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SE Polysaccharides (CHE.555)

Xanthan

Simon LEIMGRUBER

[0612596]

WS 2011

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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

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• Gram-negativ

• Aerob

• Pflanzenpathogen (hohe Ernteverluste)

• Gerade Stäbchenförmige Einzeller

• Fortbewegung: polar begeißelt

I. HERKUNFT

Xanthomonas campestris

Xanthan

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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

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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

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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

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III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR

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III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR

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III. SUPRAMOLEKULARE STRUKTUR

Thixotrop - Scherverdünnung

„Ketchup Effekt“

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Lebensmittelzusatzstoff E415:- Verdickungsmittel

- Emulgator

- Stabilisator

ca. 70% des Xanthans in Lebensmittelproduktion

Technische Anwendung:- Flutungsmittel

- Suspensionsmittel

- Emulgatoren

IV. ANWENDUNG

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Aktivierte Zuckernukleotide

Uridindiphosphat (UDP)-Glucose

Guanosindiphosphat (GDP)-Mannose

Uridindiphosphat (UDP)-Glucuronsäure

Gruppenüberträger

V. BIOSYNTHESE

Acetyl-CoA (AcCoA) Phosphoenolpyruvat PEP

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Ankergruppe

V. BIOSYNTHESE

Polyisoprenol Phosphat (Lipid-P)

Aufbau Bakterium

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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

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V. BIOSYNTHESE

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VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG

Xanthomonas campestris Xanthan

Labor

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- Xanthomonas campestris

- Aerob

- Während exponentiellen Wachstumsphase

- Schubweise oder kontinuierlich

- Ausbeute und Eigenschaften abhängig von:

• Stamm

• Produktionsbedingungen

VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG

1. Fermentation

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VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG

2. Nährstoffe

Kohlenstoffquelle

- Glucose, Saccharose

- Stärke

- Lactose

Stickstoffquelle

- Organische Komplexe

- Anorganische Quellen (Ammoniumsalze)

Produktion begünstigt, wenn mind. ein Nährstoff limitiert wird

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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

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VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG

4. Belüftung

Sauerstoffeintrag sehr wichtig!!!

Extrem hohe Viskosität im Fermenter

Massentransfer + Sauerstofftransfer gehemmt

Lösung: sehr hohe Begasungsrate

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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

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VI. INDUSTRIELLE HERSTELLUNG

5. Aufarbeitung

Xanthan noch nicht rein!!! Bakterienmasse + Proteinreste enthalten

Reinigung:- Filtration- Zentrifugation- Enzymatischer Abbau

Alkohol durch Destillation regeneriert

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Zu berücksichtigende Parameter:

- Chemische Struktur

- Acetat und Pyruvat Anteil

- Molekulargewicht

- Sekundäre Strukturen

- Rheologisches Verhalten

VII. ANALYSE & CHARAKTERISIERUNG

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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

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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

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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

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VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG

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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

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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

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Elektronenmikroskop

Direkte Messung der Xanthan Moleküle

Probenvorbereitung: - Vakuumtrocknen - Platinbeschichten

Bestimmung der mittleren Konturlänge Mw

Detektion der Struktur von Mikrogele

VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG

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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

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3. Rheologie

Xanthan Systeme:- Newton‘sche Lösungen- Pseudoplastische Lösungen- Gel

Abhängig von Bedingungen in Lösung:- Polymerkonzentration- Salzkonzentration- Beigabe weiterer Hydrokolloide- …

VII. PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG

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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

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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

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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

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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

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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