Περιεχόμενα
|
Εισαγωγή
- Το πιο επιτυχημένο εμπορικά παράδειγμα μικροβιακού εξωπολυσακχαρίτη είναι κόμμι ξανθάνηςτο οποίο παράγεται από Είδος Xanthomonasπ.χ X. campestris, Χ. καρότα, X. malvacearum και X. φασόλι.
- Αυτά τα βακτήρια είναι μικρές, κινητές, αερόβιες Gram-αρνητικές ράβδοι που παράγουν κίτρινες χρωστικές.
- Πολλά είναι φυτοπαθογόνα, συμπεριλαμβανομένου του X. campestris, του είδους που χρησιμοποιείται για την εμπορική παραγωγή ξανθάνης, η οποία προκαλεί ασθένειες του κουνουπιδιού, των λάχανων και των rutabagas.
- Η αρχική εργασία για την ξανθάνη πραγματοποιήθηκε στο Βόρειο Περιφερειακό Ερευνητικό Εργαστήριο του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και η εμπορική παραγωγή ξεκίνησε το 1961 από την Kelco.
- Η έγκριση για χρήση τροφίμων δόθηκε από τον FDA το 1969 και ο πολυσακχαρίτης έχει πλέον καθεστώς GRAS. Στην ΕΕ, η ξανθάνη ταξινομείται ως πυκνωτικό E415.
Δομή του κόμμεος Xanthan
- Ξανθάν είναι ένα ελικοειδές ετεροπολυμερές υψηλού μοριακού βάρους 1,0–2,0 Χ 106 Da, που αποτελείται από D-γλυκόζη, d-μαννόζη, d-γλυκουρονικό οξύ (σε μοριακή αναλογία 2:2:1, αντίστοιχα).
- Οι μονάδες D-γλυκόζης συνδέονται με β-1,4 και σχηματίζουν τη ραχοκοκαλιά του μορίου, η οποία είναι παρόμοια με την κυτταρίνη.
- Τα πολυμερή διακλαδίζονται τακτικά ως εναλλακτικές μονάδες γλυκόζης της ραχοκοκαλιάς συνδέονται με μια πλευρική αλυσίδα τρισακχαρίτη, που αποτελείται από α-D-μαννόζη, β-D-γλυκουρονικό οξύ και μια άλλη α-D-μαννόζη στην τερματική θέση.
- Ωστόσο, μπορεί να υπάρχουν παραλλαγές στους υποκαταστάτες αυτών των πλευρικών αλυσίδων, οι οποίες μπορούν να επηρεάσουν διάφορες ιδιότητες του πολυμερούς.
- Το πυροσταφυλικό μπορεί να υπάρχει στην τερματική μονάδα μαννόζης και η εσωτερική μαννόζη μπορεί να είναι Ο-ακετυλιωμένη. Οι ξανθάνες του εμπορίου έχουν βαθμό υποκατάστασης 30-40% για το πυροσταφυλικό και 60-70% για το οξικό.
- Οι διαφορές εξαρτώνται από το στέλεχος του X. campestris που χρησιμοποιείται για την παραγωγή και τη σύνθεση των μέσων ανάπτυξης.
- Τα κόμμεα με συντομευμένες πλευρικές αλυσίδες, που σχηματίζονται από μεταλλάγματα του X. campestris, παρουσιάζουν πολύ διαφορετικές φυσικές ιδιότητες από αυτές που παράγονται από το βακτήριο άγριου τύπου.
Βιομηχανικές εφαρμογές κόμμεος ξανθάνης
- Οι διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές βασίζονται στην ικανότητα του κόμμεος ξανθάνης να διαλύεται σε ζεστό ή κρύο νερό και να αποδίδει υψηλό ιξώδες, ακόμη και σε συγκεντρώσεις τόσο χαμηλές όσο 0,05% (w/v).
- Τα διαλύματα ξανθάνης έχουν υψηλότερο ιξώδες από άλλα κόμμεα στην ίδια συγκέντρωση.
- Σε συγκέντρωση πολυμερούς 1% (w/v) σε διάλυμα χλωριούχου καλίου 1% (w/v), οι τιμές ιξώδους για το κόμμι ξανθάνης, το κόμμι γκουάρ, την καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη και το αλγινικό είναι 11300, 4000, 410 και 210 mPa s, αντίστοιχα. .
- Πρόσθετα βασικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:
- Ημιδιαφάνεια διαλυμάτων ξανθάνης;
- Συμβατότητα με οξέα, βάσεις και άλατα.
- Απαλότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. και
- Ψευδοπλαστική ρεολογική συμπεριφορά, δηλαδή διαλύματα ξανθάνης ανακτούν το ιξώδες μετά από διάτμηση.
- Η ξανθάνη αλληλεπιδρά επίσης συνεργικά με άλλα πολυμερή. Για παράδειγμαμπορεί να σχηματίσει θερμικά αναστρέψιμες γέλες σε συνδυασμό με γαλακτομαννάνες ή γλυκομαννάνες, ενώ κανένα από τα συστατικά δεν θα γέληση μόνο του.
Εφαρμογές εκτός τροφίμων
- Περίπου το 60% της παραγόμενης ξανθάνης χρησιμοποιείται σε μη εδώδιμες εφαρμογές.
- Αυτά περιλαμβάνουν τη χρήση ως σταθεροποιητή για γαλακτώματα βαφής, φορέα για λιπάσματα και ζιζανιοκτόνα, πυκνωτικό για βαφές υφασμάτων, λιπαντικό διάτρησης και για τριτογενή ανάκτηση στη βιομηχανία πετρελαίου και σε επικαλύψεις αργίλου για χαρτί υψηλής ποιότητας.
- Η ξανθάνη βοηθά επίσης τη ροή των πάστες, π.χ. διευκολύνει τη ροή της οδοντόκρεμας από τα δοχεία, αλλά ανακτά το ιξώδες μετά την αφαίρεση της δύναμης διάτμησης.
Εφαρμογές τροφίμων
- Εφαρμογές τροφίμων περιλαμβάνουν ρόλους ως πυκνωτικού, συγκολλητικού, συνδετικού σε μεμβράνες και επικαλύψεις, παράγοντα γαλακτωματοποίησης και σταθεροποιητή.
- Η ξανθάνη μπορεί επίσης να βοηθήσει στην ταχεία απελευθέρωση γεύσης και παρέχει καλά χαρακτηριστικά «αίσθησης στο στόμα».
- Επί του παρόντος, η ξανθάνη κατέχει σχεδόν το ένα τέταρτο της αμερικανικής αγοράς για πυκνωτικά τροφίμων.
- Ωστόσο, η ευρεία χρήση της ξανθάνης είναι κάπως περιορισμένη λόγω του σχετικά υψηλού κόστους της 20–25 $/kg, σε σύγκριση με το άμυλο ή ορισμένα συνθετικά πολυμερή.
- Παρόλα αυτά, η τιμή του είναι παρόμοια με αυτή άλλων τσίχλας με συγκρίσιμες λειτουργίες.
Ο ρόλος του κόμμεος ξανθάνης στα τρόφιμα
| Λειτουργία | Εφαρμογή |
| Συγκολλητικός | Γλάσο και γλάσες |
| Συνδετικός παράγοντας | Τροφές για κατοικίδια |
| Επένδυση | Ζαχαροπλαστική |
| Γαλακτωματοποιητικός παράγοντας | Ντρέσινγκ για σαλάτες |
| Ενθυλάκωση | Γεύσεις σε σκόνη |
| Σχηματισμός φιλμ | Προστατευτική επίστρωση, περιβλήματα λουκάνικων |
| Σταθεροποιητής αφρού | Μπύρα |
| Σταθεροποιητής | Παγωτό, ντρέσινγκ για σαλάτες |
| Οίδημα παράγοντα | Επεξεργασμένα προϊόντα κρέατος |
| Αναστολέας συνέργειας | Τυριά, κατεψυγμένα τρόφιμα |
| Πυκνωτικός παράγοντας | Μαρμελάδες, σάλτσες, σιρόπια και γεμίσεις πίτας |
| Συνεργικά μείγματα ξανθάνης-γαλακτομαννάνης Σχηματισμός γέλης και σταθεροποίηση γέλης |
Παγωτό Τυρί και τυρί κρέμα Ζελέ για επιδόρπιο Milk shakes και milk drinks Πουτίγκες και γεμίσεις πίτας |
| Έλεγχος ιξώδους | Παγωτό Στιγμιαίες σούπες Ροφήματα σοκολάτας Milk shakes |
Παραγωγή κόμμι ξανθάνης
- Περίπου 20 000 τόνοι ξανθάνη παράγονται κάθε χρόνο.
- Η παραγωγή επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η τύπος αντιδραστήρα που χρησιμοποιείται, τρόπος λειτουργίας, μέτρια σύνθεση και συνθήκες λειτουργίας.
- Παροχή οξυγόνουσυνήθως 1 όγκος αέρα ανά όγκο αντιδραστήρα ανά λεπτό (vvm), είναι ιδιαίτερα σημαντικός, αλλά η συντήρησή του δεν είναι απλή.
- Καθώς η ξανθάνη συντίθεται κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, το ιξώδες του μέσου αυξάνεται, γεγονός που εμποδίζει την ανάμειξη και οδηγεί σε μειωμένους ρυθμούς μεταφοράς οξυγόνου.
- Σχέδιο ζυμωτήη ταχύτητα ανάδευσης και ο ρυθμός ροής αέρα είναι βασικοί παράγοντες.
- Fed-batch ζύμωση Τα συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως, αλλά η ξανθάνη μπορεί επίσης να παραχθεί σε συνεχείς διεργασίες, συχνά υπό περιορισμό αζώτου με ρυθμούς αραίωσης 0,025–0,05/ώρα.
- Αυτό προσφέρει το πλεονέκτημα των υψηλών αποδόσεων και του χαμηλότερου λειτουργικού κόστους.
- Η τυποποίηση των φυσιολογικών συνθηκών οδηγεί επίσης σε ένα πιο ομοιόμορφο προϊόν.
- Ωστόσο, οι συνεχείς λειτουργίες μπορεί να υποφέρουν από προβλήματα αερισμού και μικροβιακής μόλυνσης.
- X. campestris μπορεί να χρησιμοποιήσει διάφορες πηγές άνθρακα, όπως άμυλο, υδρολύματα αμύλου, σιρόπι καλαμποκιού, μελάσα, γλυκόζη και σακχαρόζη.
- Άλλα αποδεκτά και φθηνότερα υποστρώματα είναι ο ορός γάλακτος, τα υδρολύματα δημητριακών και το ξηρό αλεσμένο άμυλο καλαμποκιού.
- Τα χαρακτηριστικά της παραγόμενης ξανθάνης, ιδιαίτερα το μοριακό βάρος και οι ρεολογικές της ιδιότητες, επηρεάζονται από τη σύνθεση των χρησιμοποιούμενων υποστρωμάτων.
Διαδικασία παραγωγής κόμμεος ξανθάνης
- Αρχικά, το βακτήριο αναπτύσσεται σε ένα πλούσιο μέσο πολλαπλασιασμού για τη δημιουργία του εμβολίου μέσα σε έναν ζυμωτήρα πιλοτικής κλίμακας.
- Αυτή η καλλιέργεια στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για τον εμβολιασμό μηχανικά αναδευόμενων ζυμωτών βιομηχανικής κλίμακας 50–200 m3 χωρητικότητα.
Τα μέσα παραγωγής συνήθως περιέχουν:
- ΕΝΑ πηγή άνθρακασυνήθως d-γλυκόζη, σακχαρόζη, άμυλο ή υδρολυμένο άμυλο στα 30–40 g/L.
- ΕΝΑ πηγή αζώτου: υδρόλυμα καζεΐνης ή σόγιας, άλατα αμμωνίου, πεπτόνη, υγρό καλαμποκιού, εκχύλισμα μαγιάς ή ουρία. Οι καλύτερες αποδόσεις προϊόντος επιτυγχάνονται με αναλογία άνθρακα:άζωτο περίπου 10:1.
- MgCl2 και άλλα ιχνοάλατα.
- K2HPO4 ως buffer.
Σε λειτουργία τροφοδοσίας παρτίδας
- Σε λειτουργία τροφοδοσίας παρτίδας, η ζύμωση συνήθως διατηρείται στους 28–30°C και pH 7,0. εάν το pH αφεθεί να πέσει η παραγωγή τσίχλας μειώνεται γρήγορα.
- Το βακτήριο αρχίζει να παράγει ξανθάνη κατά τη διάρκεια της εκθετικής φάσης με ρυθμούς σε σχέση με τον ρυθμό ανάπτυξης και η παραγωγή συνεχίζεται στη στατική φάση.
- Αυτές οι ζυμώσεις συνήθως ολοκληρώνονται εντός 3 ημερών.
- Μια τελική συγκέντρωση 25 g/L είναι η ελάχιστη που συνήθως απαιτείται για να είναι οικονομικά βιώσιμη η διαδικασία, αλλά οι περισσότερες βιομηχανικές ζυμώσεις επιτυγχάνουν έως και 50 g/L.
- Στο τέλος της ζύμωσης, ο ζωμός θερμαίνεται στους 100–110°C για 10 λεπτά για να σκοτωθούν τα βακτήρια και να βελτιωθούν οι ρεολογικές ιδιότητες της ξανθάνης.
- Αυτό ακολουθείται από μια σειρά από στάδια καθαρισμού που ορίζονται από την τελική χρήση του πολυμερούς.
- Για ορισμένες εφαρμογές είναι απαραίτητο να αφαιρεθούν τα κύτταρα με διήθηση ή φυγοκέντρηση.
- Η ξανθάνη στη συνέχεια κατακρημνίζεται με αιθανόληή ισοπροπανόλη (ειδικά κατά την παρασκευή προϊόντων ποιότητας τροφίμων), και στη συνέχεια διαχωρίζεται με φυγοκέντρηση.
- Πάνω από το 50% του κόστους παραγωγής βαρύνουν αυτούς μεταγενέστερη επεξεργασία βήματα και είναι απαραίτητο να ανακτηθεί ο διαλύτης.
- Το προϊόν αφυδατώνεται, ξηραίνεται με τύμπανο ή ψεκασμό, αλέθεται, κοσκινίζεται και τέλος συσκευάζεται ως διασπειρόμενη κοκκοποιημένη σκόνη.
Αναφορά και πηγές
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/inoculum-development
- https://www.researchgate.net/publication/225453233_Solutions_of_xanthan_gumguar_gum_mixtures_Shear_rheology_porous_media_flow_and_solids_transport_in_annular_flow
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2665694/
- https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2020.567126/full
- https://www.researchgate.net/publication/223678634_Xylitol_production_in_a_bubble_column_bioreactor_Influence_of_the_aeration_rate_and_immobilized_system_concentration
- https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering
- https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/konjac-mannan
Διαβάστε επίσης:
- Ηλεκτροφόρηση γέλης: τύποι, αρχές, όργανα και εφαρμογές
- Ηλεκτροφόρηση: Επισκόπηση, Αρχές και Τύποι
- Proteomics: Εισαγωγή, Μέθοδοι, Τύποι και Εφαρμογή
- Κύκλος Αζώτου
- Διάνυσμα: ιδιότητες, τύποι και χαρακτηριστικά
- Αντιγραφή DNA σε ευκαρυώτες: Έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός
- Φασματοσκοπία: Εισαγωγή, Αρχές, Τύποι και Εφαρμογές
- Μεταγραφή σε προκαρυώτες: Έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός
- Μετρήσεις μικροβιακής ανάπτυξης
- Αλληλουχία κυνηγετικού όπλου ολόκληρου του γονιδιώματος: επισκόπηση, βήματα και επιτεύγματα
- Πλασμίδιο: Ιδιότητες, Τύποι, Αντιγραφή και Οργάνωση
- Γάλα: Σύνθεση, Επεξεργασία, Παστερίωση, Παθογόνα και Αλλοιώσεις
