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WS 2011 SE Polysaccharides (CHE.555) Xanthan Simon LEIMGRUBER [0612596] SE POLYSACCHARIDES ÜBERSICHT I Herkunft II Chemische Struktur III Supramolekulare Struktur IV Anwendung V Biosynthese VI Industrielle Herstellung VII Analyse & Charakterisierung VIII Datenblatt IX Literatur I. HERKUNFT Xanthomonas campestris Xanthan • Gram-negativ • Aerob • Pflanzenpathogen (hohe Ernteverluste) • Gerade Stäbchenförmige Einzeller • Fortbewegung: polar begeißelt Hauptstrang II. CHEMISCHE STRUKTUR (1-4)-β-D-Glucose Seitenkette α-D-Mannose (1,3) verknüpft β-D-Glucuronsäure (1,2) verknüpft β-D-Mannose (1,4) verknüpft Hauptstrang II. CHEMISCHE STRUKTUR M+ = Na+, K+, ½ Ca2+ α-D-Mannose Seitenkette R1 = H oder R2, R3 = oder R2, R3 = H oder β-D-Mannose R2 = H R3 = II. CHEMISCHE STRUKTUR b-D-Glcp-(1-4)-b-D-Glcp-(1-3)+ | a-D-Manp-(1-2)-b-D-GlcpUA-(1-4)-b-D-Manp SWEET 2 III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR Thixotrop - Scherverdünnung „Ketchup Effekt“ IV. ANWENDUNG Lebensmittelzusatzstoff E415: - Verdickungsmittel - Emulgator - Stabilisator ca. 70% des Xanthans in Lebensmittelproduktion Technische Anwendung: - Flutungsmittel - Suspensionsmittel - Emulgatoren V. BIOSYNTHESE Aktivierte Zuckernukleotide Uridindiphosphat (UDP)-Glucose Guanosindiphosphat (GDP)-Mannose Uridindiphosphat (UDP)-Glucuronsäure Gruppenüberträger Acetyl-CoA (AcCoA) Phosphoenolpyruvat PEP V. BIOSYNTHESE Ankergruppe Polyisoprenol Phosphat (Lipid-P) Aufbau Bakterium V. BIOSYNTHESE UDP-Glc Export UMP Pi Lipid-P UDP-Glc Lipid-P-P-Glc UDP Polymer Lipid-P-P-Glc-Glc Lipid-P-P GDPMan GDP Lipid-P-P-Glc-Glc-Man Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA-Man(Ac,Pyr) CoA Pi AcCoA AcCoA PEP CoA Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA-Man Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac) UDP-GlcA GDP Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA GDP-Man UDP V. BIOSYNTHESE VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG Xanthomonas campestris Labor Xanthan VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 1. Fermentation - Xanthomonas campestris - Aerob - Während exponentiellen Wachstumsphase - Schubweise oder kontinuierlich - Ausbeute und Eigenschaften abhängig von: • Stamm • Produktionsbedingungen VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 2. Nährstoffe Kohlenstoffquelle - Glucose, Saccharose - Stärke - Lactose Stickstoffquelle - Organische Komplexe - Anorganische Quellen (Ammoniumsalze) Produktion begünstigt, wenn mind. ein Nährstoff limitiert wird VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 3. Temperatur und pH Optimale Temperatur: 28-30°C Höhere Temperatur - Bessere Xanthanausbeute - Pyruvatgehalt nimmt ab (schlecht für Qualität) Optimaler pH-Wert: 7 Während Fermentation wird Essigsäure Freigesetzt Zugabe von NaOH oder KOH VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 4. Belüftung Sauerstoffeintrag sehr wichtig!!! Extrem hohe Viskosität im Fermenter Massentransfer + Sauerstofftransfer gehemmt Lösung: sehr hohe Begasungsrate VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 5. Aufarbeitung Reaktionsabbruch: gesamte C-Quelle verstoffwechselt Sterilisation: Abtötung der Bakterien Konformationsänderung, η steigt Fällung des Xanthans in Alkohol Ethanol oder Isopropanol Präzipitat: abtrennen waschen vermahlen VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG 5. Aufarbeitung Xanthan noch nicht rein!!! Bakterienmasse + Proteinreste enthalten Reinigung: - Filtration - Zentrifugation - Enzymatischer Abbau Alkohol durch Destillation regeneriert VII. ANALYSE & CHARAKTERISIERUNG Zu berücksichtigende Parameter: - Chemische Struktur - Acetat und Pyruvat Anteil - Molekulargewicht - Sekundäre Strukturen - Rheologisches Verhalten VII. CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG Chemische Charakterisierung 1. Zuckerzusammensetzung - Cellulose Hauptstrang schwer hydrolysierbar - Hydrolyse von β-D-GlcA-(1,2)-α-D-Man führt gleichzeitig zur hydrolyse von Glukuronsäure mehrere Arten der Hydrolyse notwendig Offizielle Beschreibungen geben nicht Chemische Zusammensetzung an Gelierungsvermögen mit Locust Bean Gum VII. CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG 2. Pyruvat Bestimmung - Kolorimetrisch mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin (DNPH) - Enzymatisch mit Lactat Dehydrogenase (LDH) Menge an freigesetztem NAD+ bei 340 nm bestimmt Pyruvat + NADH + H+ LDH/LD - Simultane Detektion: HPLC, NMR 3. Acetat Bestimmung - Hydroxamsäure - Simultane Detektion: HPLC, NMR Lactat + NAD+ VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG 1. Molekulargewicht Mw = 4 – 16 * 106 g/mol Bestimmung schwierig: - Hohes Molekulargewicht Steifheit der Moleküle Anwesenheit von Aggregaten Mehrere Analysetechniken: - GPC-MALLS AFFF-MALLS Elektronenmikroskopie Polydispersität Mw/Mn = 2,8 VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG GPC-MALLS GPC Seperation als Funktion der Molekülgröße MALLS Liefert Informationen über Mw Bestimmung des absoluten Mw und Gyrationsradius ohne Säulenkalibration oder Standards Probleme bei Xanthan: - Große hydrodynamische Volumen (keine geeignete Säulen) - Starken Scherkräften ausgesetzt Molekülzersetzung - Probleme bei MALLS auf Nullwinkel zu extrapolieren VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG AFFF-MALLS AFFF Trennung nach Diffusionkoeffizient Messbereich bis zu mehreren µm (Rh) Vorteil: kein Packungsmaterial keine Scherkräfte Nachteil: Fließgeschwindigkeiten, Injektionsvolumen und Lösungsmittel müssen genau abgestimmt werden VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG Elektronenmikroskop Direkte Messung der Xanthan Moleküle Probenvorbereitung: - Vakuumtrocknen - Platinbeschichten Bestimmung der mittleren Konturlänge Mw Detektion der Struktur von Mikrogele VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG 2. Sekundärstruktur Verschiedene Techniken notwendig, z.B.: • • • • Lichtstreumethoden Hydrodynamische Methoden Bestimmung Thermodynamischer Eigenschaften Kalorimetrische Methoden Methode der Wahl: AFM - Bilder von Xanthan Molekülen und Aggregaten - Molekulare Wechselwirkungen Weitere Methoden für spezifische Messungen VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG 3. Rheologie Xanthan Systeme: - Newton‘sche Lösungen - Pseudoplastische Lösungen - Gel Abhängig von Bedingungen in Lösung: - Polymerkonzentration Salzkonzentration Beigabe weiterer Hydrokolloide … VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG Grundsätzliche Messung : Anlegen einer Scherkraft Messung der Scherspannung Bestimmung von: - Intrinsische Viskosität η - Viskoelastische Eigenschaften: Elastischer Anteil: Speichermodul G` Viskoser Anteil: Verlustmodul G`` VIII. DATENBLATT Was ist wichtig über das Produkt zu wissen? Molekulargewicht: 16*106 g/mol Zuckerverhältnis: D-Glucose : D-Mannose : D-Glucuronsäure = 2 : 2 : 1 Acetatgehalt: 5% Pyruvatgehalt: 3% Je nach Anwendung unterscheiden sich die Datenblätter in ihrer Ausführlichkeit!!! VIII. DATENBLATT Anwendung in Lebensmitteln: Sensorische Bewertung: Aussehen Geruch Geschmack Konsistenz Chemische / Physikalische Daten: pH - Wert Asche % Pyruvat % Isopropanol mg/kg Viskosität cps (1%)BF,LVT,sp.3, 60rpm, 25°C Korngröße durch 25 mesh (0,7 mm) durch 45 mesh (0,36 mm) Schwermetalle ppm Blei ppm Arsen ppm Mikrobiologische Daten: Gesamtkeimzahl p/g Hefen p/g Schimmelpilze p/g E. coli / 5 g Salmonellen / 25 g weiß - cremefarben arteigen, einwandfrei arteigen, einwandfrei einwandfrei 6,0 - 8,0 max. 16 min. 1,5 max. 500 1.400 - 1.600 100 % nicht mehr als 95 % max. 20 max. 2 max. 3 max. 2.000 max. 100 max. 100 negativ negativ VIII. DATENBLATT Technische Anwendung: Aussehen weiß - cremefarben Korngröße 40-80 mesh Viskosität 1% Lösung in 1% KCL 1300 – 1600 cps V1/V2 1.02 – 1.45 pH von 1% Lösung in Wasser 6.0 – 8.0 Feuchtigkeit 13% max Asche 13% max IX. LITERATURVERZEICHNIS K. Born, V. Langendorff, P. Boulenguer, Xanthan. Biopolymers Online. Wiley-VCH Verlag, 2005. G. Antranikian. Angewandte Mikrobiologie. Springer-Verlag, Heidelberg, 2006. H.-D. Beltz, W. Grosch, P. Schieberie. Food Chemistry, 3rd Edition, Springer, 2004. G. Holzwarth. Moleculat weight of xanthan polysaccharide. Carbohydrate Research. 66:173-186, 1978. Internet: http://www.hansacoll.de/page2/page15/page16/page16.html
