一株野油菜黄单胞菌产黄原胶的性质

张建国，黄勋娟

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

一株野油菜黄单胞菌产黄原胶的性质

张建国，黄勋娟

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

通过发酵一株野油菜黄单胞菌得到黄原胶，进而测定该黄原胶在不同质量浓度、pH值、氯化钠质量浓度、温度下黏度变化，分析黄原胶流变特性、丙酮酸质量分数和黏均分子质量。结果表明：本实验菌株的黄原胶产量达到28.4 g/L，黄原胶黏度在质量浓度高于4.0 g/L时迅速升高，黄原胶黏度在pH 3.0～10.0之间稳定。氯化钠质量浓度由10 g/L增加到70 g/L时，使1.0 g/L黄原胶黏度提高20%，而温度高于35 ℃时使1.0 g/L黄原胶黏度降低。黄原胶的丙酮酸质量分数达到6.35%，黏均分子质量为5.7×106D。1.0 g/L黄原胶的稠度系数和流体指数分别为26.94和0.765 5，5.0 g/L黄原胶的稠度系数和流体指数分别为489.65和0.328 1。研究表明该株野油菜黄单胞菌具有较大的潜在应用价值。

野油菜黄单胞菌；黄原胶；黏度；假塑性流体；丙酮酸质量分数

黄原胶，又名汉生胶，具有优良的水溶性、增稠性和流变性。早在1969年被美国食品药品管理局（U.S. Food and Drug Administration，FDA）批准为食品中不限量添加剂。至今，黄原胶已经被广泛用于食品[1]、化妆品、化工[2]、农药[3]等行业中。尤其在食品行业中对淀粉糊化[4]、干酪的质构[5]、肉制品的品质[6]等诸多方面有显著的效果。黄原胶的结构由5 个糖分子（两个葡萄糖、两个甘露糖、一个葡萄糖醛酸）和乙酸、丙酮酸组成的重复单元。其中，两个葡萄糖分子以β-1,4-糖苷键相连作为主链，剩下的3 个糖分子作为支链。支链中葡萄糖醛酸处于中间位置，两端是甘露糖分子。靠近主链的甘露糖会被乙酰基修饰，末端的甘露糖和丙酮酸发生缩醛反应。黄原胶分子质量在2×106～2×107D之间。乙酸、丙酮酸质量分数和三糖支链质量分数的不同会导致黄原胶性质的差异[7]。另外，黄原胶在溶液中的构象不同也影响黄原胶性质。不同的黄原胶产生菌所产生的黄原胶组分和性质也不同[8]。黄原胶的主要生产菌是野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris），另外被报道的产生菌还有草莓角斑病菌（Xanthomonas fragaria）、甘蓝黑腐黄单胞菌变种（Xanthomonas gummisudans）等。培养条件不同也是导致黄原胶的组分和性质出现差异的重要因素，例如培养基的碳源、氮源、pH值、温度都影响黄原胶的生产效率和性质[9]。本研究分析了一株野油菜黄单胞菌所产黄原胶的性质，表明该菌可以产生性质优良的黄原胶，具有较大潜力。

1 材料与方法

1.1 材料

野油菜黄单胞菌为上海理工大学医疗器械与食品学院实验室保存。

1.2 试剂与仪器

氯化钠、盐酸、氢氧化钠、2,4-二硝基苯肼等均为分析纯 国药集团（上海）化学试剂有限公司。

NDJ-5S旋转式黏度计 上海昌吉地质仪器有限公司；UV752紫外分光光度计 上海光学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 培养野油菜黄单胞菌生产黄原胶

野油菜黄单胞菌首先接种到种子培养基（葡萄糖20.0 g/L、牛肉膏0.5 g/L、蛋白胨 3.0 g/L、酵母粉1.0 g/L），然后在28 ℃、180 r/min的摇床上培养24 h。将种子培养基以5%接种量转接到100 mL发酵培养基（葡萄糖45.0 g/L、蛋白胨3.0 g/L、碳酸钙3.0 g/L、磷酸二氢钾5.0 g/L、硫酸镁2.5 g/L、硫酸亚铁0.25 g/L、柠檬酸0.25 g/L，pH 7.0），在28 ℃、180 r/min培养120 h。

在50 mL发酵液中加入100 mL的95%乙醇，室温下搅拌30 min，过滤分离乙醇，再加入发酵液50 mL乙醇搅拌过滤。将得到的黄原胶置于烘箱中60 ℃烘至恒质量，最后称黄原胶的质量。

1.3.2 黄原胶的黏度分析

称取一定量的黄原胶，在25 ℃时溶解于去离子水中。利用盐酸和氢氧化钠调节pH值。盐质量浓度用氯化钠质量浓度表示。测量黏度时利用水浴锅控制温 度。利用旋转式黏度计选择合适的转子，将转子浸入黄原胶溶液中，黏度所占的百分比在10%～100%之间。

1.3.3 假塑性流体参数的计算

利用黏度计测定不同转速时的黏度，根据公式（2）得到K和n。

式中：τ为剪切力/mPa；γ为剪切速率/min－1；K为稠度系数；n为流体指数。

1.3.4 丙酮酸质量分数的测定

以1 mol/L盐酸为溶剂，配制20.0 g/L的黄原胶溶液。在100 ℃条件下水解3 h。然后取50 μL水解液，加入0.25 mL 2.0 mmol/L 2,4-二硝基苯肼溶液，摇匀。再加入5 mL 1.5 mol/L氢氧化钠溶液，生成紫红色2,4-二硝基苯腙衍生物显色，在520 nm波长处比色，计算黄原胶中丙酮酸质量分数[10]。

1.3.5 黏均分子质量计算

高聚物在稀溶液中的黏度是高聚物在流动过程内摩擦的反映，可以按照公式（4）、（5）、（6）推导出公式（7）、（8）。

利用公式（7）、（8）拟合黄原胶质量浓度接近0时的特性黏度[η]，再利用公式（9）计算出黏均分子质量。

式中：η为表观黏度/（mPa·s）；η0为纯溶剂的黏度/（mPa·s）；ηsp为增比黏度/（mPa·s）；ηr为相对黏度/（mPa·s）；[η]为特性黏度/（mPa·s），反映无限稀溶液中高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦；ρ为黄原胶质量浓度/（g/L）；M为黄原胶分子质量的平均值/D；K为比例常数；α为与黄原胶在溶液中的形态有关的经验参数Mark-Houwink参数查阅文献[11-12]取：α=1.140、K=0.000 17 mL/mg。

1.4 数据分析

所有分析实验都是重复3 次实验取平均值。利用SPSS 13.0对黄原胶黏度在不同pH值时的波动，以及在不同温度时黄原胶黏度进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 野油菜黄单胞菌生产黄原胶

图1 野油菜黄单胞菌糖消耗和产黄原胶的变化曲线Fig.1 Time courses of glucose concentration and xanthan production by Xanthomonas campestris

由图1可知，在120 h的培养过程中葡萄糖质量浓度逐渐减少，尤其在48 h内迅速减少。而黄原胶产量在初始72 h内快速升高到27.0 g/L，72 h后产量缓慢增加，120 h时的产量达到28.4 g/L，高于一些报道的黄原胶产量[13]，也达到了其他研究在发酵罐上培养野油菜黄单胞菌生产黄原胶的水平[14]。

2.2 不同质量浓度黄原胶的黏度变化

图2 不同质量浓度黄原胶的黏度变化Fig.2 Viscosities of xanthan at different concentrations

由图2可知，黄原胶的黏度均随着质量浓度的升高而升高。黄原胶的质量浓度在4.0 g/L以下黏度缓慢升高，质量浓度高于4.0 g/L后黏度快速升高。黄原胶质量浓度为9.0 g/L时的黏度为2 656.67 mPa·s。该黄原胶高黏度可以减少黄原胶的使用量。

2.3 不同pH值对黄原胶黏度的影响

图3 pH值对黄原胶黏度的影响Fig.3 Effect of pH on the viscosity of xanthan

利用盐酸和氢氧化钠分别调节1.0 g/L黄原胶的pH值为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0。由图3可知，质量浓度为1.0 g/L的黄原胶黏度在pH 3.0～10.0之间波动不明显，黏度维持在28.0 mPa·s，黄原胶黏度的标准偏差为0.617 mPa·s。这说明该种黄原胶可以在较为广阔的pH值范围内发挥作用。

2.4 氯化钠质量浓度对黄原胶黏度的影响

以氯化钠分别调节1.0 g/L黄原胶的盐质量浓度为10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0 g/L。由图4可知，1.0 g/L黄原胶的黏度随着氯化钠质量浓度升高而升高，这和Whistler[15]报道的黄原胶黏度受盐质量浓度影响的结果一致，因为盐离子明显增加低质量浓度黄原胶分子间电荷相互作用[16]。在氯化钠质量浓度由10 g/L增加到70 g/L时，黄原胶黏度由30.0 mPa·s升高到36.0 mPa·s，上升了20.0%。

图4 氯化钠质量浓度对黄原胶黏度的影响Fig.4 Effect of NaCl concentration on the viscosity of xanthan

2.5 温度对黄原胶黏度的影响

图5 温度对黄原胶黏度的影响Fig.5 Viscosities of xanthan at different temperatures

在温度为15.0、25.0、35.0、45.0、55.0、65.0 ℃时测量1.0 g/L黄原胶的黏度，由图5可知，随着温度由15.0 ℃上升到65.0 ℃，黄原胶黏度先由32 mPa·s上升到34 mPa·s，后下降到20 mPa·s。在温度为35 ℃时黄原胶的黏度与温度为15、25 ℃时黄原胶黏度有显著差异。黄原胶黏度在温度高于35 ℃时逐渐下降，但是下降幅度（41.18%）比Desplanques等[17]报道的下降幅度小，这是因为所使用的黄原胶性质不同。较低温度时，黄原胶分子呈现螺旋状结构，三糖支链以反向方式缠绕主链骨架，通过氢键维持棒状双螺旋结构，双螺旋的黄原胶之间以非共价键结合形成复合体，表现出高黏度[18]。温度升高时黄原胶分子由双螺旋结构变为无规则线团结构，使黏度迅速下降。

2.6 黄原胶的丙酮酸质量分数和黏均分子质量

经测定得，黄原胶丙酮酸质量分数为6.35%。黏均分子质量为5.7×106D。丙酮酸质量分数对黄原胶的黏度有明显影响，质量浓度为10.0 g/L的高丙酮酸黄原胶（丙酮酸质量分数为5.29%）比普通黄原胶（丙酮酸质量分数为4.74%）的黏度高16.5%[19-20]。在丙酮酸质量分数高于0.31%的黄原胶添加钾离子增加黄原胶的黏度[21]。本实验中黄原胶的丙酮酸质量分数为6.35%，是目前文献[22]中最接近黄原胶中饱和丙酮酸质量分数（8.69%）的报道，也符合丙酮酸质量分数高的黄原胶黏度高的结果，这与聚合物黏度理论相符合[23]。

2.7 黄原胶的假塑性流体参数计算

图6 黄原胶的假塑性流体参数Fig.6 Pseudo-plastic fluid parameters of xanthan

质量浓度为1.0 g/L和5.0 g/L的黄原胶的稠度系数和流体指数的计算结果见图6。黄原胶的稠度系数由1.0 g/L时的26.94上升到5.0 g/L的489.65，流体指数则由0.765 5下降到0.328 1。

3 结 论

本研究报道了一株高产黄原胶的野油菜黄单胞菌在100 mL装液量的摇瓶中发酵时黄原胶产量达到28.4 g/L。通过分析该黄原胶黏度随黄原胶质量浓度、pH值、氯化钠质量浓度、温度的变化，以及该黄原胶的流变性、丙酮酸质量分数和黏均分子质量，表明本研究采用的菌株具有良好的黄原胶生产潜力。

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Properties of Xanthan from Xanthomonas campestris

ZHANG Jian-guo, HUANG Xun-juan
(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A strain of Xanthomonas campestris was screened and cultured for the production of xanthan. Effects of xanthan concentration, pH, sodium chloride content and temperature on viscosities were determined. Rheological behaviors, pyruvate content, and molecular weight of xanthan were investigated for further application. The strain produced 28.4 g/L xanthan. The viscosity of xanthan increased rapidly when the concentration was higher than 4.0 g/L, but remained stable in the pH range of 3.0-10.0. The viscosity of 1.0 g/L xanthan was increased by 20% in response to an increase in NaCl concentration from 10 to 70 g/L, but showed a decrease at high temperature (higher than 35 ℃). The xanthan contained 6.35% pyruvate and had a viscosity-average molecular weight of 5.7 × 106D. Coeff cient and f uidity index of the xanthan prepared from Xanthomonas campestris at different concentrations were 26.94 and 0.765 5 for 1.0 g/L, and 489.65 and 0.328 1 for 5.0 g/L, respectively. In conclusion, this strain of Xanthomonas campestris has tremendous application potential.

Xanthomonas campestris; xanthan; viscosity; pseudo-plastic f uid; pyruvate content

TS202

A

1002-6630（2014）23-0029-04

10.7506/spkx1002-6630-201423006

2014-01-12

国家自然科学基金青年科学基金项目（21306112）；上海市自然科学基金项目（13ZR1429100）

张建国（1978—），男，副教授，博士，研究方向为食品与微生物工程。E-mail：jgzhang@usst.edu.cn