黃原膠（xanthan gum)是二十世紀(jì)五十年代美國農(nóng)業(yè)部北方研究室
(Northern Regional Research Laboratories, NRRL)，從野油菜黃單孢菌
NRRLB-1459中發(fā)現(xiàn)的分泌的中性水溶性多糖，
又稱為漢生膠。
黃原膠是一種由重復(fù)單位組成的高分子多糖（圖1-3)。黃原膠中存在
的糖為D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸。葡萄糖以P-1，4-鍵連接，形 成葡聚糖纖維素骨架。間隔的葡萄糖基有一短的支鏈，這條支鏈?zhǔn)怯?個葡 萄糖醛酸插到2個甘露糖單位中所組成，所以側(cè)鏈組成為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 連接丙酮酰殘基。內(nèi)部的甘露糖單位C6位乙?；?。側(cè)鏈上連接的乙?；?丙酮酰殘基的量的變化取決于黃原膠是由哪一類野油菜黃單胞菌中分離得到 的，丙酮酸的含量的變化同樣與發(fā)酵條件有關(guān)。平均約半數(shù)的末端甘露糖攜 帶有丙酮酸基，丙酮釀基和乙?；臄?shù)量和位置使原本非常有規(guī)律的結(jié)構(gòu)呈 現(xiàn)出不規(guī)律性。
圖1-3黃原膠分子結(jié)構(gòu)圖 Figure 1-3 Structure of Xanthan Gum
黃原膠的二級結(jié)構(gòu)取決于黃原膠分子所處的環(huán)境。經(jīng)X-射線衍射和電子 顯微鏡測定，有序構(gòu)象的天然黃原膠以對稱的五折右手螺旋形式存在，螺距 為4.7mm，直徑為1.9mm[25]。研究者提出了兩種模型：單鏈螺旋和雙鏈螺旋， 不過大多數(shù)的學(xué)者目前都支持雙螺旋的設(shè)想。這些雙螺旋由非共價鍵如氫鍵、 靜電作用和空間位阻作用所穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)可用剛性柱狀模型來表示。雙螺旋 結(jié)構(gòu)之間依靠微弱的作用力而形成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，這是黃原膠的三級結(jié)構(gòu)， 它在水溶液中以液晶形式存在126]。
1.2.1黃原膠的性狀
黃原膠為乳白、淡黃至淺褐色顆粒或粉末狀體，微臭。易溶于水，水溶 液呈中性，為半透明體。低濃度水溶液的黏度也很高，如0.5%溶液的黏度為
0.4Pa.s«在水溶液中，黃原膠分子的側(cè)鏈緊緊纏繞著纖維素主鏈，所以黃原 膠溶液有很強的耐酸、耐堿、抗生物酶降解和耐熱的性能，因此其黏度不受 pH值和溫度變化的影響。其黏度也不受蛋白酶、纖維素酶、果膠酶等影響。 在水溶液中，黃原膠分子的側(cè)鏈帶有負(fù)電荷，具有很強的結(jié)合陽離子的能力， 使得陽離子不能作用于主鏈，因此，黃原膠溶液的黏度不受鹽的影響。溫度 不變時，受機械力的作用，可發(fā)生溶膠與凝膠的可逆變化。攪拌可使溶液的 黏度下降。靜置則又升高（牛頓塑性）。黃原膠能溶于多種酸溶液，如5% 的硫酸、]0%的鹽酸和25%的磷酸，且這些黃原膠酸溶液在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定， 數(shù)月之久仍不變。黃原膠也能溶于氫氧化鈉溶液，并具有增稠特性，所形成 的粘溶液在室溫下十分穩(wěn)定。
1.2.2黃原膠的性能
黃原膠水溶液的黏度幾乎不受溫度、酸堿度和鹽類的影響[27],因此它是 食品的良好增稠劑。黃原膠溶膠分子能形成超結(jié)合帶狀的螺旋共聚體，構(gòu)成 脆弱的類似膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以能夠支持固體顆粒、液滴和氣泡的形態(tài)，顯 示出很強的乳化穩(wěn)定作用和高懸浮能力。
黃原膠與海藻酸納、淀粉等增稠劑能很好地互溶，故可復(fù)配使用。與卡 拉膠、槐豆膠、瓜膠有協(xié)同效應(yīng)，與卡拉膠復(fù)配使用可提高彈性，與槐豆膠 或瓜膠復(fù)配使用可提髙黏性1#291。
1.2.3黃原膠的應(yīng)用
黃原膠由于其獨特的剪切稀釋性質(zhì)，良好的增稠性，理竭的乳化穩(wěn)定性， 對酸、堿、熱、反復(fù)凍融的髙度穩(wěn)定性，以及對人體的完全無毒害等許多優(yōu)
良的特性，因而在食品、石油、醫(yī)藥、日用化工等十幾個領(lǐng)域有著極其廣泛 的應(yīng)用，其商品化程度之高，應(yīng)用范圍之廣，令其他任何一種微生物多糖都 望塵莫及。現(xiàn)略舉一二。
1)食品方面
許多食品中都添加黃原膠作為穩(wěn)定劑、乳化劑、懸浮劑、增稠劑和加工 輔助劑。黃原膠可控制產(chǎn)品的流變性、結(jié)構(gòu)、風(fēng)味及外觀形態(tài)，其假塑性又 可保證良好的口感，因此被廣泛應(yīng)用于色拉調(diào)料、面包、奶制品、冷凍食品、 飲料、調(diào)味品、釀造、糖果、糕點、湯料和罐頭食品中。近年來，較發(fā)達國 家的人們往往擔(dān)心食品中的熱值過髙而使自己發(fā)胖，黃原膠由于其不可被人 體直接降解而打消了人們的這一顧慮。此外，據(jù)1985年日本的報道，對十一 種食品添加劑進行對比測試，黃原膠是其中最為有效的抗癌試劑。
2)日用化工方面
黃原膠分子中含有大量的親水基團，是一種良好的表面活性物質(zhì)，并具 有抗氧化、防止皮膚衰老等功效，因此，幾乎絕大多數(shù)高檔化妝品中都將黃 原膠作為其主要功能成分。此外，黃原膠還可作為牙膏的成分實質(zhì)增稠定型， 降低牙齒表面磨損。
3)醫(yī)學(xué)方面
黃原膠可以作為控釋劑用于制藥行業(yè)。凝膠化黃原膠微球?qū)⒒钚猿煞职?裹在內(nèi)，這種微球在干燥狀態(tài)下被吞咽，在胃中膨脹，進而逐漸釋放出活性 成分活性分子同樣可以與多糖共價結(jié)合，然后在體內(nèi)水解酶的作用下逐漸釋 放；由于其自身的強親水性和保水性，還有許多具體醫(yī)療操作方面的應(yīng)用， 如可形成致密水膜，從而避免皮膚感染；減輕病人放射治療后的口渴等。此 外，李信、許雷曾撰文指出，黃原膠本身對小鼠的體液免疫功能具有明顯的 增強作用
4)工農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用
黃原膠最重要的工業(yè)應(yīng)用在于石油鉆探。在這個應(yīng)用中，由于黃原膠的 假塑性行為、溫度穩(wěn)定性以及耐鹽性，使得其非常有用。黃原膠在石油生產(chǎn) 中的應(yīng)用已由Pettit和Kan進行了綜述。在石油鉆探中，鉆頭上要求有低黏 度，而在環(huán)形套筒上則要求有高黏度，因此含有黃原膠的鉆探液體允許鉆頭 快速穿透，而在環(huán)形套筒則為鉆粉懸浮液[27]。
在織物印染上，通過阻止染料的遷移，黃原膠賦予了織物印花特殊的流 變學(xué)性質(zhì)，而這種流變學(xué)性質(zhì)對制備圖案明晰而規(guī)則的產(chǎn)品是必需的。黃原 膠能與大多數(shù)印染材料相容，并且很容易經(jīng)過洗漆去除。黃原膠還可用于陶 瓷釉料，其能阻止不同組分的凝聚作用.
人們對黃原膠的發(fā)現(xiàn)以及隨后對其結(jié)構(gòu)功能進行的大量研究，觸發(fā)了人 類對微生物多糖優(yōu)良的性質(zhì)的強烈好奇，引發(fā)了發(fā)酵史上不小的轟動。迄今 半個世紀(jì)己過，人們依然沒有降低對黃原膠的研究熱情（據(jù)估計，全世界對 黃原膠的需求量每年以7%?8%的速度增長，僅從世界石油組織分析結(jié)果顯 示，近期世界石油行業(yè)鉆井和三次采油方面需要黃原膠將達90萬噸/年?100 萬噸/年)，隨著研究的進一步深入以及生產(chǎn)工藝的進一步改進，黃原膠應(yīng)用 潛力仍然很大。
1.3黃原膠的生物合成
黃原膠的合成，從五元糖重復(fù)單位的裝配開始，然后這些重復(fù)單位聚合 生成大分子。這些黃原膠寡糖重復(fù)單位是通過來自于高能糖核苷酸的單糖的 按序添加形成的。髙能糖核苷酸包括乙酰輔酶A和磷酸稀醇式丙_酸。來自 于內(nèi)膜的多萜醇磷酸鹽作為受體[31]。五元糖裝配的第一步是UDP-葡萄糖上
1-磷酸糖基轉(zhuǎn)移到多萜醇磷酸鹽上，然后再逐個的按序?qū)⑵渌菤埢D(zhuǎn)移上 去，D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸分別來自GDP-甘露糖和UDP-葡萄糖醛酸，從 而得到完整的與脂相連接的五元糖重復(fù)單位。乙?；捅；窃谶@個與
脂連接的五糖階段添加的，其分別由乙酰輔酶A和磷酸稀醇式丙酮酸提供。 與內(nèi)部甘露糖殘基相連的0-乙酰基以及連接在末端甘露糖上丙酮酸的數(shù)目 會發(fā)生很大的變化，這取決于菌株及發(fā)酵條件。黃原膠鏈的增長發(fā)生在還原 末端（如圖1-4)。生物合成的最后一步，是將黃原膠從細(xì)胞膜上分泌出去。 穿過周質(zhì)和外膜分泌到胞外環(huán)境的過程還沒有得到完全的闡述。這個運轉(zhuǎn)的 過程需要能量，并且可能是通過一個特殊的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)保證將高聚 物從脂類載體上釋放出來并且進行跨膜運轉(zhuǎn)[32]。
參與黃原膠生物合成的許多基因已被鑒定、分離和表征（如圖1-5)。在 野油菜黃單胞菌致病變種campejfrij)中，黃原 膠的生物合成由一個12個基因組成的基因簇(叢gumB到gumM)指導(dǎo)[33,34]。 單糖的轉(zhuǎn)移和脂質(zhì)中間體乙?；孕纬赏暾囊阴；貜?fù)單位，需要7個基 因產(chǎn)物的參與。這個基因簇并不與合成糖核苷酸前體所需要的基因相連。這 個基因簇的12個基因以單一操縱子的形式從第一個基因上游的啟動子開始 表達。黃原膠的合成看起來并沒有受到特別的控制，但實際上，至少這個基 因簇中的5個基因產(chǎn)物對黃原膠合成起著活化作用^ Pollock等（1997)克隆 了鞘氨醇單胞菌（分中編碼黃原膠的裝配、乙?；?、丙酮酰化、 聚合和分泌的12個基因，這些基因?qū)τ邳S原膠的合成已經(jīng)足夠。來源于重組 微生物的黃原膠與天然的黃原膠在結(jié)構(gòu)和功能上沒有什么分別[35]。
1.4黃原膠的降解
黃原膠是一種髙聚合度的微生物多糖類物質(zhì)，根據(jù)其分子量不同應(yīng)用在 不同的領(lǐng)域。當(dāng)其以高聚合度狀態(tài)存在，往往利用其高粘度及較髙的穩(wěn)定性 等物理性質(zhì)應(yīng)用在食品、化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而黃原膠超乎尋常的穩(wěn)定性 本身也是一把雙刃劍，在增加其普及度的同時也產(chǎn)生了一些問題。比如在釆 油業(yè)中，由于使用黃原膠而增加了溶液的粘度，從而大大增加了后續(xù)工藝如 油料運輸及產(chǎn)品純化的成本。唯有將其降解才能使對黃原膠的應(yīng)用做到“進 可攻，退可守”。
隨著分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，寡糖的生物活性引起了研究者的矚目， 因而造就了目前寡糖工程在國際上競相研究、炙手可熱的局面。由植物致病 菌分泌的黃原膠所降解的寡糖是否也擁有某種生物活性的疑問也激起了人們 強烈的興趣。隨之而來的問題就是降解，如何降解，降解到何種程度。
盡管黃原膠的主鏈與纖維素相同，但由于規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)的保護，以及 側(cè)鏈所產(chǎn)生的位阻，使得一般的蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶等 都很難將其降解。多糖的降解，通?？捎盟幔ㄈ琨}酸、次氯酸）或強氧化劑 (如過硼酸鈉、過硫酸銨)，盡管這在實驗室效果不錯，但在實際應(yīng)用中效果 不理想。
1980年，M.Riimud〇等人第一次報道用一種纖維素酶對處于不規(guī)則構(gòu)象 的黃原膠主鏈進行隨機降解，然而，對于一般規(guī)則的螺旋構(gòu)象的黃原膠而言， 該酶幾乎沒有降解作用。隨后，1981年，Cripps等人的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種 能以黃原膠為唯一碳源生長的土壤棒狀桿菌，命名為NCIB11535。用薄層層 析分析其降解產(chǎn)品，降解產(chǎn)物有九種，而對于脫乙酰的黃原膠而言，降解產(chǎn) 物只有四種，分別是甘露糖，甘露糖與丙酮酸的縮酮產(chǎn)物，以及兩種寡糖產(chǎn) 品（專利 W00030393)。
Ruijssenaars等（1999)在一株類芽孢桿菌（尸中發(fā)現(xiàn)了幾 種能降解黃原膠的酶。這株菌的酶能夠降解約整個黃原膠分子的1/3,而不會 攻擊其分子骨架[36]。最近，日本京都大學(xué)的Murata等人詳細(xì)報道了用一株芽 孢桿菌降解黃原膠的途徑（如圖1-6)。降解黃原膠所需要的酶有黃原膠水解 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 黃原膠水解酶的作用，降解首先開始于黃原膠側(cè)鏈上丙酮?；母事短桥c 葡萄糖醛酸殘基之間糖苷建的斷裂：接著黃原膠受到胞外p-D-葡聚糖酶的攻 擊，產(chǎn)生一個四元糖，這個四元糖就是沒有末端甘露糖殘基的黃原膠重復(fù)單 位；然后，這個四元糖被帶入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，被P-D-葡萄糖苷酶轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生不
飽和的葡萄糖醛酸-乙酰甘露糖•葡萄糖三糖；隨后，葡萄糖醛酸水解酶水解 產(chǎn)生一個不飽和的葡萄糖醛酸和甘露糖-葡萄糖雙糖；降解的最后一步是（X- 甘露糖苷酶將雙糖水解為甘露糖和葡萄糖[37,38]。
IHOOCJ
圖1-6芽孢桿菌降解黃原膠途徑 Figure 1-6 Xanthan depolymerization pathway in Bacillus sp, strain 有關(guān)微生物黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆和結(jié)構(gòu)研究代表了這一領(lǐng)域最新、 最重要的進展，通過將黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆到適于工業(yè)化生產(chǎn)的宿主細(xì) 胞，可以使黃原膠側(cè)鏈酶的發(fā)酵產(chǎn)率得到大幅度提髙。此外，對黃原膠側(cè)鏈
酶結(jié)構(gòu)的詳細(xì)了解為基因的克隆提供了必要信息的同時，使合適的酶在工業(yè) 化生產(chǎn)中得到應(yīng)用成為可能。毫無疑問，微生物黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆對 酶的生產(chǎn)和黃原膠寡糖結(jié)構(gòu)鑒定方面有著深遠(yuǎn)的影響。 1.5降解黃原膠菌株的簡介
鞘気醇單胞菌（SpWngomoHiii jp.)是一類有著重要商業(yè)應(yīng)用前景的細(xì)菌。 從形態(tài)上看，主要為球菌和桿菌，并且均為需氧的革蘭氏陰性菌。鞘氨醇單 胞菌在自然界分布廣泛，從土壤、河水、深層堆積物、血液、傷口等處均可 分離得到。在與植物相關(guān)的環(huán)境中（如根的周圍）發(fā)現(xiàn)的最多。近來報道， 這類細(xì)菌在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等與人類密切相關(guān)的領(lǐng)域里應(yīng)用價值很髙。比 如它們可以降解不熔的污染物，可以作為植物致病真菌的抑制劑還可以分泌 具有髙附加值的胞外多糖如瓜膠等[39]。
基于16S rRNA同源序列分析，該類細(xì)菌在蛋白菌的ot-4亞基中形成系 統(tǒng)連接緊密的集團[4<)]。盡管有些鞘氨醇單胞菌不運動、不發(fā)酵，但是幾乎所 有該屬的細(xì)菌都包含一個類似于“標(biāo)簽”一樣的結(jié)構(gòu)，即，含有18?21個碳 的直鏈飽和二氫鞘氨脂、單不飽和二氫鞘氨脂以及含有環(huán)丙烷的二氫鞘氨月旨。 除此之外，它們還擁有一個可以利用苯醌的長鏈及十個類異戊二烯單元的側(cè) 鏈。DNA檢測結(jié)果顯示，鞘氨醇單胞菌屬細(xì)菌G+C含量大約為61%?67%14|]。 鞘氨醇單胞菌的外膜結(jié)構(gòu)比較特殊，包括鞘糖脂，缺少脂、氨連接的三徑基 脂肪酸并且缺乏脂多糖成分或者具有革蘭氏陰性菌特征的成分。
一般來說，微生物是靠分泌降解酶降解生物高分子進而攝入降解產(chǎn)物而 生存的。而鞘氨醇單胞菌的作用機制似乎不太一樣，它是通過一種類似于“吞 噬作用”來利用胞外多糖的。鞘氨醇單胞菌的細(xì)胞表面被數(shù)量巨大且結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的辨狀物所覆蓋。Murata等發(fā)現(xiàn)[42]在褐藻多糖的存在下細(xì)胞表面形成了類 似于嘴狀的凹陷，而褐藻多糖則集中在凹陷周圍。顯示了細(xì)胞膜陷入細(xì)胞質(zhì) 這樣特殊的結(jié)構(gòu)。由于多糖酶僅僅存在于細(xì)胞質(zhì)中，甚至不會分泌到周質(zhì)中， 所以其機理可能是靠細(xì)胞的內(nèi)吞作用進入細(xì)胞的（如圖1-7)。對于革蘭氏陰 性菌，膜的內(nèi)部是立體選擇性轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，外部是非立體特異性多孔結(jié)構(gòu)適合 轉(zhuǎn)運低分子的底物。而髙分子物質(zhì)如蛋白、多糖是通過其他機制實現(xiàn)的。