以甘油为底物发酵生产黄原胶及其特性和应用研究
黄原胶的安全性、稳定性、悬浮性、乳化性、假塑性和增稠性使其作为一种
工业味精”被应用于食品、医药、纺织、农业和石油开采等众多领域。
黄原胶生产以玉米淀粉为主要原料, 随着全球人口不断增加和世界范围内粮食短缺, 国内外许多学者都在研究采用工农业产品副产物来代替玉米淀粉实现黄原胶生产。
甘油是生物柴油酯交换生产过程中不可避免的一种副产物,随着生物柴油产
业的发展而产量巨大。
微生物转化法条件温和、简单、易操作等特点,使甘油在
发酵领域的应用受到广泛关注。
如果甘油可以被用于黄原胶生产, 将为缓解全球粮食危机做出巨大贡献。
本文以Xanthomonas campestris NRRLB-1459为出发菌株,经驯化得到了一株可以
利用甘油发酵生产黄原胶的驯化株X.campestris CCTCC M2015714,且首次从基
因水平对野油菜黄单胞菌中与黄原胶合成相关的甘油代谢基因进行了研究。
经继续驯化，驯化株对甘油耐受能力提高到了100 g • L1,并采用多阶段控
制流加甘油发酵策略,使黄原胶产量(33.9 g • L-1)和发酵周期(60 h)与当前以淀
粉为原料黄原胶工业生产水平相当。
同时, 对驯化株以甘油为底物发酵得到黄原胶的分子特性、结构特征、流变学特性和潜在应用进行了研究。
主要研究结果如下：⑴ 以X.campestris NRRLB-1459为出发菌,经驯化得到
了一株可以利用甘油发酵生产黄原胶的优良菌株X.campestris CCTCC M2015714。
采用RT-PCM驯化株和原始菌中甘油代谢相关基因研究发现：原始菌中甘油代
谢相关基因(glp F 、glp K 、glp D 和fbp) 相对转录水平均为 1.0, 而驯化株中相
关基因相对转录水平均高于1.0,依次为:glp D(4.76)>glp F(3.36)>glp
K(3.05)>fbp(2.53), 说明甘油代谢相关基因的增强表达是驯化株能够利用甘油生长并合成黄原胶的可能原因。
通过在培养基中添加5 g • L-1蔗糖或葡萄糖做启动物质，X.campestris
CCTCC M201571菌体生长时间从36 h缩短至24 h,黄原胶产量从11.0 g - L-1
增加到12.5 g • L-1。
此外,实验所用粗甘油中钠盐、甲醇、灰分等杂质对
X.cam pestris CCTCC M2015714生产性能基本无影响。
⑵经继续驯化,X.campestris CCTCC M2015714对甘油耐受能力提高到了100g • L-1,且其体内甘油代谢相关基因的表达进一步增强,依次为glp
D(8.56)>glp F(7.73)>glp K(6.48)>fbp(5.31) 。
采用多阶段控制流加甘油发酵策略：低的初始甘油浓度(40g • L1)、变搅拌转速和变通气量(0~24 h,0.5 vvm和200 rpm;24~60 h,1.0 vvm和400 rpm)以及变速流加甘油(24~34 h,3 g • L-1 • h-
1;34~44 h,2 g • L-1 - h-1;44~54 h,1g - L-1 • h-1),不仅解除了底物
浓度对驯化株生长抑制，还维持了黄原胶合成过程中高C/N,使黄原胶产量达到33.9 g • L1,发酵周期缩短为60 h,这一生产能力与当前以淀粉为原料黄原胶工
业生产水平相当，且33.9 g • L-1是目前报道以甘油为底物发酵生产黄原胶的最
高产量。
(3)X.campestris CCTCC M2015714 以甘油为底物发酵得到的胞外多糖中只含有葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸, 且三种单糖摩尔比为 2.0：1.65：1.0, 这一比例与商品级黄原胶(2.0：1.85：1.0) 十分接近。
此外,甘油产胞外多糖的红外光谱
和核磁共振图谱与商品级黄原胶相吻合。
上述结果说明驯化株以甘油为底物发酵得到的胞外多糖是黄原胶。
新型黄原胶分子量(3.0 X 106 Da)是商品级黄原胶(6.4 X 106 Da)—半左右，1.0%(w/v)新型
黄原胶溶液稠度系数(1.7958) 不足商品级黄原胶(21.0842) 十分之一,但其流态特性指数(0.235) 小于 1.0, 说明其仍是假塑性流体。
原子力显微镜结果显示:新型黄原胶在水中形成不连续、间断结构,而商品级
黄原胶在水中形成蜂窝形网状结构。
同时, 扫描电子显微镜和差示量热扫描仪结果显示:新型黄原胶空间结构纤细且松散, 而商品级黄原胶空间结构致密、杆状。
(4) 新型黄原胶的低粘度可以提高发酵液中色素、菌体细胞和不溶性杂质等去除率而提高透明性, 新型黄原胶透光率达到95%,商品级黄原胶透光率为80%左
右;新型黄原胶的低粘度和低分子量可以加速水分子与其结合速度,使其水化速
率快于商品级黄原胶; 新型黄原胶与商品级黄原胶溶液粘度随胶浓度增加而增大且两者均对P H、温度和盐稳定；当盐浓度低于0.5 g • L-1时，新型黄原胶的低
粘度和低分子量使盐离子可以通过中和黄原胶侧链上羧基所带负电荷,减小黄原
胶分子间静电排斥作用而增大溶液粘度, 且二价盐离子还可在黄原胶分子间形成
盐桥”而使溶液粘度增大效果强于一价盐离子；新型黄原胶的丙酮酸含量(5.2%)
高于商品级黄原胶(4.1%),这使新型黄原胶在-20 C反复冻融处理过程中分子间
交联作用增强而增大溶液粘度,且冻融处理3次之后溶液粘度趋于稳定。
(5)新型
黄原胶的低粘度可以增加在食品中添加量, 使其成为一种具有潜在作为膳食纤维功能可能性的微生物多糖。
对新型黄原胶潜在应用研究发现: 新型黄原胶对不饱和脂肪和饱和脂肪吸附量为2.15 ± 0.26 g • g-1 和 2.08 ± 0.21 g - g-1;阳离子交换能力 1.15 ± 0.08 mmol・g-1;在1 h时间内对CuCd和Pb三种重金属离子吸附去除率均超过50%,4 h时吸附去除效果达到75%对胆固醇最大吸附量为12.36 mg • g-1(p H 2.0)和11.72 mg- g-1(p H 7.0);对胆酸钠吸附量与胆酸钠浓度之间存在一种动态平衡
对亚硝酸根离子吸附去除率分别为80%(p H 2.0) 和60%(p H 7.0); 同时,可以有效延缓葡萄糖在水中运行速率和淀粉水解速率, 并维持淀粉溶液粘度; 最后, 新型黄原胶与可溶性低聚果糖和水不溶性大豆拉丝蛋白均可良好复配。