黃原膠及其應(yīng)用:
黃原膠及其應(yīng)用,1952年美國(guó)的Jeans等—分離到一株甘藍(lán)黑腐病黃單孢 桿菌.能使甘藍(lán)提取物轉(zhuǎn)化為水溶性的胞外酸性雜多糖。由于 該多糖有很高的粘度、流動(dòng)觸變性等性能.稱為黃原膠，它具 有廣闊的市場(chǎng)前景和誘人的經(jīng)濟(jì)效益。70年代國(guó)外實(shí)現(xiàn)了責(zé) 原膠的工業(yè)化生產(chǎn)，0前黃原膠已有50余種產(chǎn)品規(guī)格，產(chǎn)量 近3萬(wàn)噸，價(jià)格約為1. 4萬(wàn)美元/噸。
國(guó)內(nèi)對(duì)黃原膠的研究始于19 7 9年.中科院微生物所和南 開(kāi)大學(xué)[2]在4m3的發(fā)酵罐屮采用玉米淀粉作原料得到了黃原 膠，目前已有十幾家企業(yè)生產(chǎn)黃原膠?？傮w上說(shuō).圍內(nèi)的研究 主要集中在生物化學(xué)和產(chǎn)品后處押方面.而對(duì)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、工 程、工藝和產(chǎn)品規(guī)格方面的研究和開(kāi)發(fā)很少。
1黃原膠的生物化學(xué)
Sutherland1^等發(fā)現(xiàn)黃原膠的生物合i機(jī)制不同于蛋白 質(zhì)、核酸等生物大分子.S介成不需要模板，屬于非模板合成， 在16種酶的作用下分別以糖一核甘酸和C5S-Upid-p糖基載 體脂作為一級(jí)和二級(jí)糖基載體，經(jīng)過(guò)梭甘酸的形成、五糖重復(fù) 單元的形成、五糖重復(fù)單元在胞外聚合成黃原膠胞外多糖三 個(gè)階段。
U菌種和培養(yǎng)基
已發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)黑腐病黃單孢桿菌、錦葵黃單孢桿菌、胡蘿卜 黃單孢桿菌、木薯萎矮病貨單孢桿菌等菌種均能產(chǎn)生黃原膠. 但目前仍多以甘藍(lán)黑腐病黃單孢桿菌及其變兄株為產(chǎn)生菌。 黃原膠及其應(yīng)用SutherhmdW認(rèn)為，篩選細(xì)胞噔合成缺陷或某些抗菌素菌株可 能獲得黃原膠高產(chǎn)菌，高產(chǎn)菌需冷凍干燥或無(wú)營(yíng)養(yǎng)液保存。
黃單孢桿菌產(chǎn)生黃原膠常用的培養(yǎng)基W是：以葡萄糖、蔗 糖或淀粉等為碳源，以蛋白質(zhì)、魚(yú)粉、豆粉或硝酸鹽為氮源，加 KHzPOoMgSOhCaCOs 等無(wú)機(jī)鹽和 IV-1、Mnz+、Zn2+等微 量元素，以及生成促進(jìn)劑谷氨酸、檸檬酸、延胡素酸等。
1986年趙大健等M從甘藍(lán)黑腐病斑中分離出甘藍(lán)黑腐 病黃孢桿菌N.K-01.經(jīng)培養(yǎng)后.分別引種到搖瓶和發(fā)酵罐中 發(fā)酵，黃原膠產(chǎn)量可分別達(dá)28?30g/L和22. 4g/L,淀粉的轉(zhuǎn) 化率分別是70%和55%。N. K-01菌利用玉米淀粉作碳源產(chǎn) 生黃原膠的能力高于萄葡糖的.且連續(xù)十代沒(méi)出現(xiàn)小菌落而 使發(fā)酵能力降低.這與文獻(xiàn)[fi]的報(bào)道不同：NRRL B-1459甘 藍(lán)黑腐病黃單孢桿菌在長(zhǎng)期傳代后會(huì)蛻變?yōu)樾【?，使黃原 膠的產(chǎn)量和丙酮酸的含量均大大降低；谷氨酸等生成促進(jìn)劑 對(duì)N. K-01菌無(wú)促進(jìn)作用.而對(duì)NRRL B-M59菌冇促進(jìn)作 W ;此外用常規(guī)的紫外線或其它化學(xué)誘變處理往往得不到高 產(chǎn)菌株，反而淫易形成失去膠莢膜的祖造增藺落。
江伯英w用野油菜黃申.孢桿菌接種在4 %的淀粉培養(yǎng)基 屮，15h后能使淀粉完全液化.發(fā)酵48h能產(chǎn)生23?29g/L黃 原膠。
鑒于采用淀粉為底物的黃原膠發(fā)酵液在用低級(jí)酵提取時(shí) 會(huì)發(fā)生剩余淀粉和黃原膠同時(shí)沉淀的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的質(zhì)M . 劉秀芳等[8]從蘿卜的黑色病斑中分離出了-•種U菌株，其最 佳的碳源是蔗糖、黃原膠產(chǎn)量21. 23g/L以上、發(fā)酵液粘度高 達(dá)6457cP;在最佳的發(fā)酵條忭下.黃原膠產(chǎn)量可達(dá)28g/L以 上、發(fā)酵液粘度高達(dá)14000?16000cPw。王修埴等在2t屮 試罐上研究了 U菌株的發(fā)酵工藝，將L4菌種經(jīng)培養(yǎng)后按 5%的接種量轉(zhuǎn)入21發(fā)酵罐.裝料1.於，攪拌轉(zhuǎn)速為18〇17_ mm,發(fā)酵72h.所得發(fā)醉液的粘度在8000cP以h、最高達(dá) 12000cP.底物的平均轉(zhuǎn)化率是62. 45.%。后來(lái)20t的工 業(yè)罐屮，以庶糖為底物，裝料l〇~15t.攪拌轉(zhuǎn)速為160i'/mui, 發(fā)酵液的粘度為7000CP?9500cP.多糖對(duì)底物的平均轉(zhuǎn)化率 是 61. 6%。
由于采用菌體發(fā)酵時(shí)存在發(fā)酔后期因高粘而造成供氧不 足的困難，許喜林等研究了采用兩步法發(fā)酵合成黃原膠的 方法,第一步是利用黃單胞菌發(fā)酵，采用了較小量的碳源及低 的碳氮比.終止時(shí)間控制在2 5 h.此時(shí)可獲得較大的生物量及 胞外酶.而不生成黃原膠，以有利于胞外酶的分泌和菌體的分 離;第二步胞外酶發(fā)酵采用了無(wú)氮培養(yǎng)條件，且因發(fā)酵液中不 含菌體省去了稀釋和分離菌體的工序.可降低生產(chǎn)成本.黃原 膠的產(chǎn)率高于單純菌體發(fā)酵時(shí)的產(chǎn)率.
Pmchus 等[16]以第二代大菌落 NRRL BL1459 S4-L I 為 菌種.培養(yǎng)基中除了碳源、氮源外.還加入了許多鹽類（磷酸二 氫鉀、硫酸鉀、硫酸鎂、氯化鈣、檸檬酸、氯化鐵）和微量元素 (如硫酸鋅、硫酸銅、硫酸錳、鉬酸鈉、碘化鉀、硼酸），以更有利 于黃原膠的產(chǎn)量和質(zhì)量；分別以L-谷氨酸、蛋白胨為氮源，發(fā) 現(xiàn)L-谷氨酸作氮源時(shí)發(fā)酵后期容易出現(xiàn)供氧不足、氮源耗盡 的問(wèn)題，而蛋白胨作氮源時(shí)不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象；此外還發(fā)現(xiàn)一 般情況下黃原膠的發(fā)酵過(guò)程由氮源控制。
Peters等[1:：!將NRRL BL1459 S4-L 1經(jīng)培養(yǎng)后、接種發(fā) 酵合成黃原膠.培養(yǎng)基中也加入了多種鹽類和微量元素，發(fā)酵 過(guò)程中靠自動(dòng)滴加4%的鹽酸或10%的氫氧化鈉來(lái)保持pH =7. 0
Suh等研究發(fā)現(xiàn)，采用葡萄糖作碳源、氯化銨作氮源 (加入量分別是50g/L和2g/L)、_K它條件同Peters等[1叫寸， 發(fā)酵過(guò)程由氮源控制。
可以看出，國(guó)內(nèi)的研究集中在菌種和發(fā)酵方法上.而國(guó)外 則對(duì)影響黃原膠產(chǎn)量、質(zhì)量和效益的氮源、鹽類、微量元素等 因素作了大量的研究.優(yōu)化了生產(chǎn)工藝、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
1-2分子結(jié)構(gòu)
1975年Jansson等[<]發(fā)現(xiàn)黃原膠的主鏈由兩個(gè)D-葡萄 糖分子經(jīng)(3- (1 — 4)核甙鍵連接構(gòu)成線性的纖維素結(jié)構(gòu)，主鏈 上的每個(gè)D-葡萄糖分子有一條“由兩個(gè)D-甘露糖分子和一 個(gè)葡萄糖醛酸分子:組成”的側(cè)鏈，有的側(cè)鏈還有乙酸和丙酮 酸.由于側(cè)鏈含有酸性基團(tuán)，因此黃原膠在水溶液中呈現(xiàn)多聚 陰離子特性。黃原膠分子的帶電荷側(cè)鏈反向纏繞纖維素主鏈， 形成類似捧狀的一級(jí)鋼性結(jié)構(gòu)[1黃原膠分子問(wèn)靠氫鍵形成 雙股的二級(jí)螺旋立體結(jié)構(gòu)[2°];雙股螺旋結(jié)構(gòu)間靠微弱的非共 價(jià)鍵結(jié)合，排列成整齊的“超級(jí)接合帶狀”的三級(jí)螺旋聚合結(jié) 構(gòu)[21 ]，•在極?。ㄐ∮? % )的水溶液中，不加熱時(shí)黃原膠呈現(xiàn)典 型的四級(jí)菊花狀聚集_結(jié)構(gòu)[7]。
王德潤(rùn)用透&電鏡研究了單個(gè)黃原膠分子形貌，用掃 描電鏡研究了溫度、超聲波和濃度等因素對(duì)黃原膠分子形貌 的影響，證明黃原膠分子由40余個(gè)亞基組成了右手雙螺旋結(jié) 構(gòu)。他們用GPC方法[23]研究了在水溶液中黃原膠的構(gòu)象，發(fā) 現(xiàn)黃原膠在水溶液中多以締合態(tài)存在、少量以黽分子態(tài)存在， 在締合態(tài)和分子態(tài)之間存在動(dòng)態(tài)平衡，締合態(tài)為多分子分段 兩兩締合呈右旋雙螺旋構(gòu)象。
趙大健等[5]采用紙層分析證明N. K-01黃原膠含葡萄 糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、丙酮酸和乙酸五種組分，用氣相色譜 法證明N. K-01黃原膠多糖由葡萄搪、甘露糖和葡萄糖醛酸 三種單糖組成，N. K-01黃原膠的紅外譜分析圖譜與美國(guó)黃 原膠紅外分析圖譜相同、證明它們有相同的化學(xué)組成，用電泳 分析發(fā)現(xiàn)N. K-01黃原膠不含蛋白質(zhì)，用特性粘度法算得N. K-01黃原膠的分子量是241000。王德潤(rùn)等根據(jù)透射電鏡 的研究結(jié)果，計(jì)算出黃原膠的分子量是6 X 1?25 X 106.用 光散射法[23 24]測(cè)定的黃原膠分子量是2. 36X 106。
2黃原膠的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)和工程
這方面H外進(jìn)行/充;分的研究.但公開(kāi)發(fā)表的資料較少. 旦多為實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力學(xué)研究，閩內(nèi)的研究很少》
黃元膠發(fā)酵工藝多為間歇式.1972年Shn等研究廣 連續(xù)發(fā)酵工藝.發(fā)現(xiàn)黃原膠的得率是稀釋速的函數(shù).當(dāng)稀釋速 率是0. UhT1時(shí),黃原膠的說(shuō)高得率是0. S4g/h/kg.葡萄糖的 轉(zhuǎn)化率由問(wèn)歇發(fā)酵時(shí)的60%提高到連續(xù)發(fā)酵時(shí)的80%以匕 趙大健等W在0. 2m3的二級(jí)種子培養(yǎng)罐和I 的中試 發(fā)酵罐屮，采用兩層R直葉圓盤(pán)渦輪攪擰.4塊標(biāo)準(zhǔn)擋板.單 管通氣?？赏ㄟ^(guò)加大攪拌槳直徑和攪拌轉(zhuǎn)速.來(lái)提高溶氧速 度。
Galmdo等研究表明，在低濃度和中等濃度的黃原膠 液中，通氣時(shí)的攪拌功耗下降較小，氣含率較高.而在高濃度 的黃原膠液（〇. 3 5 g / L)中，通氣功耗下降很多、且冇嚴(yán)_設(shè)的不 穩(wěn)定現(xiàn)象。
Zhao等[27]在中試規(guī)模的黃原膠發(fā)酵罐屮，用大直徑的 Rushton槳取代小漿，結(jié)合轉(zhuǎn)速的控制，使功耗及發(fā)酵周期大 幅度下降，傳熱系數(shù)增加一倍以卜1。
Pmches等迮發(fā)酵罐中采用3層fi喪葉圓盤(pán)渦輪攪 拌.用NRRL BL1459 S4-L 1為菌種的黃原膠發(fā)酵中對(duì)生物 濃度、黃原膠濃度、葡萄糖濃度和溶氧濃度分別建立了數(shù)學(xué)模 嗯.并進(jìn)行了發(fā)酵過(guò)程模擬。
Peters等[⑴在發(fā)酵罐中采用二層IntL'rm屯槳攪拌.當(dāng)通 黃原膠及其應(yīng)用入空氣時(shí)由于發(fā)酵后期發(fā)酵液粘度很大.若轉(zhuǎn)速低于400r/ mm會(huì)發(fā)生供氧不足的現(xiàn)象，降低了黃原膠的產(chǎn)M和分子tt; 若保持總氣量不變、通入部分純氧，則供氧能力明顯增加、黃 原膠的濃度也增加（即使轉(zhuǎn)速很低）.因此供氧M (尤其發(fā)酵后 期）是影響黃原膠產(chǎn)量和質(zhì)量的重耍因素.可從工藝和工程兩 方面克服供氧不足的問(wèn)題；此外電鏡分析發(fā)現(xiàn)在罐中發(fā)酵情 況與搖瓶發(fā)酵不完仝相同.帶攪拌的罐中發(fā)酵時(shí)菌體表面不 存在粘液fe-。
Numow等在19tn3的發(fā)酵罐中分別采用4層直葉圓 盤(pán)禍輪、4層Ecato公司的Prochem Maxflo Ts塑攪伴楽或3 層A315槳進(jìn)行攪拌，發(fā)現(xiàn)采用直葉圓迓渦輪時(shí)混合敁差，通 氣后攪拌效率最低。
此外，Pons等在鼓泡塔屮研究了黃原膠的發(fā)酵過(guò)程及 模型化問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)同樣功耗時(shí)鼓泡塔中氧的混合和傳遞情況 比攪拌釜中好得多；采用Pmchcs等的微分方程數(shù)學(xué)模5S. 對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了模擬.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Suh等[1«研 究了鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器中黃原膠的發(fā)酵過(guò)程發(fā)現(xiàn)氣升 式反應(yīng)器中氧傳遞速率滿足不了菌體生長(zhǎng)的要求.導(dǎo)致黃原 膠的生產(chǎn)速率較低、發(fā)酵周期很長(zhǎng)；由于黃原膠發(fā)酵后期粘度 很大，加上發(fā)酵液是有屈服應(yīng)力的假塑性流體.使發(fā)酵罐中溶 氧、混合和傳遞很困難.需要很高的能耗.而對(duì)鼓泡塔的研究 發(fā)現(xiàn)，同一橫截面上可瞬間混合均勻.因此利用鼓泡塔進(jìn)行黃 原膠發(fā)酵有很大的優(yōu)勢(shì)。
3黃原膠的后處理
由于黃原膠發(fā)酵液具有較高的粘度使后處理非常困難. 其中菌體細(xì)胞的去除是提取工藝的一大障礙。
3. 1預(yù)處理
該工序主要去除菌體細(xì)胞和各種不溶件雜質(zhì)，使黃原膠 屮不再含活性的菌體細(xì)胞、影響產(chǎn)品質(zhì)fi的不溶性雜質(zhì)和色 素等。由于熒原膠發(fā)酵液的粘度很高，因此各種后處理方法均 需將原始發(fā)酵液稀釋至400?500cP,以利于菌體細(xì)胞和雜質(zhì) 的去除以及黃原膠的沉淀，常用的方法有離心法[<]，過(guò)濾 法?，酶降解法[3« .次氯酸鹽氧化法w，過(guò)濾一超濾濃縮法w 等。
3.2沉淀法
利用黃原膠在某些溶劑櫛某些條件下失穩(wěn)凝聚而沉淀的 原理，將黃原膠從發(fā)酵液屮提出來(lái)，常用的方法有低級(jí)醇沉淀 法（常用的低級(jí)醇有甲醇、乙醇、異丙醇）[3°]，鈣鹽一乙醇沉淀 法[1].招鹽一異丙醇沉淀法ts].季銨鹽一甲醇沉淀法[3°]等。
4黃原膠的性能和應(yīng)用
4-1黃原膠的性能
黃原膠的多種分子和空問(wèn)結(jié)構(gòu)使其具有下列多種優(yōu)- 兄的 特性：
(1)由于黃原膠具冇很高的分子M和穩(wěn)定的空問(wèn)結(jié)構(gòu).使 黃原膠液即使?jié)舛群艿鸵簿邇雍芨叩恼扯龋绌? 1 %的黃原 膠水溶液的粘度約為l〇〇(XTu」；
(2)黃原膠的側(cè)鏈緊緊纏繞由葡萄糖組成的纖維素主鏈. 使主鏈免遭酸、堿和生物酶降解，所以黃原膠的溶液粘度耐酸 堿、抗生物酶降解[19_21];
(3)黃原膠分子的側(cè)鏈負(fù)電荷具有結(jié)合陽(yáng)離子的能力.使 陽(yáng)離子不能作用于主鏈，黃原膠及其應(yīng)用所以黃原膠的溶液粘度抗鹽，此外當(dāng) 黃原膠的濃度大于0.35%時(shí).加入0.01 %~1 %的一價(jià)金屬 鹽可丨史其粘度增強(qiáng)uu;
U)在水溶液中，黃原膠分子形成超級(jí)接合帶狀螺旋共聚 體.類似凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，剪切力使螺旋聚合體解聚成分散的 雙螺旋、膠液的粘度降低，剪切力消除、分散的雙螺旋重新聚 合、瞬時(shí)恢復(fù)原來(lái)的粘度.使黃原膠溶液具有良好的假塑性， 該變化是可逆的[6];
(5)水溶液中，黃原膠分子超級(jí)接合帶狀螺旋共聚體構(gòu)成 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能支持和捕捉固相顆粒、液滴和氣泡，使黃原膠溶 液具冇很好的懸浮能力和乳化能力;
(6)黃原膠溶液在-4~93X'范圍內(nèi)反復(fù)加熱、冷凍.其粘 度基本不變[5]。
4.2黃原膠的應(yīng)用
C1)在能源開(kāi)發(fā)、地質(zhì)礦產(chǎn)部門(mén)的應(yīng)用 低濃度的黃原膠水溶液就可保持水基鉆井液的粘度.使 鉆井液有好的懸浮性能，這可防止井壁坍塌、抑制地層井噴、 便于將切削下的碎石排出井外,其性能遠(yuǎn)好于聚丙烯酰胺；黃 原膠的假塑性使處于鉆頭附近的黃原膠液由于高速旋轉(zhuǎn)引起 的強(qiáng)剪切而表現(xiàn)出•極低的粘度，具有低磨阻特性.有利于降低 能耗；由于黃原膠的抗鹽性、耐高溫性等，在海洋、海灘、高鹵 層以及水凍土層等區(qū)域的鉆)1作業(yè)中采用黃原膠液作為泥漿 增稠劑時(shí)，可節(jié)省長(zhǎng)途輸送淡水的費(fèi)用；黃原膠液用于三次采 油的流變控制液可提高1〇%_以卜.的采收率。
(2)在食品工業(yè)的應(yīng)用
由于黃原膠液的懸浮性、假塑性、理化穩(wěn)定性、食用安全 性和良好的配伍性.使它在食品行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，可作為穩(wěn) 定劑、浮化劑、增稠劑、分散劑和品質(zhì)改良劑等，如在飲料中可 懸浮果肉、并保持良好的罐裝性，在冷凍食品與冰淇淋屮可控 制冰晶、抗融化、延長(zhǎng)保存期、提高膨脹率等，黃原膠及其應(yīng)用在肉制品中可增 加持水性、提高出品率、延長(zhǎng)貨架期、抑制淀粉的回生.在蛋糕 中可使蜂窩組織均勻、質(zhì)體松軟、延長(zhǎng)松軟時(shí)問(wèn)、富有彈性和 良好的保濕性，在乳制品屮可增加粘度、防止脂肪上浮、提高 熱穩(wěn)定性.在罐裝蔬菜中可降低脫水率、抗酸敗、延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期等。
(3)在其它行業(yè)的應(yīng)用.
黃原膠的應(yīng)用覆蓋面已達(dá)30多個(gè)行業(yè).除了鉆井液和食 品添加劑外.還用于陶瓷、搪瓷玻璃、醫(yī)藥、農(nóng)藥、印染、香料、 化妝品、膠粘劑、消防等行業(yè)，如1981年山東食品發(fā)酵所等使 用黃原膠代替黏土作為釉漿懸浮劑和粘結(jié)劑，使陶瓷和掂瓷 產(chǎn)品的釉面平整、光亮、滋潤(rùn)，產(chǎn)品合格率提高/ 40%.開(kāi)降 低了燒結(jié)溫度、減少了燒成遍數(shù).降低了瑯?lè)塾胠i .改善了勞 動(dòng)環(huán)境；1984年公安部天津消防所等利用貿(mào)原膠研制成功的 凝膠銦抗溶泡沫滅火劑，避免了普通金屬皂抗溶滅火劑必須 在使用時(shí)相混、輸送管道長(zhǎng)不能超過(guò)200m的限制。
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