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Cellulose (β-1,4-glucan)
Curdlan (β-1,3-glucan)

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利用微生物生合成 Curdlan ( β-1,3-glucan )

結構 由葡萄糖以 1,3-β-glucosidic linkages 而成的直鏈同質聚合物。

簡介

Curdlan為水不溶性的多醣聚合物,由β-1→3鍵結的glucan所組成,大多由Agrobacterium sp.及Alcaligenes faecalis在氮源限制下時生成 [Harada, 1977; Lawford and Rousseau, 1992],而目前已知的curdlan有90%的含量來源是從微生物發酵生產不溶的β(1,3)D-glucan,為美國FDA通過的微生物發酵水合性膠體(hydrocolloid) [Jezequel, 1998]。
β-glucans是一種蘊含有健康與營養且重要的天然多醣體,可依來源不同而分為可溶性與不可溶性,因為在人體中缺少能水解β- 醣苷鍵結(β-glucosidic)的酵素,所以葡聚糖被視為不易消化的物質,消化道無法代謝難溶的纖維素,因此不會有熱量的產生[Livesey, 1990] ,利用此特性能應用在熱量控制飲食或控制過度肥胖。不溶的β-glucans也能幫助預防腸癌[Madar and Odes, 1990];另外在燕麥中可溶的β-glucans則具有較低的升糖反應(glycemic response)的潛能[Wood et al., 1994],亦會有較少的低密度酯蛋白和總膽固醇量[Behall et al., 1997],因此,可溶性的β-glucans能添加在第二型糖尿病患者以及冠狀心臟病患者飲食中具有預防之功效[Jezequel, 1998]。Kanke等人研究curdlan硫酸鹽可做為抑制人類後天免疫缺乏症病毒(HIV)-1傳染病的抗病毒的藥劑[Kanke et al., 1995]及Evans等人研究curdlan硫酸鹽可做為抗瘧疾的物質[Evans et al., 1998]。Kanke等人研究curdlan也是作為一個藥物釋放聚合物去維持藥物和控制藥物擴散,可被應用在使用持續釋放栓劑[Kanke et al., 1995]。

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383 Calcium glycerophosphate 甘油磷酸鈣 thickener, gelling agent, stabilizer 增稠劑, 膠凝劑, 穩定劑
384 lsopropyl citrates 檸檬酸異丙酯類 antioxidant, preservative, emulsifying salt 抗氧化劑, 防腐劑, 乳化鹽
399 Calcium lactobionate 乳糖醛酸鈣 stabilizer 穩定劑
400 Alginic acid 藻酸; 藻朊酸 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
401 Sodium alginate 藻酸鈉; 藻朊酸鈉 thickener, stabilizer, gelling agent 增稠劑, 穩定劑, 膠凝劑
402 Potassium alginate 藻酸鉀; 藻朊酸鉀 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
403 Ammonium alginate 藻酸銨; 藻朊酸銨 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
404 Calcium alginate 藻酸鈣; 藻朊酸鈣 thickener, stabilizer, gelling agent, anti-foaming agent  增稠劑, 穩定劑, 膠凝劑, 消泡劑 
405 Propylene glycol alginate 藻酸丙二醇酯 thickener, emulsifier 增稠劑, 乳化劑
406 Agar 瓊脂 thickener, gelling agent, stabilizer 增稠劑, 膠凝劑, 穩定劑
407 Carrageenan and its Na, K, NH4, Ca and Mg salts (includes furcellaran) 鹿角菜膠 (愛蘭苔膠)及其鈉,,, 鈣及鎂鹽 (包括帚叉藻聚糖膠) thickener, gelling agent, stabilizer 增稠劑, 膠凝劑, 穩定劑
407a Processed euchema seaweed (PES) 麒麟菜屬海藻制品 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
408 Bakers yeast glycan 麵包酵母聚糖 thickener, gelling agent, stabilizer 增稠劑, 膠凝劑, 穩定劑
409 Arabinogalactan 阿拉伯半乳聚糖 thickener, gelling agent, stabilizer 增稠劑, 膠凝劑, 穩定劑
410 Carob bean gum 角豆膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
412 Guar gum 瓜耳膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
413 Tragacanth gum 黃蓍膠 thickener, stabilizer, emulsifier 增稠劑,穩定劑, 乳化劑
414 Gum arabic (acacia gum) 阿拉伯膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
415 Xanthan gum 黃原膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
416 Karaya gum 刺梧桐膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
417 Tara gum 刺雲實膠 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
418 Gellan gum 結冷膠 thickener, stabilizer, gelling agent 增稠劑, 穩定劑, 膠凝劑
419 Gum ghatti 加貼膠 thickener, stabilizer, emulsifier 增稠劑, 穩定劑, 乳化劑
420 Sorbitol and sobitol syrup 山梨糖醇和山梨糖醇漿 sweetener, humectant, antioxidant, emulsifying salt, thickener, emulsifier 甜味劑, 水分保持劑, 抗氧化劑, 乳化鹽, 增稠劑, 乳化劑
421 Mannitol 甘露糖醇 sweetener, anticaking agent 甜味劑, 抗結劑
422 Glycerol 丙三醇, 甘油 humectant, thickener 水分保持劑, 增稠劑
424 Curdlan 凝結多糖 thickener, stabilizer 增稠劑, 穩定劑
425 Konjac flour 魔芋粉; 蒟蒻粉 thickener 增稠劑
426 Soybean hemicellulose 大豆半纖維素 Emulsifier, thickener, stabilizer, anti-caking agent 乳化劑, 增稠劑, 穩定劑, 抗結劑

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微生物生產之食用膠簡介( 下 )

 

細菌性及真菌性b-D-葡萄聚醣(b-D-glucan)

卡德蘭膠之化學結構

卡德蘭膠(Curdlan)為糞產鹼桿菌Alcaligenes faecalis var. myxogenes所生產,為天然的膠狀物(圖三)。是第三個為美國FDA所核可之微生物所產的多醣。卡德蘭膠是在缺乏氮之後的穩定期形成,其不溶於冷水但可溶於熱水或二甲基亞( 石風) 。加熱至55℃之後冷卻所形成的卡德蘭膠薄弱。再加熱至80-100℃可增加膠的強度並形成硬質、有彈性的膠狀物,當於120℃下高壓滅菌會將分子結構轉變成三股螺旋。經由這種高溫處理所形成的膠狀物,不會再融化,不像類似的海藻膠,視二價陽離子的存在而定。此膠狀物的性質介於明膠(gelatin)的彈性及瓊脂(agar)的亮度之間。於高溫形成者於140℃之下不會融化。它們非常容易收縮但不易為b-D-葡萄聚醣(酉每)所分解。當卡德蘭膠之鹼性溶液透析自蒸餾水或中和時,會形成膠狀物。在日本,食品級的卡德蘭膠 用來改良食品(如豆腐、果凍及魚漿)的質地。硫化卡德蘭膠具有抗血栓的能力,故具有生醫應用的潛力。

硬葡聚醣(Sclerogluca)之化學結構

圖四、硬葡聚醣(Sclerogluca)之化學結構

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微生物生產之食用膠簡介(上)


食用膠為食品添加物的一種,是目前食品加工中廣泛使用之添加物,幾乎所有的食品中都會添加食用膠。由於安全、無毒、理化性質而受到廣泛的注意,其可用於冷凍/藏食品、飲料、乳製品、調味品、糕點、澱粉、糖果、釀酒與食品保鮮等,作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、品質改良劑、安定劑及包膜等。食用膠的來源有數種:動物性來源(如明膠)、植物性來源(如纖維素、澱粉、關華豆膠、果膠)、海洋生物食用膠(如洋菜、鹿角菜膠、海藻酸鈉)及微生物多醣食用膠(如玉米糖膠、結蘭膠)。近年來微生物多醣食用膠受到許多注意,因為其獨特或優於傳統植物多醣的物理特性,以下即就該類食用膠作一簡介。

許多微生物合成細胞外多醣(exopolysaccharides,EPS),這些細胞外聚多醣要不是與細胞表面黏附於細胞表面,就是見於於胞外的發酵液中的無定型黏液。於自然界所發現的微生物聚合物,不是與其毒性(如於植物或動物之病原菌),就是與微生物-植物之交互關係或甚至保護微生物細胞免於乾燥或受到噬菌體及原生動物的攻擊有關。於自然及人造環境下,胞外多醣於"生物膜"(biofilm)結構中扮演重要的角色,該生物膜是許多微生物族群之天然棲息地。

目前有數種微生物胞外多醣已商業化(如玉米糖膠、結蘭膠),而其他仍在不同的發展階段。由於其獨特或優於傳統植物多醣的物理特性,而使這些聚合物的用途非常廣泛,於食品工業中作為增稠劑、膠凝劑、助懸劑。例如由Xanthomonas campestris而來的玉米糖膠(Xanthan gum,又稱三仙膠、漢生膠、黃原膠)(圖一)及由Sphingomonas paucimobilis而來之結蘭膠(Gellan)(圖二)。於許多角度來看,玉米糖膠即是"實驗桌出產"的產品,它於多年前即准許用於食品中,且由於其基質轉換成多醣的高轉換率(~60-70%)而相對便宜。其他微生物多醣之生產成本較高,而這些微生物產物必須能與其他的天然或合成的聚合物競爭,雖然這些天然或合成的聚合物在物理或生態特性上遜於微生物產物,但其生產及銷售價格都便宜許多。若改良原始細胞外多醣的化學特性卻可能大大地增加其價值並拓展其應用的範圍,如改良過的葡聚糖(dextran)之SephadexR產品就是一成功的例子。

雖然現在我們對於結構與功能之間的關係有較清楚的了解,但是預測何種微生物聚合物值得發展卻是十分困難。許多初始報告對於產品的開發過於樂觀,但二種產品證明它們是值得的:細菌性纖維素(Biocellulose/bacterial cellulose)及透明質酸(Hyaluran/ hyaluronic acid),即使二者皆已有非微生物的生產來源。b-D-葡萄聚醣(Glucan)因其生物特性而使其可作為多醣應用,見於許多真菌,頃已證明其對免疫系統調節者(immune-system modulator)有甚大的影響。以下就數種常見之微生物來源之食用膠作一簡介。

玉米糖膠(Xanthan)

玉米糖膠(Xanthan) 的化學結構

玉米糖膠是主要商業化的微生物聚合物。產量每年超過20000噸。其是由相互交替的葡萄糖所組成之類似纖維素的骨架,而支鏈由D型甘露糖及D型葡萄醣酸(D-glucuronic acid)所組成。該膠的特色為,在高溫下仍可保持膠體之安定性。於許多食品中,玉米糖膠具有許多有用的特性,包括香味的迅速釋放、絕佳的口感及與其他食物原料的相容性、可增加沙拉醬汁的稠度及預防冰淇淋中形成冰晶。其可作為麩質(gluten)的替代物添加於無筋麵粉中,可改善烘焙產品的質地及結構。

結蘭膠(Gellan)及相關的多醣

(a)

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果聚醣

結構 果聚醣為果糖的衍生物,是屬於天然果糖聚合物,其主要結構是以 D-fructofuranosyl residue 利用 β-(2,6) 鍵結所組成,且其分支為 β-(2,6) 的鍵結 。

簡介

Frutan,一種常見於自然界的生物聚合物,其為同質多醣體,由D-fructofuranosyl residue以β-(2,6) 與β-(2,1) 鍵結所組成。Frutan具有兩種形式,以上述的鍵結方式,分別可分為inulin與levan。Levan習慣用於以D-fructofuranosyl residue利用β-(2,6) 鍵結當作主要結構所組成的microbial polyfrucan上,但是其具有一些β-(2,1) 鍵結的支鏈。而inulin主要是從自然界的蔬菜以及菊科與禾本科植物中所分離而得的 [Vandamme and Derycke, 1983],不過某些文獻中也有記載inulin可以從一些微生物中獲得,如Streptococcus mutans與Streptococcus sanguis,以及牙齒上的人類病原菌 [Birkhed et al., 1979]。Fructose homopolymer,levan,在植物中被發現而且其主要存在於微生物的產物中。植物的levan、graminans與phleins比從微生物所得的levan具有較短的residues (其範圍為10-200 fructose residues),而其分子量高於數百萬,且擁有許多的分枝。Microbial levan是於sucrose與raffinose為基質時利用levansucrase (sucrose 6-fructosyltransferase,EC 2.4.1.10) 所得的胞外產物,而此酵素的來源是非常廣泛的,如可從細菌、酵母菌與真菌中得到 [Han, 1990;Hendry and Wallace, 1993]。Microbial levan主要是利用細菌來生產的,如Bacillus subtilis、Zymomonas mobiles、Bacillus polymyxa、Aerobacter levanicum、Erwinia amylovora、Rhanella aquatilis與Pseudomonas。直到現在工業上levan的生產與應用是非常有限的,而且只有少數文獻提到可以利用發酵技術來完成levan的生產 [Elisashvili, 1984;Beker et al., 1990;Han, 1990;Keith et al., 1991;Ohtsuka et al., 1992;Uchiyama, 1993]。現在,Frutan是受到相當的重視,並且在關於利用levan做為化妝品業、食品業 (如膳食纖維) 及製藥業上的工業膠體方面一直有新的應用被發現。在本章節中,會敘述利用酵素反應、基因控制機轉 (genetic regulation) 及上述反應的控制來完成levan之生產與分解,並且概述levan之性質與其現今於工業上的應用。

 

應用

藥品 -- 降血脂藥物、抗癌藥物、抗 AIDS 藥劑 。

藥物釋放 -- 藥品黏結劑、血液擴充劑 (blood expander) 。

農業 -- 飼料、土壤調節劑 。

食品 — 機能性食品添加物、增稠劑、安定劑、增甜劑、乳化劑 。

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Carbohydrates and Glycobiology
葉思芳老師授課

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