SE Polysaccharides (CHE.555) 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

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

II. Chemische Struktur Hauptstrang (1-4)-β-D-Glucose α-D-Mannose (1,3) verknüpft Seitenkette β-D-Glucuronsäure (1,2) verknüpft β-D-Mannose (1,4) verknüpft

II. Chemische Struktur Hauptstrang M+ = Na+, K+, ½ Ca2+ α-D-Mannose R1 = H oder R2, R3 = Seitenkette oder R2, R3 = H oder R2 = H R3 = β-D-Mannose

SWEET 2 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: IV. Anwendung Lebensmittelzusatzstoff E415: Verdickungsmittel Emulgator Stabilisator  ca. 70% des Xanthans in Lebensmittelproduktion Technische Anwendung: Flutungsmittel Suspensionsmittel Emulgatoren

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

Ankergruppe V. Biosynthese Polyisoprenol Phosphat (Lipid-P) Aufbau Bakterium

V. Biosynthese Export Pi Polymer Pi CoA UDP-Glc UMP UDP-Glc Lipid-P Lipid-P-P-Glc UDP Polymer Lipid-P-P-Glc-Glc Lipid-P-P GDP-Man GDP Lipid-P-P-Glc-Glc-Man Lipid-P-P-Glc-Glc-Man(Ac)-GlcA-Man(Ac,Pyr) CoA Pi AcCoA AcCoA CoA PEP 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

Xanthomonas campestris Xanthan VI. Industrielle Herstellung Xanthomonas campestris Xanthan Labor

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

Lösung: sehr hohe Begasungsrate 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

 Bakterienmasse + Proteinreste enthalten 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 VII. Analyse & Charakterisierung Zu berücksichtigende Parameter: Chemische Struktur Acetat und Pyruvat Anteil Molekulargewicht Sekundäre Strukturen Rheologisches Verhalten

Chemische Charakterisierung 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

2. Pyruvat Bestimmung 3. Acetat Bestimmung 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 LDH/LD Pyruvat + NADH + H+ Lactat + NAD+

VII. Physikalische Charakterisierung 1. Molekulargewicht 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

GPC-MALLS VII. Physikalische Charakterisierung 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

AFFF-MALLS VII. Physikalische Charakterisierung AFFF  Trennung nach Diffusionkoeffizient  Messbereich bis zu mehreren µm (Rh) Vorteil: kein Packungsmaterial  keine Scherkräfte Nachteil: Fließgeschwindigkeiten, Injektionsvolumen und Lösungsmittel müssen genau abgestimmt werden

Elektronenmikroskop VII. Physikalische Charakterisierung  Direkte Messung der Xanthan Moleküle Probenvorbereitung: - Vakuumtrocknen - Platinbeschichten Bestimmung der mittleren Konturlänge  Mw Detektion der Struktur von Mikrogele

2. Sekundärstruktur VII. Physikalische Charakterisierung 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

3. Rheologie VII. Physikalische Charakterisierung Xanthan Systeme: Newton‘sche Lösungen Pseudoplastische Lösungen Gel Abhängig von Bedingungen in Lösung: Polymerkonzentration Salzkonzentration Beigabe weiterer Hydrokolloide …

Grundsätzliche Messung : 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``

Was ist wichtig über das Produkt zu wissen? 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 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 1.400 - 1.600 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. 2.000 Hefen p/g max. 100 Schimmelpilze p/g max. 100 E. coli / 5 g negativ Salmonellen / 25 g negativ

Technische Anwendung: 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