微生物胞外多糖黄原胶

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1、编辑本段黄原胶 Xanthan Gum黄原胶又称黄胶、汉生胶，是一种自然多糖和重要的生物高聚物，由甘蓝黑腐病野油菜黄单胞菌以碳水化合物为主要原料，经好氧发酵生物工程技术产生的。 1952年由美国农业部伊利诺斯州皮奥里尔北部研究所分离得到的甘蓝黑腐病黄单胞菌，并使甘蓝提取物转化为水溶性的酸性胞外杂多糖而得到。 黄原胶可以溶于冷水和热水中，具有高粘度，高耐酸、碱、盐特性、高耐热稳定性、悬浮性、触变性等，常被用作增稠剂、乳化剂、悬浮剂、稳定剂，具有广阔的市场前景，广泛应用于日用化工、食品、医药、采油、纺织、陶瓷、印染等领域。 编辑本段黄原胶的特性分子式：(C35H49O29)n CAS号：11138

2、-66-26. 外 观：淡白色或浅米黄色粉末 包装、贮存、注意事项： 1）用25KG复合牛皮纸或纸桶内衬防潮塑料袋。在封闭的容器中置于阴凉干燥处保质期36个月（最佳使用期18个月） 2）在环境温度、密闭、干燥条件下。 3）使用漏斗匀速缓慢加入，尽量避免结块和撒落，添加量以0.3-1.2为宜，特许用途适量调整。 黄原胶是新型多糖类发酵产品，1961年首先由美国Kelco公司投入工业化生产，目前被广泛应用于食品、石油、地矿、陶瓷、纺织、印染、医药、造纸、灭火、涂料、化妆品等20多个行业，用作30 - 40多个品种。 黄原胶被誉为“工业味精”，是目前世界上生产规模最大且用途极为广泛的微生物多糖。 1

3、、黄原胶无味、无臭、适用安全性强。美国食品与药物管理局于1969年批准黄原胶用于食品中，1983年联合国粮农组织批准黄原胶作为世界内使用的食品添加剂，且对其添加量不做限制。我国技术监督局1992年批准颁布了食品添加剂黄原胶国家标准，于1993年8月1日开始实施。 2、粘度高：与其他多糖类溶液相比，即使是低浓度也会产生很高的粘度，1%水溶液粘度相当于明胶的100倍，从而可作为良好的增稠和稳定剂。 3、独特的流变性，在剪切作用下，溶液的粘度会迅速下降，一旦剪切作用解除，溶液的粘度会立即恢复，这种特性赋予食品如冰淇淋、火腿肠、果汁和植物蛋白型饮料、焙烤食品以良好的口感。这种特性也使得黄原胶在石油钻井

4、和开采中得到广泛的应用。 4、良好的热稳定性,在较大的温度范围内（-18-130）保持特有的功能，是生产冷冻食品和焙烤食品的良好辅料。 5、酸碱稳定性，其粘度基本上不受酸碱的影响，在PH值112范围内能保持原有特性，从而使其有广泛的应用范围。 6、具有极强的抗氧化和抗酶解作用，即使在次氯酸钠、双氧水 、生物活性酶存在的条件下仍能发挥作用。 7、具有广泛的相溶性。与瓜尔豆胶、槐豆胶混合物可产生有益的协同作用。这种结构胶在一定条件下可产生凝胶作用。 8、与高浓度盐类、糖类 共存时，仍保持稳定的增稠体系。 9、对不溶性固体颗粒和油滴具有良好的悬浮性 10、微波稳定性。已经形成的稳定体系，即使在微波炉

5、中冻结一解冻都对其性能不会产生影响。 11、黄原胶为阴离子高聚物，在高分子接枝共聚中也有一定的应用。 到目前为止，黄原胶被认为是国际上性能最优越的生物胶，被大量应用在食品、果汁、饮料、饲料、化妆、医药、陶瓷、消防、石油等行业，其市场增长潜力超过所有的亲水性胶。多糖是具有大相对分子质量的高聚物。多糖是生命活动的能量贮藏者和提供者，是新陈代谢的物质基础之一。多糖广泛存在于自然界中，动物、植物、微生物中都含有多糖类物质。多糖可以改变水的液流性质，使水成胶，因而在食品、医药、化妆品、纺织和石油等工业中有着广泛的用途。多糖除了能从动、植物中提取外，也可用微生物发酵法生产。微生物发酵的多糖以其安全、无毒、

6、理化性质独特等优良特性，越来越受到人们关注。能发酵生产多糖类的微生物包括细菌和真菌，其中大多数多糖类是作为菌体荚膜和黏液层而生成的，也有的微生物能分泌多糖类于培养液中。由微生物发酵生产的多糖类主要有细菌多糖和真菌多糖。在细菌多糖中最具代表件的是黄原胶。在真菌多糖中最具代表性的是灵芝多糖和香菇多糖。（1）黄原胶黄原胶是由微生物分泌到细胞外的多糖，它由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成。它的主链的化学结构与纤维素完全相同。黄原胶是一个酸性多糖，其相对分子质量可达几百万。即使在很低的浓度下，其黏度也很高，并且基本不受盐的影响；最大特点是在高转速下黏度低，低转速下黏度高；能够耐受1

7、05度的高温，在pH1.513的范围内稳定，黏度也不受pH的影响；黄原胶与低浓度的甲醇、乙醇、异丙醇及丙酮互溶，但溶剂浓度超过50%时，黄原胶会沉淀。黄原胶具有极好的乳化、悬浮和稳定性能，能起到改良食品性能、增加饮料稠度的作用。除了在食品、饮料上的应用之外，更重要的应用是在石油开采、纺织品印染工业上，还可用在清洁剂、浆状炸药、造纸、油漆、农药和化妆品等许多领域。可以说黄原胶是一种有着广泛应用的多面手。早在20世纪50年代，美国科学家发现野油菜黄单胞菌称甘蓝黑腐病黄单胞菌）能以蔗糖、淀粉或葡萄糖为原料产生黄原胶。后又发现该属中的其他种也能发酵产生黄原胶。1964年黄原胶实现了商品化和产业化。由于

8、黄原胶性能及生产的特殊性，在技术、工艺和设备上已成为发酵工业一个新的典型产品。我国于1979年开始开始研究，20世纪80年代中后期实现了产业化。目前我国黄原胶的年产量为3500吨左右，生产能力接近8000吨。目前世界市场年需求约为3500吨。微生物胞外多糖黄原胶文件类型： RTF/RTF 文件 更新时间：2010-06-04 19:09:40摘要：黄原胶(Xanthan gum) , 又称黄胶,汉生胶, 是野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物为主要原料, 经发酵工程生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖. 微生物胞外多糖黄原胶(和媛 西北大学生命学院 西安

9、710069)摘要:黄原胶是一种用途广泛的微生物胞外多糖,在许多行业中得到广泛应用.本文简要介绍了其分子结构,理化性质,生产过程,发展现状及应用,并且概括了基因工程以及酶工程在这方面的研究进展.关键词: 黄原胶, 理化性质, 生产工艺, 基因工程, 应用A Microbial Extracelluar polysaccharideXanthan GumAbstract:Xanthan gum is an important microbial extracelluar polysaccharide which is widely used in various industries. This

10、 article discussed the structure , physical-chemical properties, production process, development situation as well as the applications.The progress of gene and enzyme engineering in this field are also summarized in the paper.Key Words:Xanthan Gum, Physical-chemical Properties, Production, Gene engi

11、neering, Application微生物多糖是微生物在代谢过程中产生的对微生物具有保护作用的生物高聚物.微生物多糖在工业生产及生活的许多领域都扮演重要角色,而且以淀粉等为原料的微生物多糖发酵产品的生产,具有原料来源丰富廉价,生产不受区域和气候条件的影响,生产周期短,可在人工控制条件下进行生产等优点,具有广阔的应用前景.自20 世纪50 年代以来,采用发酵工程技术生产多种微生物多糖是国际上的热门课题,并已有数种微生物多糖已具备相当的工业化规模.黄原胶就是其中最具代表性,商品化程度最高的一种.黄原胶(Xanthan gum) , 又称黄胶,汉生胶, 是野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas

12、 campestris)以碳水化合物为主要原料, 经发酵工程生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖.1952年由美国农业部依利诺斯州皮奥里尔北部研究所分离到甘蓝黑腐病黄单胞菌, 并使甘蓝提取物转化为水溶性的酸性胞外杂多糖而得到.由于该多糖具有很高的黏度,流动触变性和稳定的理化性质, 且无毒, 故作为添加剂在日用化学领域具有广阔的市场前景,是目前国际上集增稠,悬浮,乳化,稳定于一体,性能最优越的生物胶,广泛应用于食品,医药,采油,纺织,陶瓷,印染,香料,化妆品及消防等领域.1 黄原胶的分子结构黄原胶是由D - 葡萄糖,D - 甘露糖,D - 葡萄糖醛酸,乙酸和丙酮酸组成的五糖重复单元结构聚合体,分子

13、比为2. 8:3:2:1. 7:0. 510. 631.黄原胶分子的一级结构是由- 1 ,4 键连接的D - 葡萄糖基主链与三糖单位的侧链组成,其侧链由D - 甘露糖和D - 葡萄糖醛酸交替连接而成,分子比例为2:1 ,三糖侧链由在C - 6 位置带有乙酰基的D - 甘露糖以- 1 ,3 键与主链连接,在侧链末端的D - 甘露糖残基上以缩醛形式带有丙酮酸(图1) ,其含量对性能有很大影响,在不同溶氧条件下发酵所得的黄原胶,其丙酮酸含量有明显差异.黄原胶的分子量在2 10650 106 之间 .近年来,国内外学者对黄原胶在水溶液中的构象进行了大量的研究,认为黄原胶在氯化钠水溶液中主要以多分子缔合

14、状态存在,少量以单分子状态存在,且为蠕状链,缔合状态的分子呈分段的双股螺旋构象,这是黄原胶的二级结构.黄原胶的双螺旋依靠微弱的共价键形成网状立体结构,这是黄原胶的三级结构,它在水中以液晶的形式存在.在极稀( 氮源有机酸碳源.而对产胶率的影响大小为:无机盐氮源碳源有机酸.得到了较佳的发酵培养基配方:淀粉2 % ,蔗糖2%,蛋白陈0.3%,豆饼粉0.2%,CaCO30.3%,柠檬酸0.1%.4. 3.4 溶 解 氧野生黄单胞菌是好氧菌,因此,发酵过程必须不断通氧.研究表明,溶氧分压以及氧气转移速率的高低会影响黄原胶的产量及质量,不仅如此,当氧分压占总压力的比例大于40%后,黄原胶分子中的丙酮酸含量

15、虽然比氧分压10%时大,但继续增大时变化非常小10.由于采用菌体发酵,发酵中后期,随黄原胶生产发酵液粘度增大,代谢产生的CO2 无法及时逸出而在液面处生成泡沫层,这对溶氧极为不利.若泡沫溢出发酵罐,还会导致染菌.有研究表明,对黄单孢菌这类易污染的菌体,菜籽油适合作消泡剂,菜籽油作消泡剂时,可参与菌体代谢并最终被分解.许喜林等11 研究了采用两步法发酵合成黄原胶的方法,第1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25 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2 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

16、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.欧杰等12的实验表明,添加H 2O 2 可改善氧传质能力下降的问题,H2O2 添加量为1ml 即在发酵液中浓度为4.4mmol/L 左右为最适的添加量,最佳添加时刻为48h 左右.得出低浓度的H2O2 能提高黄原胶的产量,产胶率平均提高了3.28%.4. 3.5 其 它接种量与发酵产物间也存在一定的关系,接种量过少会使菌体生长期延长,不仅增加耗能和影响设备利用率,而且增加染菌机会;加大接种量可使菌体生产期缩短,但有可能在短时间内使底物消耗太快,从而影响产胶能力13.4. 4 生产工艺1目前国外采用的生产工艺为:菌种摇瓶种子罐发

17、酵罐发酵液后处理烘干粉碎成品包装.发酵罐为专用搅拌式反应器,目前也逐步改为气升式发酵罐,以减少能耗.后处理采用的是物理脱水与化学沉淀相结合办法.国内生产黄原胶常用的工艺流程与国外相同,但发酵罐为标准型通用反应器.后处理采用的是乙醇沉淀法,酒精消耗量很大.其生产工艺流程如下:菌种摇瓶发酵罐发酵液热压式真空脱水喷雾干燥成品包装.采用上述工艺后,可省去原后处理乙醇沉淀的大量消耗,节约成本 .5.基因工程技术的研究微生物具有繁殖速度快的优点, 为工业化大量生产活性多糖提供了可能.通过操纵微生物基因表达或引入外源基因来控制微生物体内多糖合成途径, 从而产生所需的多糖, 这便是基因工程在多糖合成中的应用.

18、黄原胶的合成本身是一个复杂而精细的过程,需要多种酶和因子的参与,如转移酶I-V,缩酮丙酮酸转移酶,乙酰化酶,尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶和多聚酶等,通过对其生物合成途径的阐明及X c c 遗传研究系统的建立,利用基因工程定向改造并构建重组菌株的研究工作取得了一定的进展.以黄原胶菌株基因组D N A 为模板,通过合成引物,扩增,克隆得到与黄原胶合成相关的基因,在实现大肠杆菌的表达后,再转入原黄原胶菌株,通过酶量的增加同时带给黄原胶产量增加的正效应,在国内外已经有这方面研究的报道13.为了提取野油菜黄单胞菌生物合成黄原胶的基因(xps) ,Harding 等人14 利用S al 内切酶将野油菜黄单胞菌D

19、NA 的基因文库酶解,连接入一个广宿主克隆载体pRK293 中,再构建在埃希氏大肠杆菌( E. coli ) 中,利用pRK2013进行质粒转移,将组合的克隆库连接到E. coli 中并转换到3 类不产粘的突变体上.通过卡那霉素抗性筛选与互补突变试验,查明其NDA 的一个13. 5 kb区域至少含有5 个互补基因簇,其中12. 4 kb 插入片段上有4 个基因与黄原胶合成有关,克隆有这些基因的突变体可使黄原胶产率增加10 % ,黄原胶侧链的丙酮酸化程度大约增加45 %.进一步的研究表明,控制黄原胶侧链丙酮酸化程度的基因位于上述13. 5 kb DNA 区域,是位于pCHC3 质粒的1. 4kb

20、 Bam H 片段上控制丙酮酸缩酮酯转移酶( kpt )的基因.此后,控制黄原胶的糖核苷酸前体合成的3 个基因与位于3. 0 kb Kpn 2 KcoR 片段上编码UDP2葡萄糖焦磷酸化酶的基因, 也相继被识别15 .当大量黄原胶生物合成基因被识别后,就可以考虑利用基因工程手段将这些基因克隆入其他特殊宿主菌中,获得具有特殊性质与功能的基因工程菌.Pollock 等16将12 个来自野油菜黄单胞菌染色体,编码有与黄原胶合成有关的组装,乙酰化,丙酮酸化,聚合与分泌的基因(gumBCDEFGHIJ KLM) 克隆入鞘单胞菌( S phingomonas ) 中,含有这12 个基因的鞘单胞菌可以合成黄

21、原胶.以亲本野油菜黄单胞菌发酵生产黄原胶时,只能将含有大量葡萄糖质的玉米糖或淀粉转化为黄原胶,且需要大量供氧,而含有上述12 个黄原胶合成基因的鞘单胞菌不仅可以利用葡萄糖质培养基,还能转化含有乳糖的培养基,且无需大量供氧.这使乳酪加工厂排放的富含乳糖的廉价废乳清可用作生产黄原胶的原料.国内对黄原胶多糖合成基因也进行了研究,据李时岩等17 报道,采用甲基磺酸乙酯诱变野油菜黄单胞菌N K201 得到具有多糖合成缺陷的不产粘突变株,经S al 部分酶切得到野生型N K201 染色体DNA 片段,连接到广宿主克隆载体pRK293 上,在E. coli 中建立完整的N K201 基因文库.再通过后续的助

22、质粒pRK2013 突变不产多糖的突变菌株及一系列三亲杂交,筛选与酶切分析,得到一条13. 4kb 含有黄原胶多糖合成基因的DNA 片段.查冬兴等18 克隆了一个与黄原胶多糖合成基因有关的9. 4kbHind DNA 片段,李有志等19 对其中1. 9 kbEcoR 片段进行了测序.姚仕义等20研究了野油菜黄单胞菌重组克隆子p IXU9278 对黄原胶多糖生物合成的影响,构建了可用于黄原胶生产的基因工程菌XCCNAU29278 ,其黄原胶产量比亲本菌株增加7. 14 % ,发酵液粘度增加7. 35 %.现已克隆到多个与黄原胶生物合成相关的基因簇,其中gum基因是直接影响黄原胶结构和组成的一类结

23、构基因,并且gum 基因与黄原胶(或EPS)生物合成的后期过程相关.黄单胞菌丙酮酸转移酶基因编码的酶可催化多糖末位的甘露糖残基的丙酮酸化,提高黄原胶的性能. - 淀粉酶基因转入黄单胞菌,使其能与黄单胞菌自身分泌的-淀粉酶协同作用可明显提高淀粉利用率和黄原胶产率.基因工程方法在微生物多糖生物合成中已经显示出了良好的应用前景,势必得到更广泛的发展.6.黄原胶的应用6.1食品工业中黄原胶作为食品添加剂,可以控制产品的流变学行为而显著改善食品的质地,口感,外观品质,提高其商业价值,已在饮料,糕点,果冻,罐头食品,海产品,肉制品加工等领域中重要的稳定剂,悬浮剂,乳化剂,增稠剂,粘合剂及具高附加值,高质量

24、的加工原料.例如作为耐酸,耐盐的增稠稳定剂,应用于各种果汁饮料,浓缩果汁,调味料(如酱油,蚝油,沙拉调味汁) 的食品中;作为乳化剂用于各种蛋白质饮料,乳饮料等中,防止油水分层和提高蛋白质的稳定性,防止蛋白质沉淀,也可利用其乳化能力作为起泡剂和泡沫稳定剂,如用于啤酒制造等;作为稳定的高粘度填充剂,可广泛应用于各类点心,面包,饼干,糖果等食品的加工,在不改变食品的传统风味的前提下,使食品具有更优越的保形性,更长的保质期,更良好的口感,有利于这些食品多样化和工业化规模生产;在各种冷冻食品生产中,黄原胶具有防止其失水,延缓老化,延长保质期的作用;作为乳化稳定剂应用于冷冻食品,在冰淇淋,雪糕中黄原胶能调

25、整混合物粘度,是使其具有均匀稳定的组成,组织滑软,由于黄原胶的粘度和温度关系有可塑性和剪切性能,故在加工操作时粘度下降,阻力减小,有利于工艺进行,而在冷却老化阶段,粘度恢复,有利于提高膨胀率,防止冰淇淋组织中大冰晶的形成,使冰淇淋口感润滑细腻,同时提高了产品的冻融稳定性,而且在融化时奶油和水混合均匀,不会产生浆液分离现象;此外,黄原胶可广泛应用于水果,蔬菜的保鲜加工处理,可防止果蔬失水,褐变等现象的发生,从而延长产品保质期;黄原胶可应用于罐头食品的加工,有利于保持产品的外观,而且利用黄原胶的假塑性,能控制装罐时的粘度,易于灌注;黄原胶在面食制品中,是很好的添加剂,可以增强了面团的筋力.6.2

26、印染业中21黄原胶在印染业中的应用已受到人们的关注,它作为印花增稠剂,轧染防泳移剂,废水处理剂都由其它助剂所不及的功效.解决了印染中出现的漏染,花纹不清晰,染色泳移等问题,而且使用方便,成本低.6.3 在石油工业中黄原胶另一个大的应用市场是石油工业.目前我国油田用化学品主要是聚丙烯酰胺,CMC,变性淀粉等.黄原胶在增黏,增稠,抗盐及抗污染能力远比这些聚合物优越.对加快钻井速度,防止油井坍塌,保护油气田,防止井喷和大幅度提高采油率等方面都有明显的作用.低浓度的黄原胶水溶液就可以保持水基钻井液的黏液并控制其流变性能,因而在高速转动的钻头部位黏度极小,大大节约了动力;而在相对静止的钻孔部位却保持高能

27、黏度,起到防止井壁坍塌,便于切削碎石,排出井外等作用.黄原胶在三次采油中用作调剖剂,具有成胶体系强度高,封堵性好,与地层水配伍性强及热稳定性较强等特点,能保证其在应用过程中的有效性.还可用于钻井之后的完井和修井,压裂和三次采油.该产品作为一种理想的添加剂有非常好的发展前景.6.4 医药业中黄原胶可代替琼脂用于细菌的培养,在硬度和持水性方面均相当好,尤其是其透明性远高于琼脂.黄原胶可用于乳液,药膏的增稠剂和稳定剂.用作乳白鱼肝油的乳化剂,用作药片的赋形剂等.7 黄原胶国内外发展现状及展望自20 世纪50 年代以来,采用发酵工程技术生产多种微生物多糖是国际上的热门课题,并已有数种微生物多糖已具备相

28、当的工业化规模.黄原胶就是其中最具代表性,商品化程度最高的一种.美国首先对黄原胶进行了研究并于60 年代实现工业化生产.目前生产黄原胶的国家和地区主要有美国,法国,英国,日本,德国,韩国和中国.全世界的黄原胶产量达5 万吨/ 年以上,其中能够大规模生产黄原胶的国家有美国,法国,奥地利和日本,主要用于低热量食品,调味汁,布丁,微波食品等 .我国自20 世纪70 年代以来, 南开大学,山东食品发酵研究所,山东大学,中国科学院微生物研究所,无锡江南大学,中国农业科学院,郑州工学院等科研单位相继开展了黄原胶的研究和开发工作.1992年江苏金湖制药厂建成国内第一家黄原胶生产厂, 全国总产量不足100 t

29、/ a .到2001 年, 全国产量迅猛增加, 总产量已超过115 万t/ a .2005年石油行业专家预测, 在石油钻井和三次采油方面需要黄原胶即10 万t/ a 以上.由此可见, 国内黄原胶仍具有巨大的潜在市场.在产量的不断增加中,产品质量应有更明显的改观,目前我国黄原胶的品级与国外还存在一定的差距,在其产业化的过程中,有关生产工艺的规范化,生产过程的质量控制,产品的质量指标,检测方法等方面,都存在一些不容忽视的问题,值得探讨.虽然基因工程在多糖合成中的应用才刚刚起步,但相信在今后的发展中,它将成为优良菌株选育的重要手段.进一步探索黄原胶合成酶的基因,明确其合成机制,选育遗传稳定性和具有工业生产价值的优良菌株,寻找高表达受体系统,将实现黄原胶的大规模高品质生产.