1.5    黃原膠
1.5.1    概況
黃原膠(Xamthan Gum)別名漢生膠，又稱黃單胞多糖，是國際上70年代發展起來的新型發酵產品。它是由甘蘭黑腐病黃單胞細菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物為主要原料，經通風發酵、分離提純后得到的一種微生物高分子酸性胞外雜多糖。其作為新型優良的天然食品添加劑用途越來越廣泛。
    國際上，黃原膠開發及應用最早的是美國。美國農業部北方地區Peoria實驗室于60年代初首先用微生物發酵法獲得黃原膠。1964年，美國Merck公司Keco分部在世界上首先實現了黃原膠的工業化生產。1979年世界黃原膠總產量為2000t，1990年達4000t以上。在美國，黃原膠年產值約為5億美元，僅次于抗生素和溶劑的年產值，在發酵產品中居第3位。
我國對黃原膠的研究起步較晚，進行開發研究的單位，如南開大學、中科院微生物研究所、山東食品發酵研究所等，均已通過中試鑒定。目前全國有煙臺、金湖、五連等數家黃原膠生產廠，年產在200t左右，主要用作食品添加劑。我國生產黃原膠的淀粉用量一般在5%左右，發酵周期為72~96h，產膠能力30~40g/L，與國外比較，生產水平較低。隨著黃原膠生產和應用范圍的進一步發展，目前北京、四川、鄭州、蘇州、山東等地都有黃原膠生產新廠建成，預示著我國的黃原膠生產將呈現一個新的局面。
1.5.2    黃原膠的分子結構及其性質
1） 黃原膠的分子組成
    黃原膠是以5分子糖為一單元，由與此相同的單元聚合而成的高分子多糖物質。每一單元由2分子葡萄糖，2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸組成。其主鏈由β-葡萄糖通過1，4-糖苷鍵相連而成的2分子葡萄糖為單元，其結構與纖維素結構相同，相間在葡萄糖的C3上連有2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸構成側鏈。在側鏈上有丙酮酸及竣酸側基。因其側鏈含酸性基團，在水溶液中呈多聚陰離子，構成黃原膠的三級立體結構：帶陰離子的側鏈纏繞主鏈形成螺旋結構，分子間靠氫鍵形成雙股螺旋，而雙股螺旋結構間又是靠微弱的非共價鍵維系，形成規則的"超級接合帶狀的螺旋聚合體”。
2） 黃原膠的性質
①典型的流變特性
    隨著剪切速率增加，因膠狀網絡遭到破壞，導致粘度降低，膠液變稀，但一旦剪切力消失，粘度又可恢復，因而使黃原膠具有良好的泵送和加工性能。利用這種特性在需要添加增稠劑的液體中加入黃原膠，不僅液體在輸送過程中容易流動，而且靜止后又能恢復到所需要的粘度，因此被廣泛應用于飲料行業。
②  低濃度時的高粘性
    含2%~3%黃原膠的液體，其粘度高達3~7Pa.s。黃原膠的高粘性使其具有廣闊的應用前景，但同時又給生產上的后處理帶來麻煩。
③  耐熱性
    黃原膠在相當寬的溫度范圍內(-98~90℃)粘度幾乎無變化。黃原膠即使在130℃的高溫下保持36min后冷卻，溶液的粘度也無明顯變化。在經多次冷凍-融化循環后，膠液的粘度并不發生改變。在高溫條件下若添加少量電解質如0。5%NaCI，可穩定膠液的粘度。
④  耐酸、堿性
    黃原膠水溶液的粘度幾乎與pH值無關。這一獨特性質是其他增稠劑如竣甲基纖維素(CMC)等所不具備的。
⑤相容性及溶解性
    黃原膠可與絕大部分的常用食品增稠劑溶液溶混，特別是與藻酸鹽類、淀粉、卡拉膠、瓜膠溶混后，溶液的粘度以疊加的形式增加。
    黃原膠易溶于水，不溶于醇、酮等極性溶劑。在非常廣的溫度、pH和鹽濃度范圍內，黃原膠很容易溶解于水中，其水溶液可在室溫下配制，攪動時應盡可能減少空氣混人。如果將黃原膠預先與一些干物質如鹽、糖、味精等混勻，然后用少量水濕潤，最后加水攪拌，這樣配制出的膠液其性能更好。
⑥ 分散性及保水性
    黃原膠是食品添加劑中優良的懸浮劑和乳化穩定劑。黃原膠對食品具有良好的保水、保鮮作用。
1.5.3    黃原膠的生產
1） 工藝流程
    菌種的擴培→發酵原料配比→發酵→發酵條件控制→分離→提純→干燥
2）  菌種
    黃原膠生產有廣泛的微生物來源，黃單胞菌屬的許多種類菌株都能產生黃原膠。目前，國內外用于生產黃原膠的菌種大多是從甘蘭黑腐病病株上分離到的甘蘭黑腐病黃單胞菌，也稱野油菜黃單胞菌。另外生產黃原膠的菌種還有菜豆黃單胞菌(X. phaseoli)、錦葵黃單胞菌(X. Malvacearum)和胡蘿卜黃單胞菌(X. carotae)等。我國目前已開發出的菌株有南開-01、山大-152、008、L4和L5。這些菌株一般呈桿狀，革蘭氏染色陰性，產莢膜。在瓊脂培養基平板上可形成黃色粘稠菌落，液體培養可形成粘稠的膠狀物。
3）  發酵培養基
    黃原膠發酵培養基的碳源一般是糖類、淀粉等碳水化合物。在黃單胞菌菌體內酶的作用下，1、6-糖苷鍵被打開，形成直鏈多糖，經進一步轉化，最終變成產物黃原膠。氮源一般以魚粉和豆餅粉為主。另外，還添加一些微量無機鹽，如鐵、錳、鋅等的鹽類。特別是輕質碳酸鈣以及NaH2PO4和MgSO4，它們對黃原膠的合成有明顯的促進作用。
例如南開大學的南開-01菌種所使用的搖瓶發酵培養基如下：玉米淀粉4%，魚粉蛋白胨0.5%，輕質碳酸鈣0.3%，自來水配制，pH7.0。在大罐生產中將魚粉蛋白胨改成魚粉直接配料，其他原料不變。國外用作黃原膠發酵的碳源多數是葡萄糖。
4）  發酵
①搖瓶發酵
    搖瓶發酵條件：接種量1%~5%，旋轉式搖床轉速220r/min，培養溫度28℃，發酵72h左右。發酵結束，黃原膠產酸能力為20~30g/L，對碳源的轉化率在60%~70%。
② 工業化生產
    接種量為5%~8%。由于培養基的高粘度，黃原膠生產屬高需氧量發酵，需大通風量，一般為1~0.6m3/（m3min)。發酵溫度為25~28℃。碳源的起始濃度一般在2%~5%。
    黃原膠的收率取決于碳、氮源的種類和發酵條件。目前收率一般在起始糖量的40%~75%。黃單胞菌容易利用有機氮源，而不易利用無機氮源。有機氮源包括魚粉蛋白胨、大豆蛋白胨、魚粉、豆餅粉、谷糠等。其中以魚粉蛋白胨為最佳，它對產物的生成有明顯的促進作用，一般使用量為0.4%~0.6%。在氮源濃度較低時，隨氮源濃度的提高，細胞濃度也增加，黃原膠的合成速率加快，黃原膠得率也相應提高。起始氮源在中等濃度時，細胞濃度和黃原膠的合成速率均有提高，發酵時間被縮短，但黃原膠的得率卻降低，這是因為細胞生長過快，使用于細胞生長及維持細胞生命的糖量增加，用于合成黃原膠的糖反而減少，導致黃原膠得率下降。如果采用發酵后期流加糖的方法，使糖濃度始終維持在一定的水平，那么，由于補加的糖只用于細胞維持生命及合成黃原膠，而沒有生長的消耗，從而得率就可比間歇發酵有較大提高。若起始氮源的濃度再提高，雖然細胞濃度有所增加，但黃原膠得率及合成速率卻降低了。其主要原因是"氧限制"，高濃度細胞隨著發酵的進行，發酵液粘度不斷增大，體積傳質系數降低，造成氧供應能力逐漸下降，合成速率變慢，得率降低。
    黃原膠發酵培養基的起始pH值一般控制在6.5~7.0，這有利于初期的細胞生長和后期的黃原膠合成。
5） 黃原膠的分離提取
    黃原膠通常由玉米淀粉輔以氮源及微量元素經微生物發酵后制得。發酵醪中除含黃原膠(3%左右)外，還有菌絲體、未消耗完的碳水化合物、無機鹽及大量的液體。其中菌絲體等固形物占20%，水溶性無機鹽占10%。如果菌絲體等固形物混雜在黃原膠成品中，會造成產品的色澤差、味臭，從而限制了黃原膠的使用范圍。因此黃原膠的分離提取，其目的在于按產品質量規格的要求將發酵醪中的雜質不同程度地除去，通過純化、分離、濃縮和干燥等手段獲得成品。黃原膠成品分食品級、工業級和工業粗制品3種。
① 溶劑沉淀法
    先將發酵液用6mol/LHCI酸化，然后加入工業酒精使黃原膠沉淀。過濾后沉淀物先后用工業酒精和10%KOH洗滌，過濾，沉淀物干燥后進行粉碎，經過篩制得成品。本法由于直接用HCl和工業酒精進行酸化沉淀，沒有去除掉菌體，因此僅能制得工業級黃原膠。
    為了制得食品級黃原膠，在上面的方法基礎上增加了離心除菌體和多次用酒精進行沉淀、洗滌的操作，從而提高了成品的純度。
溶劑沉淀法工藝簡單，產品質量高，大型化生產技術成熟，是目前國內采用的主要生產方法，但該方法溶劑用量大，需設置溶劑回收設備，投資較大，生產成本高。本法提取收率在97.7%。

②  鈣鹽-工業酒精沉淀法
    在酸性條件下，黃原膠與氯化鈣形成黃原膠鈣凝膠狀沉淀；加入酸性酒精脫去鈣離子，使成短絮狀沉淀；過濾，在沉淀中加人酒精并用氫氧化鉀溶液調節pH值。
③ 絮凝法
    絮凝劑與黃原膠作用產生絮狀沉淀，然后將沉淀物脫水，得到固型物含量為25%左右的濕濾餅；用多糖的非溶劑在適當條件下洗提上述濕濾餅，使其變為水溶性多糖。然后過濾，將水溶性濾餅干燥；經粉碎、篩分后得到合格的黃原膠成品。
④  直接干燥法
    本法采用滾筒干燥或噴霧干燥等方法，直接將發酵液進行干燥，從而制成工業粗制品級的黃原膠。該方法因為沒有分離提純工序，所以成品質量差，限于對黃原膠質量要求不高的場合使用，有利于降低產品成本。
⑤  超濾脫鹽法
    本法采用近代分離技術，對高分子的黃原膠與小分子的無機鹽和水進行超濾分離，將黃原膠發酵液濃縮至2.5%~5%，而無機鹽濃度從10%降低至0.5%~1%，然后再進行噴霧干燥。本法與直接干燥法相比，產品質量有所提高，達到工業精制品等級。
⑥ 酶處理-超濾濃縮法
    本法用酶處理發酵液，將蛋白質水解，從而使發酵液變得澄清，簡化了離心過濾這一步工序。本法使用的酶包括堿性蛋白酶，酸性或中性蛋白酶，或用復合酶共同進行作用。用酶處理后，不但發酵液澄清度提高，而且氮含量降低，過濾性能得到改善，在微孔過濾中過濾速度可提高3~20倍，成品質量也有提高。
綜上所述，黃原膠的分離提取方法很多，但在應用上都受到各自條件、特點的制約。比較而言，采用超濾濃縮純化發酵液的方法是比較理想的選擇。
6） 黃原膠的干燥
為了便于保藏和運輸，一般都將黃原膠制成干品。黃原膠的干燥有不同的處理方法：真空干燥、滾筒干燥、噴霧干燥、流化床干燥以及氣流干燥。由于黃原膠是熱敏性物質，不能承受長時間的高溫處理，因此使用噴霧干燥法會使黃原膠的溶解性變差。滾筒干燥雖然熱效率較高，但機械結構較復雜，用于大型工業化生產目前還難實現。帶有惰性球的流化床干燥，因兼有強化傳熱傳質以及研磨粉碎的功能，物料滯留時間也較短，所以適合像黃原膠那樣的熱敏性粘稠物料進行干燥。

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