黃原膠（xanthan gum)是二十世紀(jì)五十年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方研究室
(Northern Regional Research Laboratories, NRRL)，從野油菜黃單孢菌
NRRLB-1459中發(fā)現(xiàn)的分泌的中性水溶性多糖，
又稱(chēng)為漢生膠。
黃原膠是一種由重復(fù)單位組成的高分子多糖（圖1-3)。黃原膠中存在
的糖為D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸。葡萄糖以P-1，4-鍵連接，形 成葡聚糖纖維素骨架。間隔的葡萄糖基有一短的支鏈，這條支鏈?zhǔn)怯?個(gè)葡 萄糖醛酸插到2個(gè)甘露糖單位中所組成，所以側(cè)鏈組成為P-D-甘露糖“1，4) -P-D-葡萄糖薛酸-(1，2) -a-D-甘露糖。末端甘露糖部分可以在4位和6位 連接丙酮酰殘基。內(nèi)部的甘露糖單位C6位乙?；?cè)鏈上連接的乙?；?丙酮酰殘基的量的變化取決于黃原膠是由哪一類(lèi)野油菜黃單胞菌中分離得到 的，丙酮酸的含量的變化同樣與發(fā)酵條件有關(guān)。平均約半數(shù)的末端甘露糖攜 帶有丙酮酸基，丙酮釀基和乙?；臄?shù)量和位置使原本非常有規(guī)律的結(jié)構(gòu)呈 現(xiàn)出不規(guī)律性。
圖1-3黃原膠分子結(jié)構(gòu)圖 Figure 1-3 Structure of Xanthan Gum
黃原膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)取決于黃原膠分子所處的環(huán)境。經(jīng)X-射線衍射和電子 顯微鏡測(cè)定，有序構(gòu)象的天然黃原膠以對(duì)稱(chēng)的五折右手螺旋形式存在，螺距 為4.7mm，直徑為1.9mm[25]。研究者提出了兩種模型：?jiǎn)捂溌菪碗p鏈螺旋， 不過(guò)大多數(shù)的學(xué)者目前都支持雙螺旋的設(shè)想。這些雙螺旋由非共價(jià)鍵如氫鍵、 靜電作用和空間位阻作用所穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)可用剛性柱狀模型來(lái)表示。雙螺旋 結(jié)構(gòu)之間依靠微弱的作用力而形成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，這是黃原膠的三級(jí)結(jié)構(gòu)， 它在水溶液中以液晶形式存在126]。
1.2.1黃原膠的性狀
黃原膠為乳白、淡黃至淺褐色顆粒或粉末狀體，微臭。易溶于水，水溶 液呈中性，為半透明體。低濃度水溶液的黏度也很高，如0.5%溶液的黏度為
0.4Pa.s«在水溶液中，黃原膠分子的側(cè)鏈緊緊纏繞著纖維素主鏈，所以黃原 膠溶液有很強(qiáng)的耐酸、耐堿、抗生物酶降解和耐熱的性能，因此其黏度不受 pH值和溫度變化的影響。其黏度也不受蛋白酶、纖維素酶、果膠酶等影響。 在水溶液中，黃原膠分子的側(cè)鏈帶有負(fù)電荷，具有很強(qiáng)的結(jié)合陽(yáng)離子的能力， 使得陽(yáng)離子不能作用于主鏈，因此，黃原膠溶液的黏度不受鹽的影響。溫度 不變時(shí)，受機(jī)械力的作用，可發(fā)生溶膠與凝膠的可逆變化。攪拌可使溶液的 黏度下降。靜置則又升高（牛頓塑性）。黃原膠能溶于多種酸溶液，如5% 的硫酸、]0%的鹽酸和25%的磷酸，且這些黃原膠酸溶液在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定， 數(shù)月之久仍不變。黃原膠也能溶于氫氧化鈉溶液，并具有增稠特性，所形成 的粘溶液在室溫下十分穩(wěn)定。
1.2.2黃原膠的性能
黃原膠水溶液的黏度幾乎不受溫度、酸堿度和鹽類(lèi)的影響[27],因此它是 食品的良好增稠劑。黃原膠溶膠分子能形成超結(jié)合帶狀的螺旋共聚體，構(gòu)成 脆弱的類(lèi)似膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以能夠支持固體顆粒、液滴和氣泡的形態(tài)，顯 示出很強(qiáng)的乳化穩(wěn)定作用和高懸浮能力。
黃原膠與海藻酸納、淀粉等增稠劑能很好地互溶，故可復(fù)配使用。與卡 拉膠、槐豆膠、瓜膠有協(xié)同效應(yīng)，與卡拉膠復(fù)配使用可提高彈性，與槐豆膠 或瓜膠復(fù)配使用可提髙黏性1#291。
1.2.3黃原膠的應(yīng)用
黃原膠由于其獨(dú)特的剪切稀釋性質(zhì)，良好的增稠性，理竭的乳化穩(wěn)定性， 對(duì)酸、堿、熱、反復(fù)凍融的髙度穩(wěn)定性，以及對(duì)人體的完全無(wú)毒害等許多優(yōu)
良的特性，因而在食品、石油、醫(yī)藥、日用化工等十幾個(gè)領(lǐng)域有著極其廣泛 的應(yīng)用，其商品化程度之高，應(yīng)用范圍之廣，令其他任何一種微生物多糖都 望塵莫及。現(xiàn)略舉一二。
1)食品方面
許多食品中都添加黃原膠作為穩(wěn)定劑、乳化劑、懸浮劑、增稠劑和加工 輔助劑。黃原膠可控制產(chǎn)品的流變性、結(jié)構(gòu)、風(fēng)味及外觀形態(tài)，其假塑性又 可保證良好的口感，因此被廣泛應(yīng)用于色拉調(diào)料、面包、奶制品、冷凍食品、 飲料、調(diào)味品、釀造、糖果、糕點(diǎn)、湯料和罐頭食品中。近年來(lái)，較發(fā)達(dá)國(guó) 家的人們往往擔(dān)心食品中的熱值過(guò)髙而使自己發(fā)胖，黃原膠由于其不可被人 體直接降解而打消了人們的這一顧慮。此外，據(jù)1985年日本的報(bào)道，對(duì)十一 種食品添加劑進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，黃原膠是其中最為有效的抗癌試劑。
2)日用化工方面
黃原膠分子中含有大量的親水基團(tuán)，是一種良好的表面活性物質(zhì)，并具 有抗氧化、防止皮膚衰老等功效，因此，幾乎絕大多數(shù)高檔化妝品中都將黃 原膠作為其主要功能成分。此外，黃原膠還可作為牙膏的成分實(shí)質(zhì)增稠定型， 降低牙齒表面磨損。
3)醫(yī)學(xué)方面
黃原膠可以作為控釋劑用于制藥行業(yè)。凝膠化黃原膠微球?qū)⒒钚猿煞职?裹在內(nèi)，這種微球在干燥狀態(tài)下被吞咽，在胃中膨脹，進(jìn)而逐漸釋放出活性 成分活性分子同樣可以與多糖共價(jià)結(jié)合，然后在體內(nèi)水解酶的作用下逐漸釋 放；由于其自身的強(qiáng)親水性和保水性，還有許多具體醫(yī)療操作方面的應(yīng)用， 如可形成致密水膜，從而避免皮膚感染；減輕病人放射治療后的口渴等。此 外，李信、許雷曾撰文指出，黃原膠本身對(duì)小鼠的體液免疫功能具有明顯的 增強(qiáng)作用
4)工農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用
黃原膠最重要的工業(yè)應(yīng)用在于石油鉆探。在這個(gè)應(yīng)用中，由于黃原膠的 假塑性行為、溫度穩(wěn)定性以及耐鹽性，使得其非常有用。黃原膠在石油生產(chǎn) 中的應(yīng)用已由Pettit和Kan進(jìn)行了綜述。在石油鉆探中，鉆頭上要求有低黏 度，而在環(huán)形套筒上則要求有高黏度，因此含有黃原膠的鉆探液體允許鉆頭 快速穿透，而在環(huán)形套筒則為鉆粉懸浮液[27]。
在織物印染上，通過(guò)阻止染料的遷移，黃原膠賦予了織物印花特殊的流 變學(xué)性質(zhì)，而這種流變學(xué)性質(zhì)對(duì)制備圖案明晰而規(guī)則的產(chǎn)品是必需的。黃原 膠能與大多數(shù)印染材料相容，并且很容易經(jīng)過(guò)洗漆去除。黃原膠還可用于陶 瓷釉料，其能阻止不同組分的凝聚作用.
人們對(duì)黃原膠的發(fā)現(xiàn)以及隨后對(duì)其結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行的大量研究，觸發(fā)了人 類(lèi)對(duì)微生物多糖優(yōu)良的性質(zhì)的強(qiáng)烈好奇，引發(fā)了發(fā)酵史上不小的轟動(dòng)。迄今 半個(gè)世紀(jì)己過(guò)，人們依然沒(méi)有降低對(duì)黃原膠的研究熱情（據(jù)估計(jì)，全世界對(duì) 黃原膠的需求量每年以7%?8%的速度增長(zhǎng)，僅從世界石油組織分析結(jié)果顯 示，近期世界石油行業(yè)鉆井和三次采油方面需要黃原膠將達(dá)90萬(wàn)噸/年?100 萬(wàn)噸/年)，隨著研究的進(jìn)一步深入以及生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，黃原膠應(yīng)用 潛力仍然很大。
1.3黃原膠的生物合成
黃原膠的合成，從五元糖重復(fù)單位的裝配開(kāi)始，然后這些重復(fù)單位聚合 生成大分子。這些黃原膠寡糖重復(fù)單位是通過(guò)來(lái)自于高能糖核苷酸的單糖的 按序添加形成的。髙能糖核苷酸包括乙酰輔酶A和磷酸稀醇式丙_酸。來(lái)自 于內(nèi)膜的多萜醇磷酸鹽作為受體[31]。五元糖裝配的第一步是UDP-葡萄糖上
1-磷酸糖基轉(zhuǎn)移到多萜醇磷酸鹽上，然后再逐個(gè)的按序?qū)⑵渌菤埢D(zhuǎn)移上 去，D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸分別來(lái)自GDP-甘露糖和UDP-葡萄糖醛酸，從 而得到完整的與脂相連接的五元糖重復(fù)單位。乙酰基和丙酮?；窃谶@個(gè)與
脂連接的五糖階段添加的，其分別由乙酰輔酶A和磷酸稀醇式丙酮酸提供。 與內(nèi)部甘露糖殘基相連的0-乙?；约斑B接在末端甘露糖上丙酮酸的數(shù)目 會(huì)發(fā)生很大的變化，這取決于菌株及發(fā)酵條件。黃原膠鏈的增長(zhǎng)發(fā)生在還原 末端（如圖1-4)。生物合成的最后一步，是將黃原膠從細(xì)胞膜上分泌出去。 穿過(guò)周質(zhì)和外膜分泌到胞外環(huán)境的過(guò)程還沒(méi)有得到完全的闡述。這個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)的 過(guò)程需要能量，并且可能是通過(guò)一個(gè)特殊的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)保證將高聚 物從脂類(lèi)載體上釋放出來(lái)并且進(jìn)行跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)[32]。
參與黃原膠生物合成的許多基因已被鑒定、分離和表征（如圖1-5)。在 野油菜黃單胞菌致病變種campejfrij)中，黃原 膠的生物合成由一個(gè)12個(gè)基因組成的基因簇(叢gumB到gumM)指導(dǎo)[33,34]。 單糖的轉(zhuǎn)移和脂質(zhì)中間體乙?；孕纬赏暾囊阴；貜?fù)單位，需要7個(gè)基 因產(chǎn)物的參與。這個(gè)基因簇并不與合成糖核苷酸前體所需要的基因相連。這 個(gè)基因簇的12個(gè)基因以單一操縱子的形式從第一個(gè)基因上游的啟動(dòng)子開(kāi)始 表達(dá)。黃原膠的合成看起來(lái)并沒(méi)有受到特別的控制，但實(shí)際上，至少這個(gè)基 因簇中的5個(gè)基因產(chǎn)物對(duì)黃原膠合成起著活化作用^ Pollock等（1997)克隆 了鞘氨醇單胞菌（分中編碼黃原膠的裝配、乙?；⒈；?、 聚合和分泌的12個(gè)基因，這些基因?qū)τ邳S原膠的合成已經(jīng)足夠。來(lái)源于重組 微生物的黃原膠與天然的黃原膠在結(jié)構(gòu)和功能上沒(méi)有什么分別[35]。
1.4黃原膠的降解
黃原膠是一種髙聚合度的微生物多糖類(lèi)物質(zhì)，根據(jù)其分子量不同應(yīng)用在 不同的領(lǐng)域。當(dāng)其以高聚合度狀態(tài)存在，往往利用其高粘度及較髙的穩(wěn)定性 等物理性質(zhì)應(yīng)用在食品、化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而黃原膠超乎尋常的穩(wěn)定性 本身也是一把雙刃劍，在增加其普及度的同時(shí)也產(chǎn)生了一些問(wèn)題。比如在釆 油業(yè)中，由于使用黃原膠而增加了溶液的粘度，從而大大增加了后續(xù)工藝如 油料運(yùn)輸及產(chǎn)品純化的成本。唯有將其降解才能使對(duì)黃原膠的應(yīng)用做到“進(jìn) 可攻，退可守”。
隨著分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，寡糖的生物活性引起了研究者的矚目， 因而造就了目前寡糖工程在國(guó)際上競(jìng)相研究、炙手可熱的局面。由植物致病 菌分泌的黃原膠所降解的寡糖是否也擁有某種生物活性的疑問(wèn)也激起了人們 強(qiáng)烈的興趣。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是降解，如何降解，降解到何種程度。
盡管黃原膠的主鏈與纖維素相同，但由于規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)的保護(hù)，以及 側(cè)鏈所產(chǎn)生的位阻，使得一般的蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶等 都很難將其降解。多糖的降解，通?？捎盟幔ㄈ琨}酸、次氯酸）或強(qiáng)氧化劑 (如過(guò)硼酸鈉、過(guò)硫酸銨)，盡管這在實(shí)驗(yàn)室效果不錯(cuò)，但在實(shí)際應(yīng)用中效果 不理想。
1980年，M.Riimud〇等人第一次報(bào)道用一種纖維素酶對(duì)處于不規(guī)則構(gòu)象 的黃原膠主鏈進(jìn)行隨機(jī)降解，然而，對(duì)于一般規(guī)則的螺旋構(gòu)象的黃原膠而言， 該酶幾乎沒(méi)有降解作用。隨后，1981年，Cripps等人的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種 能以黃原膠為唯一碳源生長(zhǎng)的土壤棒狀桿菌，命名為NCIB11535。用薄層層 析分析其降解產(chǎn)品，降解產(chǎn)物有九種，而對(duì)于脫乙酰的黃原膠而言，降解產(chǎn) 物只有四種，分別是甘露糖，甘露糖與丙酮酸的縮酮產(chǎn)物，以及兩種寡糖產(chǎn) 品（專(zhuān)利 W00030393)。
Ruijssenaars等（1999)在一株類(lèi)芽孢桿菌（尸中發(fā)現(xiàn)了幾 種能降解黃原膠的酶。這株菌的酶能夠降解約整個(gè)黃原膠分子的1/3,而不會(huì) 攻擊其分子骨架[36]。最近，日本京都大學(xué)的Murata等人詳細(xì)報(bào)道了用一株芽 孢桿菌降解黃原膠的途徑（如圖1-6)。降解黃原膠所需要的酶有黃原膠水解 酶、葡聚糖酶、葡萄糖苷酶、葡萄糖酵酸水解酶以及甘露糖苷酶。由于胞外 黃原膠水解酶的作用，降解首先開(kāi)始于黃原膠側(cè)鏈上丙酮酰基化的甘露糖與 葡萄糖醛酸殘基之間糖苷建的斷裂：接著黃原膠受到胞外p-D-葡聚糖酶的攻 擊，產(chǎn)生一個(gè)四元糖，這個(gè)四元糖就是沒(méi)有末端甘露糖殘基的黃原膠重復(fù)單 位；然后，這個(gè)四元糖被帶入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，被P-D-葡萄糖苷酶轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生不
飽和的葡萄糖醛酸-乙酰甘露糖•葡萄糖三糖；隨后，葡萄糖醛酸水解酶水解 產(chǎn)生一個(gè)不飽和的葡萄糖醛酸和甘露糖-葡萄糖雙糖；降解的最后一步是（X- 甘露糖苷酶將雙糖水解為甘露糖和葡萄糖[37,38]。
IHOOCJ
圖1-6芽孢桿菌降解黃原膠途徑 Figure 1-6 Xanthan depolymerization pathway in Bacillus sp, strain 有關(guān)微生物黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆和結(jié)構(gòu)研究代表了這一領(lǐng)域最新、 最重要的進(jìn)展，通過(guò)將黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆到適于工業(yè)化生產(chǎn)的宿主細(xì) 胞，可以使黃原膠側(cè)鏈酶的發(fā)酵產(chǎn)率得到大幅度提髙。此外，對(duì)黃原膠側(cè)鏈
酶結(jié)構(gòu)的詳細(xì)了解為基因的克隆提供了必要信息的同時(shí)，使合適的酶在工業(yè) 化生產(chǎn)中得到應(yīng)用成為可能。毫無(wú)疑問(wèn)，微生物黃原膠側(cè)鏈酶的基因克隆對(duì) 酶的生產(chǎn)和黃原膠寡糖結(jié)構(gòu)鑒定方面有著深遠(yuǎn)的影響。 1.5降解黃原膠菌株的簡(jiǎn)介
鞘気醇單胞菌（SpWngomoHiii jp.)是一類(lèi)有著重要商業(yè)應(yīng)用前景的細(xì)菌。 從形態(tài)上看，主要為球菌和桿菌，并且均為需氧的革蘭氏陰性菌。鞘氨醇單 胞菌在自然界分布廣泛，從土壤、河水、深層堆積物、血液、傷口等處均可 分離得到。在與植物相關(guān)的環(huán)境中（如根的周?chē)┌l(fā)現(xiàn)的最多。近來(lái)報(bào)道， 這類(lèi)細(xì)菌在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等與人類(lèi)密切相關(guān)的領(lǐng)域里應(yīng)用價(jià)值很髙。比 如它們可以降解不熔的污染物，可以作為植物致病真菌的抑制劑還可以分泌 具有髙附加值的胞外多糖如瓜膠等[39]。
基于16S rRNA同源序列分析，該類(lèi)細(xì)菌在蛋白菌的ot-4亞基中形成系 統(tǒng)連接緊密的集團(tuán)[4<)]。盡管有些鞘氨醇單胞菌不運(yùn)動(dòng)、不發(fā)酵，但是幾乎所 有該屬的細(xì)菌都包含一個(gè)類(lèi)似于“標(biāo)簽”一樣的結(jié)構(gòu)，即，含有18?21個(gè)碳 的直鏈飽和二氫鞘氨脂、單不飽和二氫鞘氨脂以及含有環(huán)丙烷的二氫鞘氨月旨。 除此之外，它們還擁有一個(gè)可以利用苯醌的長(zhǎng)鏈及十個(gè)類(lèi)異戊二烯單元的側(cè) 鏈。DNA檢測(cè)結(jié)果顯示，鞘氨醇單胞菌屬細(xì)菌G+C含量大約為61%?67%14|]。 鞘氨醇單胞菌的外膜結(jié)構(gòu)比較特殊，包括鞘糖脂，缺少脂、氨連接的三徑基 脂肪酸并且缺乏脂多糖成分或者具有革蘭氏陰性菌特征的成分。
一般來(lái)說(shuō)，微生物是靠分泌降解酶降解生物高分子進(jìn)而攝入降解產(chǎn)物而 生存的。而鞘氨醇單胞菌的作用機(jī)制似乎不太一樣，它是通過(guò)一種類(lèi)似于“吞 噬作用”來(lái)利用胞外多糖的。鞘氨醇單胞菌的細(xì)胞表面被數(shù)量巨大且結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的辨狀物所覆蓋。Murata等發(fā)現(xiàn)[42]在褐藻多糖的存在下細(xì)胞表面形成了類(lèi) 似于嘴狀的凹陷，而褐藻多糖則集中在凹陷周?chē)?。顯示了細(xì)胞膜陷入細(xì)胞質(zhì) 這樣特殊的結(jié)構(gòu)。由于多糖酶僅僅存在于細(xì)胞質(zhì)中，甚至不會(huì)分泌到周質(zhì)中， 所以其機(jī)理可能是靠細(xì)胞的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞的（如圖1-7)。對(duì)于革蘭氏陰 性菌，膜的內(nèi)部是立體選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，外部是非立體特異性多孔結(jié)構(gòu)適合 轉(zhuǎn)運(yùn)低分子的底物。而髙分子物質(zhì)如蛋白、多糖是通過(guò)其他機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。