SE Polysaccharides (CHE.555) Xanthan Simon LEIMGRUBER [0612596] WS 2011.
-
Upload
helmuth-stockert -
Category
Documents
-
view
110 -
download
0
Transcript of SE Polysaccharides (CHE.555) Xanthan Simon LEIMGRUBER [0612596] WS 2011.
SE Polysaccharides (CHE.555)
Xanthan
Simon LEIMGRUBER
[0612596]
WS 2011
I Herkunft
II Chemische Struktur
III Supramolekulare Struktur
IV Anwendung
V Biosynthese
VI Industrielle Herstellung
VII Analyse & Charakterisierung
VIII Datenblatt
IX Literatur
SE POLYSACCHARIDES
ÜBERSICHT
• Gram-negativ
• Aerob
• Pflanzenpathogen (hohe Ernteverluste)
• Gerade Stäbchenförmige Einzeller
• Fortbewegung: polar begeißelt
I. HERKUNFT
Xanthomonas campestris
Xanthan
II. CHEMISCHE STRUKTURH
aupt
stra
ngSe
itenk
ette
(1-4)-β-D-Glucose
α-D-Mannose
β-D-Glucuronsäure
β-D-Mannose
(1,3) verknüpft
(1,2) verknüpft
(1,4) verknüpft
II. CHEMISCHE STRUKTURH
aupt
stra
ngSe
itenk
ette
α-D-Mannose
β-D-Mannose
M+ = Na+, K+, ½ Ca2+
R1 = H oder
R2, R3 =
R2, R3 = H
R2 = H R3 =
oder
oder
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“
Lebensmittelzusatzstoff E415:- Verdickungsmittel
- Emulgator
- Stabilisator
ca. 70% des Xanthans in Lebensmittelproduktion
Technische Anwendung:- Flutungsmittel
- Suspensionsmittel
- Emulgatoren
IV. ANWENDUNG
Aktivierte Zuckernukleotide
Uridindiphosphat (UDP)-Glucose
Guanosindiphosphat (GDP)-Mannose
Uridindiphosphat (UDP)-Glucuronsäure
Gruppenüberträger
V. BIOSYNTHESE
Acetyl-CoA (AcCoA) Phosphoenolpyruvat PEP
Ankergruppe
V. BIOSYNTHESE
Polyisoprenol Phosphat (Lipid-P)
Aufbau Bakterium
V. BIOSYNTHESE
Lipid-P
Lipid-P-P
Lipid-P-P-Glc
Lipid-P-P-Glc-Glc
Lipid-P-P-Glc-Glc-Man
Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)
Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA
Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA-Man
Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA-Man(Ac,Pyr)
UDP-Glc UMP
UDP-Glc
UDP
GDP-Man
GDP
AcCoA
CoA
UDP-GlcA
UDPGDP-Man
GDP
PEP
Pi
Polymer
Export Pi
AcCoA
CoA
V. BIOSYNTHESE
VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG
Xanthomonas campestris Xanthan
Labor
- Xanthomonas campestris
- Aerob
- Während exponentiellen Wachstumsphase
- Schubweise oder kontinuierlich
- Ausbeute und Eigenschaften abhängig von:
• Stamm
• Produktionsbedingungen
VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG
1. Fermentation
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°CHöhere 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
Zu berücksichtigende Parameter:
- Chemische Struktur
- Acetat und Pyruvat Anteil
- Molekulargewicht
- Sekundäre Strukturen
- Rheologisches Verhalten
VII. ANALYSE & CHARAKTERISIERUNG
Chemische Charakterisierung1. 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
- Simultane Detektion: HPLC, NMR
3. Acetat Bestimmung- Hydroxamsäure
- Simultane Detektion: HPLC, NMR
VII. CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG
Pyruvat + NADH + H+ Lactat + NAD+LDH/LD
Mw = 4 – 16 * 106 g/mol Polydispersität Mw/Mn = 2,8
Bestimmung schwierig:- Hohes Molekulargewicht- Steifheit der Moleküle- Anwesenheit von Aggregaten
Mehrere Analysetechniken:- GPC-MALLS- AFFF-MALLS- Elektronenmikroskopie
VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG
1. Molekulargewicht
VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG
GPC-MALLSGPC Seperation als Funktion der MolekülgrößeMALLS 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. SekundärstrukturVerschiedene 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 ScherkraftMessung der Scherspannung
Bestimmung von:- Intrinsische Viskosität η- Viskoelastische Eigenschaften:
Elastischer Anteil: Speichermodul G`Viskoser Anteil: Verlustmodul G``
VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG
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 weiß - cremefarbenGeruch arteigen, einwandfreiGeschmack arteigen, einwandfreiKonsistenz einwandfrei
Chemische / Physikalische Daten:pH - Wert 6,0 - 8,0Asche % max. 16Pyruvat % min. 1,5Isopropanol mg/kg max. 500Viskosität cps (1%)BF,LVT,sp.3, 60rpm, 25°C 1.400 - 1.600
Korngrößedurch 25 mesh (0,7 mm) 100 %durch 45 mesh (0,36 mm) nicht mehr als 95 %Schwermetalle ppm max. 20Blei ppm max. 2Arsen ppm max. 3
Mikrobiologische Daten:Gesamtkeimzahl p/g max. 2.000Hefen p/g max. 100Schimmelpilze p/g max. 100E. coli / 5 g negativSalmonellen / 25 g 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
VIII. DATENBLATT
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
IX. LITERATURVERZEICHNIS