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1、word糖类化学6第五节 微生物胞外多糖微生物多糖包括某些细菌、真菌和蓝藻类产生的多糖,主要以三种形式存在:粘附在细胞外表上;分泌到培养基中;构成细胞的成分.微生物多糖,因其安全无毒、理化性质独特等优良性质而倍受关注.微生物多糖包括胞内多糖、胞壁多糖和胞外多糖.胞外多糖是由微生物大量产生的多糖,易与菌体别离,可通过深层发酵实现工业化生产.一般微生物多糖是以淀粉水解为碳源发酵生产,也可直接利用可溶性淀粉经微生物酶作用制得.据.统计,已经发现49属76种微生物产生胞外多糖,但真正有应用价值并已进展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1
2、0%以上,而一些新型多糖年增长量在30%以上.到目前为止,已大量投产的微生物胞外多糖主要有黄原胶()、结冷胶()、小核菌葡聚糖()、短梗霉多糖()、热凝多糖()等.微生物多糖具有植物多糖不具备的优良性质,它们生产周期短,不受季节、地域和病虫害条件限制,具有较强的市场竞争力和广阔的开展前景.目前,许多微生物多糖已作为胶凝剂、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,全世界微生物多糖年加工业产值可达50100亿美元.一、微生物胞外多糖的提取和回收在微生物胞外多糖的生产过程中,除采用特殊工艺控制发酵过程以外,下游技术即产品的提取和回收,同样是保证产品质量、降低生产
3、本钱的关键,成为多糖生产的制约因素.下面以黄原胶(图1)和小核菌多糖(图2)为例,对微生物胞外多糖的提取回收工艺进展论述.提取回收的目的是获得便于应用的产品形式(固体或液体).终产物应具有最小的降解度,并根本上不含有其它发酵产物和培养基等杂质.食品级产品还应符合无毒和卫生的各项要求.黄原胶、小核菌葡聚糖等发酵液粘度很高的品种,应视其应用目的来规定产品形式和纯度级别,然后选择适宜的工艺路线.目前工业中应用的提取回收方法主要有沉淀法(有机溶剂、盐、季铵盐、酸)和直接枯燥法(转筒烘烤、喷雾枯燥、瞬时快干).工业生产中最方便的产物别离方法是醇沉淀法.常用的醇有甲醇、乙醇和异丙醇.盐沉淀法适用于多数聚阴
4、离子多糖.在碱性条件下,高价金属阳离子与有机阳离子(如季铵盐)可与聚阴离子多糖形成沉淀;经酸化处理后,可使离子解离下来而转为醇沉淀.常用的盐有2、()2、3和(3)3;季铵盐有十六烷基三甲基氯化铵和十六烷基三甲基溴化铵.盐沉淀法的优点是用醇量比醇沉淀法少2-3倍,但产品质量略差.直接枯燥法是将发酵液蒸发水分而直接枯燥成固体产品.在实验室中,冷冻枯燥是达到这一目的的最好方法.工业上常用转筒烘烤、鼓风枯燥、喷雾枯燥和瞬时快干等方法,得到的都是低档的粗制品,其中含有大量菌体、无机盐、有机剩余物等杂质.因此产品的水溶性差、色泽深、流变性也不好,应用X围受到限制.醇沉淀法现在还是工业中比拟常用的提取回收
5、方法,但是醇用量过大这一问题迫切需要解决.二、几种主要的微生物胞外多糖与其应用微生物胞外多糖是近20年来陆续开发的发酵新产品.因其具有独特的物化性质,已作为乳化剂、增稠剂、稳定剂、胶凝剂、成膜剂、悬浮剂和润滑剂等应用于石油、化工、食品和制药等多个领域.微生物胞外多糖的应用见表1.1.黄原胶()黄原胶又名黄单胞菌多糖、汉生胶、苫顿胶等,是黄单孢杆菌产生的胞外杂多糖的统称.该产品属于水溶性胶,是目前国内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.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、耐酸耐碱、抗盐、抗温、优良的兼容性等性能
6、,其应用覆盖面多达20多个行业,用于30-40种产品,尤其是在食品行业,而用作增稠剂、成型剂已相当普遍.另外,黄原胶在采油、轻工业、印染、造纸、纺织、陶瓷、涂料、医药等行业用途也相当大.美国公司早在60年代初即开始了大量商业化生产黄原胶;1969年,美国食品和药品管理局批准黄原胶作为食品添加剂;1983年,世界卫生组织、粮农组织批准在世界X围使用.其作为新型优良的天然食品添加剂用途越来越广.世界上生产黄原胶的国家和地区有10余个,美、英、法、日、德等均生产黄原胶,年总产量近3万吨,且每年以7%的速度增长,我国自20世纪70年代以来黄原胶工业也从无到有,迅速开展起来.目前我国每年约有上万吨的市场
7、,而国内生产能力仅能满足三分之一,可见国内、国际市场潜力巨大.黄原胶的生产主要以淀粉、淀粉水解糖浆为底物,由黄单胞杆菌发酵制得.2.凝结多糖(热凝多糖,)凝结多糖是由微生物产生的,以 1,3 葡萄糖苷键构成的水不溶性葡聚糖,是一类将其悬浊液加热后既能形成硬而有弹性的热不可逆性凝胶又能形成热可逆性凝胶的多糖类的总称.它是1964年由原田等从土壤中别离出的一种名为 .103的细菌产生的(后来发现属的许多保存菌株都可以产生该多糖).凝结多糖是继黄原胶、结冷胶之后又一种新的微生物发酵生产的多糖.这种食品添加剂由美国股份某某生产,并以为商品名,从1989年起在日本、韩国、某某广泛使用.美国于1996年准
8、许将其作为食品的稳定剂、增稠剂用于食品配料中,日本、加拿大等国已有生产.目前,我国某某省食品发酵研究所采用微生物发酵法生产热凝多糖的工艺已根本完成工业性试验,正致力于实际工业化生产的前期准备工作.3.短梗霉多糖(普鲁蓝,)- 1,6 糖苷键连接而成,由于其具有极佳的成膜性、可塑性、阻氧性和粘结性,并且具有无毒无害和无任何副作用等独特的物理化学和生物学特性,在食品、医药、化妆品、印刷与农业等众多领域具有广泛的应用前景.目前国内主要在水果保鲜上做了试验.短梗霉多糖具有极佳的成膜性,其水溶液可以在水果外表形成一层透明有光泽的薄膜.该薄膜对氧气、氮气、2、水分和有关香气有很好的阻隔作用,而且有较强硬度
9、与对温度变化的稳定性.因此,在水果外表挂上短梗霉多糖薄膜后,能有效地阻止水分、氧、氮和2等气体在果品内外的交换,从而抑制了水果的呼吸作用,减少了营养的储藏性损耗,进而达到了良好的保鲜目的.4.结冷胶()结冷胶是由沼假单胞菌31461生产的一种线性阴离子杂多糖.结冷胶于1978年发现,由某某生产制造,在1981年已投入商业化生产,其商品名为.在日本,于1988年将其应用于食品中,但是在其他国家得到认可的时间较晚.1990年对其给予了认可,到1992年终于得到了权威性认可.目前已广泛应用于食品工业中.结冷胶有藻酸盐胶()和两种类型,藻酸盐胶是唯一的食品级结冷胶.通过增加离子浓度和提高温度,结冷胶能
10、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.结冷胶的优点是在金属离子存在时也可形成透明胶体,所以它可应用于食品工业.结冷胶的主要作用是作为凝胶剂、增稠剂、悬浮剂和成膜剂.它可以与其他胶体联合使用,如黄原胶、明胶和槐豆胶.结冷胶可以使食品稳定、增强食品结构和增加风味等.结冷胶除了在食品中广泛应用外,还应用于其他许多工业.它可以作为琼脂的替代品制备生物培养基,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.结冷胶在园艺和农业中的使用前景也很广阔,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:可用于胶囊、胶片、胶卷、纤维、牙科制品以与个人护理用品等.5.
11、小核菌葡聚糖或硬葡聚糖()硬葡聚糖是真菌小核菌生产的一种中性葡聚糖.多糖呈线性结构,由-吡喃葡萄糖通- - (1,3)键相连形成主链,再与单个-吡喃葡萄糖单位以-(1,6)键相连.硬葡聚糖在冷水中均可溶解,溶液具有很高的假塑性,不受温度、和电解质变化的影响,稳定性也强.在发酵多糖的分子量受条件的影响较小.硬葡聚糖与黄原胶有许多相似点,在食品工业中应用广泛.此合物与水的结合性、稳定性、黏稠性和悬浮性很好.但是,由于其生产费用高于黄原胶,故不经常用.发酵条件的优化可以提高硬葡聚糖的产量,但同时也会使单位生产消耗增加.近几年来,人们发现用于发酵牛奶中的微生物也可生产胞外多糖.这些多糖和黄原胶不同,是
12、添加到食品中去的,而是微生物发酵牛奶的过程中产生的.这些微生物为乳酸菌,主要是乳杆菌四联球菌和明串珠菌.由德氏乳杆菌、乳酸乳球菌、瑞士乳杆菌和米酒乳杆菌生产的胞外多糖的结构已得到确认,这种生物聚合物是由-半乳糖通过(1,3)和(1,4)糖苷键连接而成的.这种聚合没有离子特性,这是它能在复杂蛋白质原料(牛奶)中存在的重要原因.这些生物聚合物在牛奶发食品中的作用是赋予产品结构和流变特性,这一点在酸奶食品中十分重要.尽管具有天然产物的点,但在其他领域里这些多糖的应用不能与黄原胶和结冷胶相比.而且,微生物有时会失去产生这些多糖的能力,分泌出的多糖的浓度也较低.这些原因使得这些聚合物的经济前景并不十分好
13、.三、微生物多糖的别离与组成分析微生物多糖的种类多样,性质各异。近年来,研究者借助各种技术和手段对多种微生物多糖的别离、组成和结构进展了深入研究。实验室生产微生物多糖的培养基一般为高糖培养基,工业生产多采用淀粉发酵或利用糖厂废糖蜜为原料。微生物多糖的发酵液较粘稠,收获时一般参加蒸馏水降低粘度再透析除盐,离心去除菌体与杂质,参加有机溶剂沉淀多糖,得到多糖粗品。有机溶剂多用丙酮、乙醇、异丙醇、氯化十六烷基吡啶()等。多糖粗品可以通过阴离子或阳离子柱层析纯化,并据以判断多糖所带电荷的种类。层析产品经冷冻枯燥即得到多糖精品。将多糖精品进展凝胶过滤层析可以判定分子量X围,通过元素分析可以检测、等元素含量
14、,通过红外光谱测定可以确定键型与特征官能团,从而确定多糖的类型。将多糖水解后进展高效液相色谱分析,可以确定多糖中单糖组分的类型与所占比例,通过红外、色质联用与核磁共振进展准确分析可以确定多糖分子结构。四、营养物对微生物多糖合成的影响在微生物多糖合成过程中,营养物的主要影响因素是培养基中的源与源,微量元素与金属离子也有一定促进作用。在实验室中多糖发酵培养基多以葡萄糖、蔗糖、淀粉(试剂级)等为原料,费用较高。在工业生产中如果能以含糖质较丰富的玉米糖浆、糖厂废糖蜜、酿酒厂酒糟、造纸厂废液为发酵培养基原料,不仅能降低生产本钱,而且能够解决一些含糖有机物的环境污染问题。使用自来水配制培养基时,微生物多糖
15、的产量比使用蒸馏水或去离子水时要高,这是由于自来水中的无机盐类对多糖的产生起促进作用。有人在研究斯达油酯酵母9018生产胞外多糖的适宜条件时, 通过三因素正交实验,确定对多糖产量的影响大小排序是源源源,对多糖转化率的影响大小排序是源源源。微生物多糖种类繁多,但都是由不同的单糖或其它基团在特定的酶催化下聚合而成的。微生物多糖的生物合成常因菌种不同而发生在不同的生长阶段,按合成位点和合成模式的不同可分为两种类型:同型多糖的合成与异型多糖的合成。异型多糖如黄原胶、结冷胶等的合成是在细胞内进展的,比同型多糖的合成复杂。异型多糖的合成体系包含5个因子,即糖基核苷酸、酰基供体、脂中间体、酶系统与糖基受体。未来的微生物胞外多糖新产品开发和微生物胞外多糖市场的扩大取决于微生物多糖产生菌菌种选育、对多糖结构性能和多糖代谢途径的认识以与发酵工艺的优化。对于新型的微生物多糖,也许性质各异,但必须要求满足以下三个条件才有价值:能分散溶解于水中;具有优于或等价于传统胶的稳定的功能特性;具有特殊的流变特性.尽管人们还发现了许多其它的微生
