黄原胶的生物合成及其在食品工业中的应用进展

谭旖宁

（广西职业技术学院食品技术系，南宁 530227）

黄原胶的生物合成及其在食品工业中的应用进展

谭旖宁*

（广西职业技术学院食品技术系，南宁 530227）

介绍了黄原胶的分子结构和其功能特性，阐述了黄原胶的生物合成进展及黄原胶在现代食品工业中的应用，探讨了黄原胶在我国食品工业应用中面临的问题与发展途径。

黄原胶；功能特性；生物合成；应用

1 概述

黄原胶（Xanthan gum）又称汉生胶或苫胶，是以碳水化合物为主要原料，由黄单胞菌属（Xanthomonas campestris）微生物经好氧发酵产生的一种高黏度水溶性的胞外多糖（extracelluar polysaccharide；EPS），是新型的发酵工程产品及食品添加剂，是近年来微生物多糖工业中产量较大的一种，广泛用于石油开采、食品等二十多个行业。

黄原胶是由淀粉在黄杆菌酶的作用下，1，6-糖苷键被切断，支链被打开，并重新按1，4键合成直链组成的一种生物高分子多糖聚合物，其分子量为2×106～2×107之间，黏度≥0.55 Pa·S，无毒。黄原胶是一种浅黄褐色或灰褐色微具甜橙臭的粉末，属碳水化合物多聚糖类物质，具有纤维素葡萄糖的主链及含三糖的侧链，有些侧链带丙酮酸和醋酸基团，因此具有许多独特而优良的特性。他易溶于水，其水溶液呈透明胶状；在冷水、热水中的分散性稳定；在低浓度下能产生很高的黏度，增稠性良好，浸泡1 h（搅拌时间≤1 h）应呈溶胶状。其水溶液具有较高的假塑性，良好的稳定性，广泛pH值（pH=1～13）稳定性和宽温度范围（18℃～80℃黏度变化很小） 的稳定，同时也具有良好的分散作用、乳化作用。在碱性及高盐条件下也很稳定。黄原胶与酸碱和盐类的配伍性好、与半乳甘露聚糖的反应性好、抗污染力强、抗生物酸降解，对于各种酸的氧化、还原稳定性好，还具有优良的冻融稳定性和优良的乳化性能与固体悬浮能力。总的来说，黄原胶具有无毒、安全，悬浮性好、假塑性强，低浓度、高黏性，可控制最终产物的流变性，可控制产品的结构、风味及外观形态等特点，他的高黏度、保水抗盐、耐温、抗剪切性能均优于线型高分子聚合物，比聚丙烯酰胺、变性淀粉和纤维素衍生物有较优良的特性。

2 生物合成

由于在工业上的重要性，黄原胶成为研究细菌胞外多糖的典型代表。长期以来，人们对其理化性质、分子结构、微生物来源、生产工艺及应用开发等方面进行了广泛而深入的研究。近年来，野油菜黄单胞菌（Xcc）的分子遗传学研究也日渐受到重视，通过对其生物合成途径的阐明及Xcc遗传研究系统的建立，利用基因工程定向改造并构建重组菌株的研究工作取得了一定的进展。国内这方面的研究较少，仅李时岩等报道了NK-01编码生物合成多糖基因的克隆，杨建华等研究了β-淀粉酶基因在黄单胞菌中的克隆与表达。为了探索利用基因工程方法对生产菌株进行遗传改良，姚仕义等以pIJ3200为载体，构建野生型Xcc的黏粒文库，并以该库作供体，pRK2013为辅助质粒，XCCNAU-92为受体菌，进行大规模三亲交配，将所获得的pIXU9278重组克隆转入受体菌中，构建了黄原胶生产的工程菌株XCCNAU-9278。近年来，从野油菜黄单胞菌（Xcc）中已克隆到多个与黄胶生物合成相关的基因（簇），其中的gum基因是直接影响黄原胶结构和组成的一类结构基因。过去一段时间里出于商业目的，gum基因的核苷酸序列一直未能予以公开发表。如今可以从互联网上的基因数据库中查阅获得。1998年，查冬兴等从Xcc染色体基因组中克隆到一个9.4kbHind DNA片段，构建了以pIJ3200为载体的重组质粒pMT46BP，用分子遗传学方法确证了该片段中的1.9kbEcoRI片段与EPS合成有关。1998年，李有志等用Tn5gusA5转座子插入诱变等方法进一步证实9.4kbHind DNA片段上存在一个与EPS生物合成相关的基因簇。另外，有报道在野油菜黄单胞菌-9902的发酵培养基中加入Na+离子和改变K+离子，也有助于黄原胶的生物合成的前体物质的转出胞外，这对提高黄原胶生物合成产率产生显著影响。

此外，对发酵过程的改进，培养基组分的选择，通氧量的适宜度，细胞固定化等都有助于黄原胶的生物合成。

3 黄原胶在食品工业中的应用

黄原胶具有优良的乳化稳定性、温度稳定性、与食品中其他组分的相容性以及流变性,被广泛应用于各种食品中，能显著改善食品的质地、口感、外观品质，提高其商业价值。黄原胶在食品工业中的应用具体可概括为以下几个方面：

3.1 作为增稠稳定剂

黄原胶作为增稠稳定剂应用于各种果汁饮料、浓缩果汁、调味料（如酱油、蚝油、沙拉调味汁）的食品中。由于黄原胶具有较强的热稳定性，一般的高温杀菌对其不会有影响。黄原胶具有优良的耐盐耐酸碱性，用做酱油的新型增稠剂可完全取代淀粉并克服淀粉沉淀的缺点，使酱油细腻均一，提高挂壁性和着色性，延长货架期。

3.2 作为乳化剂

黄原胶作为乳化剂用于各种蛋白质饮料、乳饮料中，防止油水分层和提高蛋白质的稳定性，防止脂肪上浮，防止蛋白质沉淀。邵金良等用黄原胶为主的复配胶制成的植物蛋白饮料，在口感上有很大的优势，并且减少了乳化剂用量，产品的稳定性良好。赵容钟等通过分析沉淀率、油脂析出率、黏度及高温稳定性观察，研究出黄原胶与瓜尔豆胶复配质量比为1∶2，用量为质量分数0.05%时，花生乳稳定性最好。赵正涛等通过研究分析，认为黄原胶对酸乳发生作用的机理是通过其大分子的空间位垒效应干扰酪蛋白发生凝集的方式，导致酪蛋白胶束结构散乱，从而降低酸乳凝胶的表观黏度和剪切应力。同时可利用黄原胶的乳化能力作为起泡剂和泡沫稳定剂，用于啤酒制造等。

3.3 作为填充剂及品质改良剂

黄原胶作为稳定的高黏度填充剂，可广泛应用于各类蛋糕、面包、饼干、糖果等食品的加工，使食品具有更优越的保形性，延长这些产品松软的时间，使食品有更长的保质期，并获得比传统做法更加良好的口感。同时黄原胶作为蛋糕的品质改良剂，可以增大蛋糕的体积，改善蛋糕的结构，使蛋糕的孔隙大小均匀，富有弹性，并延迟老化，延长蛋糕的货架寿命。

在面条、拉面、方便面中加入黄原胶作为品质改良剂，陈海峰等通过研究发现，在加入少量黄原胶后可以增强面筋的形成特性，黄原胶对面条品质的影响是由于其加大了面筋网络与淀粉颗粒的结合，提高了面条结构的致密程度，从而影响面条的品质。

3.4 作为乳化稳定剂

黄原胶作为乳化稳定剂应用于冷冻食品,在冰淇淋、雪糕中应用可控制冰晶、抗融化、延长保存期、提高膨胀率等。由于黄原胶有良好的可塑性和剪切性,能调整混合物料黏度，便于加工操作，有利于提高膨胀率，而且在融化时奶油和水混合均匀，不会产生浆液分离现象。

3.5 作为保水剂

黄原胶可作为保水剂广泛应用于各种肉制品的加工，能显著增加肉制品的持水性、延长货架期、抑制淀粉的回生，提高的嫩度、色泽和风味，从而提高出品率。方红美等研究了黄原胶添加水平及冷藏时间对冷冻牛肉色泽、保水、嫩度及pH值等品质特性的影响，得出利用质量分数0.5%的黄原胶溶液浸泡牛肉，可显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 作为保鲜剂

黄原胶可替代亚硫酸盐作为保鲜剂广泛应用于水果、蔬菜的保鲜加工处理，可防止果蔬失水、褐变等现象的发生，从而延长产品保质期，同时又避免了使用亚硫酸盐使食品失去原色而被漂白并产生不愉快的嗅感的缺点。李瑜等研究发现黄原胶作为涂膜保鲜材料，以单一膜以及黄原胶——壳聚糖复合膜对大蒜米进行涂膜保鲜都可有效抑制大蒜米的呼吸强度，保持大蒜米的水分含量、硬度、可滴定酸含量和还原糖含量。在罐装蔬菜中可降低脱水、抗酸败、延长储藏期。

3.7 作为凝固剂

黄原胶作为凝固剂用于果冻，赋予果冻软胶状态，加工填充物时，使果冻的黏度降低从而节省动力并易于加工。李龙伟等研究得出黄原胶与卡拉胶按1∶10质量比复配在果冻中的应用较佳，做出的果冻色泽均匀、半透明，组织状态良好、口感细腻、酸甜适宜。

4 黄原胶在我国食品工业应用中面临的问题与发展途径

4.1 黄原胶在我国食品工业应用中面临的问题

4.1.1 食品级黄原胶生产难度大

我国黄原胶生产水平较低，发酵产胶率、转化率都较低，发酵时间又太长。而且我国食品级黄原胶在提取方法上，由于甲醇的残留问题和异丙醇的来源问题，一般只能采用乙醇作为沉淀剂。乙醇的易燃易爆性质使得提取车间及设备防爆要求增大；乙醇的易挥发性使得其在部分敞口或半密闭的操作中造成大量损失；此外，还需要建乙醇回收车间或装置，大大增加了生产投资。

4.1.2 食品级黄原胶质量参差不齐

我国黄原胶的生产始于20世纪80年代，尽管发展十分迅速,但由于生产规模小、原料来源及加工工艺不同等因素，国内各厂家生产的黄原胶的性质也千差万别，在产品纯度和分级水平上都有较大的缺点。与国外的产品相比，国产黄原胶质量在色泽、胶感、溶解性、分散性及黏度上也有很多不足。

4.1.3 食品级黄原胶推广难度大

食品级黄原胶的成本较高，而成本直接影响着食品生产企业的使用。另外，很多食品生产企业要么还未认识到食品级黄原胶的优良性能，要么不愿意改变食品配方，造成推广难度大。

4.2 食品级黄原胶的发展途径

4.2.1 应用先进工艺解决食品级黄原胶生产难题

食品级黄原胶的生产，应注意很多因素。首先，通过基因工程技术，培育出具有强大产胶能力的新菌种。其次，针对乙醇提取法的缺点，研究新型沉淀剂。程桂荪等研究成功了用盐酸作为沉淀剂的方法，但对提取设备及管道的要求都较高，同时需对含盐酸废水进行处理。最后，研究乙醇沉淀新工艺。采用乙醇沉淀生产黄原胶，由于乙醇损失较大，产品成本较高，因此需要改进工艺。李时岩等研究了先过滤、超滤，再用乙醇沉淀提取黄原胶。该法使产品质量明显提高，并可节省提取过程中乙醇用量，降低成本。该工艺目前还未投入生产。

4.2.2 通过先进技术手段提高食品级黄原胶质量

在食品级黄原胶产业化的过程中，有关生产工艺的规范化、生产过程的质量控制、产品的质量指标、检测方法等，都是值得深入研究探讨的方面。研究单位需要加强对食品级黄原胶提取工艺方面的研究，研究出在工业生产中避免发酵残渣带入产品中的方法。同时要研究出在工业化生产中去除菌体细胞的方法，以解决由于黄原胶分子量大、黏度高，而菌体又很小，外面还包有很厚的荚膜而产生的一系列问题。产品的干燥方式及设备选择是否恰当，也直接影响产品粒度及色泽的形成。这些研究直接影响着国产食品级黄原胶的产品质量。

4.2.3 加大对食品级黄原胶宣传力度

通过生产工艺的技术改进降低食品级黄原胶的成本，使食品生产企业能用得起食品级黄原胶。另外，加大宣传力度使食品生产企业认识到食品级黄原胶的优良性能，使他们愿意主动改变食品配方，生产出更符合当代消费需要的高品质的食品。同时借鉴国外的食品工业，更广泛地研究黄原胶与其他食品胶的增效作用，了解其作用机理，找出性质更优良、应用更广泛的复合胶，并针对用途做成不同的复配产品, 配以清楚的使用说 明书和良好的售后服务。

5 结 语

我国是个农业大国，生产黄原胶的原料极为丰富，利用基因工程等手段对黄原胶的生物合成进行技术改进，通过微生物发酵工艺及提取工艺进行大规模工业生产，资源潜力巨大，对于促进我国食品添加剂开发，推动农产品深加工，满足国际国内市场需求，提高社会效益和企业经济效益具有重要意义。

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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

*谭旖宁，女，1977年出生，广西职业技术学院食品技术系讲师。

2010-01-26