀 法（常用的低级醇有甲醇、乙醇、异丙醇）[3°]，钙盐一乙醇沉淀 法[1].招盐一异丙醇沉淀法ts].季铵盐一甲醇沉淀法[3°]等。
4黄原胶的性能和应用
4-1黄原胶的性能
黄原胶的多种分子和空问结构使其具有下列多种优- 兄的 特性：
(1)由于黄原胶具冇很高的分子M和稳定的空问结构.使 黄原胶液即使浓度很低也具冇很高的粘度，如〇. 1 %的黄原 胶水溶液的粘度约为l〇〇(XTu」；
(2)黄原胶的侧链紧紧缠绕由葡萄糖组成的纤维素主链. 使主链免遭酸、碱和生物酶降解，所以黄原胶的溶液粘度耐酸 碱、抗生物酶降解[19_21];
(3)黄原胶分子的侧链负电荷具有结合阳离子的能力.使 阳离子不能作用于主链，黄原胶及其应用所以黄原胶的溶液粘度抗盐，此外当 黄原胶的浓度大于0.35%时.加入0.01 %~1 %的一价金属 盐可丨史其粘度增强uu;
U)在水溶液中，黄原胶分子形成超级接合带状螺旋共聚 体.类似凝胶的网状结构，剪切力使螺旋聚合体解聚成分散的 双螺旋、胶液的粘度降低，剪切力消除、分散的双螺旋重新聚 合、瞬时恢复原来的粘度.使黄原胶溶液具有良好的假塑性， 该变化是可逆的[6];
(5)水溶液中，黄原胶分子超级接合带状螺旋共聚体构成 的网状结构能支持和捕捉固相颗粒、液滴和气泡，使黄原胶溶 液具冇很好的悬浮能力和乳化能力;
(6)黄原胶溶液在-4~93X'范围内反复加热、冷冻.其粘 度基本不变[5]。
4.2黄原胶的应用
C1)在能源开发、地质矿产部门的应用 低浓度的黄原胶水溶液就可保持水基钻井液的粘度.使 钻井液有好的悬浮性能，这可防止井壁坍塌、抑制地层井喷、 便于将切削下的碎石排出井外,其性能远好于聚丙烯酰胺；黄 原胶的假塑性使处于钻头附近的黄原胶液由于高速旋转引起 的强剪切而表现出•极低的粘度，具有低磨阻特性.有利于降低 能耗；由于黄原胶的抗盐性、耐高温性等，在海洋、海滩、高卤 层以及水冻土层等区域的钻)1作业中采用黄原胶液作为泥浆 增稠剂时，可节省长途输送淡水的费用；黄原胶液用于三次采 油的流变控制液可提高1〇%_以卜.的采收率。
(2)在食品工业的应用
由于黄原胶液的悬浮性、假塑性、理化稳定性、食用安全 性和良好的配伍性.使它在食品行业有广泛的应用，可作为稳 定剂、浮化剂、增稠剂、分散剂和品质改良剂等，如在饮料中可 悬浮果肉、并保持良好的罐装性，在冷冻食品与冰淇淋屮可控 制冰晶、抗融化、延长保存期、提高膨胀率等，黄原胶及其应用在肉制品中可增 加持水性、提高出品率、延长货架期、抑制淀粉的回生.在蛋糕 中可使蜂窝组织均匀、质体松软、延长松软时问、富有弹性和 良好的保湿性，在乳制品屮可增加粘度、防止脂肪上浮、提高 热稳定性.在罐装蔬菜中可降低脱水率、抗酸败、延长储藏期等。
(3)在其它行业的应用.
黄原胶的应用覆盖面已达30多个行业.除了钻井液和食 品添加剂外.还用于陶瓷、搪瓷玻璃、医药、农药、印染、香料、 化妆品、胶粘剂、消防等行业，如1981年山东食品发酵所等使 用黄原胶代替黏土作为釉浆悬浮剂和粘结剂，使陶瓷和掂瓷 产品的釉面平整、光亮、滋润，产品合格率提高/ 40%.开降 低了烧结温度、减少了烧成遍数.降低了琅粉用li .改善了劳 动环境；1984年公安部天津消防所等利用贸原胶研制成功的 凝胶铟抗溶泡沫灭火剂，避免了普通金属皂抗溶灭火剂必须 在使用时相混、输送管道长不能超过200m的限制。
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