第15章 糖类物质的发酵生产

2．黄原胶的工业化生产
黄原胶生产工艺已较为成熟，底物转化率 达60％~80％，国外一些杂志称其为“基 准产品”，将其他发碑产品的产率与之对 比定位。
黄原胶生产工艺流程
（1）菌株：野油菜黄单胞菌，是甘蓝、紫 花苜蓿等一大批植物的致病菌株，直杆状， 宽0.4µm~0.7µm，有单个鞭毛，可移动， 革兰氏阴性，好氧。另外，黄单胞菌属的大 豆斑疹黄单胞杆菌、棉花角斑黄单胞菌亦可 发酵生产黄原胶。 （2）发酵工艺：受培养基组成、培养条件 (温度、pH、溶氧量等)、反应器类型、操作 方式（连续式或间歇式）等多方面因素的影 响。
1896年，发现制糖中产生的粘液真正成分 是葡聚糖，因它溶于水，且具有强烈的右 旋性，故称为右旋糖酐。 1961年，确定了多糖中具有对噬细胞活性 有影响的活性成分为右旋糖酐，之后国内 外开始了对有旋糖酐的生物活性和结构关 系的大量研究。 1984年，右旋糖酐制成代血浆，获得专利， 以后这种代血浆在欧洲和美洲等地逐渐发 展成为工业化生产。
常用培养基是YM培养基以及YM-T培养基。 碳源（一般为葡萄糖或蔗糖）的最佳浓度为 3%~5％，过大或过小都会降低黄原胶的产 量； 氮源可用有机化合物、无机化合物。 K2HPO4、CaCO3对发酵有一定促进作用， Fe3+、Mn2+等微量元素以及谷氨酸、柠檬 酸、延胡索酸也促进黄原胶的合成。
发酵温度不仅影响黄原胶的产率，还能改 变产品的结构组成。 较高温度可提高黄原胶的产量，但降低了 产品中丙酮酸的含量。因此，提高黄原胶 产量，温度为31℃~33℃，增加丙酮酸含量 温度为27~31℃。 pH中性最适于黄原胶生产，随着产品的产 出，酸性基团增多，pH降至5左右。 控制反应中的pH对菌体生长有利，但对黄 原胶的生产没有显著影响。 一般要多级通气发酵，需高速搅拌。搅拌 速率200rpm~300rpm，空气流流量 0.9:1~1.1:1。
2．右旋糖酐的结构及理化性质
右旋糖酐主要是由D-吡喃式葡萄糖以α-1,6 键相连接，形成长长的直链分子，也有以α1,2、α-1,3、α-1,4键相连接形成支链。 随着微生物种类及生长条件的不同，右旋糖 酐的分子结构也有所差别。 右旋糖酐分为直链和支链两种构型。 一般说的直链构型是指主链中有92％~97％ 的α-1,6键，而支链[α-D-（1→2）、α-D（1→3）]则仅占极小比例。
（3）黄原胶的分离和提取：发酵液加适量 硅藻土后快速搅拌，减压过滤，然后超滤 浓缩，再加适量酒精沉淀和用适量酒精洗 涤凝胶状黄原胶，在60℃烘干，粉碎，过 80目筛得黄原胶成品。 发酵液沉淀的方法还有钙盐沉淀法及PEG 沉淀法等。
3．黄原胶的应用
黄原胶由于其独特的性质，在食品、石油、 医药、日用化工等十几个领域有着极其广 泛的应用。 （1）食品行业：稳定剂、乳化剂、悬浮剂、 增稠剂和加工辅助剂。 可控制产品的流变性、结构、风味及外观 形态，有假塑性又可保证良好口感。 是食品添加剂中最有效的抗癌剂。
低聚果糖具有良好抗腐蚀性，食后不被人 体消化，可促进肠道双歧杆菌生长。 实验表明，食用低聚果糖3~5g/d，肠道双 歧杆曲可增加5倍~10倍。
2．低聚异麦芽糖Leabharlann Baidu
又名分支低聚糖或异麦芽寡糖，含有异麦 芽糖、异麦芽三糖、潘糖(6-α-葡萄糖基麦 芽糖)以及异麦芽四糖、五糖和以上分支低 聚糖等。 目前生产大致有两种途径： （1）糖化酶对葡萄糖的逆合反应：糖化酶 在高浓度葡萄糖溶液中极易发生逆合作用， 将葡萄糠合成为异麦芽糖和麦芽糖等低聚 糖。
15.2 黄原胶生产
1．黄原胶的结构和特性 又名黄单胞菌多糖、黄单胞菌胶、汉生胶、 甘蓝黑腐病黄单胞菌胶，是微生物中产量 最大的一种中性胞外水溶性粘多糖，20世 纪50年代，美国农业部北方研究室Jeanes 等人从野油菜黄单胞菌NRRLB-1459中发 现。
黄原胶由五糖单位重复构成，由以β-1,4糖苷 键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成 其侧链：甘露糖-葡萄糖-甘露糖，与主链相连 的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘 露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而 中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，相对 分子质量一般在2×106~2×l07之间。 黄原胶拥有规则的一级结构，还拥有二级结 构，经X射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶 分子间靠氢键作用形成规则的螺旋结构。双 螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状 立体结构，即黄原胶的三级结构，它在水溶 液中以晶体形式存在。
15.3 低聚糖生产
糖类根据相对分子质量不同，分为低聚糖 (2~10个单糖)、大糖类(11~99个单糖)和多 糖类(100个单糖以上)。 低聚糖种类繁多，已达1500多种，目前在 国际市场上比较引人注目的是新型功能性 低聚糖，如低聚异麦芽糖、低聚半乳糖、 低聚果糖、低聚木糖、低聚龙胆糖、蔗糖 低聚糖、大豆低聚糖等。
黄原胶的结构重复单位
黄原胶外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很 强，没有任何毒副作用，美国FDA 1969年批 准可将其作为不限量的食品添加剂，1980年， 欧洲经济共同体也批难将其作为食品乳化剂和 稳定剂。 由其二级结构决定，黄原胶具有很强的耐酸、 碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其 控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时 也可形成高粘度的、典型的非牛顿溶液，具有 明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观 粘度迅速降低)。溶质浓度、温度(黄原胶的溶 解温度、测量时的溶液温度)、盐浓度、pH等 影响黄原胶溶液的粘度。
第15章 糖类物质的发酵生产
糖类俗称碳水化合物。分为单糖、双糖和 多糖三大类。 糖类是组成人体细胞不可缺少的成分，是 提供热能的主要物质，约供给人体每天所 需总热能的60％~70％，有时可超过80％。 糖类药物广义上指含有糖骨架的所有药物， 包括寡糖、多糖、糖的衍生物。
20世纪50年代，微生物发酵产生的糖类由于 具有无毒，生产周期短，不受其他外界条件 影响，可生物降解，公害少，有特殊的生物 活性等优点而引起了人们的注意。 20世纪末，利用微生物发酵法生产糖类药物 成为高科技发展的新领域，如细菌多糖中的 右旋糖酐、黄原胶、透明质酸、普鲁兰和真 菌多糖中的香菇多糖、茯苓多糖等。 这些糖类具有很强的兔疫性、抗病毒等多种 多样的生物医学功能，在医药、石油、化工、 食品、保健等行业越来越受到重视，应用范 围不断扩大。
常用的低聚糖的结构和用途
1．低聚果糖
又称寡果糖或蔗果三糖族低聚糖，分子式 为：(G-F-)n (n=1~3，G-F为蔗糖，F为果 糖)，由蔗糖和1~3个果糖通过β-2,1键与蔗 糖中的果糖基结合而成的。 它是利用微生物或植物中具有果糖转移活 性的蔗糖酶和果糖苷酶作用于蔗糖而得到 的：G-F（蔗糖）→G（葡萄糖）+ G-F （蔗糖）+ G-F-F（蔗果三糖）+ G-F-F-F （蔗果四糖）+ G-F-F-F-F（蔗果五糖）
右旋糖酐的几种类型
3．右旋糖酐的生产
（1）生产菌种：用于生产的大都为肠膜明 串珠菌。采油工业用右旋糖酐产生菌有夹膜 醋酸杆菌和粘稠醋酸杆菌等。右旋糖酐生产 菌还有淡黄青霉、巨大芽孢杆菌、双叉乳杆 菌、枯草芽孢杆菌等。 （2）生产工艺：工业上主要以微生物发酵 法生产右旋糖酐。菌种是肠膜明串珠菌，培 养基以高浓度蔗糖为主，加少量蛋白胨和酵 母粉及适量无机盐类。培养需氧量低，发酵 温度25℃~28℃，培养16h~20 h。
（2）食品工业：在饮料和糕点制作中，右 旋糖酐主要充当稳定、保湿、增稠和增量 剂；在浓糖浆或糖果的制造中，能够阻碍 蔗糖的结晶。 （3）石油等工业：可作油井钻泥添加剂， 加2％左右的右旋糖酐能刚止水分损失，有 利于在井壁上形成薄层，且效果优于淀粉 和羧甲基纤维素；在金属选矿中也有很重 要应用价值。
低聚果糖生产用菌株为黑曲霉。 以蔗糖为基质发酵生产时，当蔗糖浓度低于 0.5％，倾向于水解反应，主要生成葡萄糖 和果糖；当蔗糖浓度提高到50％时，只有转 移反应而不发生水解反应，低聚果糖收率可 超过60％。 将该菌在28℃含有5％~10％蔗糖培养基中 振荡培养四天，生产具有果糖转移酶活性的 菌体，这些菌体可以直接使用，也可将酶固 定化后使用。
3．低聚糖的生理学功能
（1）促进机体肠道内有益菌的增殖：低聚 糖由于其分子间结合位置及综合类型的特殊 性，从而使它不被单胃动物自身分泌的消化 酶吸收。 但它进入肠道后可作为营养物质被动物肠道 内固定的有益菌消化利用，从而使有益菌大 量增生，起到了有益菌增殖因子的作用。
15.1 右旋糖酐生产
1．右旋糖酐及其发展概况 右族糖酐是葡萄糖的聚合物——葡萄糖单 元经脱水所所构成的高分子多糖化合物， 又名葡聚糖，分子式为(C6H10O5)n。 自然界中，右旋糖酐广泛存在于微生物以 及微生物所分泌的粘液中，是构成细胞壁 的重要组成部分。 其中，肠膜明串珠菌、夹膜醋酸菌等在一 定条件下都可产生右旋糖酐。
55％~60％溶液中每1g基质添加2~5U果糖转 移酶，60℃反应24h，反应后的糖组成为： 葡萄糖36％~38％、蔗糖l0％~12％、蔗果三 糖21％~28％、蔗果四糖21％~24％、蔗果 五糖3％~6％、低聚果糖55％~60％。 葡萄糖是该酶促反应副产物，它既是一种平 衡产物又是酶抑制物，它的生成阻碍了蔗糖 进一步转化。 若能消除产物中的葡萄糖，则可增加产物中 低聚果糖含量。利用过氧化氢酶与葡萄糖氧 化酶的协同作用，可消除该反应中产生的葡 萄糖，从而得到高纯度的低聚果糖。
右旋糖酐是一种白色、无嗅、无味、无定型 的固体粉末；能溶于水，形成一种白色半透 明的粘稠溶液，不溶于甲醇、乙醇、乙醚、 丙酮等有机溶剂；具有强烈的右旋性， [α]20D＝＋180°~l 200°，呈电中性。 在常温下或中性溶液中可稳定存在，加热后 变为棕色块状物或分解，碱性溶液中其端基 易被氧化，遇酸则水解，经异麦芽三糖、异 麦芽二糖，最终生成葡萄糖。 其溶液与氢氧化钠和硫酸铜溶液反应，生成 浅蓝色沉淀。
发酵滤液用40％的酒精沉淀得粗酐，然后将 粗酐溶于水，加酸水解，水解液用碱中和， 加硅藻土、活性炭脱色压滤，滤液加酒精逐 级沉淀，得到的沉淀右旋糖酐再溶于水，进 入离子交换器除去阴、阳离子，减压浓缩除 去酒精，喷雾干燥制成右旋糖酐产品。 右旋糖酐理论产率约为蔗糖的47％，实际生 产中仅为20％~30％。 不同相对分子质量的右旋糖酐，在不同浓度 的乙醇——水溶液中的溶解度也不一样，相 对分子质量愈大，溶解度愈小。根据此特性， 进行划分处理，可分别得到中、低、小等不 同相对分子质量的右旋糖酐产品。
（2）α-D-葡萄糖苷酶对麦芽糖的转苷反应： 嗜热 脂肪芽孢杆菌产生的新普鲁兰酶具有很强的α(1,6)-转苷基作用，麦芽糖在其作用下水解，生成2 分子的葡萄糖，新普鲁兰酶将游离出的1分子葡萄 糖残基转移到另一葡萄糖分子上，经α-(1,6)-糖苷 键连接生成异麦芽糖，若转移到1分子麦芽糖上， 则生成潘糖。
4．右旅糖酐的应用
（1）医药工业：右旋糖酐主要用作代血浆； 与铁或钙制成复合物供缺铁或缺钙的病人 服用；中相对分子质量右旋糖酐的排出较 慢，作用时间可达6h，是外伤、大量失血 时的急救用药；小分子及低分子右旋糖酐 能改善体内微循环，消除血管内红细胞聚 集，防止血栓形成及渗透利尿。 目前医药上用的右旋糖酐有中相对分子质 量(70000)的右旋糖酐和低相对分子质量 (40000)的右旋糖酐两种。
（2）医药行业：是目前国际上炙手可热的 微胶囊药物囊材中的功能组分，在控制药 物缓释方面发挥重要作用。 有许多医疗操作方面的应用：形成致密水 膜，避免皮肤感染；减轻病人放射治疗后 的口渴等。
（3）石油化工行业： 由于其强假塑性，低浓度黄原胶(0.5%)溶 液就可保持钻井液的粘度，并控制其流变 性能，在高速转动的钻头部位粘度极小， 节省了动力，在相对静止的钻孔部位却保 持高粘度，从而防止井壁坍塌； 由于其优良的抗盐性和耐热性，广泛应用 于海洋、高盐层区等特殊环境下的钻井， 并可用作采油驱油剂，减少死油区，提高 采油率。