微生物胞外多糖.热凝胶发酵和干燥工艺的.研究

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1、第一章绪论1．1引言热凝胶是一种水不溶性的微生物多糖，全部由p．1，3．糖苷键连接而成。微生物多糖是细菌、真菌、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生物高聚物。微生物多糖以其安全、无毒、理化性质优良等特点，越来越受到人们的关注。近几年，世界上微生物多糖的产量年增长率在10％以上，譬如五年来结冷胶等新型产品年增长率均在30％以上。到目前为止，已大量投产的微生物多糖主要有黄原胶(Xanthan)、结冷胶(Gellen)、右旋糖酐(Dextran)、小核菌葡聚糖(Scleroglucan)、短梗霉多糖(Pullulan)和热凝多糖(Curdlan)

2、。微生物多糖在工业生产与生活的许多领域具有广泛的应用价值，因为微生物多糖生产周期短，不受气候和地理环境条件的限制，由于潜在用途不断被开发，应用前景广阔。1．2热凝胶的概述热凝胶是一种由产碱杆菌或土壤杆菌的某些菌株发酵生产的胞外多糖。其分子是由葡萄糖结构单元以B．1，3．键连接而成的直链大分子，分子式为(C6Hi005)11。从其组成和结构来看，它对人体是安全的。与常见的其它凝固剂(如琼脂)在加热后经冷却才凝固成胶有所不同，热凝胶可以在加热时形成凝胶，即使在100℃都不融化，因此被称为热凝胶。热凝胶是在1964年由日本大阪大学的T．Harada【l】在筛选可

3、代谢各种石油组分的微生物时发现并加以研究。热凝胶具有非常独特的理化特性：在加热时，可以形成坚实的，高弹性的凝胶；形成的凝胶具有很高的抗高温性能，可以加热至120。C亦不融化；很高的稳定性；抗低温冷冻；抗冻融性；不可消化性。由于热凝胶具有以上诸多优点，在国外已得到广泛应用。据报道，热凝胶已在食品、化工、烟草、农业等诸多领域获得应用，是一种具有广泛应用前景的微生物多糖。1．2．1热凝胶的结构化学和酶法分析证实，热凝胶是以B．1，3．D一葡萄糖苷键连接而成，其化学结构如图1-1所示。其分子是由400,-,500个葡萄糖残基组成的，平均聚合度约为450，Nakat

4、a[21等曾报道在0．3mol／LNaOH溶液中热凝胶的平均分子量为5．3x104-,2。0×106Da。通常地，由300-500个葡萄糖残基连接而成的Curdlan具有较强的热凝胶特性。第一章绪论O刨HOH—OH。科图1．1热凝胶分子的化学结构Figurel-1ChemicalstructureofCurdlan1．2．2热凝胶的生物合成微生物胞外多糖的生物合成因菌种不同而发生在生长的不同生长的不同阶段和环境条件下，微生物胞外多糖的生物合成分成两种类型即位于细胞壁外的同型多糖的合成与位于细胞膜上的异型多糖的合成。热凝胶是同型多糖，其结构简单，是由B．1，

5、3．葡聚糖构成，它的合成是在微生物的细胞壁外。1977年，Sutherlandt31概括了革兰氏阴性菌胞外多糖的合成途径(见图1．2)。GlucoseJGlucose-6-phosphatelGlucose-1·phosphateUTPNppi—UDP—glucose图1·2热凝胶的合成代谢途径Figurel一2Metabolicpathwayforthebiosynthesisofcurdlan根据此代谢机制可知胞内核苷酸UTP与葡萄糖结合生成的UDP一葡萄糖是热凝胶合成的活性前体，此外胞内核苷酸不仅用来合成糖基核苷酸，而且还具有调节胞内代谢的作用。Ki

6、m等【41研究了胞内核苷酸含量对土壤杆菌属合成热凝胶的影响，他们发现氮源限制条件下胞内UMP含量的提高可促进胞内UDP．葡萄糖合成，进而促进热凝胶的合成。1994年Kai等人用C13标记葡萄糖研究了土壤杆菌属ATCC31749的热凝胶合成代谢途径【5】'通过分析标记产物发现热凝胶合成途径有五条路线：(a)直接由葡萄糖开始合成：(b)通过C1一C3磷酸化使丙糖结合于葡萄糖上从而合成热凝胶；(c)异构化的丙糖通过EMP途径和葡萄糖2第一荦绪论结合产生热凝胶；(d)通过戊糖循环使6．磷酸果糖的重构合成热凝胶；(e)不同途径中产生的葡萄糖碎片重建合成热凝胶，其中经

7、路线(a)合成全部所产生热凝胶的60％。1999年，Stasinopoulos等克隆出热凝胶合成所必需的基因【6】，通过比较序列分析法断定它就是热凝胶的合成基因。1．2．3热凝胶的性质热凝胶是一种水不溶的中性多糖，很稳定，其理化特性如下：1．2．3．1外观干燥的热凝胶是一种流动性极好的无嗅、无味的白色或灰白色粉末状固体，在聚乙烯袋中密封可以长时间稳定保存，不会失去其凝胶化特性【7】。1．2．3．2溶液中的构象许多研究者已对水溶液中热凝胶的分子结构进行了研究。热凝胶的三种构象已有报道，包括单螺旋、三螺旋和无序卷曲。Ogawa[8]等研究发现：热凝胶碱溶液的比

8、旋光度、粘度和流动双衍射在NaOH浓度为0．24mol／L时都有很