功能性多糖和功能性油脂

1、9.1微生物功能性制品 微生物功能性多糖和微生物功能性油脂微生物功能性多糖微生物多糖是細(xì)菌、真菌和藍(lán)藻等微生物在代謝過程中產(chǎn)生的對微生物有保護作用的生物高聚物，根據(jù)在細(xì)胞內(nèi)不同的存在形式，通常被分為3類：構(gòu)成微生物細(xì)胞成分的胞內(nèi)多糖；粘附在細(xì)胞表面上的胞壁多糖；分泌到培養(yǎng)基的胞外多糖，包括微莢膜、莢膜、粘液團和菌膠團。微生物多糖除了對微生物自身具有生物學(xué)意義外，重要的是它具有安全無毒、理化性質(zhì)獨特、用途廣泛、易與菌體分離，可通過深層發(fā)酵實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)良特性。與植物多糖相比較，微生物多糖的生產(chǎn)周期短，不受季節(jié)、地域、病蟲害的影響，具有較強的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。1、 細(xì)菌多糖微生物發(fā)酵

2、合成的食品膠最具代表性的有黃原膠和葡聚糖，他們屬于細(xì)菌多糖。微生物胞外多糖的生產(chǎn)在上個世紀(jì)50年代引起了人們的注意。主要是利用甘藍(lán)黑腐病黃單胞菌合成多糖 黃原膠。 （1）黃原膠黃原膠(Xanthan gum) ，又稱漢生膠， 是野油菜黃單胞桿菌（Xanthomonas campestris）以碳水化合物為主要原料，經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的一種用途廣泛的微生物胞外多糖。1952年由美國農(nóng)業(yè)部依利諾斯州皮奧里爾北部研究所分離到甘藍(lán)黑腐病黃單胞菌， 并使甘藍(lán)提取物轉(zhuǎn)化為水溶性的酸性胞外雜多糖而得到。由于該多糖具有很高的黏度、流動觸變性和穩(wěn)定的理化性質(zhì)，且無毒，是目前國際上集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定于一體，性能最優(yōu)

3、越的生物膠，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、石油開采、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)、陶瓷、印染、香料、化妝品及消防等領(lǐng)域。1）黃原膠的生產(chǎn)選用菌種黃原膠發(fā)酵所用的菌種一般為野油菜黃單胞菌(亦名甘藍(lán)黑腐病黃單胞菌)，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) 亦可作為發(fā)酵菌種。 發(fā)酵方式 補料分批發(fā)酵較為理想，可避免分批培養(yǎng)過程中底物隨時間減少以及連續(xù)培養(yǎng)過程中出現(xiàn)底物抑制現(xiàn)象。培養(yǎng)基 C 源 常用C源有葡萄糖、玉米漿或葡萄糖漿、蔗糖、谷粒水解物、淀粉等。C源起始濃度一般為2%5%。在對Xanthomonas campes

4、tris J-12的研究中，分別采用蔗糖、葡萄糖和淀粉作為C源進行發(fā)酵，測定各組發(fā)酵液粘度，提取黃原膠并稱重，計算黃原膠產(chǎn)率，結(jié)果表明J-12利用淀粉能力優(yōu)于蔗糖和葡萄糖。而且許多研究結(jié)果表明，提高碳氮比，可以提高碳源的轉(zhuǎn)化率。N 源 常用氮源有豆餅粉，棉籽粉，花生餅粉、魚粉、小麥漿、谷粉、干酒糟可溶物、硝酸鹽或銨鹽等。無機氮源和有機氮源結(jié)合使用，對黃原膠的合成更為有利。無機鹽 一般以CaCO3作為無機鹽。也可在培養(yǎng)基中加入鈉和鉀離子，有助于黃原膠生物合成的能量和前體物質(zhì)葡萄糖轉(zhuǎn)入胞內(nèi)，黃原膠生物合成的前體物質(zhì)轉(zhuǎn)出胞外。可提高黃原膠產(chǎn)率。為促進菌體生長，還需提供含維生素的玉米漿和酵母膏；谷氨酸

5、、檸檬酸等可促進黃原膠的生物合成。下面提供一種培養(yǎng)基配方，僅供參考：淀粉2 % ，蔗糖2%，蛋白陳0.3%，豆餅粉0.2%，CaCO30.3%，檸檬酸0.1%。溶 解 氧 野生黃單胞菌是好氧菌，發(fā)酵過程必須不斷通氧。 發(fā)酵中后期，發(fā)酵液粘度增大，代謝產(chǎn)生的CO2 無法及時逸出而在液面處生成泡沫層，不利溶氧。若泡沫溢出發(fā)酵罐，還會導(dǎo)致染菌。對黃單孢菌這類易污染的菌體，我們可以選擇菜籽油、豆油做消泡劑，消泡過程菜籽油、豆油可參與菌體代謝并最終被分解。 pH值酸性黃原膠大量產(chǎn)生，使發(fā)酵液pH下降至5.0以下，導(dǎo)致黃原膠產(chǎn)量急劇下降，故需加入磷酸鹽緩沖液或用KOH控制發(fā)酵液pH維持在7.2左右，有利于

6、生產(chǎn)菌株將全部糖源分解殆盡。其 它接種量與發(fā)酵產(chǎn)物間也存在一定的關(guān)系，接種量過低會延長菌體生長期，增加耗能、影響設(shè)備利用率、增加染菌機會；加大接種量可縮短菌體生產(chǎn)期，但會出現(xiàn)短時間內(nèi)底物消耗太快的現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)膠能力。2）生產(chǎn)工藝國外采用的發(fā)酵工藝:菌種搖瓶種子罐發(fā)酵罐發(fā)酵液后處理烘干粉碎成品包裝。采用攪拌式反應(yīng)器，為減少能耗，目前逐步改為氣升式發(fā)酵罐。后處理采用物理脫水與化學(xué)沉淀相結(jié)合辦法。國內(nèi)生產(chǎn)黃原膠常用的工藝流程與國外相同，但發(fā)酵罐為標(biāo)準(zhǔn)型通用反應(yīng)器。發(fā)酵工藝為：菌種活化搖瓶種子罐發(fā)酵罐黃原膠發(fā)酵液稀釋發(fā)酵液濾液（超濾濃縮）濃縮液（加適量乙醇沉淀）凝膠狀黃原膠（加適量乙醇洗滌）凝膠狀

7、黃原膠（烘干，粉碎，過80目篩）黃原膠成品。后處理采用的是乙醇沉淀法，酒精消耗量很大。其生產(chǎn)工藝流程也可改進如下:菌種活化搖瓶種子罐發(fā)酵罐發(fā)酵液熱壓式真空脫水噴霧干燥成品包裝。采用本工藝后，可省去后處理乙醇沉淀的大量消耗，節(jié)約成本 。（2）葡聚糖右旋糖苷又稱葡聚糖，葡聚糖的水溶液粘度不高，但葡聚糖及其衍生物可制成指定的分子大小和形狀，可作為血漿的代用品，臨床還用于防止血栓的形成，用作創(chuàng)傷敷料；可用作Sephadex用名的商業(yè)過濾凝膠；在食品上用作飲料和糕點的穩(wěn)定劑、保濕劑、增稠劑和增量劑；其磷硫酸酯具有阻止脂類代謝異常引起的高血脂、動脈硬化的作用。在工業(yè)上用于生產(chǎn)葡聚糖的微生物為明串珠菌屬的腸

8、膜菌（L mesenteroides）以及右旋糖苷明串珠菌。工業(yè)所用培養(yǎng)基組成如下，僅供參考：蔗糖10%，磷酸氫二鉀0.5%，酵母膏0.25%和硫酸鎂0.02%。 發(fā)酵產(chǎn)葡聚糖的流程如下（僅供參考）：菌種活化種子罐發(fā)酵發(fā)酵罐發(fā)酵收集發(fā)酵液95%乙醇沉淀（乙醇與發(fā)酵液比例為2：1）靜止過夜過濾收集沉淀烘干（低于40），24h粗品（3）其他細(xì)菌多糖1）結(jié)冷膠結(jié)冷膠(GellanGum)是美國Kelco公司20世紀(jì)80年代繼黃原膠之后開發(fā)的最有市場潛力的食品微生物多糖之一 。美國FDA和歐洲等國家都批準(zhǔn)了結(jié)冷膠在食品中的應(yīng)用。中國1996年也批準(zhǔn)了結(jié)冷膠作為食品添加劑在食品中的應(yīng)用。結(jié)冷膠是由假單胞

9、桿菌伊樂藻屬(Pseudomonas eloden)（少動鞘氨醇單胞茵）在中性條件下，以葡萄糖為碳源，硝酸銨為氮源及一些無機鹽所織成的培養(yǎng)基中，經(jīng)有氧發(fā)酵而產(chǎn)生的細(xì)胞外多糖膠質(zhì)，是一種新型的全透明的凝膠劑。結(jié)冷膠作為微生物代謝膠，生產(chǎn)周期短，不受氣候和地理環(huán)境條件的限制，可以在人工控制條件下利用各種廢渣、廢液進行生產(chǎn)，再加上其安全無毒，理化性質(zhì)獨特，有用量低、透明度高、耐酸、耐高溫、耐酶等優(yōu)良特性，在食品工業(yè)、制藥工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。2）可德膠：可德膠最早由日本Harada教授在1966年發(fā)現(xiàn)，是由糞產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes faecalis）發(fā)酵產(chǎn)生的一種微生物多糖。由于其熱凝

10、特性，而命名為cardlan?？傻履z是繼黃原膠、結(jié)冷膠之后又一種新型的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的多糖。1996年被美國食品和藥物管理委員會推薦應(yīng)用于食品中。3）韋蘭膠：是產(chǎn)堿桿菌（Alczligenes sp.）的代謝多糖，結(jié)構(gòu)與結(jié)冷膠相似。2、 真菌多糖真菌多糖是從真菌子實體、菌絲體、發(fā)酵液中分離出的，可以控制細(xì)胞分裂分化，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長衰老的一類活性多糖。真菌多糖主要有香菇多糖、靈芝多糖、云芝多糖、銀耳多糖、冬蟲夏草多糖等。食藥性真菌多糖具有抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、抗突變、抗病毒、降血脂、降血糖、抗輻射、抗?jié)兒涂顾ダ系裙δ?。?）真菌多糖的加工真菌多糖的加工方法有兩種，一種是從栽培真菌子實體提取，另一種是

11、發(fā)酵法短時間生產(chǎn)大量的真菌菌絲體。從真菌子實體中提取多糖，人工栽培真菌子實體，生產(chǎn)周期長達(dá)半年以上，而且價格也比較高。真菌子實體粉碎后，加入520倍體積的水、稀酸或稀堿(0.2lmol/L)，在5080溫度下進行浸提，為了加速浸提速度，也可添加纖維素酶或半纖維素酶。真菌液體深層發(fā)酵工藝來生產(chǎn)真菌多糖，易于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，規(guī)模大，生產(chǎn)周期短，產(chǎn)量高，降低了價格。但發(fā)酵法生產(chǎn)多糖一次性投資大，設(shè)備多，工藝流程長，而且部分菌絲體缺乏子實體的芳香風(fēng)味。液體深層發(fā)酵提取多糖工藝：菌種活化種子罐發(fā)酵發(fā)酵罐發(fā)酵發(fā)酵液預(yù)處理提純烘干成品。真菌多糖純化可通過對粗制多糖進行分級提純處理，包括使用溶劑的分級提取、凝

12、膠色譜或離子交換色譜的分級提純等。（2）典型的真菌多糖加工工藝簡介1）香菇多糖提取法工藝流程鮮香菇搗碎浸漬過濾濃縮乙醇沉淀乙醇、乙醚洗滌干燥成品。2）香菇多糖深層發(fā)酵法工藝流程： 菌種斜面培養(yǎng)一級種子培養(yǎng)二級種子培養(yǎng)深層發(fā)酵發(fā)酵液。3）香菇多糖深層發(fā)酵法發(fā)酵液中多糖的提取香菇發(fā)酵液由菌絲體和上清液兩部分組成，胞內(nèi)多糖含于菌絲體，胞外多糖含于上清液。因此多糖提取要分上清液和菌絲體兩部分來完成。上清液胞外多糖的提取工藝流程： 發(fā)酵液離心發(fā)酵上清液濃縮透析濃縮離心上清液乙醇沉淀沉淀物丙酮、乙醚洗滌干燥胞外粗多糖； 菌絲體胞內(nèi)多糖的提取工藝流程：發(fā)酵液離心菌絲體干燥菌絲體干粉抽提濃縮離心上清液透析濃縮

13、離心上清液沉淀物丙酮、乙醚洗滌P2O5干燥胞內(nèi)粗多糖。 （3）其他多糖茁霉多糖茁霉多糖(Pullulan)是由出芽短梗霉分泌的胞外多糖，該糖無色無味、無毒，對人體無任何副作用，氣密性好，具有優(yōu)良的水溶性、成膜性、氧氣不滲透性、成纖性、可塑性、粘結(jié)性和自然降解性等許多獨特的物理化學(xué)和生物特性，可被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品、煙草和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是一種具有極大經(jīng)濟價值和開發(fā)潛力的多功能新型生物材料。茁霉多糖發(fā)酵及提取工藝流程(僅供參考)：斜面菌種活化培養(yǎng)擴大培養(yǎng)搖瓶發(fā)酵發(fā)酵液（測糖）稀釋脫色抽濾乙醇沉淀離心洗滌干燥稱量9.1.4.2 微生物功能性油脂目前，用于生產(chǎn)食用油脂的原料主要來自于動植物，隨

14、著世界人口的膨脹，地球上耕地的面積有限，動植物的養(yǎng)殖和種植業(yè)日益飽和，滿足人類對食用油脂的需求將成為一個日益突出的矛盾。經(jīng)過研究人員長期的探索和研究表明微生物發(fā)酵法生產(chǎn)油脂是一個很好的的獲得油脂的新途徑。微生物油脂(microbial oils)又稱單細(xì)胞油脂(single cell oil，SCO)，是由酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭瑸樘荚?，在菌體內(nèi)產(chǎn)生的大量油脂。這種油脂它含有亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸等多種多不飽和脂肪酸和微量元素。 微生物中存在的油脂是微生物生命活動的代謝產(chǎn)物之一，其存在形式也和動植物一樣有兩種形式，一種是體質(zhì)脂形式，即作

15、為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成部分存在于細(xì)胞質(zhì)中，含量恒定，如微生物細(xì)胞膜上的磷脂；另一種是貯存形式，油脂在微生物細(xì)胞內(nèi)以脂肪粒的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中。某些微生物如酵母、霉菌、微藻、細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)積累大量油脂，這些油脂與一般植物油脂具有類似的脂肪酸結(jié)構(gòu)。1、微生物油脂的生產(chǎn)工藝 菌種篩選原料選擇滅菌菌體培養(yǎng)收集菌體預(yù)處理油脂提取精煉成品油脂2、微生物油脂生產(chǎn)要點1）菌種的篩選用于工業(yè)化生產(chǎn)油脂的菌株必須具備以下條件:油脂積蓄量大，含油量應(yīng)達(dá)50%左右，油脂生成率高，轉(zhuǎn)化率不低于15%；能適應(yīng)工業(yè)化深層培養(yǎng)，裝置簡單；生長速度快，雜菌污染困難；生產(chǎn)的油脂風(fēng)味良好、食用安全無毒、易消化吸收。常用生產(chǎn)油脂的微生物有酵

16、母、霉菌、細(xì)菌和藻類等。常見的產(chǎn)油酵母:淺白色隱球酵母、彎隱球酵母、產(chǎn)油油脂酵母、膠粘紅酵母等。常見的產(chǎn)油霉菌:土霉菌、紫癱麥角菌、高梁褶孢黑粉菌、高山被孢霉等。常見的產(chǎn)油海藻:硅藻和螺旋藻等。2）菌體的培養(yǎng)微生物培養(yǎng)可采用液體培養(yǎng)法、固體培養(yǎng)法和深層培養(yǎng)法。碳源和氮源對菌體產(chǎn)油脂的影響培養(yǎng)基中碳源充足而其它營養(yǎng)成分缺乏時，微生物菌株會將過量的碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂類。目前常用的碳源是葡萄糖，因為葡萄糖的價格相對于其它碳源更便宜，有利于降低成本，并且以葡萄糖為碳源可獲得更高的菌體生物量。氮源的主要是促進菌體細(xì)胞的生長，高C/N有利于菌體生長，低C/N有利于油脂的積累，此外氮源的種類也會影響油脂的積

17、累。培養(yǎng)時間對菌體產(chǎn)油脂的影響培養(yǎng)時間不足，菌體總數(shù)少而影響油脂產(chǎn)量；培養(yǎng)時間過長，細(xì)胞變形、自溶，合成的油脂進入培養(yǎng)基中難以收集，同樣影響油脂產(chǎn)量。 發(fā)酵溫度對菌體產(chǎn)油脂的影響通常情況下，飽和脂肪酸的熔點比不飽和脂肪酸高，長鏈脂肪酸的熔點比短鏈脂肪酸高。因此當(dāng)菌株從高溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到低溫環(huán)境時，細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸及短鏈脂肪酸含量增加，如棕櫚油酸或油酸等含量的增加；當(dāng)溫度升高時，平均鏈長就增長，有利于細(xì)胞膜的正常流動和增強其通透性。發(fā)酵pH值對菌體產(chǎn)油脂的影響不同種類的微生物，產(chǎn)油的最適pH值不同。在培養(yǎng)過程中，應(yīng)根據(jù)所用微生物不斷調(diào)整pH值，使微生物處于其最適pH值范圍內(nèi)，可有效地提高微生物的

18、產(chǎn)油量。通氣量對菌體產(chǎn)油脂的影響油脂是由基質(zhì)的糖類還原而成，因此利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)油脂時，必須提供大量氧氣，不飽和脂肪酸的生物合成過程也需要大量氧氣。供氧不足時，甘油三酯的合成會強烈受阻，并引起磷脂和游離脂肪酸大量積累；在通氣條件下，游離脂肪酸會部分轉(zhuǎn)化成含有2個或3個雙鍵的脂肪酸，從而使不飽和脂肪酸增加。無機鹽對菌體產(chǎn)油脂的影響對真菌而言，適當(dāng)增加無機鹽和微量元素的添加量可提高油脂合成速度和產(chǎn)油量。 但添加量不宜太大，否則會嚴(yán)重阻礙真菌對油脂的合成。3）菌體的預(yù)處理微生物油脂大多存在于由較堅韌的細(xì)胞壁所包裹的菌體細(xì)胞內(nèi)，部分與蛋白質(zhì)或糖類結(jié)合以脂蛋白、脂多糖的形式存在，較難分離出來，所以須對

19、菌體細(xì)胞進行預(yù)處理。方法主要有摻砂共磨法、與鹽酸共煮法、菌種自析法、蛋白質(zhì)溶劑變性法、反復(fù)凍融法、超聲波破碎法等方法。其中，摻砂共磨法較接近傳統(tǒng)植物油脂的前處理工藝，常用于工業(yè)化生產(chǎn)微生物油脂。反復(fù)凍融、超聲波破碎等方法適用于實驗室小型操作。4）油脂的提取用于油脂浸提的溶劑要求有足夠的極性使其與細(xì)胞膜、脂蛋白等連接鍵被破壞，使全部油脂物質(zhì)溶解。溶劑主要有乙醚、異丙醚、氯仿、乙醚-乙醇、石油醚、氯仿-甲醇等。油脂提取方法有酸熱法、索氏提取法、超臨界CO2萃取法、有機溶劑法。5）微生物油脂的精煉主要包括水化脫膠、堿煉、脫色、脫臭等工序。精煉后油脂的分析指標(biāo)包括氣味和滋味、色澤、水分、密度、透明度、

20、酸價、碘價、過氧化值、脂肪酸組成、甘三酯組成等。 （4）微生物油脂的分析常用的油脂定性分析法主要是采用蘇丹黑染色測吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線法和索氏提取重量差法求油脂得率。 參考文獻1. 鄭建仙.功能性食品（第一卷）.北京：中國輕工業(yè)出版社，1999 .2. 李八方. 功能食品與保健食品. 青島：青島海洋大學(xué)出版社，1997.3. 鄧舜揚. 保健食品生產(chǎn)實用技術(shù). 北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.4. 尤新. 功能性發(fā)酵制品. 北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.5. 聶凌鴻，周如金，寧正祥.黃原膠的特性、發(fā)展現(xiàn)狀、生產(chǎn)及其應(yīng)用.中國食品添加劑，2003，13：82-85.6. 刁虎欣， 潘衛(wèi)東，于憲潮. 食品與發(fā)酵工業(yè)， 1993 ， 19 (3) : 25-28 .7. 李興存，張忠智，王洪君等.黃原膠的性能與應(yīng)用.日用化學(xué)工業(yè)，2002，32（5）：47-50.8. 宋紹富，崔吉，羅一菁等.微生物多糖研究進展.油田化學(xué)，2004，21（1）：91-95.9. 莫曉燕，吉麗娜，詹谷宇.黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化研究.工業(yè)微生