微生物多糖工业化研究进展_黄汉武

透明质酸的发酵法生产还处于基础研究和起步阶段，应大力开 振动材料，巴西生物工程工业公司开发的 ＢＣ 伤口敷料产品
发微生物发酵法生产透明质酸新技术，选择高产率的优良菌 等。我国在该领域的研究相对起步较晚，对其研究尚处于初级
种，加快发酵法的产业化，以满足国内日益增长的市场需求。
阶段，大部分集中在食品、食品添加剂和造纸应用等方面，在生
【关键词】 微生物多糖；工业化；应用研究工程
【中图分类号】ＴＳ２０１ 【文献标识码】 A
【文章编号】 ２０９５－ ３５１８（２０１２）０５－１９－０２
１ 前言
微生物多糖是细菌、真菌和蓝藻等微生物在代谢过程中产 生的对微生物有保护作用的一类生物高聚物［１］，其作为胶凝剂、 成膜剂、保鲜剂、乳化剂等，广泛应用于食品、制药、石油和化工 等多个领域。微生物多糖生产周期短， 不受气候和地理环境条 件的限制， 可以在人工控制条件下利用各种废渣、废液进行生 产。据统计，已发现 ４９ 属 ７６ 种微生物能产生胞外多糖，但真正 有应用价值并已进行或接近工业化生产的仅十几种。这些具有 科学意义和商业价值的多糖包括：黄原胶（Ｘａｎｔｈａｎ ｇｕｍ）、结 冷胶（Ｇｅｌｌａｎ Ｇｕｍ）、短梗霉多糖（Ｐｕｌｌｕ１ａｎ）、右旋糖酐（Ｄｅｘ－ ｔｒａｎ）、凝 胶 多 糖（Ｃｕｒｄｌａｎ）、海 藻 糖（Ｔｒｅｈａ１ｏｓｅ）、透 明 质 酸 （Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ）和细菌纤维素（Ｂａｃｔｅｒｉａｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）等。我国自 ２０ 世纪 ７０ 年代起陆续对黄原胶、透明质酸、结冷胶、细菌纤维素 等进行了研究，特别是黄原胶的生产及商业化已在国内外市场 具有相当的影响。在此对这几种极具商业价值的微生物多糖产 业化研究现状及应用作一简单的介绍。
【作 者 简 介】黄汉武（１ ９ ６ ７ －），男，广西田东人，研究方向：食品工程 。
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扩散及运转，以及促进创伤愈合等作用。目前在化妆品工业、医 化生产，美国的 ＣＰ－ Ｋｅｌｃｏ 公司是全球领先的水溶性胶体生产
学研究、临床治疗等领域有着广泛应用［３］。
商，同时拥有结冷胶、威兰胶等多个产品的生产技术。我国在该
工艺研究，主要涉及发酵条件优化、从高黏度发酵液中提取微 取工艺，降低生产成本，开发不同规格的产品系列，满足多元化
生物多糖的有效方法等；三是结构、性质与应用方面的研究，包 括多糖侧链结构的解析，结冷胶、威兰胶水溶液流变学性质的
市场需求，具有积极的现实意义。可以预见在不久的将来，微生 物多糖的产业化研究和商品化利用会取得更大进展，为国民经
２ 黄原胶
黄原胶是 １９５２ 年由美国农业部北部地区实验室的科学家 在野游菜黄单胞菌（Ｘａｎｔｈｏｍｏｎａｓ ｃａｍｐｅｓｔｒｉｓ）的纯种培养液中 首先发现的。黄原胶的“五糖重复单元”主链由 ２ 个 Ｄ－ 葡萄糖 分子经 β－ １，４－ 糖苷键连接而成，每 ２ 个葡萄糖中的一个 Ｃ３ 上连接有一个由 ２ 个甘聚糖和 １ 个葡萄糖醛酸组成的三糖侧 链［２］。黄原胶独特的分子结构赋予了它众多卓越的理化性能，如 良好的增稠性、触变性、乳化性、假塑性等，在食品、轻工、医药、 纺织、化妆品、石油开采和消防等领域得到了非常广泛的应用， 其中最主要的用途在于食品工业（约占 ４５％）和油田化学品工 业（３０％－ ４０％）中，黄原胶成为迄今为止开发最成功的生物高 分子之一。 ２．１ 黄原胶基础研究现状
３．１ ＨＡ 基础研究现状
领域的研究起步较晚，基本处于实验室研究阶段，生产水平与
目前国内外对 ＨＡ 的研究主要集中在以下几方面：一是对 国外存在一定的差距，尤其是应用开发方面的研究鲜有报道。
ＨＡ 生产菌株改良，尤其是通过基因工程手段构建更安全、更高 从 ２０ 世纪 ９０ 年代开始，南开大学、山东大学、南京工业大学、
目前结冷胶、威兰胶和鼠李胶均已通过发酵法实现了商业
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ÁÂÇÃÈÄÅÆÉÈÇÁÅÉÁÆÂÇÃÄÈÁÉ表３乙酰丙酸对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响
从表 ４ 可知，３ 种弱酸共存时，木糖醇浓度、发酵残留木糖 浓度、菌体浓度与 ３ ｇ·Ｌ－ １ 乙酸、甲酸、乙酰丙酸发酵相比，实验 结果趋于三者的平均值，说明水解液中的弱酸之间基本没有交 互作用，呈现累加效应。
水平已达到 ６－ ７ ｇ／Ｌ，而我国从 ２０ 世纪 ８０ 年代起研究 ＨＡ 的 国际上的研究热点［６］。
分离纯化及临床应用，由山东省生物药物研究所开始进行 ＨＡ
虽然早在 １８８６ 年就报道了木醋杆菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｘｙｌｉｎｕｓ）可
发酵研究，９０ 年代初已有 ＨＡ 制剂作为新药上市，生产方法由 以分泌 ＢＣ，但其工业化应用直到 １００ 年后才得以实现。今天
ÁÆÇÈÃÄÅÂÁÃÄÉÆÅÇÂÁÃÈÄÇÉÂÅÁÉÆÇÂÃÄÅÁ以上通过对弱酸类（乙酸、甲酸和乙酰丙酸）副产物对发酵
３．广西南宁智天生物科技有限公司，广西 南宁 ５３０００５）
【摘 要】 微生物多糖是微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的高聚物，其在食品、制药、石油和化工等许多工
业领域具有广泛的应用价值。根据已有文献报道，对黄原胶、透明质酸、结冷胶、细菌纤维素等几种极具商业价值的微生物多糖工业
化研究现状及应用作了综述性介绍。
研究，结冷胶类多糖的应用开发主要集中在食品、混凝土和石 济和社会发展作出更大贡献。
油工业中，另外也有一些关于化工、医药（如可作为灭虫剂的黏
合剂、肥料悬浮剂以及药物缓释控制剂等）方面应用的报道。
参考文献
４．２ 结冷胶类多糖产业化研究现状
［１］Ａｎｎａｒｉｔａ Ｐ， Ｇｉａｎｌｕｃａ Ａ， Ｂａｒｂａｒａ Ｎ． Ｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｅｘｏｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ
黄原胶是研究得比较全面的一类微生物多糖，基础理论部
分包括黄原胶代谢途径、关键酶基因、发酵过程建模以及应用 基础研究等方面。生产工艺内容涉及高产菌株选育、发酵条件 优化、生物反应器、黄原胶降解性能评价以及分离提取工艺等， 通过以上研究有效地提高了黄原胶的产量和质量。目前国内的 研究主要集中在培养基配方和工艺改进方面，而国外的研究热 点则为黄原胶的发酵动力学和代谢网络分析。目前黄原胶工业 化生产技术日趋完善，尤其是生物技术的发展使黄原胶的发酵 产率、糖转化率、发酵液胶浓度等指标大大提高，发酵周期大大 缩短。目前世界上黄原胶生产最高水平已达到：５０ ｍ３ 单罐发酵 年产量 ２００－ ２４０ 吨；淀粉投料浓度由 ４％－ ５％提高到 ７％－ ８％； 黄原胶浓度已接近 ５％；原料多糖转化率接近 ７０％；发酵周期 由 ７２－ ９６ｈ 缩短为 ４８－ ５２ｈ。 ２．２ 黄原胶产业化现状
国外自 ２０ 世纪 ７０ 年代开始研究利用发酵法生产 ＨＡ，日 高结晶度、高持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模
本资生堂在 ２０ 世纪 ８０ 年代实现了发酵法生产 ＨＡ 的工业化， 量等特性，使 ＢＣ 在医用材料、造纸业、纺织业、食品工业等领
并将 ＨＡ 成功应用于其生产的各种化妆品中，目前国际上发酵 域显示出良好的应用前景，引起了国内外的广泛关注，已成为
效的 ＨＡ 工程菌株，解决传统上采用链球菌野生菌作为生产菌 江南大学等研究单位开始从事结冷胶菌种的选育、发酵工艺研
株可能会产生外毒素、引发炎症反应等安全风险问题，及其难 究，以及威兰胶的生产工艺、生物合成途径分析等方面相关研
以培养或发酵成本高的难题；二是对 ＨＡ 发酵条件和代谢调控 究工作，浙江中肯生物科技有限公司、浙江天伟生化工程有限
的研究，由于链球菌缺乏成熟的基因操作技术，对现有优良 ＨＡ 公司、河北鑫合生物化工有限公司具有年产百吨级结冷胶的生
生产菌株进行代谢工程改造，优化 ＨＡ 合成代谢通路，是一条 产规模。
提高 ＨＡ 产量、降低发酵成本、提高发酵产物品质的更切实可
行的途径；三是对透明质酸合成酶合成及调控 ＨＡ 的机理研 ５ 细菌纤维素
关于结冷胶类多糖的研究包括以下三方面：一是合成过程 年增长量均在 １０％以上，特别是一些新型多糖年增长量在
的理论研究，包括多糖核苷酸前体合成途径及关键酶，合成酶 ３０％以上。因此，在现有基础上更广泛的开展微生物多糖应用
基因簇，聚合分泌模型，以及发酵过程动力学建模等；二是生产 基础的研究，拓展其应用领域；根据不同用途，研究下游分离提
浮或形成凝胶、薄膜和隔膜的能力，此外结冷胶类多糖来源于
自然界，既有很好的生物相容性又可被生物降解，因此可广泛 用于食品、石油、水泥以及涂料等行业［４，５］。
６ 展望
目前，全世界微生物多糖年需求量约为（８０－ １００）万吨，工
４．１ 结冷胶类多糖基础研究现状
业年产值可达（５０－ １００）亿美元。世界上微生物多糖的产量和
究，调节发酵产物中不同分子量 ＨＡ 的生物合成；四是 ＨＡ 及
细菌纤维素（ｂａｃｔｅｒｉａ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ， ＢＣ）与植物纤维素（ｐｌａｎｔ
ＨＡ 衍生物的应用研究。
ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，ＰＣ） 一样都是由吡喃型葡萄糖残基通过 β－ １，４－ 葡
３．２ ＨＡ 生物合成产业化研究现状
萄糖苷键连接而成的直链，又称 β－ １，４－ 葡聚糖。由于其具有
物医用材料上的开发应用报道较少。ＢＣ 应用的主要技术障碍
４ 结冷胶类多糖
是发酵水平较低，生产成本较高。以 Ａｊｉｎｏｍｏｔｏ 公司的 ＢＣ 产品
结冷胶类多糖包括结冷胶、威兰胶、鼠李糖胶等 ７ 个成员， 为例，其干制品售价为 １６０ 美元 ／ｋｇ，该价格是现有木材纤维素
它们具有高度一致的四糖重复单元主链结构，即 Ｄ－ 葡萄糖、 和棉纤维素的 １００ 多倍。通过菌种选育和发酵工艺改进，ＢＣ 干
Ｄ－ 葡糖醛酸、Ｄ－ 葡萄糖和 Ｌ－ 鼠李糖，只是侧链基团数目和位 制品价格可望降到 １１－ ２２ 美元 ／ｋｇ，但仍比较昂贵。基于这个
置有些细微有区别。结冷胶类多糖最重要的性质在于能够改变 原因，目前 ＢＣ 的应用主要集中在附加值较高的领域，如高级
周围含水环境的性质，即具有稠化、乳化、稳定、絮凝、膨胀、悬 功能纸和生物医用材料等。
３ 透明质酸
透明质酸（ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ，ＨＡ）是一种酸性黏多糖，是由 Ｎ－ 乙 酰 葡 萄 糖 胺 和 葡 萄 糖 醛 酸 通 过 β－ １，４－ 糖 苷 键 和 β－ １，３－ 糖苷键反复交替连接而成的一种直链多糖。ＨＡ 具有 较强的黏度和保水作用，在有机体内显示多种重要的生理功 能，如润滑关节，调节血管壁通透性，调节水、蛋白质、电解质的
提取法发展为微生物发酵法。我国的 ＨＡ 年产量在 ２ 吨左右， ＢＣ 产业在食品、造纸、医用材料、声音振动膜等领域已进入实
主要由山东福瑞达、曲阜市广龙生物制品厂等几家单位通过发 用化阶段，在日本、美国等发达国家已初步形成年产值上亿美
酵法生产，总体规模较小，远远不能满足市场需求。因此，我国 元的市场。例如，日本 Ｓｏｎｙ 和 Ａｊｉｎｏｍｏｔｏ 公司携手生产的音响
２０１２ 年 ５ 月 第 ５ 期（总第 １６２ 期）
轻工科技
ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
食品与生物
微生物多糖工业化研究进展
黄汉武 １，曾 伟 ２，陈桂光 ３
（１．广西百色市民族工业中等专业学校，广西 百色 ５３３０００；２．广西大学生命科学与技术学院，广西 南宁 ５３０００４；
黄原胶自 １９６１ 年由美国 ＣＰ－ Ｋｅｌｃｏ 公司投入工业化生产 以来发展迅速，目前已有十多个国家和地区生产黄原胶，主要 生 产 厂 家 有 美 国 ＣＰ－ Ｋｅｌｃｏ 公 司 、Ｐｆｉｚｅｒ 公 司 ， 法 国 Ｒｈｏｎｅ－ Ｐｏｕｌｅｎｅ 公司、Ｎｅｒｏ－ Ｒｏｕｓｓｅｌ－ ｏｔｓａｔｉａ 公司，另有 Ｍｉｌｅｓ 公司、ＡＤＭ 公司等，美国 ＣＰ－ Ｋｅｌｃｏ 以及中国山东中轩股份有 限公司和中国山东阜丰集团位列全球黄原胶生产商的前三位。 目前关于黄原胶生产国外厂家和国内厂家有很大差异，国内厂 家有很大的成本优势，而国外企业在成本压力下，纷纷停止生 产，转向从我国进口黄原胶。因此我国是黄原胶的主要生产国， 全球市场份额接近 ５０％。我国的黄原胶企业生产基地集中在山 东，此外，河南、天津、上海等地都有黄原胶生产线，目前我国黄 原胶产量已超过 ５ 万吨 ／ 年。