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SE Polysaccharides (CHE.555) Xanthan Simon LEIMGRUBER [0612596] WS 2011.

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1 SE Polysaccharides (CHE.555) Xanthan Simon LEIMGRUBER [ ] WS 2011

2 I Herkunft II Chemische Struktur III Supramolekulare Struktur IV Anwendung V Biosynthese VI Industrielle Herstellung VII Analyse & Charakterisierung VIII Datenblatt IX Literatur SE P OLYSACCHARIDES Ü BERSICHT

3 • Gram-negativ • Aerob • Pflanzenpathogen (hohe Ernteverluste) • Gerade Stäbchenförmige Einzeller • Fortbewegung: polar begeißelt I. H ERKUNFT Xanthomonas campestris Xanthan

4 II. C HEMISCHE S TRUKTUR Hauptstrang Seitenkette (1-4)- β-D-Glucose α-D-Mannose β-D-Glucuronsäure β-D-Mannose (1,3) verknüpft (1,2) verknüpft (1,4) verknüpft

5 II. C HEMISCHE S TRUKTUR Hauptstrang Seitenkette α-D-Mannose β-D-Mannose M + = Na +, K +, ½ Ca 2+ R 1 = H oder R 2, R 3 = R 2, R 3 = H R 2 = HR 3 = oder

6 II. C HEMISCHE S TRUKTUR 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

7 III. S UPRAMOLEKULARE S TRUKTUR

8

9 Thixotrop - Scherverdünnung „Ketchup Effekt“

10 Lebensmittelzusatzstoff E415: -Verdickungsmittel -Emulgator -Stabilisator  ca. 70% des Xanthans in Lebensmittelproduktion Technische Anwendung: -Flutungsmittel -Suspensionsmittel -Emulgatoren IV. A NWENDUNG

11 Aktivierte Zuckernukleotide Uridindiphosphat (UDP)-Glucose Guanosindiphosphat (GDP)-Mannose Uridindiphosphat (UDP)-Glucuronsäure Gruppenüberträger V. B IOSYNTHESE Acetyl-CoA (AcCoA)Phosphoenolpyruvat PEP

12 Ankergruppe V. B IOSYNTHESE Polyisoprenol Phosphat (Lipid-P) Aufbau Bakterium

13 V. B IOSYNTHESE 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-GlcUMP UDP-Glc UDP GDP- Man GDP AcCoA CoA UDP-GlcA UDP GDP-Man GDP PEP PiPi Polymer Export PiPi AcCoA CoA

14 V. B IOSYNTHESE

15 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG Xanthomonas campestrisXanthan Labor

16 -Xanthomonas campestris -Aerob -Während exponentiellen Wachstumsphase -Schubweise oder kontinuierlich -Ausbeute und Eigenschaften abhängig von: • Stamm • Produktionsbedingungen VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 1. Fermentation

17 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 2. Nährstoffe Kohlenstoffquelle -Glucose, Saccharose -Stärke -Lactose Stickstoffquelle -Organische Komplexe -Anorganische Quellen (Ammoniumsalze)  Produktion begünstigt, wenn mind. ein Nährstoff limitiert wird

18 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 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

19 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 4. Belüftung Sauerstoffeintrag sehr wichtig!!! Extrem hohe Viskosität im Fermenter  Massentransfer + Sauerstofftransfer gehemmt Lösung: sehr hohe Begasungsrate

20 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 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

21 VI. I NDUSTRIELLE H ERSTELLUNG 5. Aufarbeitung Xanthan noch nicht rein!!!  Bakterienmasse + Proteinreste enthalten Reinigung: -Filtration -Zentrifugation -Enzymatischer Abbau  Alkohol durch Destillation regeneriert

22 Zu berücksichtigende Parameter: -Chemische Struktur -Acetat und Pyruvat Anteil -Molekulargewicht -Sekundäre Strukturen -Rheologisches Verhalten VII. A NALYSE & C HARAKTERISIERUNG

23 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. C HEMISCHE C HARAKTERISIERUNG

24 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. C HEMISCHE C HARAKTERISIERUNG Pyruvat + NADH + H + Lactat + NAD + LDH/LD

25 M w = 4 – 16 * 10 6 g/mol Polydispersität M w /M n = 2,8 Bestimmung schwierig: -Hohes Molekulargewicht -Steifheit der Moleküle -Anwesenheit von Aggregaten Mehrere Analysetechniken: -GPC-MALLS -AFFF-MALLS -Elektronenmikroskopie VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG 1. Molekulargewicht

26 VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

27 GPC-MALLS GPC  Seperation als Funktion der Molekülgröße MALLS  Liefert Informationen über M w Bestimmung des absoluten M w 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. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

28 AFFF-MALLS AFFF  Trennung nach Diffusionkoeffizient  Messbereich bis zu mehreren µm (R h ) Vorteil: kein Packungsmaterial  keine Scherkräfte Nachteil: Fließgeschwindigkeiten, Injektionsvolumen und Lösungsmittel müssen genau abgestimmt werden VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

29 Elektronenmikroskop  Direkte Messung der Xanthan Moleküle Probenvorbereitung: - Vakuumtrocknen - Platinbeschichten Bestimmung der mittleren Konturlänge  M w Detektion der Struktur von Mikrogele VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

30 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. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

31 3. Rheologie Xanthan Systeme: -Newton‘sche Lösungen -Pseudoplastische Lösungen -Gel Abhängig von Bedingungen in Lösung: -Polymerkonzentration -Salzkonzentration -Beigabe weiterer Hydrokolloide -… VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

32 Grundsätzliche Messung :  Anlegen einer Scherkraft  Messung der Scherspannung Bestimmung von: -Intrinsische Viskosität η -Viskoelastische Eigenschaften: Elastischer Anteil: Speichermodul G` Viskoser Anteil: Verlustmodul G`` VII. P HYSIKALISCHE C HARAKTERISIERUNG

33 Was ist wichtig über das Produkt zu wissen? Molekulargewicht: 16*10 6 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. D ATENBLATT

34 Anwendung in Lebensmitteln: Sensorische Bewertung: Aussehen weiß - cremefarben Geruch arteigen, einwandfrei Geschmack arteigen, einwandfrei Konsistenz einwandfrei Chemische / Physikalische Daten: pH - Wert 6,0 - 8,0 Asche % max. 16 Pyruvat % min. 1,5 Isopropanol mg/kg max. 500 Viskosität cps (1%)BF,LVT,sp.3, 60rpm, 25°C Korngröße durch 25 mesh (0,7 mm) 100 % durch 45 mesh (0,36 mm) nicht mehr als 95 % Schwermetalle ppm max. 20 Blei ppm max. 2 Arsen ppm max. 3 Mikrobiologische Daten: Gesamtkeimzahl p/g max Hefen p/g max. 100 Schimmelpilze p/g max. 100 E. coli / 5 g negativ Salmonellen / 25 g negativ VIII. D ATENBLATT

35 Technische Anwendung: Aussehen weiß - cremefarben Korngröße mesh Viskosität 1% Lösung in 1% KCL 1300 – 1600 cps V1/V21.02 – 1.45 pH von 1% Lösung in Wasser6.0 – 8.0 Feuchtigkeit13% max Asche13% max VIII. D ATENBLATT

36 K. Born, V. Langendorff, P. Boulenguer, Xanthan. Biopolymers Online. Wiley-VCH Verlag, G. Antranikian. Angewandte Mikrobiologie. Springer-Verlag, Heidelberg, H.-D. Beltz, W. Grosch, P. Schieberie. Food Chemistry, 3rd Edition, Springer, G. Holzwarth. Moleculat weight of xanthan polysaccharide. Carbohydrate Research. 66: , Internet: IX. L ITERATURVERZEICHNIS


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