Тема 4: Полисахариды микробиологического происхождения. Физико-химические свойства. Технология получения

План:

1. Полисахариды микробиологического происхождения. Физико-химические свойства.

2. Технология получения камеди ксантану. Основные микроорганизмы – продуценты. Условия культивирования Xanthomonas Campestris.

3. Области и перспективы применения микробных экзополисахаридов

1.

Полисахариды — обязательные компоненты всех организмов и составляют основную часть природных углеводов. Полисахариды являются преобладающим материалом растительного мира и поэтому составляют основную массу органического вещества на земле, за исключением «минеральной» органики (нефть и газ).

Некоторые микробные полисахариды близки или даже идентичны полисахаридам растений или животных, но подавляющее большинство из них имеют уникальную структуру, специфичную только для данного вида. В микробных гликанах и по сей день обнаруживаются ранее неизвестные полисахариды и моносахариды, которые обладают определенной биологической активностью и не встречаются ни у животных, ни у растений.

Полисахариды микроорганизмов делятся в соответствии с локализацией на внутриклеточные (эндогликаны) и внеклеточные (экзогликаны).

Наибольшую популярность приобрели продукты на основе ксантана, внеклеточного полисахарида бактерии Xanthomonas Campestris.

Строение и свойства микробных экзополисахаридов

Полисахариды — бесцветные, обычно аморфные вещества. Нерастворимые в воде их разновидности, главным образом, выполняют в организме структурные функции, а растворимые — образуют вязкие растворы даже при очень низких концентрациях, выступают в роли запасных и энергетических веществ. Свободные гидроксильные группы полисахаридов ацилируются и алкилируются. Гликозидные связи полисахаридов гидролизуются под влиянием кислот и специфических ферментов.

Уникальные биологические и реологические свойства водорастворимых полисахаридов во многом определяются свойствами упорядоченного строения их цепей в растворах. Такие высокополимеры имеют как первичную, так и высшие пространственные структуры. Это обусловлено слабыми внутримолекулярными взаимодействиями, среди которых основную роль играют водородные связи и комплексообразование.

2.

Ксантановая смола, ксантановый воск - порошок от коричневого до белого цвета, с практически не выраженным ароматом

Х имическая формула: (C₃₅H₄₉O₂₉)n. Основная цепь ксантана (кор) построена аналогично целлюлозе (1-4–β-гликопираноза), а в ответвлениях кора — трисахарид, состоящий из β-D-маннозы, β-D-глюкуроновой кислоты и α-D-маннозы. Остатки глюкуроновой кислоты и кислые пировиноградные группы придают молекулам ксантана анионный характер.

Ксантан был открыт в конце пятидесятых годов в лаборатории Департамента сельского хозяйства США в результате исследований промышленного применения микробиотических биополимеров.

Исследования выявили, что бактерия Xanthomonas campestris, найденная в капустных овощах, производит полисахарид с высокой молекулярной массой – полисахарид содержится в слизе, защищающей бактерию от вирусов и высыхания. Полисахарид, названный Ксантаном, показал высокую техническую и экономическую ценность.

Ксантан впервые был запущен в промышленное производство Компанией Kelco под торговым названием Kelzan в начале 60-х годов

Химический состав: Ксантановая смола представляет собой полисахарид с длинноцепными молекулами, состоящий из сахаров глюкозы, маннозы и глюкуроновой кислоты. Главная цепь молекул такая же как у целлюлозы, с трисахаридами в боковой цепи.

Основные характеристики Ксантана:

• Гелеобразователь

• Высокая стабилизирующая активность

• Высокая вязкость при низкой концентрации

• Растворим в горячей и холодной воде

• Высокая псевдопластичность

• Стабильность при замораживании/размораживании

• Устойчивость к изменению уровня кислотности pH

• Устойчивость к перепадам температуры

• Устойчивость к ферментативному распаду

Взаимодействие с другими веществами:

- При смешивании Ксантана со смолой Рожкового дерева или Гуаровой камедью образуется раствор более вязкий, чем при использовании этих загустителей по отдельности – т.е. проявляется синергия. При этом наилучшей пропорцией с камедью рожкового дерева является 50:50, а с Гуаровой смолой необходимо большее содержание гуара 80:20

- Сочетается со всеми промышленными загустителями и стабилизаторами, такими как крахмал, пектин, желатин, альгинат, декстрин.

- Добавление электролитов, таких как сода и хлорид калия , повышает стабильность и вязкость.

- Бивалентные соли, например, кальций и магнезий, также повышают вязкость. Оптимальная вязкость достигается , при концентрации около 0.1 %. Более высокая концентрация не влияет на стабильность..

Камедь ксантана Е 415 (ксантан) - стабилизатор и загуститель в косметической промышленности

Вязкость 1300 – 1800 сПа•с, повышается в горячем состоянии. Достаточно высокая вязкость при низком сдвиговом усилии, псевдопластичная реология, температурная нечувствительность и совместимость с кислотами, щелочами и солями. Является стабилизатором эмульсий, суспензий и муссов, контролирует синерезис, удерживает влагу. Обладает свойствами создавать пленку.

По сравнению с гуаровой ксантановая камедь является более универсальный эффективным загустителем. Ее расход при производстве колбасных изделий составляет 0,1-0,3 %. Размер частиц в составе препаратов ксантановой камеди может варьировать от 100 до 1200 мкм. Вязкость 1 %-ного раствора ксантана различной степени дисперсности при нейтральных значениях рН составляет от 1 до 1,8 мПа×с.

Суспензионно-стабилизирующие свойства ксантана экспоненциально возрастают при повышении концентрации камеди в растворе до 3 %. Вместе с тем добавление ксантана в эмульсии снижает их вязкость и сопротивление в процессе перемешивания, резания, перекачивания.

В условиях интенсивной обработки, например при куттеровании, вязкость фарша, содержащего ксантан, снижается. Однако в состоянии покоя молекулы ксантана быстро восстанавливают исходную пространственную полимерную структуру и обеспечивают фаршевым системам высокую конечную вязкость.

Для растворов ксантановой камеди характерна стабильность проявляемых свойств в широком диапазоне рН и температуры от 0 до 100 °С. Отмечается также устойчивость ксантановой камеди к действию ферментов, в том числе присутствующих в натуральных специях.

Ксантан обладает относительно высокой устойчивостью к замораживанию и последующему оттаиванию. Готовые продукты, содержащие ксантановую камедь, отличаются большей стабильностью структуры в процессе термообработки и при последующем хранении. Низкий синерезис ксантана позволяет использовать его при производстве мясных продуктов, предназначенных для длительного хранения в замороженном состоянии.

Известно, что большинство гидроколлоидов обладают синергизмом по отношению друг к другу , т.е. при комплексном использовании способны усиливать индивидуально проявляемые свойства.

Ксантановая камедь обладает синергизмом по отношению к большинству загустителей и структурообразователей. Так, добавление ксантана к гуаровой камеди способствует повышению вязкости. Сочетание ксантана и камеди рожкового дерева способствует формированию гелеобразной структуры, тогда как при индивидуальном использовании желирования не происходит.

При использовании препаратов каппа-каррагинана и ксантановой камеди получается пластичный, упругий и более прочный гель в сравнении с гелем, образуемым собственно каррагинаном и отличающимся хрупкостью. Ксантан также увеличивает устойчивость геля каппа-каррагенана при хранении, замораживании и последующем размораживании.

Ксантановая камедь широко используется в производстве соусов, молочных продуктов, мороженого, десертов, хлебобулочных изделий, напитков. Рекомендуемые дозировки ксантановой камеди: наполнители — 0,2–0,5%; напитки — 0,05–0,2%; сметана, творог, плавленый сыр, йогурт — 0,05–0,3%; майонез — 0,2–0,5%; сухие смеси, заправки, соусы — 0,1–0,2%; замороженные продукты, соусы, подливы — 0,1–0,3%; хлебобулочные изделия — 0,05–0,25%; сиропы — 0,2–0,4%.

Способ получения: Бактериальная культура, благодаря которой появляется ксантан, выращивается в крупногабаритных емкостях в условиях тщательного контроля над воздушным снабжением, перемешиванием, химическим составом среды и ее температурой.

Ферментация длится около 4 дней – затем полимер извлекается из среды путем добавления изопропил алкоголя, просушивается и перемалывается до получения порошка, уже растворимого в воде или соляном растворе.

Микроорганизмы культивируют в специальных ферментаторах (биореакторах), где создают для них все необходимые условия (питательная среда, аэрация или анаэробные условия, температура, рН, удаление продуктов метаболизма, отсутствие конкурентов, паразитов и хищников). Микроорганизмы используют субстраты питательной среды, синтезируют вещества (метаболиты), растут и размножаются. В зависимости от целей культивирования конечным продуктом может быть биомасса клеток или какой-либо внеклеточный метаболит.

Недостатком производства ксантана является высокая требовательность микроорганизмов к условиям и питательной среде. Сотрудниками института микробиологии НАН Украины совместно с Национальным университетом пищевых технологий получены штаммы, способные осуществить синтез экзополисахаридов на дешевых средах с широким набором углеродных субстратов. Они утилизируют спирты, углеводы, органические кислоты и отходы пищевого производства — патоку, послеспиртовую барду и др.

Пересечение различных сфер применения биотехнологии (в данном случае, биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Разработанные штаммы допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе дешевого сырья и предотвращение загрязнения окружающей среды.

3.

Практический интерес для промышленности представляют полимеры, полученные в результате жизнедеятельности безвредных для человека, микроорганизмов. Такие полимеры являются экологически «чистыми», а их производство — экологически «безопасным».

Косметические свойства: Ксантан образует на лице защитную пленку, обладает увлажняющими и влагоудерживающими свойствами

Основные функции в косметических средствах:

-Загуститель

-Эмульгатор и стабилизатор смесей

-Легкое очищающее средство

-Вещество, образующее защитную пленку

Используется в лосьонах, кремах, шампунях, кондиционерах

Концентрация в косметике: наиболее распространена концентрация 0,2-0,5%

Сельское хозяйство: Используется для повышения урожайности и экономии удобрений.

Ксантан может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород.