瓊脂

1.1瓊脂的成分與分子結(jié)構(gòu)瓊脂（agar)產(chǎn)自石花菜或其他幾種紅海藻，包含有兩 個組分••一個是可以形成結(jié)實(shí)而強(qiáng)力的凝膠，稱“瓊脂糖”（agarose);另一個則是不 會發(fā)生凝膠化的組分，稱“瓊脂膠”（a-garopectin)。瓊脂糖約占天然瓊脂80%，瓊脂 膠是瓊脂糖的硫酸酯。由于瓊脂的來源不同，瓊脂糖和瓊脂膠的含量也隨之變化[3]。

瓊脂糖分子以線型鏈的形式存在，它是紅海藻的一個成分，與iota-和kappa -卡拉 膠成鏡像關(guān)系。這一線型分子鏈包含有以（1—3)聯(lián)結(jié)的p-D-吡喃半乳糖基單元（A 單元）與以（1—4)聯(lián)結(jié)的3，6-失水a(chǎn)-D-吡喃半乳糖基單元（B單元）相聯(lián)結(jié)。

A單元及B單元構(gòu)成二糖單元，因3，6-失水環(huán)接近于每個B單元，它可以很容易變 化而發(fā)生水解。瓊脂糖的二糖單元及二級結(jié)構(gòu)可表示如圖1[3,4]:

〇\

L-AG1

L-AG1

Agarobiose

圖1瓊脂糖的二糖單元（D-G為A單元，L-AG為B單元，Agarobiose為二糖單元）

1.2瓊脂的物理性質(zhì)

1.2.1形態(tài)特征:成品瓊脂一般分為細(xì)長條狀和粉末狀。細(xì)長條狀的諒脂在市場上常 被稱為“洋菜”，色類白或淡黃色；半透明'，表面皺縮，微有光澤，質(zhì)輕軟而韌，不易 折斷；完全干燥后，則脆而易碎；無嗅無味[3]。

1.2.2溶解性：高純度的瓊脂在常溫下實(shí)際上不溶于水，只吸收水分發(fā)生溶脹和微微 地溶于乙醇胺和甲酰胺，在接近沸騰的情況下可分散到中水形成溶膠。其濃度達(dá)到 15g/L的溶液時仍清澈透明[3]。

1.2.3凝膠化溫度：瓊脂的凝膠化溫度遠(yuǎn)低于凝膠融化溫度，其可用于微生物固體培 養(yǎng)基的凝固劑也是因?yàn)檫@一點(diǎn)。由不同種類的原料所制取的瓊脂，明顯地具有不同的 凝固溫度，但來自相同原料的瓊脂，其凝固溫度萆本上是一致的。用于微生物固體培 養(yǎng)基凝固劑瓊脂的凝膠化溫度一般在35t,而凝膠溶點(diǎn)應(yīng)在75^

酸堿度對瓊脂的凝固性影響很大，而高溫高壓（l.lkg/cm2, lxl05Pa)的影響很 小。酸堿度是瓊脂在正常濃度范圍內(nèi)能否凝固的關(guān)鍵因素。當(dāng)4.30 < pH < 10.05時， 瓊脂水溶液均可正常凝固，超過此范圍，培養(yǎng)基不能正常凝固[5]。.

1.3瓊脂的凝膠化原理凝膠化是指體型縮聚反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，反應(yīng)體系的黏度 突然增加，并且出現(xiàn)具有彈性凝膠的現(xiàn)象。此時，體系中包含了兩部分：一部分是凝 膠，它具巨型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不溶于-切溶劑；另一部分是溶膠，其分子量較小，被籠罩 在凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[6]。因此，凝膠是介于固體和液體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。根據(jù)交 聯(lián)方式，凝膠可分為化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)兩種?；瘜W(xué)交聯(lián)是高分子鏈段間以共價鍵交 聯(lián)起來，這種交聯(lián)很牢固，使髙分子只發(fā)生溶脹，而不能熔融更不溶解。物理交聯(lián)包 

括有氫鍵、庫倫力、配位鍵及物理纏結(jié)等形成的線性分子間的交聯(lián)[7]。瓊脂依靠髙分 子鏈段相互作角間可形成氫鍵而成為凝膠結(jié)構(gòu)。這種氫鍵會因加熱等而被破壞，使凝 膠變?yōu)槿苣z[8]〇

瓊脂的凝膠化主要是其瓊脂糖之間氫鍵結(jié)合的結(jié)果，其含有的大量的水在網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定上發(fā)揮了重要的作用[9]。凝膠中水有幾種狀態(tài)存在，在髙分子網(wǎng)絡(luò)附近的水與 網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的相互作用。將緊挨著高分子網(wǎng)絡(luò)的，在極低溫度下也不凍結(jié)的水稱為不 凍水；而將在-10弋~-20丈才凍結(jié)的水稱為束縛水；離網(wǎng)絡(luò)很遠(yuǎn)的水，顯示與普通水同 樣的性質(zhì)，稱作自由水m。在溶膠狀態(tài)，溫度接近水沸點(diǎn)時，瓊脂分子是一種隨被卷 曲狀態(tài)。溫度降至凝固點(diǎn)，在凝膠狀態(tài)時，瓊脂分子相互交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 基本結(jié)構(gòu)為左手雙螺旋。沿著螺旋軸兩側(cè)有很大的空穴，使瓊脂能結(jié)合足夠多的水[4]。

瓊脂的流變性變化是瓊脂凝膠化過程中的一個重要特征。在溫度高時，其流變行 為與稀溶液中的聚合物流變行為相似；在溫度低至凝固點(diǎn)以下時，流變行為像交聯(lián)的 聚合物；溫度在溶膠和凝膠的變化過程中，流變性更為復(fù)雜。另外，瓊脂的流變性受 瓊脂的濃度、分子量以及其它的物質(zhì)（如甘油）的影響[1°~|2]。

1.4瓊脂在微生物固體培養(yǎng)基凝固劑方面的應(yīng)用瓊脂是微生物固體培養(yǎng)基和半固體 培養(yǎng)基中最常用的性能優(yōu)良的凝固劑。在液體培養(yǎng)基中加10 ~20g/L的瓊脂后加熱融 化，凝固后即可得固體培養(yǎng)基，加5g/L的瓊脂可得半固體培養(yǎng)基[1]。陳宏偉經(jīng)過多次 試驗(yàn)后提出：用凝膠強(qiáng)度來計算瓊脂的用量更為科學(xué)。固體培養(yǎng)基的適宜凝膠強(qiáng)度為 250 ~45Qg/cm2之間，這樣硬度的固體培養(yǎng)基，既有利于物質(zhì)的擴(kuò)散和微生物對物質(zhì)的 吸收，又有一定的硬度，有利于劃線、涂布和影印等技術(shù)的操作。而半固體培養(yǎng)基的 適宜凝膠強(qiáng)度為90g/Cm2左右，這樣的培養(yǎng)基既可以凝固而不流動，又不影響菌體的運(yùn) 動，用手輕輕敲打試管即可使培養(yǎng)基破碎[13]。

2明膠

明膠（gelatin)是膠原蛋白經(jīng)適度降解變性而得到的產(chǎn)物。作為一種蛋白質(zhì)，明膠 的氨基酸組成較為特殊，其含硫氨基酸很少，而甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸 四種氨基酸含量很高，約占總氨基酸的67%。明膠大分子是由若干種氨基酸以肽鍵和 次級鍵連接而成，肽鍵和次級鍵決定了大分子的結(jié)構(gòu)，次級鍵有氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、 醋鍵和二硫鍵等。明膠溶液的溫度在熔點(diǎn)以上時其分子呈無規(guī)則線團(tuán)構(gòu)象。當(dāng)溫度降 至凝固點(diǎn)以下時，明膠分子的某些鏈段復(fù)旋為左手螺旋。相鄰3條左手螺旋鏈間產(chǎn)生 氫鍵交聯(lián)，復(fù)性為類似膠厚的右手超螺旋結(jié)構(gòu)[14]。明膠成品為無色或淡黃色的透明薄 片或微粒。明膠不溶于冷水，但可緩慢吸水膨脹軟化，明膠可吸收相當(dāng)于其重量5 ~ 10 倍的水。明膠可溶于熱水，形成熱可逆性凝膠[14、

明膠是最早用來作為凝固劑的物質(zhì)，用量為液體培養(yǎng)基的5% ~ 12%?？墒怯捎诿?膠的融化溫度（約25^)和凝固溫度（約20T)相差不大、比較容易被微生物分解、 不適于較高溫度下長期使用，以及耐加壓滅菌較差等缺點(diǎn)，已逐漸被瓊脂所代#[1]。

3.無機(jī)桂膠

硅膠（silica gel)是由多聚硅酸經(jīng)分子內(nèi)脫水而形成的一種多孔性物質(zhì)，其化學(xué)組 Si02*XH20,屬于無定性結(jié)構(gòu)。硅膠不溶于水和任何溶劑，無毒無味。由于硅膠為多 

孔性物質(zhì)，具有較大的比表面，而且表面的羥基具有一定程度的極性，所以有很好的 吸水性[15]。用于固體培養(yǎng)基的硅膠是由無機(jī)的硅酸鈉及硅酸鉀被鹽酸及硫酸中和時而 形成的膠體，它不含有機(jī)物，主要用于分離與培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基[1]。

4瓜爾膠

瓜爾膠（guar gum)是一種髙純化多糖，就分子結(jié)構(gòu)來說是一種非離子化的半乳甘 露聚糖，它以澤（1—4)鍵連接的聚吡喃甘露糖為主鏈，吡喃半乳糖支鏈以a- (1 —6)鍵連接在主鏈上，其中甘露糖與半乳糖的摩爾比約為2: 1[16]。瓜爾膠極易溶于冷 水和熱水、無毒、在一般情況下不形成凝膠，不過在高壓滅菌鍋滅菌冷卻后可以形成 凝膠。并且形成的凝膠在70丈以下是不可溶的[17]。

瓜爾膠在固體培養(yǎng)基的用量為30 ~40g/L，根據(jù)其高溫不溶的特性，可用于嗜熱 菌的分離和保藏。細(xì)菌和真菌在其上面有良好的生長，真菌還要比在瓊脂上長得更好 一些，而且瓜爾膠要比瓊脂便宜8倍，所以其有巨大的應(yīng)用價值[17]。

5卡拉膠1

卡拉膠（carrageenan)是從海藻中提取來的一種陰離子多糖，其結(jié)構(gòu)根據(jù)原料來源 不同而不同，可溶于熱水，不溶于乙醇、異丙醇等，基本骨架是a-1, 3和/3-1, 4糖昔 鍵交替聯(lián)結(jié)形成的半乳聚糖重復(fù)單元。卡拉膠的粘度很大，在濃度低至2 g/L時也能形 成凝膠，不過形成凝膠時是離子（K +或Ca+)依賴性的?？ɡz約60T焙化，45T凝 固[18]。由于卡拉膠是一種離子依賴型凝膠劑，所以無法完全代替瓊脂。但可用于某些 微生物的培養(yǎng)，其用量約為l〇g/L[19]。

6黃原膠

黃原膠（xanthangum)是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸 組成的“五糖重復(fù)單元”結(jié)構(gòu)聚合體。主鏈和側(cè)鏈間通過氫鍵形成雙螺旋和多重螺旋 結(jié)構(gòu)[2〇]。黃原膠既能溶于熱水，又能溶于冷水；不能發(fā)生凝膠化；具有很強(qiáng)的粘性, 具有髙度的生物穩(wěn)定性，多數(shù)酶類不能對其降解[2〇]。

7刺槐豆膠

刺槐豆膠（locust bean gum)是一種無色，無味的植物胚乳精制多糖。刺槐豆膠是 以甘露糖為主鏈的半乳甘露聚糖，甘露糖與半乳糖的比例為1:4,分子量大約為 300kD。刺槐豆膠本身無凝膠特性，其最重要的特點(diǎn)是與瓊脂、卡拉膠及黃原膠等親水 膠體有良好的凝膠協(xié)同效應(yīng)，可使復(fù)合后的用量水平很低并改善凝膠組織結(jié)構(gòu)。普通 刺槐豆膠在冷水中只有部分溶解，加熱至85T保持lOmin以上才能充分水化[21]。

8聚丙烯酸系高分子化合物

聚丙烯酸系（PAA)高分子化合物是一種化學(xué)合成的高吸水性樹脂。高吸水性樹 脂可以吸收自身質(zhì)量的幾百乃至上千倍的水，不但具有優(yōu)良的吸水性能，而且具有卓越 的保水能力；即使加壓，所吸收的水也不溢出。自然界中能吸水的物質(zhì)很多，按其吸水 的性質(zhì)來分，基本上分為兩類：一類是物理吸附，其吸水主要是毛細(xì)管的吸附原理，所 

以這類物質(zhì)吸水能力不高，只能吸收自重的幾十倍的水，一旦施壓，水就逸出。另一類 是化學(xué)吸附，是通過化學(xué)鍵的方式把水和親水性物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個整體。此種吸 附結(jié)合很牢，加壓也不會失水。髙吸水性樹脂是由三維空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高聚物，它帶有 大量親水基團(tuán)（如竣基、輕基、羧酸鹽、酰胺基等）。它的吸水，既有物理吸附，又有 化學(xué)吸附。因此，它具有神奇的吸水能力以及較高的保水能力[22]。

9討論

雖然瓊脂已經(jīng)被應(yīng)用了 100多年，它的可應(yīng)用性也得到了大家的充分認(rèn)可，可是 由于其資源的過分開采而導(dǎo)致價格上升，尋找一種較便宜的膠體來代替很有必要。另 外，有些情況下瓊脂并不適用，如髙溫培養(yǎng)。這樣，需要人們?nèi)ひ环N新的膠體來代 替或兼而用之。過去一段時間里，雖然人們做了大量的嘗試，取得了一定的成果，但 仍未找到一種可以完全代替之的物質(zhì)。所以，我們還要繼續(xù)努力，從瓊脂的可應(yīng)用原 理出發(fā)，來選擇新的膠體或來對現(xiàn)有的膠體改性，以達(dá)到應(yīng)用目的。

快速測試片由于其簡便、準(zhǔn)確、省時、省力、可應(yīng)用于現(xiàn)場等特點(diǎn)，將會在檢測 部門廣泛推廣。可是現(xiàn)有產(chǎn)品的凝固劑吸水性不好，不能快而均勻地吸收水分，使菌 體生長不均勻而導(dǎo)致檢測結(jié)果的偏差。所以尋找一種可用于檢測片的膠體也十分重要。

隨著髙分子化學(xué)的發(fā)展，天然高分子聚合物的凝膠化和流變性原理已越來越透徹， 吸水、保水原理也已明確。對其改性得到所需的產(chǎn)品是可能的。聚丙烯酸系高分子化 合物的合成機(jī)理和方法已經(jīng)十分成熟，合成可用于測試片的高分子物質(zhì)也是可行的。