以甘油为底物发酵生产黄原胶及其特性和应用研究

1、以甘油为底物发酵生产黄原胶及其特性和应用研究黄原胶的安全性、稳定性、悬浮性、乳化性、假塑性和增稠性使其作为一种工业味精”被应用于食品、医药、纺织、农业和石油开采等众多领域。黄原胶 生产以玉米淀粉为主要原料 , 随着全球人口不断增加和世界范围内粮食短缺 , 国 内外许多学者都在研究采用工农业产品副产物来代替玉米淀粉实现黄原胶生产。甘油是生物柴油酯交换生产过程中不可避免的一种副产物 ,随着生物柴油产业的发展而产量巨大。微生物转化法条件温和、简单、易操作等特点 ,使甘油在发酵领域的应用受到广泛关注。如果甘油可以被用于黄原胶生产 , 将为缓解全球粮食危机做出巨大贡献。本 文以Xanthomonas c

2、ampestris NRRLB-1459为出发菌株,经驯化得到了一株可以利用甘油发酵生产黄原胶的驯化株 X.campestris CCTCC M2015714,且首次从基因水平对野油菜黄单胞菌中与黄原胶合成相关的甘油代谢基因进行了研究。经继续驯化，驯化株对甘油耐受能力提高到了 100 g L1,并采用多阶段控制流加甘油发酵策略,使黄原胶产量(33.9 g L-1)和发酵周期(60 h)与当前以淀粉为原料黄原胶工业生产水平相当。同时 , 对驯化株以甘油为底物发酵得到黄原 胶的分子特性、结构特征、流变学特性和潜在应用进行了研究。主要研究结果如下： 以X.campestris NRRLB-1459为

3、出发菌,经驯化得到了一株可以利用甘油发酵生产黄原胶的优良菌株 X.campestris CCTCC M2015714。采用RT-PCM驯化株和原始菌中甘油代谢相关基因研究发现 ：原始菌中甘油代谢相关基因 (glp F 、glp K 、glp D 和 fbp) 相对转录水平均为 1.0, 而驯化株中相 关基因相对转录水平均高于1.0,依次为:glp D(4.76)>glp F(3.36)>glpK(3.05)>fbp(2.53), 说明甘油代谢相关基因的增强表达是驯化株能够利用甘 油生长并合成黄原胶的可能原因。通过在培养基中添加5 g L-1蔗糖或葡萄糖做启动物质，X.camp

4、estrisCCTCC M201571菌体生长时间从36 h缩短至24 h,黄原胶产量从11.0 g - L-1增加到12.5 g L-1。此外,实验所用粗甘油中钠盐、甲醇、灰分等杂质对X.cam pestris CCTCC M2015714生产性能基本无影响。经继续驯化,X.campestris CCTCC M2015714对甘油耐受能力提高到了 100g L-1,且其体内甘油代谢相关基因的表达进一步增强,依次为glpD(8.56)>glpF(7.73)>glpK(6.48)>fbp(5.31) 。采用多阶段控制流加 甘油发酵策略：低的初始甘油浓度(40g L1)、变搅拌转

5、速和变通气量(024 h,0.5 vvm和 200 rpm;2460 h,1.0 vvm和 400 rpm)以及变速流加甘油(2434 h,3 g L-1 h-1;3444 h,2 g L-1 - h-1;4454 h,1g - L-1 h-1),不仅解除了底物浓度对驯化株生长抑制，还维持了黄原胶合成过程中高 C/N,使黄原胶产量达到 33.9 g L1,发酵周期缩短为60 h,这一生产能力与当前以淀粉为原料黄原胶工业生产水平相当，且33.9 g L-1是目前报道以甘油为底物发酵生产黄原胶的最高产量。(3)X.campestris CCTCC M2015714 以甘油为底物发酵得到的胞外多糖中

6、只 含有葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸 , 且三种单糖摩尔比为 2.0：1.65：1.0, 这一比 例与商品级黄原胶 (2.0：1.85：1.0) 十分接近。此外 ,甘油产胞外多糖的红外光谱和核磁共振图谱与商品级黄原胶相吻合。上述结果说明驯化株以甘油为底物发酵得到的胞外多糖是黄原胶。 新型黄原 胶分子量(3.0 X 106 Da)是商品级黄原胶(6.4 X 106 Da)半左右，1.0%(w/v)新型黄原胶溶液稠度系数 (1.7958) 不足商品级黄原胶 (21.0842) 十分之一,但其流态 特性指数 (0.235) 小于 1.0, 说明其仍是假塑性流体。原子力显微镜结果显示 :新型黄原胶在水中

7、形成不连续、 间断结构 ,而商品级黄原胶在水中形成蜂窝形网状结构。同时 , 扫描电子显微镜和差示量热扫描仪结 果显示:新型黄原胶空间结构纤细且松散 , 而商品级黄原胶空间结构致密、杆状。(4) 新型黄原胶的低粘度可以提高发酵液中色素、菌体细胞和不溶性杂质等 去除率而提高透明性 , 新型黄原胶透光率达到 95%,商品级黄原胶透光率为 80%左右;新型黄原胶的低粘度和低分子量可以加速水分子与其结合速度 ,使其水化速率快于商品级黄原胶 ; 新型黄原胶与商品级黄原胶溶液粘度随胶浓度增加而增大 且两者均对P H、温度和盐稳定；当盐浓度低于0.5 g L-1时，新型黄原胶的低粘度和低分子量使盐离子可以通过

8、中和黄原胶侧链上羧基所带负电荷 ,减小黄原胶分子间静电排斥作用而增大溶液粘度 , 且二价盐离子还可在黄原胶分子间形成盐桥”而使溶液粘度增大效果强于一价盐离子 ； 新型黄原胶的丙酮酸含量 (5.2%)高于商品级黄原胶(4.1%),这使新型黄原胶在-20 C反复冻融处理过程中分子间交联作用增强而增大溶液粘度 ,且冻融处理 3次之后溶液粘度趋于稳定。(5)新型黄原胶的低粘度可以增加在食品中添加量 , 使其成为一种具有潜在作为膳食纤维 功能可能性的微生物多糖。对新型黄原胶潜在应用研究发现 : 新型黄原胶对不饱和脂肪和饱和脂肪吸附 量为 2.15 0.26 g g-1 和 2.08 0.21 g - g-1;阳离子交换能力 1.15 0.08 mmolg-1;在1 h时间内对CuCd和Pb三种重金属离子吸附去除率均超过 50%,4 h时吸附去除效果达到75%对胆固醇最大吸附量为12.36 mg g-1(p H 2.0)和 11.72 mg- g-1(p H 7.0);对胆酸钠吸附量与胆酸钠浓度