黄原胶
黄原胶（Xanthan Gum,XG），又名黄单胞杆菌胶，是一类由黄单胞菌属产生的酸性水溶性胞外多糖。黄原胶的结构为D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸以及丙酮酸构成的“五糖”重复单元，是一种以糖类为原料的、经过野油菜黄单胞菌发酵而生产出的一类细菌胞外杂多糖，其相对分子质量非常大，能够达到2×10⁶~2×10⁷。该物质为淡黄色或白色粉末，无味无臭、且易溶于水。在水溶液中，黄原胶能够呈现出多聚阴离子的形态，具有良好的稳定性、复配性以及兼容性，且不被大多数酶降解。由于其良好的物化性质，使得黄原胶能够与多种食品配料及添加剂进行复配，加之其食用安全性高且易生物降解，所以常作为增稠剂被应用于食品添加剂行业，在石油、医药、化妆品等领域也有广泛应用。
发现历史
黄原胶在20世纪50年代末就已经被学者发现并给予关注。最早，黄原胶是由美国农场部北方地区实验室从一种致病菌——野油菜单胞菌NRRLB-1459中提取得到的。在20世纪60年代末，黄原胶就已经进入了应用阶段。最早发现黄原胶独一无二的各种功能特点的是Jeans等人，之后在1961年，特种亲水胶体制造商CP Kelco成为了第一家利用发酵法把黄原胶投入商品化制造的企业。在1969年，美国FDA开始允许黄原胶列为食物添加物质。自此，黄原胶在食品领域逐渐应用。由于具有溶液的黏度高、稳定性好等特性，黄原胶得到了广泛的关注与研究，在采油、涂料等领域也得到了应用。
到2021年，世界上许多国家和地区都能够利用菌株进行工业化生产，其中，使用的菌株包括野油菜单胞菌、锦葵黄单细胞菌、菜豆黄单细胞菌等等。中国已成为生产黄原胶的第一大国，产量已占世界产量的70%。现代，国内外的专家学者还在对于黄原胶的分子表达调控方式、合成途径等方面不断进行着研究，并逐渐取得进展，对生产、应用提供相关理论基础，起到进一步的促进作用。
化学结构
黄原胶的分子结构
如图2所示，从黄原胶的一级结构能够看出，黄原胶的主链由β-1，4键连接的D-葡萄糖基组成，侧链则是由两个D-甘露糖和一个D-葡萄糖醛酸交替结合的三个糖单位组成。二级结构层面上，其侧链围绕着主链骨架发生反向缠绕，在氢键以及静电力等相互作用力的影响下，形成五重折叠的棒状双螺旋结构。三级结构的维度上，黄原胶的双螺旋结构之间由微弱的非极性共价键进行维系，从而得到螺旋复合体。
黄原胶部分位于侧链末梢的甘露糖的4、6号碳上连有一个丙酮酸基团，还有部分与主链相连的甘露糖的6号碳会被乙酰化。一般情况下，结构中的丙酸取代基占整体的30%~40%，而发生乙化的基团则大约有60%~70%。丙酮酸取代基和乙酰化基团在黄原胶上的分布上并没有规律可言，但却能够对于黄原胶的构象以及其物化性质产生影响。其中，侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群共同赋予了黄原胶负电荷，由于带负电荷的侧链之间、侧链与骨架之间的相互作用，才使得黄原胶具有其独特而优良的性质。
黄原胶的构象
位于D-葡萄糖主链上C-3位置的支链是黄原胶构象的主要构成因素。支链之间相互折叠，并且在主链的骨架上进行依附，达到稳定螺旋结构的目的，免受外界环境的干扰。大多研究认为，在低离子强度的情况下，黄原胶在热处理过程中能够发生螺旋-卷曲链之间的转变，这样的转变也被称为有序-无序转变。对于黄原胶来说，其分子构象的单螺旋结构和双螺旋结构在空间排布上都是可以存在的，螺旋以非共价键保持稳定。在现有理论中黄原胶在水溶液中的构象可以分为三类：
1、天然黄原胶本身具有相对较为规整的双螺旋的空间结构；
2、经过长时间的热处理后，黄原胶的螺旋链会发生伸长，逐渐变为无序的卷曲链构造。发生伸展的温度段被称为构象转变温度；
3、冷却后，螺旋结构和卷曲链结构共同在体系中存在。
主要性质
物理性质
黄原胶是一种无味、无毒的淡黄色或白色粉末状固体，有抗氧化作用、安全性高且易溶于水。此外，黄原胶还具有以下的特殊物理性质。
流变性
黄原胶是一种假塑性流体，这意味着其具有剪力变稀的特性，即在一定浓度范围内，黄原胶具有表观粘度随浓度增大而增大。这样的性质是由于黄原胶在剪切速率高的情况下，聚合体结构将会发生解聚，得到无规线团结构；而在低的剪切速率下，分子结构又会发生恢复，结合成为双螺旋网状聚合物。这种特性在黄原胶与其他胶体混合将会有与自身特性不同的效果。
在黄原胶与其他的胶状物质，如槐豆胶、瓜尔胶、明胶、果胶等进行混合复配后，其流变性将会发生改变，这样的性质也被称为和其他胶的复配效应。如黄原胶同果胶以及CMC（羧甲基纤维素）之间并没有协效流变性，而是会导致黏度的下降。其原因在于静电排斥阻碍了网状结构的形成。而黄原胶和瓜尔豆胶则具有协效流变性，少量的瓜尔豆胶就可以让黄原胶黏度显著增加。由于以上提到的许多物质都能够被应用于食品添加剂领域，因此对于不同物质协效流变性的研究能够为食品添加剂的添加提供一定的指导。
增稠性
黄原胶具有良好的增稠特性。在低质量浓度下，黄原胶具有极高的黏度。因此，黄原胶常被作为增稠剂使用。
水溶性
在水中，黄原胶能够立即溶解，即便是在冷水中，黄原胶也易溶，具有优秀的水溶性。水溶液中，黄原胶呈现出透明胶状的形态。黄原胶的溶解过程，能够省略繁复的加热程序，使得其使用十分方便。
化学性质
稳定性
黄原胶的化学稳定性很好。由于其一级结构是刚性的，所以其整个碳骨架主链并不易于受到酸、碱的攻击，在pH5~10范围内，其黏度也不会受到影响，并且能够和许多的盐溶液进行混溶；此外，又由于其双螺旋结构的存在，分子具有对于自由基、酸以及反复冻融的良好抗性。在-4 ℃~93 ℃范围内，对黄原胶进行来回加热冷冻，其黏度也基本上并不受影响。
悬浮性和乳化性
黄原胶具有稳定的理化性质，表现出了良好的悬浮性和乳化性。研究发现黄原胶具有良好的承托力，借助水相的稠化作用，能够降低水油两相的不相容性，使油脂乳化在水中，因此可作为乳化剂和稳定剂添加在食品饮料中。
生物特性
抗生物酶降解
黄原胶具有非常好的抗生物酶降解的特性，蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶以及半纤维素酶等都不能使其发生降解。但经次氯酸、过一硫酸、过氧化物的作用，黄原胶可以发生降解，且升高温度会使得降解速率增加。
制备方法
传统发酵法
黄原胶的发酵
利用合适的菌种（一般为某种野生油菜黄单孢菌）在合适的环境下即可进行发酵。经过发酵后得到的发酵液中的黄原胶含量很低，质量分数大概只占发酵液的2%~5%，其中包含无机离子、不溶性固体悬浮物以及可溶性有机化合物等各种杂质，因此后续需要进行进一步的提取和纯化步骤，才能得到纯度高、品质好的黄原胶。
黄原胶的提取和纯化
发酵液预处理
预处理的主要作用是在对黄原胶进行分离之前对发酵液中的菌体细胞以及各种代谢产物等进行处理。常见预处理方法有巴氏灭菌法、酶解法和吸附法。
巴氏灭菌法是一种常见的杀菌消毒方法，该方法的优点在于，处理过程简单，但一旦温度控制不够精准，就会导致黄原胶的降解，使得产量降低。酶解法的核心步骤是在发酵液中加入能够使细菌细胞壁发生降解的酶类，以达到与多糖分离的目的。该方法能够得到高纯度的黄原胶，但操作步骤多，成本高，不适合大规模生产。
吸附法则是在发酵液中加入吸附剂进行纯化。该方法操作简单，易于控制，相比之下更适合大规模生产。
固液分离
固液分离是为了将不溶物质与发酵液进行分离。常用的方法有离心、过滤、超滤等。
离心就是利用离心机进行杂质去除，但这所需要的离心力较高，且需要稀释发酵液，会增加成本。
过滤法则是将发酵液通过加热或者稀释将液体浓度降低后，利用助滤剂对于杂质进行过滤的分离方法，该方法更适用于大规模生产。
超滤则是通过超滤膜将杂质和黄原胶进行分离。这种方法可以去除小的可溶性分子杂质，能够提升产品质量，降低后续纯化成本。
沉淀分离
沉淀分离多采用降低黄原胶溶解度的溶剂分离出黄原胶。常用的沉淀法有醇沉淀法和盐-醇沉淀法。经过沉淀分离，即可得到纯度较高的黄原胶，用于后续产品的制备。
醇沉淀法是最常用的方法，但缺点是消耗大，成本高。盐-醇沉淀法能够有效避免醇沉淀法的缺点。该方法是在黄原胶发酵液中加入盐类电解质，使阳离子与黄原胶阴离子结合，降低黄原胶的电荷量。可以大大减小醇的用量，达到节约成本的目的。
除细胞法
除细胞法通过培育菌种，生成胞外酶，然后通过离心对菌体进行消除，获得除菌种的发酵液，再加入微生物培养基中进行发酵，生产黄原胶。该方法能够解决供氧不足的问题，而且获得的产物没有菌体，更加易于后续进行分离提纯。
乙醇-黄原胶耦联两步发酵法等新方法也在不断被发掘。通过选择更加合适的方法，达到降低成本、提高品质的目的。
应用领域
食品添加领域
黄原胶独特的稳定性、高黏度等特性和相对的安全无毒，使得其能够在许多食品、饮品中进行添加，以达到为食品增加风味，保护食品口感的目的。其中包括但不限于卤肉酱、冰淇淋、饮料等方面，且具有许多不同用途。在卤肉酱等蛋白质含量高的食品中添加黄原胶，黄原胶结构中的阴离子能够和食物中的蛋白质发生共凝胶作用，从而促进凝胶结构的形成，达到改善体系乳化稳定性、增强感官品质的作用，使得肉制品品质得到提升。黄原胶和其他食品添加剂进行复配后，还可能使得食品口感、品质得到进一步提升。
对于冰淇淋这一类易于融化的食品，可以利用黄原胶的流变性和增稠性进行调节。黄原胶独特的剪切变稀、悬浮乳化等性能，能够提供足够的黏度阻力，最大限度地防止分子扩散和水分子迁移，限制冰晶长大，使得冰淇淋的融化速度减慢，口感细腻，风味独特。
黄原胶也可添加在许多饮料中。对于一些饮品，尤其是复合饮料、固体饮料来说，由于其中的某些物质可能发生相互作用，产生沉淀，所以加入黄原胶对体系进行稳定。黄原胶和琼脂进行复配，能够产生协同增效的作用，从而使得饮品的口感更加圆润爽滑，更加协调。
日用品领域
化妆品
护肤品
黄原胶可以用于洁肤品和护肤品中，如清洁霜、皂类、雪花膏、蜜类等，达到去污、乳化的作用，防止皮肤干燥龟裂，给人产生好的皮肤触感。
美容品
这类产品有睫毛膏、粉饼、唇膏等。黄原胶在美容化妆品中能够作为分散剂和稳定剂存在，使得色素分散均匀，提升颜色稳定度。此外，黄原胶的黏度大也使得其粘合作用和保湿作用好，有助于产品的成型和使用性能的提升。美发用品
在诸如洗发水、护发素等的发用品中，黄原胶可以使发用品泡沫更加稳定。同时由于其自身的耐酸碱性，使得黄原胶能够与表面活性剂和其他添加剂相互协同。亲水基团的存在也防止了添加剂在水中溶解性差的情况出现，使得各类油状物质发挥更好的作用。
其他日用品
黄原胶还能够作为添加剂加入清洗剂。黄原胶的触变性能够其附着于污物表面，使去污作用的表面活性剂更好地发挥效用。黄原胶能够用于皮鞋擦亮剂、蜡质擦光剂等，增强物质稳定性。此外，将浸过香料的黄原胶与高吸水树脂进行混合，也能够散发香味，作除臭剂使用。
医药领域
黄原胶对于疼痛具有缓解作用。试验结果表明，黄原胶能够显著减少小鼠的扭体次数，具有明显的阵痛活性，起到缓解疼痛的作用。
黄原胶具有凝胶化的特性，和其他物质混合可以形成相对稳定的凝胶，而利用剪力工艺又可以对网格结构进行破坏，这样的特性能够实现对于药物溶出速度的调节，常用于口服混悬液处方中，作为增稠剂、稳定剂使用。
纺织工业领域
在纺织行业，黄原胶能够在碳纤维制备、涂料以及其他粒子的悬浮稳定剂等方面进行应用，还能够作为柔软剂、荧光剂等，在纺织工业领域的各处发挥作用。此外，由于黄原胶的物理流变性，其能够作为印花糊料对纺织物进行印花。但因其具有阴离子，所以一般不能和阳离子染料共混，否则会导致凝胶或者沉淀出现，从而影响到印花的质量。
石油工业领域
低浓度黄原胶（0.5%）水溶液就可以保持水基钻井液的黏度，并且能够对其流变性能进行有效控制。这样的效果能够使得高速旋转的钻头部分黏度极小，能够有效节约动力；而在相对静止的钻井部位，仍然维持着极高的黏度，能够起到避免井壁塌、方便岩石碎片切割、排出的效果。黄原胶良好的稳定性使得其能够抗盐、抗高温，在海洋、高盐层区域等特殊环境下的钻井中进行应用。此外，黄原胶还能够用于完井和修井、压裂以及三次采油。
农药领域
黄原胶具有耐高温、高黏度、抗剪切等特性，相比于其他增稠剂更为优越，能够作为稳定剂和悬浮助剂使用，黄原胶逐渐成为农业领域得到重点关注的物质之一，作为悬浮剂、悬乳剂、水乳剂等农药制剂在农业领域之中广泛应用。
宠物领域
黄原胶的增稠性、稳定性同样也可以用于宠物食品中的湿粮罐头。作为一种亲水胶体，黄原胶对于湿粮的口感改善，尤其是湿粮中肉制品的水分、稳定性都有非常大的提升和保护作用。加之黄原胶的协效性，可以将黄原胶与魔芋胶、卡拉胶等胶体进行复配，得到复合食品胶，可以进一步使得宠物罐头的性能优化。
安全事宜
黄原胶是常见的食物添加剂，因此其对于身体的安全性是至关重要的。欧洲食品添加剂和营养组织（ANS）曾对黄原胶开展评价，评价结果表明，根据毒理学和长期暴露数据分析，黄原胶对于普通人群而言，用作食品添加剂是安全可靠的，不会对人类身心健康形成影响，且无需对每天容许摄取量（ADI）加以限制。但对于12周以下的婴儿来说，黄原胶并不适合服用。
通常情况下，黄原胶被认为是安全的、无毒的，但也有研究结果表明，大量地摄入黄原胶，可能会增加人体内微生物群落的种类，以达到消化分解黄原胶的目的。这样的变化对于人体是否安全，是好是坏还不得而知，因此对于黄原胶的摄入还是应该把控在一定量以内，以免出现安全性问题。
参考资料
Common Chemistry.commonchemistry.cas.2023-03-12