全 文 ：微生物胞外多糖研究进展
崔艳红1 黄现青2
( 1河南科技学院动物科学系,新乡 453003; 2南京农业大学食品科技学院,南京 210095)
摘 要: 微生物胞外多糖主要是指微生物产生的一些水溶性胶,近几年来由于糖化学的迅速发展, 微生物胞
外多糖理论和应用的研究逐渐受到了人们的关注。对黄原胶、结冷胶多糖的结构与性能、研究现状和应用状况进
行了综述。
关键词: 胞外多糖 黄原胶 结冷胶 应用
The Advance in Investigation of Microbial
Extracelluer Polysacchardes
Cui Yanhong
1 H uang Xianqing2
( 1 Col le ge of A nimal S ci ence and Vete rinary Med icine , H enan I nsti tu te of S ci ence and T echnolog y , X inx iang 453003;
2 Col l ege of F ood S cience and T ech nology , Nanj ing A gr icul tur al Univ er si ty , Nanj ing 210095)
Abstract: The microbial ex tracelluer polysaccharde in is mainly refer red to as w atersoluble gums produced by
micro org anisms. In recent year s, w ith the quick development of sugar chemistr y the theor y and application o f micr o
bial extr acelluer po ly saccharide were concerned . In the paper, the str uctur e and per formance, present st ate and
prospect o f the applicat ion of x ant han gum and gellan gum were reviemed.
Key words: Microbial ex tr a po ly saccharides Xanthan gum Gellan gum Application
微生物多糖主要指大部分细菌、少量的真菌和
藻类产生的多糖。微生物多糖由于具有安全性高、
副作用小、理化特性独特等优点而使其在食品和非
食品工业备受关注,尤其在医药领域具有巨大的应
用潜力。
微生物多糖在细胞内主要有三种存在形式:
黏附在细胞表面上, 即胞壁多糖; 分泌到培养基
中,即胞外多糖; 构成微生物细胞的成分, 即胞内
多糖。而其中的胞外多糖具有产生量大、易于与菌
体分离、可通过深层发酵实现工业化生产。一般微
生物多糖的生产主要是利用淀粉为碳源, 经过微生
物的发酵进行生产,也有通过利用微生物产生的酶
作用制成的。能够产生微生物胞外多糖的微生物种
类较多,但是真正有应用价值并已进行或接近工业
化生产的仅十几种。近几年, 随着对微生物多糖研
究的深入,世界上微生物多糖的产量和年增长量均
在 10%以上, 而一些新兴多糖年增长量在 30%以
上。到目前为止, 已大量投产的微生物胞外多糖有
黄原胶( Xanthan gum)、结冷胶( Gellan gum )、小核
菌葡聚糖( Scleer oglucan)、短梗霉多糖( Pullulan)、
热凝多糖( Curdlan)等。
微生物多糖和植物多糖相比较具有以下优势:
生产周期短,不受季节、地域、病虫害等条件的限
制; 具有较强的市场竞争力和广阔的发展前景;
应用广泛,例如已作为胶凝剂、成膜剂、保鲜剂、乳化
剂等广泛应用于食品、制药、石油、化工等多个领域。
据估计,目前全世界微生物多糖年加工业产值可达
80亿左右。
1 黄原胶
黄原胶又名黄单胞菌多糖, 是野油菜黄单胞杆
菌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。黄原胶是目前国内
收稿日期: 20051213
作者简介:崔艳红( 1975 ) ,女, 讲师,硕士,主要从事生物技术在饲料中的应用研究
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年第 2期
外正在开发的几种微生物多糖中最具特色的一种,
也是世界上生产规模最大、用途最广的微生物多糖。
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。由于黄原
胶具有良好的增稠性、假塑流变性、水溶性、悬浮性、
乳化稳定性、耐酸碱、抗盐和优良的复合性等特性,
其应用覆盖面多达 20多个行业, 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. 1 黄原胶的结构与性能
1. 1. 1 黄原胶的结构 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, 它的相对分子质量在 2
10
650 106u(道尔顿)左右。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。黄原胶的分子侧链末端含有丙酮酸,
其含量对性能有很大影响。在不同溶氧条件下发酵
所得黄原胶,其丙酮酸含量有明显差异。一般溶氧
速率小,其丙酮酸含量低。黄原胶的二级结构是侧
链绕主链骨架反向缠绕, 通过氢键维系形成棒状双
螺旋结构。黄原胶的三级结构是棒状双螺旋结构间
靠微弱的非共价键结合形成的螺旋复合体。
1. 1. 2 黄原胶的性能
1. 1. 2. 1 亲水性黄原胶能够在各种极性介质(冷
水、热水、多种酸性溶液、碱性溶液和盐溶液)中都能
快速溶解,不需要用力搅拌或施加其他机械力搅拌,
并且该溶液都具有良好的亲水性。
1. 1. 2. 2 假塑流变性 黄原胶溶液是一种典型的
假塑性流体,其溶液黏度随剪切速率的增加而明显
降低。在高剪切速率下, 聚合体结构解聚为无规则
线团结构,使黏度迅速降低;当剪切速率解除时, 分
子结构又恢复到双螺旋网状聚合体状态, 使溶液黏
度瞬间恢复到最大。
1. 1. 2. 3 增粘性 黄原胶具有良好的增粘性能, 特
别是在低质量浓度下具有很高的黏度, 可作为食品
加工中的增稠稳定剂。在相同的浓度, 相同的温度
条件下,黄原胶水溶液的粘度是瓜尔豆胶的 1. 7倍,
海藻酸钠溶胶浓度的 3~ 5倍。黄原胶溶液的黏度
是同质量浓度下明胶的 100倍。
1. 1. 2. 4 稳定性 黄原胶溶液在一定的温度范围
内(4 ~ 93 )反复加热冷冻, 其黏度几乎不受影
响, 10g / L 黄原胶溶液由 25 加热到 120 , 其黏度
仅降低 3%。黄原胶溶液对酸碱十分稳定, 在 pH5
~ 10其黏度不受影响。能和许多盐溶液混溶,黏度
不受影响。它可以分别在 100g/ L KCl, 100g / L
NaCl, 100g/ L CaCl2和 50g / L Na2 CO3溶液中长期
存放 90d( 25 ) , 黏度几乎保持不变。许多酶如蛋
白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶等都不能使黄
原胶降解。
1. 1. 2. 5 悬浮性和乳化性 由于黄原胶理化性质
稳定,因而具有良好的悬浮性和乳化性。10g/ L 的
黄原胶溶液具有约 5 104 N/ cm 2的承托力。黄原
胶借助于水相的稠化作用,可降低油相和水相的不
相溶性,能使油脂乳化在水中,因而它可在许多食品
饮料中用作乳化剂和稳定剂。
1. 1. 2. 6 与增稠剂的协效性 黄原胶可与大多数
合成的或天然的增稠剂配伍, 如与槐豆胶、瓜尔胶、
卡拉胶及魔芋胶等都能互溶,混溶后使混合胶黏度
显著提高。
1. 2 黄原胶的应用
1. 2. 1 黄原胶在食品工业中的应用 黄原胶在食
品工业中是理想的增稠剂、乳化剂和成型剂等, 用途
极为广泛。黄原胶作为蛋糕的品质改良剂,可以增
大蛋糕的体积,改善蛋糕的结构,使蛋糕的孔隙大小
均匀,富有弹性,并延迟老化,延长蛋糕的货架寿命。
奶油制品、乳制品中添加少量黄原胶,可使产品结构
坚实、易切片,更易于香味释放,口感细腻清爽。用
于饮料,可使饮料具有优良的口感,赋予饮料爽口的
特性,使果汁型饮料中的不溶性成分形成良好的悬
浮液,保持液体均匀不分层。加入啤酒中可使其产
泡效果极佳。加入 20g/ L 黄原胶于焙烤食品中,可
保持食品的湿度, 抑制其脱水收缩,延长贮存期。用
于果冻,黄原胶赋予其软胶状态, 加工填充物时, 可
使果冻的黏度降低从而节省动力并易于加工。在加
工淀粉软糖和蜜饯果脯等配方中加入 0. 5g/ L 的黄
原胶和槐豆胶,能够改进加工性能,大大缩短加工时
间。含有 0. 5~ 75g/ L 黄原胶的巧克力液体糖果,
贮藏稳定性大为提高。方便面中加入黄原胶,可提
26 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2006年第 2期
高加工过程的成品率, 减少产品断碎干裂, 改善口
感。它还广泛用于罐头、火腿肠、饼干、点心和肉制
品等产品中。
1. 2. 2 黄原胶在石油工业中的应用 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。
1. 2. 3 黄原胶在纺织工业中的应用 黄原胶应用
于印染工业, 可控制浆的流变性质, 防止染料的迁
移,使图纹清晰, 与印染泥浆中的多数成分可以互
溶,而黄原胶自身的洗出特性也卓有成效。因此, 黄
原胶广泛地应用于地毯、丝绸等印染行业中。
1. 2. 4 黄原胶在日用化工方面的应用 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。
1. 2. 5 黄原胶在医学方面的应用 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[ 15]。
1. 2. 6 黄原胶在其他领域中的应用 黄原胶在陶
瓷、搪瓷、玻璃、印染、香料、胶黏剂和消防等行业中
也有广阔的用途。如使用黄原胶代替黏土作为釉浆
悬浮剂和黏结剂, 使陶瓷和搪瓷产品的釉面平整、光
亮,产品合格率可提高 40%, 并可降低烧结温度、减
少烧成遍数,降低琅粉用量,改善劳动环境。用黄原
胶作原料生产的凝胶泡沫灭火剂,已用于森林灭火。
黄原胶还可用于胶体炸药、水溶性涂料、工业擦亮
剂、除锈剂和湿法冶金的增稠剂,药物和化妆品的润
滑剂,印染工业的载色剂等。
1. 3 黄原胶的生产现状
1. 3. 1 我国黄原胶的生产现状 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。到 2001年,全国产量迅
猛增加,总产量已超过 15 万 t。据国家轻工业局规
划发展司 1999年 8月提出的食品生物工程标志性
目标预测, 到 2005年,我国食品黄原胶需求量将达
到 30万 t。而据石油行业专家预测, 在石油钻井和
三次采油方面需要黄原胶即 10万 t 以上。由此可
见,发展国内黄原胶具有巨大的潜在市场。
1. 3. 2 国外黄原胶的生产现状 目前,全世界的黄
原胶产量达 80万 t / a 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、日本和中国。
目前仅美国 Kelco 公司就可达到 1. 5万~ 2万 t 的
生产规模,是世界上最大的黄原胶生产厂。据估计,
全世界对黄原胶的需求量每年以 5% ~ 7%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即 90~
100万 t, 足见其巨大的市场潜力。
2 结冷胶
结冷胶是由沼假单胞菌 A TCC31461生产的一
种线性阴离子杂多糖。20世纪 70 年代末期发现了
结冷胶, Kang 等 1982 年首次报道了实验室规模通
过假单胞菌成功生产结冷胶。结冷胶及结冷胶类多
糖的商业规模生产是 Kelco 公司成功筛选微生物的
结果。1988年,日本成功地完成了结冷胶的毒理实
验并准许结冷胶在食品中应用。1992年, 美国食品
与药物管理局 ( FDA) 批准结冷胶作为稳定剂和粘
结剂在食品中广泛使用, 成为第三种在食品中使用
的微生物胞外多糖。除美国外, 还有 10多个国家批
272006年第 2期 崔艳红等: 微生物胞外多糖研究进展
准其用作食品添加剂。
2. 1 结冷胶的结构与特性
结冷胶是在有氧条件下由伊乐假单胞菌产生
的,后确认为少动鞘脂单胞菌 。结冷胶是组成与结
构类似的 8种微生物多糖中的一种。这 8种微生物
多糖为: 结冷胶、沃仑胶、鼠李胶、S657、S88、S198、
NW11、PSP4 , 它们具有相同的主链结构, 所不同的
是它们的侧链基团的数目和位置以及含有或不含有
乙酰基。天然结冷胶含有 46%葡萄糖、30%鼠李
糖、21%葡萄糖醛酸、3% 乙酸酯和 L甘油酸酯基
团,第一个葡萄糖残基的 C2处被 L甘油酸酯化, C6
处被乙酸酯化。结冷胶类多糖在水溶液中的物理性
质差别很大。它们的水溶液都具有高粘性和高热稳
定性,在水溶液中结冷胶形成高粘性或弱的凝胶, 但
经碱脱乙酰基处理后在不同阳离子的情况下, 可形
成硬而脆的凝胶。结冷胶可形成热可逆凝胶, 类似
于琼脂和明胶, 也能形成盐诱导的凝胶,类似海藻胶
和卡拉胶,这些性质是结冷胶的应用具有多样性。
结冷胶多糖链平行排列成半交错的互相缠绕的双螺
旋结构, 每个多糖链形成一个左手三叠螺旋
( lefthanded threefold helix ) ,两条螺旋通过氢键相
互作用来稳定, 与结冷胶类似,大多数结冷胶类多糖
均为半交错的双螺旋构型。其他结冷胶类多糖不能
形成凝胶,即使含有乙酰基的胞外多糖脱去乙酰基
后也不能形成凝胶, 但它们的水溶液与黄原胶比较,
表现出明显的低剪切率和良好的热稳定性。结冷胶
类多糖中的每一种多糖, 其固有的粘性(随着离子强
度不同而变化)依赖于它们的结构和是否存在乙酰
基。结冷胶形成凝胶以及其强度和稳定性依赖于溶
液中阳离子类型和浓度、乙酰化程度不同而异。
2. 2 结冷胶的应用
近几十年来, 由于微生物胞外多糖( EPS)在产
品结构、性能及生产方面所具有的特别优势而得到
大力研究和开发,有逐步替代食品、医药等工业传统
上使用的高等植物和海藻胶的趋势。微生物胞外多
糖结冷胶是具有重要商业价值的多糖。它以两种商
品形式出售, 即低乙酰基( LA) 结冷胶及高乙酰基
( HA)结冷胶。低乙酰基结冷胶能形成坚固而脆的
凝胶。相反,高乙酰基结冷胶形成软的有弹性的凝
胶。通过将上述两种形式结冷胶混合有可能生产各
种新型的具有多种应用价值的结冷胶产品。
2. 2. 1 结冷胶在食品和医药中的应用 结冷胶有
藻酸盐胶和 Gelrite 两种类型,藻酸盐胶是惟一的食
品级结冷胶,通过增加离子浓度和提高温度结冷胶
能得到热可逆性胶, 一般的胞外多糖胶不均匀且不
透明,不适合应用于食品工业中。而结冷胶的优点
是在金属离子存在时也可形成透明胶体, 所以它可
以应用于食品工业, 结冷胶的主要作用是作为凝胶
剂、增稠基、悬浮剂和成膜剂,在食品工业中,结冷胶
不仅仅是作为一种胶凝剂,更重要的是它可提供优
良的质地和口感。结冷胶具有良好的风味释放性和
在较宽 pH 范围内稳定的特性。它可用于改进食品
组织结构、液体营养品的物理稳定性、食品烹调和贮
藏中的持水能力。结冷胶与其他食品胶有良好的配
伍性,以增进其稳定性或改变药物的缓慢释放。
2. 2. 2 结冷胶替代琼脂 结冷胶形成的凝胶表现
出明显的热稳定性和高度的透明性。由于这些特
性,使它可以作为琼脂的替代制备生物培养基, 特别
是可以用于澄清度要求高的培养基, 如嗜温微生物
的培养基。以 Gelrite(结冷胶商品名)为基础的植
物培养基可解决因琼脂的不纯而产生的问题。
2. 2. 3 结冷胶的其他应用 结冷胶在园艺和农业
中的使用前景也很广泛, 它被认为是植物组织培养
的良好培养基,还有其他的应用如用于胶囊、胶片、
胶卷、纤维以及个人护理用品;房间除臭剂凝胶可用
结冷胶,并且比目前使用的角叉胶、刺槐豆胶等混合
胶用量少;结冷胶同淀粉混合可用于造纸工业。
2. 3 展望
由于结冷胶类胞外多糖具有冷、热条件下形成
热可逆凝胶及结构和性质的多样性这些新的特性,
因而使其在过去十多年的食品、医药和生物制药工
业、电泳、固定化细胞和固定化酶等方面具有重要作
用。结冷胶的低产率、加工步骤的繁琐及高成本损
害了微生物生产结冷胶的经济可行性。人们期待更
加经济地利用廉价可再生资源作为原料发酵生产结
冷胶。对于结冷胶类胞外多糖及其他靠发酵生产的
胞外多糖, 影响发酵的最重要因素是发酵液粘性。
需要进行结冷胶发酵方面的研究来克服因高粘性而
引起的物质传输方面的障碍。同样, 改进现有的分
离过程或使用新的 (下转第 42页)
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(上接第 28页)
结冷胶分离方法的研究开发, 应该与重新设计其发
酵工艺同步进行。目前工业化生产结冷胶所遇到的
问题是:产量低、用于通氧搅拌的能源高, 提纯用有
机溶剂耗量大。如果能够从生物技术的角度, 通过
先进的物理、化学诱变、细胞融合、基因克隆、PCR
技术,诱变得到高产菌株;将产胶基因转移到嫌气性
微生物中正常表达,从而在无氧或微氧条件下生产
结冷胶以降低成本。那么, 结冷胶的生产及应用前
景无可限量。
参 考 文 献
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42 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2006年第 2期