1、2005年32(2)矿。、5专论与综述2、。微生物学通报黄原胶(X锄than G啪)的特性、生产及应用4黄成栋 白雪芳 杜昱光一(中国科学院大连化学物理研究所大连116023)摘要：黄原胶是野油菜黄单孢菌分泌于胞外的中性水溶性多糖。由于其独特的流变性质而有着极其广泛的工业应用。介绍了黄原胶的生产、特性、降解以及应用，并对其应用潜力作了预测。关键词：黄原胶，生产，特性，应用中图分类号：Q93 文献标识码：A 文章编号：0253_2654(2005)02旬091旬8X粕tllan G岫：Prod眦缸佃，Pmpeni鹤and Appu踢ti佃+HUANG ChengDong BAI XueFang
2、DU YuGuang+(砒z如凡风砒把矿咖泐Z P咖玩，吼i嬲e A如彤o，&拓n伽，Dn玩n 116023)Abstmct：xaIlthaIl gum is a 111icrobial，natural high molecular wei曲t polysaccharide produced by a the bacteriumxallthomonas c砌pestris Due to its exc叩tional rheolo百cal propenies，jts numerous areas of印plication cover abmad raIlgeThis review focuses
3、 on vaIious aspects of xaIlthan pmduction，pro畔ies，de伊adation，a主ld印plicationKey words：XaIlthaIl gIlm，Pmduction，Pmperties，Application许多微生物都分泌胞外多糖，它们或附着在细胞表面，或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中，这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。这些分泌的多糖结构各异，其中一些有着优良的理化性质，已为人类广泛应用。对于仍不为人类所知的绝大多数多糖，人们试图通过相关的多糖结构问的相互比较，推
4、断出构效关系，从而人为地主动修饰、构造多糖，以满足应用的需要。其中，黄原胶是人类研究最为透彻、商业化应用程度最高的一种。1黄原胶的结构黄原胶(xant1an gum)是20世纪50年代美国农业部的北方研究室(NoIthem Regional Research Laboratories，NRRL)从野油菜黄单孢菌(凡fo啪nco唧es廊)NRRLB一1459发现了分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。+国家高技术研究发展计划(863计划)项目(No2001AA6250lO、2002AA245131)Pmject of Chinese Nationail Pm弘咖s for H曲Tcchnolo盱R
5、esearch aIld Devel叩mem (No2001 AA6250lO、2002AA245131)一通讯作者re】：04114379061，Fax：04114379061，Emajl；d“ygdj cpaccn；收稿日期：2004旬3-22。修回日期：2004m6-24万方数据微生物学通报图1黄原胶的结构示意图2005年32(2)黄原胶由五糖单位重复构成，如图l，主链与纤维素相同，即由以B一1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖_+葡萄糖_甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛
6、酸，分子量一般在2106210 7D之问。黄原胶除拥有规则的一级结构外，还拥有二级结构，经x一射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子问靠氢键作用而形成规则的螺旋结构。双螺旋结构之问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。2黄原胶的性质黄原胶的外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，美国FDA于1969年批准可将其作为不限量的食品添加剂，1980年，欧洲经济共同体也批准将其作为食品乳化剂和稳定剂。由其二级结构决定，黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时也可形成高粘度的、典
7、型的非牛顿溶液，具有明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观粘度迅速降低)。溶液粘度的影响因素还包括溶质浓度、温度(既包括黄原胶的溶解温度，又包括测量时的溶液温度)、盐浓度、pH值等，现分别简述之。21 温度的影响 黄原胶溶液的粘度既受测量时溶液温度的影响，也受溶解温度的影响。如下图2a所示，像大多数溶液一样，(在同平剪切力下测定)黄原胶溶液的粘度随溶液的温度(TM)的升高而降低，且此变化过程在1080完全可逆。图2温度对黄原胶溶液粘度的影响a溶液温度的影响，b溶解温度的影响s，O396，口396，396 C。=1L，1=0396 s。，TM=25万方数据2005年32(2) 微生物学通报由
8、于黄原胶在其水溶液中存在两种构象：螺旋型和不定型。随溶解时的温度(TD)升高从螺旋型向不定型转变，改变了其聚合物的胶连方式和程度，从而使溶液粘度发生改变。粘度随T。改变的曲线如图2_b所示。此变化曲线折为三段，低于40时随T。增加粘度减小，在4060时，粘度随TD升高而增大，当T。大于60时，粘度随TD的变化趋势又变为随温度升高而减小。22盐浓度的影响盐浓度对黄原胶溶液的粘度有一定影响。在浓度较低时，少量盐的加入可使粘度略微下降，这主要是由分子间电荷力的降低造成的；在黄原胶浓度较高时，加人大量的盐可使溶液粘度增加，这可能是由于增加了分子间的胶连程度；而当盐浓度超过01(wV)时，盐浓度对溶液粘
9、度没有影响旧j。多价金属盐在不同pH值范围内可与黄原胶形成凝胶，如钙、镁盐形成凝胶的pH值为1113，三价金属盐在较低pH值时即可形成凝胶或沉淀。23 pH值影响相比较而言，黄原胶溶液的粘度受pH值影响很小。pH9时，侧链上的乙酰基脱掉，在pH等)，或将这两种方法综合运用。加入有机溶剂不仅可降低溶液粘度和增加黄原胶的溶解度，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的黄原胶，需三倍体积的丙酮或IPG，六倍体积的乙醇。加入盐离子可降低黄原胶的极性从而降低其水溶性，且加人盐的离子强度越高效果越明显，如ca2+，A13+等，加入Na+则不
10、会引起沉淀。因而，加入含低盐浓度的有机试剂是目前较为通用的方法2|，如加入l gL的Nacl可使乙醇的使用量减半；加入二价离子虽可使有机试剂的使用量更小，但使得产物黄原胶盐的溶解度降低，因此一般不采用。图7a及图7b分别为黄原胶溶液加入无盐的有机溶剂以及含不同量的Nacl的IPG的沉淀曲线。1997年曾有人报道用超滤法来提取黄原胶，但未得到广泛应用3I。5黄原胶的降解驱使人们研究黄原胶降解途径动力主要有3个：(1)工业应用上的方便。黄原胶超乎寻常的稳定性本身也是一把双刃剑：一方面，它大大地增加了其应用普及度；另一方面，它也产生了一些问题。比如在采油业中，由于使用黄原胶而增加了溶液的粘度，从而大
11、大增加了后续工艺如油料运输及产品纯化的成本。唯有可方便地将其降解才可使得对黄原胶的应用做到“进可攻，退可守”。(2)关于其构效关系的信息。将侧链上的单糖逐个剥离，研究其性质，并与野生型相比较，从而可得到关于功能的关键组成位点的信息。(3)可能拥有特殊生物活性的寡糖产品。由于寡糖在无毒害、抗病毒、抑菌、利于肠道双岐杆菌增殖、植物诱抗、提高免疫力41等方面有着神奇的功效，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。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 万方数据200
12、5年32(2)述蚓烈蜉品甾蟠辍微生物学通报+Etllanol，士Acetone，+IrA +c“12，e_M“12，+州aCl，古Kcl，州H4u图7黄原胶的沉淀曲线a单独使用有机溶剂时，b无机盐和有机溶剂共同作用时(无机盐含量：lgL)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，存在环境问题的同时，效果也不理想。1980年，MRinaudo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
13、，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NcIBll535。用薄层层析分析其降解产品，降解产物有9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)。很多情况下，黄原胶降解酶工作的环境非常恶劣，如高温、高盐等，因此对酶的要求也相当苛刻。1982年，MCCadmus发现了一种耐盐的黄原胶降解酶(专利us4410625)，此酶可在Nacl浓度在410，48时仍保持一定的活性。此后陆续发现了数种降解酶，如专利：us4690891，uS49
14、96153，uS6l 10875，w09839379等。6黄原胶的应用黄原胶由于其独特的性质，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。(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高而使自己发胖，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
15、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剂。 万方数据微生物学通报 2005年32(2)(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：黄原胶是目前国际上炙手可热的微胶囊药物囊材中的功能组分，在控制药物缓释方面发挥重要作用；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
16、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5|。(4)工农业方面的应用：在石油工业中，由于其强假塑性，低浓度的黄原胶(05)水溶液就可保持钻井液的粘度并控制其流变性能，因而在高速转动的钻头部位粘度极小，节省了动力；而在相对静止的钻孔部位却保持高粘度，从而防止井壁坍塌。并且由于其优良的抗盐性和耐热性，因而广泛应用于海洋、高盐层区等特殊环境下的钻井，并可用作采油驱油剂，减少死油区，提高采油率。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。迄今半个世纪已过，人们依然没有降低对黄原胶的研
17、究热情(据估计，全世界对黄原胶的需求量每年以7一8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3次采油方面需要黄原胶将达90万吨年100万吨年)，相信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。参考文献1Mo耐s E R Molecular Illicmbial properties AcA symp，s er45(washingt0IL Dc)199781892Kang K s，Pettit D JIndustrial gllms，New York：Academic Press，199334l3983Brad8haw I J，Nisbet B A
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21、次数： 17次参考文献(15条)1.Morris E R Molecular microbial properties ACA Symp, Ser. 45 19972.Kang K S.Pettit D J Industrial gums 19933.Bradshaw I J.Nisbet B A.Kerr M H 查看详情 18834.Whitcomb P T.Ek B J.Macosko C W ACS Symp Ser, 45 19975.Hannote M.Flores F.Torres L 查看详情 19916.Casas J A.Garcia-Ochoa F 查看详情外文期刊 19
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