新型微生物多糖-结冷胶类多糖

       关键词：结冷胶，韦兰胶，S-88，结构性质，生产，应用

前言

 微生物多糖是由微生物在生长代谢的过程中，在不同的外部条件下代谢产生的一种多糖物质。微生物多糖安全无毒，有独特的理化性质，生产周期短，受地理环境、气候、自然灾害等因素的影响较小，产量及质量都很稳定，可以在人工控制条件下大量工业化生产 。它所产生的各种废渣、废液可以进行控制， 减轻了环保压力，因此拥有比动植物多糖更为广阔市场前景^[1]。世界上微生物多糖的年产量增长率均在10%以上，而黄原胶、结冷胶等一些新型微生物代谢多糖年增长量更是高达30%，全世界微生物多糖年工业产值可达50～100亿美元。

        20世纪80年代，继黄原胶之后，美国Kelco公司陆续发现了一组新的微生物多糖即结冷胶类多糖，其中包括结冷胶（S-60 ）、韦兰胶（S-130）和S-88，它们是三种结构类似的微生物多糖，具有相同的四糖重复单元主链结构 ^[2]。在此对这三种极具发展前景的微生物多糖的性质、应用及生产作简单的介绍。

1  结冷胶（gellan gum）

1.1 结构与性质

结冷胶是由β-D-葡萄糖, β-D-葡萄糖醛酸和α-L-鼠李糖按摩尔比2:1:1组成，分子量可达5x10⁶道尔顿^[3][4] 。天然结冷胶含有46%葡萄糖、30%鼠李糖、21%葡萄糖醛酸、3%乙酸和甘油酯，乙酰基和甘油酰基通常连接在葡萄糖残基的C₂和C₆位上。将天然结冷胶在pH10的条件下加热处理，便可以除去分子上的乙酰基和甘油基因而获得低酰基结冷胶^[5]，工业上生产的一般是低酰基的结冷胶。

结冷胶作为近年来最有发展潜力的微生物多糖，具有如下特性：（1）是一种典型的假塑性流体，其水溶液的粘度随剪切速率的增加而明显降低，随剪切速率的减弱而恢复。（2）低用量、高凝胶强度。当结冷胶使用量>0.05%，即可形成澄清透明的凝胶^[6]，0.25%的使用量就可以达到琼脂1.5%的使用量和卡拉胶1%的使用量所产生的凝胶强度^[7]。（3）结冷胶所形成的凝胶热稳定性高、在pH4.0～8.0之间几乎不受pH的影响，且对酶稳定，淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、脂肪酶、褐藻胶酶等均不会对结冷胶溶液的粘度和凝胶强度造成影响^[8]。（4）具有优越的呈味性能和良好的配伍性。

1．21.2 结冷胶的市场与应用

结冷胶于1978年首次由美国科学家发现，1992年得到美国FDA的许可应用于食品、饮料^\，是继黄原胶之后又一广泛应用于食品工业的微生物代谢胶。目前美国卖到日本的结冷胶每年约2000吨，中国约有近百吨的进口，价格高达 580 元 /公斤 (结冷胶生产成本仅比黄原胶略高一些，而销价却是黄原胶的二倍^[8])。预测中国近年需求量能达到 2000吨以上。

结冷胶作为一种新型的微生物胞外多糖，其用途非常广泛，在食品领域主要用作增稠剂、凝结剂、悬浮剂和成膜剂等。作为一种新型的食品添加剂与其他同类产品相比具有用量少、性能更稳定、凝结度高、凝胶清亮和优越的呈味性能等优点，广泛应用于饮料、面包、乳制品、肉制品、面条、蛋糕、饼干、起酥油、速溶咖啡、鱼制品、雪糕、冰激凌、果冻、软糖等食品中^[9][10]。

结冷胶除在食品上广泛应用外，还可应用于其他领域。如在医药上可用作眼药水，软、硬胶囊，包衣剂及新型制剂用药水；在化工上可用做涂膜，胶粘剂，牙膏；农业上可用作叶肥、缓释肥料等^[11]。

1.3 生产工艺

       结冷胶的生产工艺流程图如下^[6][11]：

       试管菌种→茄瓶菌种→三角振荡(28℃、18 h)→300L种子罐(28～30 ℃ 、18～20 h)→3000 L发酵罐(28～30 ℃、72 h)→50t发酵罐(28～30 ℃、72 h)→脱已酰→过滤→混合→乙醇絮凝沉淀→分离洗涤稀乙醇→乙醇回收塔→回收乙醇贮藏半成品→真空干燥→粉碎→成品。

       结冷胶的产生菌-伊乐假单胞菌( Pseudomonas elodea)是一种好氧革兰氏阴性杆菌，能在以葡萄糖、淀粉、蔗糖等作碳源，硝酸铵、酵母膏、蛋白胨等为氮源以及其他微量元素的培养基中生长并产胶。国内外众多学者对结冷胶的生产培养基、发酵条件等做了大量的研究，发现碳源、氮源、种龄、接种量、温度、发酵培养基初始pH都对发酵有较大的影响。

结冷胶是高黏性的微生物代谢产物，发酵液中胞外多糖以黏性聚合物形式构成网状结构，微生物细胞被包裹其中，这给后提取工艺中菌体、色素及杂质的去除带来很大的难度。传统的提取方法是将发酵液适当稀释以降低其黏度，通过离心分离作用分离菌体和多糖，然后用异丙醇和乙醇来沉淀多糖。

2 韦兰胶 (welan gum)

2.1结构与性质

韦兰胶是产碱杆菌Alcaligenes sp.(ATCC31555)的代谢多糖，过去的编号为S-130。 韦兰胶的结构与结冷胶类似 (图1)，但是在与葡萄糖醛酸及鼠李糖相连的葡萄糖残基的C₃位上连接有α-L-鼠李糖或α-L-甘露糖支链，连接鼠李糖的几率占2/3；此外，约有半数的四糖片段上带有乙酰基及甘油基团^[2]。韦兰胶中含有2.8～7.5%乙酰基，11.6～14.9%的葡萄糖醛酸。

韦兰胶的特性有：（1）能溶于冷水中，在水溶液中的呈现规则、稳定的结构，形成高粘度溶液。（2）具有假塑性流体特性（剪切稀化作用），静止状态下有良好的悬浮能力。（3）在pH2～12范围内也比较稳定，并且有良好的耐盐性能。 （4）韦兰胶在1%NaOH存在并加热的条件下能形成凝胶，但其凝胶强度很弱。（5）对温度的稳定具有热可逆性，温度对韦兰胶的影响比较小，121℃下灭菌15分钟其粘度不会下降。0.4%的黄原胶溶液在135 ℃时粘度已趋于零，但同等条件下的韦兰胶溶液要到163℃时粘度才接近于零。在正常条件下，温度升高造成韦兰胶溶液的粘度下降，在温度降低后可完全恢复。(6) 与其他胶有很好的兼容性。

2.2 韦兰胶的市场与应用

韦兰胶是美国Kelco公司80年代继黄原胶，结冷胶之后开发的最有市场前景的微生物多糖之一，迄今为止美国的Kelco公司是韦兰胶全球唯一的生产、供应商。国内目前只有南京化工学院在从事这方面的研究，还未见韦兰胶生产的公开报道。由于韦兰胶的优良特性，市场前景广阔，其国际市场价格高达15万/t，但其生产成本却只需4万/t^[12]。

由于韦兰胶的剪切稀化作用及其优良的流变性能，它主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、成膜剂和粘合剂应用于工农业的各个方面。特别是在食品、混凝土、石油、油墨等工业中有广泛的应用前景。

在食品工业方面，韦兰胶可应用于烘焙制品、乳制品、果汁、牛奶饮料、糖衣、糖霜、果酱、肉制品和各种甜点的加工中。

        在石油工业中，韦兰胶可用于调配钻井泥浆，以保持水基钻井液的粘度和控制其流变性能。韦兰胶还是一种新型的驱油剂，用于油井的三次采油，将韦兰胶调配成适合浓度的水溶液注入井内，压进油层驱油，可大大提高采油率。此外韦兰胶还可用于完井、修井、地层压裂和稠油输送的流动改进剂等。

韦兰胶可广泛应用于水泥和混凝土中，它能够增强泥浆的保水性，当它作为保水剂时不需要像其它的添加剂那样使用分散剂。韦兰胶可以增加水泥的可塑性，悬浮量，空气含量，抗下陷能力以及流动特性和抗失水性。而这些改进的特性在温度提高时仍能保持不变。与其它添加剂相比，较低浓度的韦兰胶就可以取得很好的效果。

2.3 生产工艺

韦兰胶的生产包括发酵和提取两部分。生产工艺流程:

保藏菌种→斜面活化→摇瓶种子(或茄瓶培养)→一级种子扩大培养→二级种子扩大培养→发酵罐发酵→发酵液→提取→干燥→粉碎→包装→成品。

韦兰胶的发酵主要是以碳氢化合物为原料。碳氢化合物的主要来源有：葡萄糖、糖（甘蔗、甜菜、谷物）、糖蜜、淀粉、谷类的面粉（稻谷、小麦、燕麦等）、豆（大豆和豌豆）和米糠等。通常谷物需经水解糖化才能作为原料。并按一定比例加入磷（K₂HPO₄）、镁（MgSO₄）、氮（NH₄NO₃）等。碳氢化合物的用量一般是2%～4%。而氮源用量一般是0.05%～0.4%。适合的氮源主要有酵母水解物，大豆粉，棉籽粉，干酪素，玉米浆。发酵温度可以是25～35℃ ，但最优的温度一般控制在28～32℃。发酵培养基的pH在6.5～7.5，发酵周期一般是2～4天。

发酵液于75℃ 巴氏灭菌10 ～15分钟，用58～60%的异丙醇沉淀提取，将所得产品于50～55℃ 烘箱中烘干（大约一小时），然后进行粉碎和包装。

3  S-88

3.1 S-88的结构与性质

S-88是由一种未命名的Pseudomonas菌种（ATCC31554）发酵生产的。S-88的分子结构与结冷胶相似，不同的是它含有一个鼠李糖或甘露糖的单糖侧链，鼠李糖和甘露糖出现的概率大约是2:1。S-88含有3.2～7%乙酰基，11.8～18.7%的葡萄糖醛酸。

S-88作为一种新型的微生物多糖，其特性如下：（1）是典型的假塑性流体。(2) 能在水中快速溶解，具有良好的水溶性。(3) 具有高增粘性，在水溶液中加入极少量，也可以产生很高的粘度。(4) 有很好的热稳定性，121℃ 下灭菌15分钟其粘度几乎无变化。(5)S-88水溶液的粘度在pH4～9之间几乎不变化，且长期稳定。

3.2   S-88的市场与应用

 S-88也是由美国Kelco公司于80年代发现的，是很有发展前景的一种微生物代谢多糖，迄今尚未实现工业化生产。但由于其具有优良的特性，应用前景广泛。

        在食品工业中，主要可应用于焙烤食品、蛋糕、饮料、果冻、软糖、乳制品，肉制品，点心、罐头等的生产中。

 S-88用于石油工业，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都有明显的作用，由于S-88所具有的抗盐性、抗高温性，还适用于海洋钻井、高层盐区等特殊环境下的钻井。

         S-88用于农业上，可作为除莠剂、灭虫剂、肥料的悬浮剂。在喷撒期间，S-88能很好的控制其漂流和黏附，延长有效期，它也是这些农用化学物质的良好稳定剂。

  除此之外，S-88还可用于陶瓷、搪瓷、医药、化妆品、造纸、印染等几十个行业。

3.3 S-88的生产

         S-88的生产工艺流程与韦兰胶相同。

 生产S-88的基本原料也是碳水化合物，总碳的含量在2%～4%为宜。氮源也是S-88生产不可或缺的原料，用量一般为0.05%～0.２%。发酵的温度一般选择在28～32℃，pH控制在6.5～7.5之间为好。发酵周期一般是２～４天。

        发酵液于75℃ 巴氏灭菌10 ～15分钟，用适量浓度的醇溶剂例如异丙醇和乙醇沉淀提取，将所得产品于50～55℃烘箱中烘干（大约一小时），然后进行粉碎和包装。

展望

        结冷胶类生物多糖自发现至今，已广泛应用于各个领域。这一类胶的生产设备基本上一致，只需将后提取设备经过改进即可，有着高额的利润空间及发展前景。

       经过无数科研工作者的努力，我国在结冷胶的生产方面取得了许多成果，但还存在一些问题，如产量低，用于通气搅拌的能源高；提纯用的有机溶剂的回收较困难等。而对于新开发的新型结冷胶类多糖-韦兰胶和S-88目前还鲜有企业进行工业化生产，我们应加强对它们的生产和应用方面的研究开发，使其早日实现国产化。

参考文献：

[1] 李静, 连宾, 胡鹏刚.细菌多糖及其在食品工业中的应用[J]. 食品科学,2006(27):255-259.

[2] Per-ERIK JASSON. Structural studies of a polysaccharide (S-88) elaborated by  pseudomonas ATCC 31554[J],carbohydrate research,156(1986)165-172.

[3] 卓训文, 梁兰兰. 新型微生物多糖-结冷胶[J]. 粮食与油脂, 2001, (9): 34-35.

[4] 詹晓北, 朱莉, 朱天海. 新型微生物多糖胶联多糖[J]. 工业微生物, 1996,　26(2): 27-45.

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[6]  胡国华. 功能性食品胶[M]. 北京:化学工业出版社, 2004

[7] 陈合, 许牡丹. 新型食品原料制备技术与应用[M]. 北京:化学工业出版社,2004

 (2) : 178 - 181

[8] 王能强、王普. 一种新型微生物胞外多糖--结冷胶(gellan gum)[J]. 浙江化工，2004，3（4）：13-16.

 [9] Anonymous. Kelcogel/Gellan gum. Kelco international ,Technical information

[10] Tokuya Harada et al . Industrial Gums[M] . Academic press, NewYork, 1993,427-445

[11]詹晓北.食用胶的生产、性能与应用[M].北京:中国轻工业出版社,2003

 [12]  Allen ,   et al. Welan gum in cement compositions, United States Patent,4963668

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