新型微生物多糖-結冷膠類多糖

       關鍵詞：結冷膠，韋蘭膠，S-88，結構性質，生產，應用

前言

 微生物多糖是由微生物在生長代謝的過程中，在不同的外部條件下代謝產生的一種多糖物質。微生物多糖安全無毒，有獨特的理化性質，生產周期短，受地理環境、氣候、自然災害等因素的影響較小，產量及質量都很穩定，可以在人工控製條件下大量工業化生產 。它所產生的各種廢渣、廢液可以進行控製， 減輕了環保壓力，因此擁有比動植物多糖更為廣闊市場前景^[1]。世界上微生物多糖的年產量增長率均在10%以上，而黃原膠、結冷膠等一些新型微生物代謝多糖年增長量更是高達30%，全世界微生物多糖年工業產值可達50～100億美元。

        20世紀80年代，繼黃原膠之後，美國Kelco公司陸續發現了一組新的微生物多糖即結冷膠類多糖，其中包括結冷膠（S-60 ）、韋蘭膠（S-130）和S-88，它們是三種結構類似的微生物多糖，具有相同的四糖重複單元主鏈結構 ^[2]。在此對這三種極具發展前景的微生物多糖的性質、應用及生產作簡單的介紹。

1  結冷膠（gellan gum）

1.1 結構與性質

結冷膠是由β-D-葡萄糖, β-D-葡萄糖醛酸和α-L-鼠李糖按摩爾比2:1:1組成，分子量可達5x10⁶道爾頓^[3][4] 。天然結冷膠含有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連接在葡萄糖殘基的C₂和C₆位上。將天然結冷膠在pH10的條件下加熱處理，便可以除去分子上的乙酰基和甘油基因而獲得低酰基結冷膠^[5]，工業上生產的一般是低酰基的結冷膠。

結冷膠作為近年來最有發展潛力的微生物多糖，具有如下特性：（1）是一種典型的假塑性流體，其水溶液的粘度隨剪切速率的增加而明顯降低，隨剪切速率的減弱而恢複。（2）低用量、高凝膠強度。當結冷膠使用量>0.05%，即可形成澄清透明的凝膠^[6]，0.25%的使用量就可以達到瓊脂1.5%的使用量和卡拉膠1%的使用量所產生的凝膠強度^[7]。（3）結冷膠所形成的凝膠熱穩定性高、在pH4.0～8.0之間幾乎不受pH的影響，且對酶穩定，澱粉酶、纖維素酶、果膠酶、蛋白酶、脂肪酶、褐藻膠酶等均不會對結冷膠溶液的粘度和凝膠強度造成影響^[8]。（4）具有優越的呈味性能和良好的配伍性。

1．21.2 結冷膠的市場與應用

結冷膠於1978年首次由美國科學家發現，1992年得到美國FDA的許可應用於食品、飲料^\，是繼黃原膠之後又一廣泛應用於食品工業的微生物代謝膠。目前美國賣到日本的結冷膠每年約2000噸，中國約有近百噸的進口，價格高達 580 元 /公斤 (結冷膠生產成本僅比黃原膠略高一些，而銷價卻是黃原膠的二倍^[8])。預測中國近年需求量能達到 2000噸以上。

結冷膠作為一種新型的微生物胞外多糖，其用途非常廣泛，在食品領域主要用作增稠劑、凝結劑、懸浮劑和成膜劑等。作為一種新型的食品添加劑與其他同類產品相比具有用量少、性能更穩定、凝結度高、凝膠清亮和優越的呈味性能等優點，廣泛應用於飲料、麵包、乳製品、肉製品、麵條、蛋糕、餅幹、起酥油、速溶咖啡、魚製品、雪糕、冰激淩、果凍、軟糖等食品中^[9][10]。

結冷膠除在食品上廣泛應用外，還可應用於其他領域。如在醫藥上可用作眼藥水，軟、硬膠囊，包衣劑及新型製劑用藥水；在化工上可用做塗膜，膠粘劑，牙膏；農業上可用作葉肥、緩釋肥料等^[11]。

1.3 生產工藝

       結冷膠的生產工藝流程圖如下^[6][11]：

       試管菌種→茄瓶菌種→三角振蕩(28℃、18 h)→300L種子罐(28～30 ℃ 、18～20 h)→3000 L發酵罐(28～30 ℃、72 h)→50t發酵罐(28～30 ℃、72 h)→脫已酰→過濾→混合→乙醇絮凝沉澱→分離洗滌稀乙醇→乙醇回收塔→回收乙醇貯藏半成品→真空幹燥→粉碎→成品。

       結冷膠的產生菌-伊樂假單胞菌( Pseudomonas elodea)是一種好氧革蘭氏陰性杆菌，能在以葡萄糖、澱粉、蔗糖等作碳源，硝酸銨、酵母膏、蛋白腖等為氮源以及其他微量元素的培養基中生長並產膠。國內外眾多學者對結冷膠的生產培養基、發酵條件等做了大量的研究，發現碳源、氮源、種齡、接種量、溫度、發酵培養基初始pH都對發酵有較大的影響。

結冷膠是高黏性的微生物代謝產物，發酵液中胞外多糖以黏性聚合物形式構成網狀結構，微生物細胞被包裹其中，這給後提取工藝中菌體、色素及雜質的去除帶來很大的難度。傳統的提取方法是將發酵液適當稀釋以降低其黏度，通過離心分離作用分離菌體和多糖，然後用異丙醇和乙醇來沉澱多糖。

2 韋蘭膠 (welan gum)

2.1結構與性質

韋蘭膠是產堿杆菌Alcaligenes sp.(ATCC31555)的代謝多糖，過去的編號為S-130。 韋蘭膠的結構與結冷膠類似 (圖1)，但是在與葡萄糖醛酸及鼠李糖相連的葡萄糖殘基的C₃位上連接有α-L-鼠李糖或α-L-甘露糖支鏈，連接鼠李糖的幾率占2/3；此外，約有半數的四糖片段上帶有乙酰基及甘油基團^[2]。韋蘭膠中含有2.8～7.5%乙酰基，11.6～14.9%的葡萄糖醛酸。

韋蘭膠的特性有：（1）能溶於冷水中，在水溶液中的呈現規則、穩定的結構，形成高粘度溶液。（2）具有假塑性流體特性（剪切稀化作用），靜止狀態下有良好的懸浮能力。（3）在pH2～12範圍內也比較穩定，並且有良好的耐鹽性能。 （4）韋蘭膠在1%NaOH存在並加熱的條件下能形成凝膠，但其凝膠強度很弱。（5）對溫度的穩定具有熱可逆性，溫度對韋蘭膠的影響比較小，121℃下滅菌15分鍾其粘度不會下降。0.4%的黃原膠溶液在135 ℃時粘度已趨於零，但同等條件下的韋蘭膠溶液要到163℃時粘度才接近於零。在正常條件下，溫度升高造成韋蘭膠溶液的粘度下降，在溫度降低後可完全恢複。(6) 與其他膠有很好的兼容性。

2.2 韋蘭膠的市場與應用

韋蘭膠是美國Kelco公司80年代繼黃原膠，結冷膠之後開發的最有市場前景的微生物多糖之一，迄今為止美國的Kelco公司是韋蘭膠全球唯一的生產、供應商。國內目前隻有南京化工學院在從事這方麵的研究，還未見韋蘭膠生產的公開報道。由於韋蘭膠的優良特性，市場前景廣闊，其國際市場價格高達15萬/t，但其生產成本卻隻需4萬/t^[12]。

由於韋蘭膠的剪切稀化作用及其優良的流變性能，它主要作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、穩定劑、潤滑劑、成膜劑和粘合劑應用於工農業的各個方麵。特別是在食品、混凝土、石油、油墨等工業中有廣泛的應用前景。

在食品工業方麵，韋蘭膠可應用於烘焙製品、乳製品、果汁、牛奶飲料、糖衣、糖霜、果醬、肉製品和各種甜點的加工中。

        在石油工業中，韋蘭膠可用於調配鑽井泥漿，以保持水基鑽井液的粘度和控製其流變性能。韋蘭膠還是一種新型的驅油劑，用於油井的三次采油，將韋蘭膠調配成適合濃度的水溶液注入井內，壓進油層驅油，可大大提高采油率。此外韋蘭膠還可用於完井、修井、地層壓裂和稠油輸送的流動改進劑等。

韋蘭膠可廣泛應用於水泥和混凝土中，它能夠增強泥漿的保水性，當它作為保水劑時不需要像其它的添加劑那樣使用分散劑。韋蘭膠可以增加水泥的可塑性，懸浮量，空氣含量，抗下陷能力以及流動特性和抗失水性。而這些改進的特性在溫度提高時仍能保持不變。與其它添加劑相比，較低濃度的韋蘭膠就可以取得很好的效果。

2.3 生產工藝

韋蘭膠的生產包括發酵和提取兩部分。生產工藝流程:

保藏菌種→斜麵活化→搖瓶種子(或茄瓶培養)→一級種子擴大培養→二級種子擴大培養→發酵罐發酵→發酵液→提取→幹燥→粉碎→包裝→成品。

韋蘭膠的發酵主要是以碳氫化合物為原料。碳氫化合物的主要來源有：葡萄糖、糖（甘蔗、甜菜、穀物）、糖蜜、澱粉、穀類的麵粉（稻穀、小麥、燕麥等）、豆（大豆和豌豆）和米糠等。通常穀物需經水解糖化才能作為原料。並按一定比例加入磷（K₂HPO₄）、鎂（MgSO₄）、氮（NH₄NO₃）等。碳氫化合物的用量一般是2%～4%。而氮源用量一般是0.05%～0.4%。適合的氮源主要有酵母水解物，大豆粉，棉籽粉，幹酪素，玉米漿。發酵溫度可以是25～35℃ ，但最優的溫度一般控製在28～32℃。發酵培養基的pH在6.5～7.5，發酵周期一般是2～4天。

發酵液於75℃ 巴氏滅菌10 ～15分鍾，用58～60%的異丙醇沉澱提取，將所得產品於50～55℃ 烘箱中烘幹（大約一小時），然後進行粉碎和包裝。

3  S-88

3.1 S-88的結構與性質

S-88是由一種未命名的Pseudomonas菌種（ATCC31554）發酵生產的。S-88的分子結構與結冷膠相似，不同的是它含有一個鼠李糖或甘露糖的單糖側鏈，鼠李糖和甘露糖出現的概率大約是2:1。S-88含有3.2～7%乙酰基，11.8～18.7%的葡萄糖醛酸。

S-88作為一種新型的微生物多糖，其特性如下：（1）是典型的假塑性流體。(2) 能在水中快速溶解，具有良好的水溶性。(3) 具有高增粘性，在水溶液中加入極少量，也可以產生很高的粘度。(4) 有很好的熱穩定性，121℃ 下滅菌15分鍾其粘度幾乎無變化。(5)S-88水溶液的粘度在pH4～9之間幾乎不變化，且長期穩定。

3.2   S-88的市場與應用

 S-88也是由美國Kelco公司於80年代發現的，是很有發展前景的一種微生物代謝多糖，迄今尚未實現工業化生產。但由於其具有優良的特性，應用前景廣泛。

        在食品工業中，主要可應用於焙烤食品、蛋糕、飲料、果凍、軟糖、乳製品，肉製品，點心、罐頭等的生產中。

 S-88用於石油工業，對加快鑽井速度、防止油井坍塌、保護油氣田、防止井噴和大幅度提高采油率等都有明顯的作用，由於S-88所具有的抗鹽性、抗高溫性，還適用於海洋鑽井、高層鹽區等特殊環境下的鑽井。

         S-88用於農業上，可作為除莠劑、滅蟲劑、肥料的懸浮劑。在噴撒期間，S-88能很好的控製其漂流和黏附，延長有效期，它也是這些農用化學物質的良好穩定劑。

  除此之外，S-88還可用於陶瓷、搪瓷、醫藥、化妝品、造紙、印染等幾十個行業。

3.3 S-88的生產

         S-88的生產工藝流程與韋蘭膠相同。

 生產S-88的基本原料也是碳水化合物，總碳的含量在2%～4%為宜。氮源也是S-88生產不可或缺的原料，用量一般為0.05%～0.２%。發酵的溫度一般選擇在28～32℃，pH控製在6.5～7.5之間為好。發酵周期一般是２～４天。

        發酵液於75℃ 巴氏滅菌10 ～15分鍾，用適量濃度的醇溶劑例如異丙醇和乙醇沉澱提取，將所得產品於50～55℃烘箱中烘幹（大約一小時），然後進行粉碎和包裝。

展望

        結冷膠類生物多糖自發現至今，已廣泛應用於各個領域。這一類膠的生產設備基本上一致，隻需將後提取設備經過改進即可，有著高額的利潤空間及發展前景。

       經過無數科研工作者的努力，我國在結冷膠的生產方麵取得了許多成果，但還存在一些問題，如產量低，用於通氣攪拌的能源高；提純用的有機溶劑的回收較困難等。而對於新開發的新型結冷膠類多糖-韋蘭膠和S-88目前還鮮有企業進行工業化生產，我們應加強對它們的生產和應用方麵的研究開發，使其早日實現國產化。

參考文獻：

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 (2) : 178 - 181

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