黄原胶（xanthan gum)是二十世纪五十年代美国农业部北方研究室
(Northern Regional Research Laboratories, NRRL)，从野油菜黄单孢菌
NRRLB-1459中发现的分泌的中性水溶性多糖，
又称为汉生胶。
黄原胶是一种由重复单位组成的高分子多糖（图1-3)。黄原胶中存在
的糖为D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸。葡萄糖以P-1，4-键连接，形 成葡聚糖纤维素骨架。间隔的葡萄糖基有一短的支链，这条支链是由1个葡 萄糖醛酸插到2个甘露糖单位中所组成，所以侧链组成为P-D-甘露糖“1，4) -P-D-葡萄糖薛酸-(1，2) -a-D-甘露糖。末端甘露糖部分可以在4位和6位 连接丙酮酰残基。内部的甘露糖单位C6位乙酰化。侧链上连接的乙酰基和 丙酮酰残基的量的变化取决于黄原胶是由哪一类野油菜黄单胞菌中分离得到 的，丙酮酸的含量的变化同样与发酵条件有关。平均约半数的末端甘露糖携 带有丙酮酸基，丙酮酿基和乙酰基的数量和位置使原本非常有规律的结构呈 现出不规律性。
图1-3黄原胶分子结构图 Figure 1-3 Structure of Xanthan Gum
黄原胶的二级结构取决于黄原胶分子所处的环境。经X-射线衍射和电子 显微镜测定，有序构象的天然黄原胶以对称的五折右手螺旋形式存在，螺距 为4.7mm，直径为1.9mm[25]。研究者提出了两种模型：单链螺旋和双链螺旋， 不过大多数的学者目前都支持双螺旋的设想。这些双螺旋由非共价键如氢键、 静电作用和空间位阻作用所稳定，其结构可用刚性柱状模型来表示。双螺旋 结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构，这是黄原胶的三级结构， 它在水溶液中以液晶形式存在126]。
1.2.1黄原胶的性状
黄原胶为乳白、淡黄至浅褐色颗粒或粉末状体，微臭。易溶于水，水溶 液呈中性，为半透明体。低浓度水溶液的黏度也很高，如0.5%溶液的黏度为
0.4Pa.s«在水溶液中，黄原胶分子的侧链紧紧缠绕着纤维素主链，所以黄原 胶溶液有很强的耐酸、耐碱、抗生物酶降解和耐热的性能，因此其黏度不受 pH值和温度变化的影响。其黏度也不受蛋白酶、纤维素酶、果胶酶等影响。 在水溶液中，黄原胶分子的侧链带有负电荷，具有很强的结合阳离子的能力， 使得阳离子不能作用于主链，因此，黄原胶溶液的黏度不受盐的影响。温度 不变时，受机械力的作用，可发生溶胶与凝胶的可逆变化。搅拌可使溶液的 黏度下降。静置则又升高（牛顿塑性）。黄原胶能溶于多种酸溶液，如5% 的硫酸、]0%的盐酸和25%的磷酸，且这些黄原胶酸溶液在常温下相当稳定， 数月之久仍不变。黄原胶也能溶于氢氧化钠溶液，并具有增稠特性，所形成 的粘溶液在室温下十分稳定。
1.2.2黄原胶的性能
黄原胶水溶液的黏度几乎不受温度、酸碱度和盐类的影响[27],因此它是 食品的良好增稠剂。黄原胶溶胶分子能形成超结合带状的螺旋共聚体，构成 脆弱的类似胶的网状结构，所以能够支持固体颗粒、液滴和气泡的形态，显 示出很强的乳化稳定作用和高悬浮能力。
黄原胶与海藻酸纳、淀粉等增稠剂能很好地互溶，故可复配使用。与卡 拉胶、槐豆胶、瓜胶有协同效应，与卡拉胶复配使用可提高弹性，与槐豆胶 或瓜胶复配使用可提髙黏性1#291。
1.2.3黄原胶的应用
黄原胶由于其独特的剪切稀释性质，良好的增稠性，理竭的乳化稳定性， 对酸、碱、热、反复冻融的髙度稳定性，以及对人体的完全无毒害等许多优
良的特性，因而在食品、石油、医药、日用化工等十几个领域有着极其广泛 的应用，其商品化程度之高，应用范围之广，令其他任何一种微生物多糖都 望尘莫及。现略举一二。
1)食品方面
许多食品中都添加黄原胶作为稳定剂、乳化剂、悬浮剂、增稠剂和加工 辅助剂。黄原胶可控制产品的流变性、结构、风味及外观形态，其假塑性又 可保证良好的口感，因此被广泛应用于色拉调料、面包、奶制品、冷冻食品、 饮料、调味品、酿造、糖果、糕点、汤料和罐头食品中。近年来，较发达国 家的人们往往担心食品中的热值过髙而使自己发胖，黄原胶由于其不可被人 体直接降解而打消了人们的这一顾虑。此外，据1985年日本的报道，对十一 种食品添加剂进行对比测试，黄原胶是其中最为有效的抗癌试剂。
2)日用化工方面
黄原胶分子中含有大量的亲水基团，是一种良好的表面活性物质，并具 有抗氧化、防止皮肤衰老等功效，因此，几乎绝大多数高档化妆品中都将黄 原胶作为其主要功能成分。此外，黄原胶还可作为牙膏的成分实质增稠定型， 降低牙齿表面磨损。
3)医学方面
黄原胶可以作为控释剂用于制药行业。凝胶化黄原胶微球将活性成分包 裹在内，这种微球在干燥状态下被吞咽，在胃中膨胀，进而逐渐释放出活性 成分活性分子同样可以与多糖共价结合，然后在体内水解酶的作用下逐渐释 放；由于其自身的强亲水性和保水性，还有许多具体医疗操作方面的应用， 如可形成致密水膜，从而避免皮肤感染；减轻病人放射治疗后的口渴等。此 外，李信、许雷曾撰文指出，黄原胶本身对小鼠的体液免疫功能具有明显的 增强作用
4)工农业方面的应用
黄原胶最重要的工业应用在于石油钻探。在这个应用中，由于黄原胶的 假塑性行为、温度稳定性以及耐盐性，使得其非常有用。黄原胶在石油生产 中的应用已由Pettit和Kan进行了综述。在石油钻探中，钻头上要求有低黏 度，而在环形套筒上则要求有高黏度，因此含有黄原胶的钻探液体允许钻头 快速穿透，而在环形套筒则为钻粉悬浮液[27]。
在织物印染上，通过阻止染料的迁移，黄原胶赋予了织物印花特殊的流 变学性质，而这种流变学性质对制备图案明晰而规则的产品是必需的。黄原 胶能与大多数印染材料相容，并且很容易经过洗漆去除。黄原胶还可用于陶 瓷釉料，其能阻止不同组分的凝聚作用.
人们对黄原胶的发现以及随后对其结构功能进行的大量研究，触发了人 类对微生物多糖优良的性质的强烈好奇，引发了发酵史上不小的轰动。迄今 半个世纪己过，人们依然没有降低对黄原胶的研究热情（据估计，全世界对 黄原胶的需求量每年以7%〜8%的速度增长，仅从世界石油组织分析结果显 示，近期世界石油行业钻井和三次采油方面需要黄原胶将达90万吨/年〜100 万吨/年)，随着研究的进一步深入以及生产工艺的进一步改进，黄原胶应用 潜力仍然很大。
1.3黄原胶的生物合成
黄原胶的合成，从五元糖重复单位的装配开始，然后这些重复单位聚合 生成大分子。这些黄原胶寡糖重复单位是通过来自于高能糖核苷酸的单糖的 按序添加形成的。髙能糖核苷酸包括乙酰辅酶A和磷酸稀醇式丙_酸。来自 于内膜的多萜醇磷酸盐作为受体[31]。五元糖装配的第一步是UDP-葡萄糖上
1-磷酸糖基转移到多萜醇磷酸盐上，然后再逐个的按序将其他糖残基转移上 去，D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸分别来自GDP-甘露糖和UDP-葡萄糖醛酸，从 而得到完整的与脂相连接的五元糖重复单位。乙酰基和丙酮酰基是在这个与
脂连接的五糖阶段添加的，其分别由乙酰辅酶A和磷酸稀醇式丙酮酸提供。 与内部甘露糖残基相连的0-乙酰基以及连接在末端甘露糖上丙酮酸的数目 会发生很大的变化，这取决于菌株及发酵条件。黄原胶链的增长发生在还原 末端（如图1-4)。生物合成的最后一步，是将黄原胶从细胞膜上分泌出去。 穿过周质和外膜分泌到胞外环境的过程还没有得到完全的阐述。这个运转的 过程需要能量，并且可能是通过一个特殊的运转系统，这个系统保证将高聚 物从脂类载体上释放出来并且进行跨膜运转[32]。
参与黄原胶生物合成的许多基因已被鉴定、分离和表征（如图1-5)。在 野油菜黄单胞菌致病变种campejfrij)中，黄原 胶的生物合成由一个12个基因组成的基因簇(丛gumB到gumM)指导[33,34]。 单糖的转移和脂质中间体乙酰化以形成完整的乙酰化重复单位，需要7个基 因产物的参与。这个基因簇并不与合成糖核苷酸前体所需要的基因相连。这 个基因簇的12个基因以单一操纵子的形式从第一个基因上游的启动子开始 表达。黄原胶的合成看起来并没有受到特别的控制，但实际上，至少这个基 因簇中的5个基因产物对黄原胶合成起着活化作用^ Pollock等（1997)克隆 了鞘氨醇单胞菌（分中编码黄原胶的装配、乙酰化、丙酮酰化、 聚合和分泌的12个基因，这些基因对于黄原胶的合成已经足够。来源于重组 微生物的黄原胶与天然的黄原胶在结构和功能上没有什么分别[35]。
1.4黄原胶的降解
黄原胶是一种髙聚合度的微生物多糖类物质，根据其分子量不同应用在 不同的领域。当其以高聚合度状态存在，往往利用其高粘度及较髙的稳定性 等物理性质应用在食品、化工和医药等领域。然而黄原胶超乎寻常的稳定性 本身也是一把双刃剑，在增加其普及度的同时也产生了一些问题。比如在釆 油业中，由于使用黄原胶而增加了溶液的粘度，从而大大增加了后续工艺如 油料运输及产品纯化的成本。唯有将其降解才能使对黄原胶的应用做到“进 可攻，退可守”。
随着分子生物学和医学的发展，寡糖的生物活性引起了研究者的瞩目， 因而造就了目前寡糖工程在国际上竞相研究、炙手可热的局面。由植物致病 菌分泌的黄原胶所降解的寡糖是否也拥有某种生物活性的疑问也激起了人们 强烈的兴趣。随之而来的问题就是降解，如何降解，降解到何种程度。
尽管黄原胶的主链与纤维素相同，但由于规则的螺旋结构的保护，以及 侧链所产生的位阻，使得一般的蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶等 都很难将其降解。多糖的降解，通常可用酸（如盐酸、次氯酸）或强氧化剂 (如过硼酸钠、过硫酸铵)，尽管这在实验室效果不错，但在实际应用中效果 不理想。
1980年，M.Riimud〇等人第一次报道用一种纤维素酶对处于不规则构象 的黄原胶主链进行随机降解，然而，对于一般规则的螺旋构象的黄原胶而言， 该酶几乎没有降解作用。随后，1981年，Cripps等人的研究小组发现了一种 能以黄原胶为唯一碳源生长的土壤棒状杆菌，命名为NCIB11535。用薄层层 析分析其降解产品，降解产物有九种，而对于脱乙酰的黄原胶而言，降解产 物只有四种，分别是甘露糖，甘露糖与丙酮酸的缩酮产物，以及两种寡糖产 品（专利 W00030393)。
Ruijssenaars等（1999)在一株类芽孢杆菌（尸中发现了几 种能降解黄原胶的酶。这株菌的酶能够降解约整个黄原胶分子的1/3,而不会 攻击其分子骨架[36]。最近，日本京都大学的Murata等人详细报道了用一株芽 孢杆菌降解黄原胶的途径（如图1-6)。降解黄原胶所需要的酶有黄原胶水解 酶、葡聚糖酶、葡萄糖苷酶、葡萄糖酵酸水解酶以及甘露糖苷酶。由于胞外 黄原胶水解酶的作用，降解首先开始于黄原胶侧链上丙酮酰基化的甘露糖与 葡萄糖醛酸残基之间糖苷建的断裂：接着黄原胶受到胞外p-D-葡聚糖酶的攻 击，产生一个四元糖，这个四元糖就是没有末端甘露糖残基的黄原胶重复单 位；然后，这个四元糖被带入细菌细胞内，被P-D-葡萄糖苷酶转化，产生不
饱和的葡萄糖醛酸-乙酰甘露糖•葡萄糖三糖；随后，葡萄糖醛酸水解酶水解 产生一个不饱和的葡萄糖醛酸和甘露糖-葡萄糖双糖；降解的最后一步是（X- 甘露糖苷酶将双糖水解为甘露糖和葡萄糖[37,38]。
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图1-6芽孢杆菌降解黄原胶途径 Figure 1-6 Xanthan depolymerization pathway in Bacillus sp, strain 有关微生物黄原胶侧链酶的基因克隆和结构研究代表了这一领域最新、 最重要的进展，通过将黄原胶侧链酶的基因克隆到适于工业化生产的宿主细 胞，可以使黄原胶侧链酶的发酵产率得到大幅度提髙。此外，对黄原胶侧链
酶结构的详细了解为基因的克隆提供了必要信息的同时，使合适的酶在工业 化生产中得到应用成为可能。毫无疑问，微生物黄原胶侧链酶的基因克隆对 酶的生产和黄原胶寡糖结构鉴定方面有着深远的影响。 1.5降解黄原胶菌株的简介
鞘気醇单胞菌（SpWngomoHiii jp.)是一类有着重要商业应用前景的细菌。 从形态上看，主要为球菌和杆菌，并且均为需氧的革兰氏阴性菌。鞘氨醇单 胞菌在自然界分布广泛，从土壤、河水、深层堆积物、血液、伤口等处均可 分离得到。在与植物相关的环境中（如根的周围）发现的最多。近来报道， 这类细菌在工业、农业、医药等与人类密切相关的领域里应用价值很髙。比 如它们可以降解不熔的污染物，可以作为植物致病真菌的抑制剂还可以分泌 具有髙附加值的胞外多糖如瓜胶等[39]。
基于16S rRNA同源序列分析，该类细菌在蛋白菌的ot-4亚基中形成系 统连接紧密的集团[4<)]。尽管有些鞘氨醇单胞菌不运动、不发酵，但是几乎所 有该属的细菌都包含一个类似于“标签”一样的结构，即，含有18〜21个碳 的直链饱和二氢鞘氨脂、单不饱和二氢鞘氨脂以及含有环丙烷的二氢鞘氨月旨。 除此之外，它们还拥有一个可以利用苯醌的长链及十个类异戊二烯单元的侧 链。DNA检测结果显示，鞘氨醇单胞菌属细菌G+C含量大约为61%〜67%14|]。 鞘氨醇单胞菌的外膜结构比较特殊，包括鞘糖脂，缺少脂、氨连接的三径基 脂肪酸并且缺乏脂多糖成分或者具有革兰氏阴性菌特征的成分。
一般来说，微生物是靠分泌降解酶降解生物高分子进而摄入降解产物而 生存的。而鞘氨醇单胞菌的作用机制似乎不太一样，它是通过一种类似于“吞 噬作用”来利用胞外多糖的。鞘氨醇单胞菌的细胞表面被数量巨大且结构复 杂的辨状物所覆盖。Murata等发现[42]在褐藻多糖的存在下细胞表面形成了类 似于嘴状的凹陷，而褐藻多糖则集中在凹陷周围。显示了细胞膜陷入细胞质 这样特殊的结构。由于多糖酶仅仅存在于细胞质中，甚至不会分泌到周质中， 所以其机理可能是靠细胞的内吞作用进入细胞的（如图1-7)。对于革兰氏阴 性菌，膜的内部是立体选择性转运系统，外部是非立体特异性多孔结构适合 转运低分子的底物。而髙分子物质如蛋白、多糖是通过其他机制实现的。