SE Polysaccharides (CHE.555)

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

2 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

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

4 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

5 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

6 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

7 III. Supramolekulare Struktur

8 III. Supramolekulare Struktur

9 III. Supramolekulare Struktur
Thixotrop - Scherverdünnung „Ketchup Effekt“

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

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

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

13 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

14 V. Biosynthese

15 Xanthomonas campestris Xanthan
VI. Industrielle Herstellung Xanthomonas campestris Xanthan Labor

16 VI. Industrielle Herstellung
1. Fermentation Xanthomonas campestris Aerob Während exponentiellen Wachstumsphase Schubweise oder kontinuierlich Ausbeute und Eigenschaften abhängig von: Stamm Produktionsbedingungen

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

18 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

19 Lösung: sehr hohe Begasungsrate
VI. Industrielle Herstellung 4. Belüftung Sauerstoffeintrag sehr wichtig!!! Extrem hohe Viskosität im Fermenter Massentransfer + Sauerstofftransfer gehemmt Lösung: sehr hohe Begasungsrate

20 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

21  Bakterienmasse + Proteinreste enthalten
VI. Industrielle Herstellung 5. Aufarbeitung Xanthan noch nicht rein!!!  Bakterienmasse + Proteinreste enthalten Reinigung: Filtration Zentrifugation Enzymatischer Abbau  Alkohol durch Destillation regeneriert

22 Zu berücksichtigende Parameter: Chemische Struktur
VII. Analyse & Charakterisierung Zu berücksichtigende Parameter: Chemische Struktur Acetat und Pyruvat Anteil Molekulargewicht Sekundäre Strukturen Rheologisches Verhalten

23 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

24 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+

25 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

26 VII. Physikalische Charakterisierung

27 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

28 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

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

30 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

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

32 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``

33 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!!!

34 VIII. Datenblatt Anwendung in Lebensmitteln: Sensorische Bewertung:
Aussehen weiß - cremefarben Geruch arteigen, einwandfrei Geschmack arteigen, einwandfrei Konsistenz einwandfrei Chemische / Physikalische Daten: pH - Wert ,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) % 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

35 Technische Anwendung:
VIII. Datenblatt Technische Anwendung: Aussehen weiß - cremefarben Korngröße mesh Viskosität 1% Lösung in 1% KCL – 1600 cps V1/V – 1.45 pH von 1% Lösung in Wasser 6.0 – 8.0 Feuchtigkeit 13% max Asche 13% max

36 IX. Literaturverzeichnis
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: