11138-66-2/黃原膠的主要應(yīng)用

背景及概述^[1]

黃原膠又稱黃桿膠。由某些黃單胞菌(Xanthomonasspp)產(chǎn)生的一種細胞外雜多糖成分。一般是以淀粉或葡萄糖為主要原料，經(jīng)過細菌發(fā)酵后而提取的產(chǎn)品。純品為白色粉末。它是一種高分子聚合物，由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮組成。其主鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)與纖維素相同，主鏈上的每2個葡萄糖中有一連接側(cè)鏈，它由甘露糖、葡萄糖醛酸和甘露糖組成。連接主鏈的甘露糖的C-6位上有一乙酰基，在末端甘露糖的C-4、C-6位上連有一丙酮酸。相對分子質(zhì)量介于5×106～5×107間。在水溶液中具雙螺旋結(jié)構(gòu)，并以液晶形式存在。商品為米黃色粉末，易溶于熱水或冷水中，在水溶液中性能穩(wěn)定，抗熱(約120℃)，不易被微生物降解，控制液體流變能力強，對酸堿穩(wěn)定(pH1.5～13)，與酸、堿、醇、酮和其他增黏劑等有良好的互溶性。

結(jié)構(gòu)^[2]

黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的“五糖重復(fù)單元”的結(jié)構(gòu)聚合體。天然黃原膠相對分子質(zhì)量很高，一般大于106u。黃原膠分子的一級結(jié)構(gòu)包括由β-1，4鍵連接的D-葡萄糖基主鏈及含三個糖單位的側(cè)鏈，側(cè)鏈則由兩個D-甘露糖和一個D-葡萄糖醛酸的交替連接而成。部分側(cè)鏈末端的甘露糖4，6位C上連接有一個丙酮酸基團，而部分連接主鏈的甘露糖在C-6被乙酰化。丙酮酸和乙?；鶊F的含量取決于黃原膠的品種以及后處理過程，如在不同溶氧的條件下發(fā)酵所得的黃原膠，其丙酮酸含量會有十分明顯的差異。通常黃原膠的溶氧速率小，其丙酮酸含量低。一般而言，黃原膠中丙酮酸取代基的含量在30%～40%之間，乙酰化的基團在60%～70%之間。兩者在鏈上的分布并無規(guī)律，但是對于黃原膠的構(gòu)象及物化性質(zhì)卻有著很大的影響。黃原膠脫去乙?；兔撊ケ峄鶊F都會使黃原膠的性質(zhì)發(fā)生顯著變化。據(jù)流變學(xué)研究，脫去丙酮酸基團后的黃原膠分子間作用力顯著減小，丙酮酸基團在黃原膠分子中可能相互之間形成氫鍵，并與鄰近側(cè)鏈的乙?；a(chǎn)生氫鍵，以此來穩(wěn)定黃原膠的分子結(jié)構(gòu)。而乙?；鶊F通常被認為是提供了分子內(nèi)的相互作用力，因為脫去乙?；簏S原膠分子變得更加柔順。黃原膠的二級結(jié)構(gòu)如圖所示，

是由側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過氫鍵、靜電力等作用所形成的五重折疊的棒狀螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋間距為4.7nm。研究表明，位于D-葡萄糖主鏈上C-3位置的支鏈是黃原膠構(gòu)象的主要構(gòu)成因素。它們可能發(fā)生折疊并依附在主鏈骨架上，從而穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)不受外界環(huán)境的影響。普遍認為，在低離子強度下，黃原膠在熱處理過程中能夠發(fā)生螺旋-卷曲鏈的轉(zhuǎn)變，也稱為有序-無序的轉(zhuǎn)變。而分子模型研究顯示在黃原膠分子構(gòu)象中單螺旋和雙螺旋在空間排布上都是可以存在的，螺旋以非共價鍵力如氫鍵、靜電作用力、空間位阻效應(yīng)保持穩(wěn)定。結(jié)合目前單螺旋和雙螺旋的各種理論，總的來講黃原膠在水溶液中具有3種構(gòu)象：天然黃原膠可能具有一個相對較規(guī)整的雙螺旋結(jié)構(gòu)；而經(jīng)過長時間的熱處理，黃原膠螺旋鏈會伸展為無序的卷曲鏈結(jié)構(gòu)，該段溫度通常稱為構(gòu)象轉(zhuǎn)變溫度；冷卻后，螺旋和卷曲鏈在體系中均有相當程度的存在。

功能特性^[2]

黃原膠水分散液優(yōu)良的流變學(xué)性質(zhì)使其在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。其在不同濃度、不同形變度條件下的流變學(xué)模型也被諸多學(xué)者研究?？偟膩碚f，黃原膠可以作為增稠劑或者穩(wěn)定劑，并且在適當?shù)那闆r下還可以作為凝膠劑。它的兩種重要的流變學(xué)性能為觸變性和凝膠化作用。

1）觸變性黃原膠溶液是一種典型的假塑性流體，逐漸增加剪切速率能使黏度下降，使溶液發(fā)生所謂的剪切變稀。在低剪切速率下，黃原膠溶液具有高黏度。逐漸增加剪切速率能使黏度逐步下降，即呈現(xiàn)黃原膠的假塑性行為。剪切停止后，黃原膠的黏度會迅速恢復(fù)。這種性質(zhì)源于上述的黃原膠分子結(jié)構(gòu)特點。在溶液中，黃原膠通過分子內(nèi)和分子間的非共價健，以及分子鏈間的纏結(jié)形成的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)具有高度纏繞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加上硬直的分子鏈，使其在低剪切下具有很高的黏度，這在實際應(yīng)用上表現(xiàn)為良好的懸浮性能；在剪切下，這些分子纏結(jié)發(fā)生解纏，無序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾S著剪切方向排布的分子鏈結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出剪切變稀行為。加入二價、三價鹽或者硼酸后，黃原膠的這種觸變性還會增強。在足夠低的剪切速率、足夠高的濃度(>1%，w/w)下，黃原膠水分散液呈現(xiàn)出弱凝膠性質(zhì)。這種凝膠是由非共價鍵連結(jié)、分子鏈纏結(jié)構(gòu)成的弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而形成的，在一定的剪切力下可以被破壞。需指出的是，對黃原膠進行預(yù)處理如離析、干燥和再水合，這些過程會在很大程度上影響黃原膠的流變學(xué)性質(zhì)。

2）凝膠化作用黃原膠可與大多數(shù)合成的或天然的多糖發(fā)生協(xié)同作用，如和淀粉、刺槐豆膠、瓜爾膠、卡拉膠、魔芋膠及結(jié)冷膠等都能互溶，混溶后使混合膠黏度顯著提高或者形成凝膠。黃原膠可以與一些半乳甘露聚糖如刺槐豆膠和塔拉膠混合形成熱可逆的凝膠。研究表明，黃原膠與半乳甘露聚糖側(cè)鏈間相互作用可形成這種凝膠，凝膠化的能力取決于半乳甘露聚糖側(cè)鏈的數(shù)量和分布。黃原膠與其他一些半乳甘露聚糖的混合物如瓜兒豆膠，不能形成獨立成型的凝膠。然而通過酶的修飾，改變瓜兒豆膠的側(cè)鏈分布，則可以生成黃原膠-改性瓜兒豆膠混合物凝膠，且在較高溫度下，發(fā)生的協(xié)同作用會明顯增強。黃原膠與一些葡甘露聚糖如魔芋膠也能形成凝膠。在陽離子的作用下，由于黃原膠更趨向于形成自身有序的結(jié)構(gòu)，影響了與其他多糖鏈的結(jié)合，因此凝膠化程度減弱。在三價陽離子或者硼酸鹽陰離子作用下黃原膠也可以獨立形成弱凝膠。

應(yīng)用^[2]

1. 食品工業(yè)方面的應(yīng)用

黃原膠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，因而可在許多食品飲料中用作乳化劑和穩(wěn)定劑。黃原膠溶液優(yōu)良的懸浮性、假塑性、合用安全性和良好的配伍性，再加上它在許多苛刻的條件(如pH，溫度，鹽)下性能基本保持穩(wěn)定，因此在食品中的應(yīng)用比明膠、果膠等更具有普適性。如圖4所示，黃原膠在低剪切下高黏度使其呈現(xiàn)良好的懸浮、黏附和穩(wěn)定性能，在中高剪切下黏度迅速降低，使其具有良好的噴涂性能，易于吸取，方便吞咽?？傮w來說，在食品工業(yè)中，黃原膠可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑、分散劑和品質(zhì)改良劑等。如在飲料中可懸浮果肉、并保持其良好的罐裝性；在冷凍食品與冰淇淋中可控制冰晶、抗融化、延長保存期、提高膨脹率等；在肉制品中可增加持水性、延長貨架期、抑制淀粉的回生；在蛋糕中可使蜂窩組織均勻、質(zhì)體松軟、富有彈性，延長松軟時間，具有保濕性；在乳制品中可增加黏度、防止脂肪上浮、提高熱穩(wěn)定性；在罐裝蔬菜中可降低脫水、抗酸敗、延長儲藏期等。此外，與其他一些天然多糖相似，黃原膠在人體內(nèi)并不消化，并且具有較低的熱量，一般為0.6kcal/g，是良好的膳食纖維。

2. 其他工業(yè)方面的應(yīng)用

黃原膠優(yōu)良的增稠和剪切變稀性能在石油開采中應(yīng)用十分普遍。低濃度的黃原膠水溶液就可保持水基鉆井液的黏度，使鉆井液具有良好的懸浮性能，這可防止井室坍塌、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由于高速旋轉(zhuǎn)引起的強剪切而表現(xiàn)出極低的黏度，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、高鹵層以及永凍土層等區(qū)域的鉆井作業(yè)中采用黃原膠作為泥漿增稠劑時，可節(jié)省長途輸送淡水的費用。

黃原膠用于三次采油的流變控制液可提高10%以上的采收率。研究認為在溫度不高于60℃并加入堿金屬等除氧劑后，黃原膠溶液能夠保持相當長時間的穩(wěn)定。除食品添加劑和鉆井液外，黃原膠還用于醫(yī)藥、化妝品、陶瓷、搪瓷玻璃、農(nóng)藥、印染、香料、膠黏劑、消防等行業(yè)。近年來黃原膠已經(jīng)被證實能作為減阻劑在相對高溫的環(huán)境中長期使用。其減阻能力隨著黃原膠濃度的增大而增強。黃原膠的這種減阻作用跟其剪切變稀的能力是密切相關(guān)的。在溫度較高(50～60℃)的情況下，由于黃原膠趨向于解纏結(jié)形成無序鏈，這種減阻作用會增強。黃原膠在藥物中作為助懸劑，能制得性質(zhì)穩(wěn)定、助懸性能良好、藥物分散均勻、易于存放的藥品，同時方便服用，還可備為骨架控釋制劑。黃原膠在緩釋作用中對藥物的擴散影響機理已有大量研究。利用黃原膠的剪切變稀性能可提高牙膏的品質(zhì)。黃原膠還能對許多護膚品提供良好的穩(wěn)定性和分散性。黃原膠與表面活性劑的結(jié)合使其在洗滌劑領(lǐng)域也具有應(yīng)用價值。在印染和陶瓷工業(yè)中，黃原膠的懸浮性能可以使物料混合均勻，不易結(jié)塊，從而減少產(chǎn)品缺陷，改進加工工藝。

制備^[3]

黃原膠的生產(chǎn)工藝經(jīng)過半個世紀的發(fā)展精琢，現(xiàn)已較為成熟。底物轉(zhuǎn)化率達60%～70%，以至國外的一些雜志稱其為“基準產(chǎn)品”，將其他發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)率與之對比定位。分泌黃原膠的菌株———野油菜黃單孢菌是甘藍、紫花苜蓿等一大批植物的致病菌株，直桿狀，寬0.4μm～0.7μm，有單個鞭毛，可移動，革蘭氏陰性，好氧。

黃原膠的生產(chǎn)受到培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)有條件(溫度，pH值，溶氧量等)、反應(yīng)器類型、操作方式(連續(xù)式或間歇式)等多方面因素的影響。常用的培養(yǎng)基是YM培養(yǎng)基以及YM-T培養(yǎng)基，兩種培養(yǎng)基得到的產(chǎn)量相似，但應(yīng)用YM-T培養(yǎng)基的生長曲線有明顯的二次生長現(xiàn)象。菌株可在25℃～30℃下生長，最適的發(fā)酵溫度為28℃，已有研究者提出具體的溫度與生長速率關(guān)系的方程。由于分泌出的黃原膠包裹在細胞的周圍，妨礙了營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，影響了菌種的生長，因此，接種階段時除應(yīng)增加細胞的濃度外，還應(yīng)盡量降低黃原膠的產(chǎn)量，這樣就需多步接種(每步接種時間必須控制在7h以下，以免黃原膠生成)，接種體積一般為反應(yīng)器中料液體積的5%～10%，接種的次數(shù)應(yīng)隨發(fā)酵液體積增大而增多[10]。發(fā)酵液中的成分配比也是影響產(chǎn)量的重要因素。碳源(一般為葡萄糖或蔗糖)的最佳濃度為2%～4%，過大或過小都會降低黃原膠的產(chǎn)量；氮源的形式既可以是有機化合物，也可以為無機化合物。根據(jù)經(jīng)驗，較為理想的成分配比為：蔗糖(40g/L)，檸檬酸(2.1g/L)，NH4NO3(1.144g/L)，KH2PO4(2.866g/L)，MgCl2(0.507g/L)，Na2SO4(89mg/L)，H3BO3(6mg/L)，ZnO(6mg/L)，F(xiàn)eCl36H2O(20mg/L)，CaCO3(20mg/L)，濃HCl(0.13ml/L)，通過添加氫氧化鈉而將pH值調(diào)為7.0。發(fā)酵溫度不僅影響黃原膠的產(chǎn)率，還能改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成。研究指出，較高的溫度可提高黃原膠的產(chǎn)量，但降低了產(chǎn)品中丙酮酸的含量，因此，如需提高黃原膠產(chǎn)量，應(yīng)選擇溫度在31℃～33℃，而要增加丙酮酸含量就應(yīng)選擇溫度范圍在27℃～31℃。pH范圍在中性時最適于黃原膠的生產(chǎn)，隨著產(chǎn)品的產(chǎn)出，酸性基團增多，pH值降至5左右。研究表明控制反應(yīng)中的pH值對菌體生長有利，但對黃原膠的生產(chǎn)沒有顯著影響。

提取^[3]

相比較而言，從發(fā)酵液中回收產(chǎn)品的成本較高。一般的，最終發(fā)酵液中的組分為：黃原膠：10～30g/L，細胞：1～10g/L，殘余營養(yǎng)物質(zhì)3～10g/L，以及其他代謝物。由于高濃度的黃原膠的存在，溶液濃度很大，從而增加了提取操作的困難，因此，宜先做稀釋處理。提取的主要步驟：細胞的沉淀，黃原膠的沉淀、脫水、干燥、研磨。目前有多種方法可滅活發(fā)酵液中的菌體。酶法成本較高；化學(xué)試劑容易改變pH值，而降低產(chǎn)品中的丙酮酸含量；因此一般采取巴氏滅菌法，此法由于溫度較還可提高黃原膠的溶解度，并在一定程度上降低了溶液的粘度，利于隨后的離心或過濾。但要注意溫度不能過高，使其發(fā)生降解，一般維持在80℃～130℃，加熱10～20min，pH值控制在6.3～6.9。

過濾前需要稀釋，稀釋劑一般為水、酒精或含低濃度鹽的酒精，下面將可以看到由酒精作為稀釋劑會對后面的工藝有所幫助。沉淀黃原膠的方法有加鹽、加入可溶于水的有機溶劑(如乙醇、異丙基乙醇<IPG>等)，或?qū)⑦@兩種方法綜合運用。加入有機溶劑不僅可降低溶液粘度和增加黃原膠的溶解度，還可洗脫雜質(zhì)(如鹽、細胞、有色組分等)，但單獨加有機試劑所需量太大，成本過高。如要全部沉淀每體積發(fā)酵液中的黃原膠，需三倍體積的丙酮或IPG，六倍體積的乙醇。加入鹽離子可降低黃原膠的極性從而降低其水溶性，且加入鹽的離子強度越高效果越明顯，如Ca2+，Al3+等，加入Na+則不會引起沉淀。因而，加入含低鹽濃度的有機試劑是目前較為通用的方法，如加入1g/L的NaCl可使乙醇的使用量減半；加入二價離子雖可使有試劑的使用量更小，但使得產(chǎn)物———黃原膠鹽———的溶解度降低，因此一般不采用。1997年曾有人報道用超濾法來提取黃原膠，但未得到廣泛應(yīng)用。

主要參考資料

[1] 微生物學(xué)詞典

[2] 黃原膠結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用的研究

[3] 黃原膠(XanthanGum)的特性、生產(chǎn)及應(yīng)用