黃原膠的生物合成及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用進展

譚旖寧

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品技術(shù)系，南寧 530227）

黃原膠的生物合成及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用進展

譚旖寧*

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品技術(shù)系，南寧 530227）

介紹了黃原膠的分子結(jié)構(gòu)和其功能特性，闡述了黃原膠的生物合成進展及黃原膠在現(xiàn)代食品工業(yè)中的應(yīng)用，探討了黃原膠在我國食品工業(yè)應(yīng)用中面臨的問題與發(fā)展途徑。

黃原膠；功能特性；生物合成；應(yīng)用

1 概述

黃原膠（Xanthan gum）又稱漢生膠或苫膠，是以碳水化合物為主要原料，由黃單胞菌屬（Xanthomonas campestris）微生物經(jīng)好氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種高黏度水溶性的胞外多糖（extracelluar polysaccharide；EPS），是新型的發(fā)酵工程產(chǎn)品及食品添加劑，是近年來微生物多糖工業(yè)中產(chǎn)量較大的一種，廣泛用于石油開采、食品等二十多個行業(yè)。

黃原膠是由淀粉在黃桿菌酶的作用下，1，6-糖苷鍵被切斷，支鏈被打開，并重新按1，4鍵合成直鏈組成的一種生物高分子多糖聚合物，其分子量為2×106～2×107之間，黏度≥0.55 Pa·S，無毒。黃原膠是一種淺黃褐色或灰褐色微具甜橙臭的粉末，屬碳水化合物多聚糖類物質(zhì)，具有纖維素葡萄糖的主鏈及含三糖的側(cè)鏈，有些側(cè)鏈帶丙酮酸和醋酸基團，因此具有許多獨特而優(yōu)良的特性。他易溶于水，其水溶液呈透明膠狀；在冷水、熱水中的分散性穩(wěn)定；在低濃度下能產(chǎn)生很高的黏度，增稠性良好，浸泡1 h（攪拌時間≤1 h）應(yīng)呈溶膠狀。其水溶液具有較高的假塑性，良好的穩(wěn)定性，廣泛pH值（pH=1～13）穩(wěn)定性和寬溫度范圍（18℃～80℃黏度變化很?。?的穩(wěn)定，同時也具有良好的分散作用、乳化作用。在堿性及高鹽條件下也很穩(wěn)定。黃原膠與酸堿和鹽類的配伍性好、與半乳甘露聚糖的反應(yīng)性好、抗污染力強、抗生物酸降解，對于各種酸的氧化、還原穩(wěn)定性好，還具有優(yōu)良的凍融穩(wěn)定性和優(yōu)良的乳化性能與固體懸浮能力。總的來說，黃原膠具有無毒、安全，懸浮性好、假塑性強，低濃度、高黏性，可控制最終產(chǎn)物的流變性，可控制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、風(fēng)味及外觀形態(tài)等特點，他的高黏度、保水抗鹽、耐溫、抗剪切性能均優(yōu)于線型高分子聚合物，比聚丙烯酰胺、變性淀粉和纖維素衍生物有較優(yōu)良的特性。

2 生物合成

由于在工業(yè)上的重要性，黃原膠成為研究細菌胞外多糖的典型代表。長期以來，人們對其理化性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)、微生物來源、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用開發(fā)等方面進行了廣泛而深入的研究。近年來，野油菜黃單胞菌（Xcc）的分子遺傳學(xué)研究也日漸受到重視，通過對其生物合成途徑的闡明及Xcc遺傳研究系統(tǒng)的建立，利用基因工程定向改造并構(gòu)建重組菌株的研究工作取得了一定的進展。國內(nèi)這方面的研究較少，僅李時巖等報道了NK-01編碼生物合成多糖基因的克隆，楊建華等研究了β-淀粉酶基因在黃單胞菌中的克隆與表達。為了探索利用基因工程方法對生產(chǎn)菌株進行遺傳改良，姚仕義等以pIJ3200為載體，構(gòu)建野生型Xcc的黏粒文庫，并以該庫作供體，pRK2013為輔助質(zhì)粒，XCCNAU-92為受體菌，進行大規(guī)模三親交配，將所獲得的pIXU9278重組克隆轉(zhuǎn)入受體菌中，構(gòu)建了黃原膠生產(chǎn)的工程菌株XCCNAU-9278。近年來，從野油菜黃單胞菌（Xcc）中已克隆到多個與黃膠生物合成相關(guān)的基因（簇），其中的gum基因是直接影響黃原膠結(jié)構(gòu)和組成的一類結(jié)構(gòu)基因。過去一段時間里出于商業(yè)目的，gum基因的核苷酸序列一直未能予以公開發(fā)表。如今可以從互聯(lián)網(wǎng)上的基因數(shù)據(jù)庫中查閱獲得。1998年，查冬興等從Xcc染色體基因組中克隆到一個9.4kbHind DNA片段，構(gòu)建了以pIJ3200為載體的重組質(zhì)粒pMT46BP，用分子遺傳學(xué)方法確證了該片段中的1.9kbEcoRI片段與EPS合成有關(guān)。1998年，李有志等用Tn5gusA5轉(zhuǎn)座子插入誘變等方法進一步證實9.4kbHind DNA片段上存在一個與EPS生物合成相關(guān)的基因簇。另外，有報道在野油菜黃單胞菌-9902的發(fā)酵培養(yǎng)基中加入Na+離子和改變K+離子，也有助于黃原膠的生物合成的前體物質(zhì)的轉(zhuǎn)出胞外，這對提高黃原膠生物合成產(chǎn)率產(chǎn)生顯著影響。

此外，對發(fā)酵過程的改進，培養(yǎng)基組分的選擇，通氧量的適宜度，細胞固定化等都有助于黃原膠的生物合成。

3 黃原膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用

黃原膠具有優(yōu)良的乳化穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、與食品中其他組分的相容性以及流變性,被廣泛應(yīng)用于各種食品中，能顯著改善食品的質(zhì)地、口感、外觀品質(zhì)，提高其商業(yè)價值。黃原膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用具體可概括為以下幾個方面：

3.1 作為增稠穩(wěn)定劑

黃原膠作為增稠穩(wěn)定劑應(yīng)用于各種果汁飲料、濃縮果汁、調(diào)味料（如醬油、蠔油、沙拉調(diào)味汁）的食品中。由于黃原膠具有較強的熱穩(wěn)定性，一般的高溫殺菌對其不會有影響。黃原膠具有優(yōu)良的耐鹽耐酸堿性，用做醬油的新型增稠劑可完全取代淀粉并克服淀粉沉淀的缺點，使醬油細膩均一，提高掛壁性和著色性，延長貨架期。

3.2 作為乳化劑

黃原膠作為乳化劑用于各種蛋白質(zhì)飲料、乳飲料中，防止油水分層和提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，防止脂肪上浮，防止蛋白質(zhì)沉淀。邵金良等用黃原膠為主的復(fù)配膠制成的植物蛋白飲料，在口感上有很大的優(yōu)勢，并且減少了乳化劑用量，產(chǎn)品的穩(wěn)定性良好。趙容鐘等通過分析沉淀率、油脂析出率、黏度及高溫穩(wěn)定性觀察，研究出黃原膠與瓜爾豆膠復(fù)配質(zhì)量比為1∶2，用量為質(zhì)量分數(shù)0.05%時，花生乳穩(wěn)定性最好。趙正濤等通過研究分析，認為黃原膠對酸乳發(fā)生作用的機理是通過其大分子的空間位壘效應(yīng)干擾酪蛋白發(fā)生凝集的方式，導(dǎo)致酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)散亂，從而降低酸乳凝膠的表觀黏度和剪切應(yīng)力。同時可利用黃原膠的乳化能力作為起泡劑和泡沫穩(wěn)定劑，用于啤酒制造等。

3.3 作為填充劑及品質(zhì)改良劑

黃原膠作為穩(wěn)定的高黏度填充劑，可廣泛應(yīng)用于各類蛋糕、面包、餅干、糖果等食品的加工，使食品具有更優(yōu)越的保形性，延長這些產(chǎn)品松軟的時間，使食品有更長的保質(zhì)期，并獲得比傳統(tǒng)做法更加良好的口感。同時黃原膠作為蛋糕的品質(zhì)改良劑，可以增大蛋糕的體積，改善蛋糕的結(jié)構(gòu)，使蛋糕的孔隙大小均勻，富有彈性，并延遲老化，延長蛋糕的貨架壽命。

在面條、拉面、方便面中加入黃原膠作為品質(zhì)改良劑，陳海峰等通過研究發(fā)現(xiàn)，在加入少量黃原膠后可以增強面筋的形成特性，黃原膠對面條品質(zhì)的影響是由于其加大了面筋網(wǎng)絡(luò)與淀粉顆粒的結(jié)合，提高了面條結(jié)構(gòu)的致密程度，從而影響面條的品質(zhì)。

3.4 作為乳化穩(wěn)定劑

黃原膠作為乳化穩(wěn)定劑應(yīng)用于冷凍食品,在冰淇淋、雪糕中應(yīng)用可控制冰晶、抗融化、延長保存期、提高膨脹率等。由于黃原膠有良好的可塑性和剪切性,能調(diào)整混合物料黏度，便于加工操作，有利于提高膨脹率，而且在融化時奶油和水混合均勻，不會產(chǎn)生漿液分離現(xiàn)象。

3.5 作為保水劑

黃原膠可作為保水劑廣泛應(yīng)用于各種肉制品的加工，能顯著增加肉制品的持水性、延長貨架期、抑制淀粉的回生，提高的嫩度、色澤和風(fēng)味，從而提高出品率。方紅美等研究了黃原膠添加水平及冷藏時間對冷凍牛肉色澤、保水、嫩度及pH值等品質(zhì)特性的影響，得出利用質(zhì)量分數(shù)0.5%的黃原膠溶液浸泡牛肉，可顯著提高牛肉的保水性、pH值，并降低牛肉的最大剪切力，提高了牛肉的嫩度。

3.6 作為保鮮劑

黃原膠可替代亞硫酸鹽作為保鮮劑廣泛應(yīng)用于水果、蔬菜的保鮮加工處理，可防止果蔬失水、褐變等現(xiàn)象的發(fā)生，從而延長產(chǎn)品保質(zhì)期，同時又避免了使用亞硫酸鹽使食品失去原色而被漂白并產(chǎn)生不愉快的嗅感的缺點。李瑜等研究發(fā)現(xiàn)黃原膠作為涂膜保鮮材料，以單一膜以及黃原膠——殼聚糖復(fù)合膜對大蒜米進行涂膜保鮮都可有效抑制大蒜米的呼吸強度，保持大蒜米的水分含量、硬度、可滴定酸含量和還原糖含量。在罐裝蔬菜中可降低脫水、抗酸敗、延長儲藏期。

3.7 作為凝固劑

黃原膠作為凝固劑用于果凍，賦予果凍軟膠狀態(tài)，加工填充物時，使果凍的黏度降低從而節(jié)省動力并易于加工。李龍偉等研究得出黃原膠與卡拉膠按1∶10質(zhì)量比復(fù)配在果凍中的應(yīng)用較佳，做出的果凍色澤均勻、半透明，組織狀態(tài)良好、口感細膩、酸甜適宜。

4 黃原膠在我國食品工業(yè)應(yīng)用中面臨的問題與發(fā)展途徑

4.1 黃原膠在我國食品工業(yè)應(yīng)用中面臨的問題

4.1.1 食品級黃原膠生產(chǎn)難度大

我國黃原膠生產(chǎn)水平較低，發(fā)酵產(chǎn)膠率、轉(zhuǎn)化率都較低，發(fā)酵時間又太長。而且我國食品級黃原膠在提取方法上，由于甲醇的殘留問題和異丙醇的來源問題，一般只能采用乙醇作為沉淀劑。乙醇的易燃易爆性質(zhì)使得提取車間及設(shè)備防爆要求增大；乙醇的易揮發(fā)性使得其在部分敞口或半密閉的操作中造成大量損失；此外，還需要建乙醇回收車間或裝置，大大增加了生產(chǎn)投資。

4.1.2 食品級黃原膠質(zhì)量參差不齊

我國黃原膠的生產(chǎn)始于20世紀80年代，盡管發(fā)展十分迅速,但由于生產(chǎn)規(guī)模小、原料來源及加工工藝不同等因素，國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的黃原膠的性質(zhì)也千差萬別，在產(chǎn)品純度和分級水平上都有較大的缺點。與國外的產(chǎn)品相比，國產(chǎn)黃原膠質(zhì)量在色澤、膠感、溶解性、分散性及黏度上也有很多不足。

4.1.3 食品級黃原膠推廣難度大

食品級黃原膠的成本較高，而成本直接影響著食品生產(chǎn)企業(yè)的使用。另外，很多食品生產(chǎn)企業(yè)要么還未認識到食品級黃原膠的優(yōu)良性能，要么不愿意改變食品配方，造成推廣難度大。

4.2 食品級黃原膠的發(fā)展途徑

4.2.1 應(yīng)用先進工藝解決食品級黃原膠生產(chǎn)難題

食品級黃原膠的生產(chǎn)，應(yīng)注意很多因素。首先，通過基因工程技術(shù)，培育出具有強大產(chǎn)膠能力的新菌種。其次，針對乙醇提取法的缺點，研究新型沉淀劑。程桂蓀等研究成功了用鹽酸作為沉淀劑的方法，但對提取設(shè)備及管道的要求都較高，同時需對含鹽酸廢水進行處理。最后，研究乙醇沉淀新工藝。采用乙醇沉淀生產(chǎn)黃原膠，由于乙醇損失較大，產(chǎn)品成本較高，因此需要改進工藝。李時巖等研究了先過濾、超濾，再用乙醇沉淀提取黃原膠。該法使產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，并可節(jié)省提取過程中乙醇用量，降低成本。該工藝目前還未投入生產(chǎn)。

4.2.2 通過先進技術(shù)手段提高食品級黃原膠質(zhì)量

在食品級黃原膠產(chǎn)業(yè)化的過程中，有關(guān)生產(chǎn)工藝的規(guī)范化、生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制、產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)、檢測方法等，都是值得深入研究探討的方面。研究單位需要加強對食品級黃原膠提取工藝方面的研究，研究出在工業(yè)生產(chǎn)中避免發(fā)酵殘渣帶入產(chǎn)品中的方法。同時要研究出在工業(yè)化生產(chǎn)中去除菌體細胞的方法，以解決由于黃原膠分子量大、黏度高，而菌體又很小，外面還包有很厚的莢膜而產(chǎn)生的一系列問題。產(chǎn)品的干燥方式及設(shè)備選擇是否恰當(dāng)，也直接影響產(chǎn)品粒度及色澤的形成。這些研究直接影響著國產(chǎn)食品級黃原膠的產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2.3 加大對食品級黃原膠宣傳力度

通過生產(chǎn)工藝的技術(shù)改進降低食品級黃原膠的成本，使食品生產(chǎn)企業(yè)能用得起食品級黃原膠。另外，加大宣傳力度使食品生產(chǎn)企業(yè)認識到食品級黃原膠的優(yōu)良性能，使他們愿意主動改變食品配方，生產(chǎn)出更符合當(dāng)代消費需要的高品質(zhì)的食品。同時借鑒國外的食品工業(yè)，更廣泛地研究黃原膠與其他食品膠的增效作用，了解其作用機理，找出性質(zhì)更優(yōu)良、應(yīng)用更廣泛的復(fù)合膠，并針對用途做成不同的復(fù)配產(chǎn)品, 配以清楚的使用說 明書和良好的售后服務(wù)。

5 結(jié) 語

我國是個農(nóng)業(yè)大國，生產(chǎn)黃原膠的原料極為豐富，利用基因工程等手段對黃原膠的生物合成進行技術(shù)改進，通過微生物發(fā)酵工藝及提取工藝進行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，資源潛力巨大，對于促進我國食品添加劑開發(fā)，推動農(nóng)產(chǎn)品深加工，滿足國際國內(nèi)市場需求，提高社會效益和企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。

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Research development on the biosynthesis of xanthan gum and its application in food industry

TAN Yi-ning*
（Food Technology Department，Guangxi Vocational Technology College，Nanning 530227，China）

Xanthan gum is one of microbial polysaccharides which were widely used in Industry.In this article，the molecular structure and function of xanthan gum were summarized.The biosynthesis and the application in food industry were emphasized，and the future development of Xanthan gum in China was also discussed.

xanthan gum；function；biosynthesis；application

*譚旖寧，女，1977年出生，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品技術(shù)系講師。

2010-01-26