9.1.4功能性多糖和功能性油脂

9.1微生物功能性制品

9.1.4 微生物功能性多糖和微生物功能性油脂

9.1.4.1微生物功能性多糖

微生物多糖是细菌、真菌和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，根据在细胞内不同的存在形式，通常被分为3类：构成微生物细胞成分

的胞内多糖；粘附在细胞表面上的胞壁多糖；分泌到培养基的胞外多糖，包括微荚膜、

荚膜、粘液团和菌胶团。

微生物多糖除了对微生物自身具有生物学意义外，重要的是它具有安全无毒、理化

性质独特、用途广泛、易与菌体分离，可通过深层发酵实现工业化生产等优良特性。与

植物多糖相比较，微生物多糖的生产周期短，不受季节、地域、病虫害的影响，具有较

强的市场竞争力和广阔的发展前景。

1、细菌多糖

微生物发酵合成的食品胶最具代表性的有黄原胶和葡聚糖，他们属于细菌多糖。微

生物胞外多糖的生产在上个世纪50年代引起了人们的注意。主要是利用甘蓝黑腐病黄单

胞菌合成多糖—黄原胶。

（1）黄原胶

黄原胶(Xanthan gum) ，又称汉生胶，是野油菜黄单胞杆菌（Xanthomonas campestris）以碳水化合物为主要原料，经发酵生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖。1952年由美国农业部依利诺斯州皮奥里尔北部研究所分离到甘蓝黑腐病黄单胞菌，并使甘蓝提取物转化为水溶性的酸性胞外杂多糖而得到。由于该多糖具有很高的黏度、流动触变性和稳定的理化性质，且无毒，是目前国际上集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体，性能最优越的生物胶，广泛应用于食品工业、医药工业、石油开采、纺织工业、农业、陶瓷、印染、香料、化妆品及消防等领域。

1）黄原胶的生产

①选用菌种

黄原胶发酵所用的菌种一般为野油菜黄单胞菌(亦名甘蓝黑腐病黄单胞菌)，菜豆黄单胞菌( X.phaseoli) 、锦葵黄单胞菌( X. malvacearum) 和胡萝卜黄单胞菌( X. carotae)亦可作为发酵菌种。

②发酵方式

补料分批发酵较为理想，可避免分批培养过程中底物随时间减少以及连续培养过程中出现底物抑制现象。

③培养基

C 源常用C源有葡萄糖、玉米浆或葡萄糖浆、蔗糖、谷粒水解物、淀粉等。C源起始浓度一般为2%—5%。在对Xanthomonas campestris J-12的研究中，分别采用蔗糖、葡萄糖和淀粉作为C源进行发酵，测定各组发酵液粘度，提取黄原胶并称重，计算黄原胶产率，结果表明J-12利用淀粉能力优于蔗糖和葡萄糖。而且许多研究结果表明，提高碳氮比，可以提高碳源的转化率。

N 源常用氮源有豆饼粉，棉籽粉，花生饼粉、鱼粉、小麦浆、谷粉、干酒糟可溶物、硝酸盐或铵盐等。无机氮源和有机氮源结合使用，对黄原胶的合成更为有利。

无机盐一般以CaCO3作为无机盐。也可在培养基中加入钠和钾离子，有助于黄原胶生物合成的能量和前体物质—葡萄糖转入胞内，黄原胶生物合成的前体物质转出胞外。可提高黄原胶产率。

为促进菌体生长，还需提供含维生素的玉米浆和酵母膏；谷氨酸、柠檬酸等可促进黄原胶的生物合成。

下面提供一种培养基配方，仅供参考：淀粉2 % ，蔗糖2%，蛋白陈0.3%，豆饼粉0.2%，CaCO30.3%，柠檬酸0.1%。

④溶解氧

野生黄单胞菌是好氧菌，发酵过程必须不断通氧。

发酵中后期，发酵液粘度增大，代谢产生的CO2 无法及时逸出而在液面处生成泡沫层，不利溶氧。若泡沫溢出发酵罐，还会导致染菌。对黄单孢菌这类易污染的菌体，我们可以选择菜籽油、豆油做消泡剂，消泡过程菜籽油、豆油可参与菌体代谢并最终被分解。

⑤pH值

酸性黄原胶大量产生，使发酵液pH下降至5.0以下，导致黄原胶产量急剧下降，故需加入磷酸盐缓冲液或用KOH控制发酵液pH维持在7.2左右，有利于生产菌株将全部糖源分解殆尽。

⑥其它

接种量与发酵产物间也存在一定的关系，接种量过低会延长菌体生长期，增加耗能、影响设备利用率、增加染菌机会；加大接种量可缩短菌体生产期，但会出现短时间内底物消耗太快的现象，从而影响产胶能力。

2）生产工艺

国外采用的发酵工艺:菌种→摇瓶→种子罐→发酵罐→发酵液→后处理→烘干→粉碎→成品包装。

采用搅拌式反应器，为减少能耗，目前逐步改为气升式发酵罐。后处理采用物理脱水与化学沉淀相结合办法。

国内生产黄原胶常用的工艺流程与国外相同，但发酵罐为标准型通用反应器。

发酵工艺为：菌种活化→摇瓶→种子罐→发酵罐→黄原胶发酵液→稀释发酵液→滤液（超滤浓缩）→浓缩液（加适量乙醇沉淀）→凝胶状黄原胶（加适量乙醇洗涤）→凝胶状黄原胶（烘干，粉碎，过80目筛）→黄原胶成品。

后处理采用的是乙醇沉淀法，酒精消耗量很大。其生产工艺流程也可改进如下:

菌种活化→摇瓶→种子罐→发酵罐→发酵液→热压式真空脱水→喷雾干燥→成品包装。采用本工艺后，可省去后处理乙醇沉淀的大量消耗，节约成本。

（2）葡聚糖

右旋糖苷又称葡聚糖，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状，可作为血浆的代用品，临床还用于防止血栓的形成，用作创伤敷料；可用作Sephadex用名的商业过滤凝胶；在食品上用作饮料和糕点的稳定剂、保湿剂、增

稠剂和增量剂；其磷硫酸酯具有阻止脂类代谢异常引起的高血脂、动脉硬化的作用。在工业上用于生产葡聚糖的微生物为明串珠菌属的肠膜菌（L mesenteroides）以及右旋

糖苷明串珠菌。

工业所用培养基组成如下，仅供参考：

蔗糖10%，磷酸氢二钾0.5%，酵母膏0.25%和硫酸镁0.02%。

发酵产葡聚糖的流程如下（仅供参考）：

菌种活化→种子罐发酵→发酵罐发酵→收集发酵液→95%乙醇沉淀（乙醇与发酵液比例为2：1）→静止过夜→过滤收集沉淀→烘干（低于40℃），24h→粗品

（3）其他细菌多糖

1）结冷胶

结冷胶(GellanGum)是美国Kelco公司20世纪80年代继黄原胶之后开发的最有市场潜力的食品微生物多糖之一。美国FDA和欧洲等国家都批准了结冷胶在食品中的应用。中国1996年也批准了结冷胶作为食品添加剂在食品中的应用。结冷胶是由假单胞杆菌伊乐藻属(Pseudomonas eloden)（少动鞘氨醇单胞茵）在中性条件下，以葡萄糖为碳源，硝酸铵为氮源及一些无机盐所织成的培养基中，经有氧发酵而产生的细胞外多糖胶质，是一种新型的全透明的凝胶剂。结冷胶作为微生物代谢胶，生产周期短，不受气候和地理环境条件的限制，可以在人工控制条件下利用各种废渣、废液进行生产，再加上其安全无毒，理化性质独特，有用量低、透明度高、耐酸、耐高温、耐酶等优良特性，在食品工业、制药工业中有着广泛的应用前景。

2）可德胶：可德胶最早由日本Harada教授在1966年发现，是由粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）发酵产生的一种微生物多糖。由于其热凝特性，而命名为cardlan。可德胶是继黄原胶、结冷胶之后又一种新型的微生物发酵生产的多糖。1996年被美国食品和药物管理委员会推荐应用于食品中。

3）韦兰胶：是产碱杆菌（Alczligenes sp.）的代谢多糖，结构与结冷胶相似。

2、真菌多糖

真菌多糖是从真菌子实体、菌丝体、发酵液中分离出的，可以控制细胞分裂分化，

调节细胞生长衰老的一类活性多糖。真菌多糖主要有香菇多糖、灵芝多糖、云芝多糖、银耳多糖、冬虫夏草多糖等。食药性真菌多糖具有抗肿瘤、免疫调节、抗突变、抗病毒、降血脂、降血糖、抗辐射、抗溃疡和抗衰老等功能。

（1）真菌多糖的加工

真菌多糖的加工方法有两种，一种是从栽培真菌子实体提取，另一种是发酵法短时间生产大量的真菌菌丝体。

从真菌子实体中提取多糖，人工栽培真菌子实体，生产周期长达半年以上，而且价格也比较高。真菌子实体粉碎后，加入5～20倍体积的水、稀酸或稀碱(0.2～lmol/L)，在50～80℃温度下进行浸提，为了加速浸提速度，也可添加纤维素酶或半纤维素酶。

真菌液体深层发酵工艺来生产真菌多糖，易于连续化工业生产，规模大，生产周期短，产量高，降低了价格。但发酵法生产多糖一次性投资大，设备多，工艺流程长，而且部分菌丝体缺乏子实体的芳香风味。

液体深层发酵提取多糖工艺：菌种活化→种子罐发酵→发酵罐发酵→发酵液预处理→提纯→烘干→成品。真菌多糖纯化可通过对粗制多糖进行分级提纯处理，包括使用溶剂的分级提取、凝胶色谱或离子交换色谱的分级提纯等。

（2）典型的真菌多糖加工工艺简介

1）香菇多糖提取法工艺流程

鲜香菇→捣碎→浸渍→过滤→浓缩→乙醇沉淀→乙醇、乙醚洗涤→干燥→成品。

2）香菇多糖深层发酵法

工艺流程：菌种→斜面培养→一级种子培养→二级种子培养→深层发酵→发酵液。

3）香菇多糖深层发酵法发酵液中多糖的提取

香菇发酵液由菌丝体和上清液两部分组成，胞内多糖含于菌丝体，胞外多糖含于上清液。因此多糖提取要分上清液和菌丝体两部分来完成。

①上清液胞外多糖的提取

工艺流程：发酵液→离心→发酵上清液→浓缩→透析→浓缩→离心→上清液→乙醇沉淀→沉淀物→丙酮、乙醚洗涤→干燥→胞外粗多糖；

②菌丝体胞内多糖的提取

工艺流程：发酵液→离心→菌丝体→干燥→菌丝体干粉→抽提→浓缩→离心→上清液→透析→浓缩→离心→上清液→沉淀物→丙酮、乙醚洗涤→P2O5干燥→胞内粗多糖。

（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，该糖无色无味、无毒，对人体无任何副作用，气密性好，具有优良的水溶性、成膜性、氧气不渗透性、成纤性、可塑性、粘结性和自然降解性等许多独特的物理化学和生物特性，可被广泛应用于医药、食品、化妆品、烟草和农业等领域，是一种具有极大经济价值和开发潜力的多功能新型生物材料。

茁霉多糖发酵及提取工艺流程(仅供参考)：

斜面菌种→活化培养→扩大培养→摇瓶发酵→发酵液（测糖）→稀释→脱色→抽滤

→乙醇沉淀→离心→洗涤→干燥称量

9.1.4.2 微生物功能性油脂

目前，用于生产食用油脂的原料主要来自于动植物，随着世界人口的膨胀，地球上耕地的面积有限，动植物的养殖和种植业日益饱和，满足人类对食用油脂的需求将成为一个日益突出的矛盾。经过研究人员长期的探索和研究表明微生物发酵法生产油脂是一个很好的的获得油脂的新途径。微生物油脂(microbial oils)又称单细胞油脂(single cell oil，SCO)，是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂为碳源，在菌体内产生的大量油脂。这种油脂它含有亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等多种多不饱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动的代谢产物之一，其存在形式也和动植物一样有两种形式，一种是体质脂形式，即作为细胞的结构组成部分存在于细胞质中，含量恒定，如微生物细胞膜上的磷脂；另一种是贮存形式，油脂在微生物细胞内以脂肪粒的形式存在于细胞质中。某些微生物如酵母、霉菌、微藻、细菌的细胞内积累大量油脂，这些油脂与一般植物油脂具有类似的脂肪酸结构。

1、微生物油脂的生产工艺

菌种筛选→原料选择→灭菌→菌体培养→收集菌体→预处理→油脂提取→精炼→成品油脂

2、微生物油脂生产要点

1）菌种的筛选

用于工业化生产油脂的菌株必须具备以下条件:①油脂积蓄量大，含油量应达50%左右，油脂生成率高，转化率不低于15%；②能适应工业化深层培养，装置简单；③生长速度快，杂菌污染困难；④生产的油脂风味良好、食用安全无毒、易消化吸收。

常用生产油脂的微生物有酵母、霉菌、细菌和藻类等。常见的产油酵母:浅白色隐球酵母、弯隐球酵母、产油油脂酵母、胶粘红酵母等。常见的产油霉菌:土霉菌、紫瘫麦角菌、高梁褶孢黑粉菌、高山被孢霉等。常见的产油海藻:硅藻和螺旋藻等。

2）菌体的培养

微生物培养可采用液体培养法、固体培养法和深层培养法。

①碳源和氮源对菌体产油脂的影响

培养基中碳源充足而其它营养成分缺乏时，微生物菌株会将过量的碳水化合物转化为脂类。目前常用的碳源是葡萄糖，因为葡萄糖的价格相对于其它碳源更便宜，有利于降低成本，并且以葡萄糖为碳源可获得更高的菌体生物量。氮源的主要是促进菌体细胞的生长，高C/N有利于菌体生长，低C/N有利于油脂的积累，此外氮源的种类也会影响油脂的积累。

②培养时间对菌体产油脂的影响

培养时间不足，菌体总数少而影响油脂产量；培养时间过长，细胞变形、自溶，合

成的油脂进入培养基中难以收集，同样影响油脂产量。

③发酵温度对菌体产油脂的影响

通常情况下，饱和脂肪酸的熔点比不饱和脂肪酸高，长链脂肪酸的熔点比短链脂肪酸高。因此当菌株从高温环境转移到低温环境时，细胞膜中不饱和脂肪酸及短链脂肪酸含量增加，如棕榈油酸或油酸等含量的增加；当温度升高时，平均链长就增长，有利于细胞膜的正常流动和增强其通透性。

④发酵pH值对菌体产油脂的影响

不同种类的微生物，产油的最适pH值不同。在培养过程中，应根据所用微生物不断调整pH值，使微生物处于其最适pH值范围内，可有效地提高微生物的产油量。

⑤通气量对菌体产油脂的影响

油脂是由基质的糖类还原而成，因此利用微生物发酵生产油脂时，必须提供大量氧气，不饱和脂肪酸的生物合成过程也需要大量氧气。供氧不足时，甘油三酯的合成会强烈受阻，并引起磷脂和游离脂肪酸大量积累；在通气条件下，游离脂肪酸会部分转化成含有2个或3个双键的脂肪酸，从而使不饱和脂肪酸增加。

⑥无机盐对菌体产油脂的影响

对真菌而言，适当增加无机盐和微量元素的添加量可提高油脂合成速度和产油量。但添加量不宜太大，否则会严重阻碍真菌对油脂的合成。

3）菌体的预处理

微生物油脂大多存在于由较坚韧的细胞壁所包裹的菌体细胞内，部分与蛋白质或糖类结合以脂蛋白、脂多糖的形式存在，较难分离出来，所以须对菌体细胞进行预处理。方法主要有掺砂共磨法、与盐酸共煮法、菌种自析法、蛋白质溶剂变性法、反复冻融法、超声波破碎法等方法。其中，掺砂共磨法较接近传统植物油脂的前处理工艺，常用于工业化生产微生物油脂。反复冻融、超声波破碎等方法适用于实验室小型操作。

4）油脂的提取

用于油脂浸提的溶剂要求有足够的极性使其与细胞膜、脂蛋白等连接键被破坏，使全部油脂物质溶解。溶剂主要有乙醚、异丙醚、氯仿、乙醚-乙醇、石油醚、氯仿-甲醇等。油脂提取方法有酸热法、索氏提取法、超临界CO2萃取法、有机溶剂法。

5）微生物油脂的精炼

主要包括水化脱胶、碱炼、脱色、脱臭等工序。精炼后油脂的分析指标包括气味和滋味、色泽、水分、密度、透明度、酸价、碘价、过氧化值、脂肪酸组成、甘三酯组成等。

（4）微生物油脂的分析

常用的油脂定性分析法主要是采用苏丹黑染色测吸光度绘制标准曲线法和索氏提取重量差法求油脂得率。

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