بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اهميت صمغ زانتان در صنايع غذايي و بهينه سازي توليد آن به وسيله رشد
زانتوموناس کمپستريس بر روي ملاس چغندرقند
چکيده
صمغ زانتان يک اگزو پليساکاريد محلول در آب است . اين صمغ در صنعت از منابع کربن با استفاده از تخمير از باکتري هاي گرم منفي زانتوموناس کمپستريس توليد ميشود. توليد صمغ زانتان توسط باکتري XanthomonascampestrisATCC ١٣٩٥ با استفاده از ملاس چغندر قند به عنوان منبع کربن مورد مطالعه قرار گرفت . افزودن KHPO٢٤به محيط اثر مثبت قابل توجهي در توليد صمغ زانتان و توليد زيست توده داشت . محيط کشت پس از آن با توجه به ملاس ، غلظت KHPO٢٤ و pH اوليه بهينه سازي شده است . حداکثر صمغ زانتان (g.l٥٣) پس از ٢٤ ساعت در ١٧٥ g.l ملاس ، g.lKHPO٢٤٤ و در pH اوليه خنثي توليد شده است . نتايج نشان مي دهد که KHPO٢٤ به عنوان يک عامل بافر و همچنين به عنوان يک ماده مغذي براي رشدزانتوموناس کمپستريسعمل مي کند. ملاس چغندر قند بستر صنعتي مناسبي براي کارخانجات صمغ زانتان به نظر مي رسد.
واژه هاي کليدي : صمغ زانتان ، تخمير ، ملاس ،بافر
١-مقدمه
صمغ اصطلاح رايج براي ژل هاي پلي ساکاريدي است که آبدوست بوده و داراي خواص اتصال با آب و ساير مواد آلي . معدني هستند. دکستران کشف شده در اوايل دهه ١٩٤٠ ، اولين پلي ساکاريد ميکروبي تجاري شده است . دومين پلي ساکاريد ميکروبي تجاري شده زانتان است . که توليد تجاري قابل توجه آن در اوايل سال ١٩٦٤ آغاز شده است .
.صمغ زانتان ، اگزوپلي ساکاريدي از زانتوموناس کمپستريس يکي از متداول ترين بيوپليمرهاي تجاري با توليد سالانه شبکه جهاني از ٣٠٠٠٠ تن ، مربوط به بازار از ٤٠٨ ميليون دلار است . با توجه به ساختار منحصر به فرد آن ، زانتان خواص سودوپلاستيک ويژه اي مثل ، غلظت و حلاليت بالادارد ، پايداري را در يک طيف گسترده اي از مقادير pH و درجه حرارت افزايش ميدهد ، همچنين به خاطر سازگاري با بسياري از نمک ها، مواد غذايي و پلي ساکاريد هاي ديگر به عنوان عامل تغليظ کننده استفاده مي شود. اين ويژگي در به کار بردن زانتان در طيف گسترده اي از فرايندها به خصوص در صنايع غذايي به عنوان يک عامل ثبات و تغليظ ، درمحصولات آرايشي، فرز کاغذ ، نساجي و بخش
داروسازي و همچنين در افزايش بازيافت نفت کمک ميکند . زانتان غير سمي بوده و رشد را مهار نمي کند. اين ماده حساسيت زا نبوده و موجب سوزش پوست و يا چشم نميشود. بر اين اساس ، زانتان توسط FDA براي استفاده در مواد
1
غذايي بدون هيچ گونه محدوديت مقداري تاييد شده است . توليد و خواص صمغ زانتان به تازگي بررسي شده است .
ملاس يک محصول جانبي توليد قند از چغندر قند و همچنين از نيشکر است و به عنوان شربت دور دوم از مرحله نهايي تبلور ، که تبلور بيشتر قند غير اقتصادي است به دست ميآيد. عليرغم تشابه آنها ، ملاس چغندر و نيشکر تفاوت معني داري با توجه به ترکيبات نيتروژني ، تخميرقند ، خاکستر و ويتامين محتوا نشان ميدهند . ملاس چغندر قند ، يک محلول از شکر، مواد آلي و معدني در آب با يک ماده خشک ٧٤ . ٧٧ ٪ ( w .w ) است .مجموع قند ( عمدتا ساکارز ) حدود٤٧ . ٤٨ ٪ ( w .w ) از ملاس را تشکيل مي دهند ، خاکستر ٩ . ١٤ ٪( w .w ) و کل ترکيبات نيتروژن حاوي (به طور عمده بتايين و گلوتاميک اسيد ) ٨ . ١٢ ٪ ( w .w ) .تنوع در ترکيب بندي بين سالها و گياهان قند مختلف رخ مي دهد. ملاس چغندر قند به طور گسترده اي به عنوان يک سوبسترا در کارخانجات مورد استفاده قرار مي گيرد . زيرا يک منبع با ارزش از مواد رشد مانند پانتوتنيک اسيد ، اينوزيتول ، عناصر و به ميزان کمتر بيوتين را فراهم مي کند . با اين حال وقوع پيرول ها و پيرازين هاي نيتروژني فرار نامطلوب ،و همچنين فوران و فنلها شرح داده شده است . ساير آلاينده ها مانند فلزات سنگين ، آفت کش ها و اسيدهاي آلي نيز کشف شدند، اما بيشتر آنها در سطوح غلظت کمتر از مورد نياز براي تحت تاثير قراردادن مهار فرايند هستند . با اين وجود، در فرآيندهاي با ملاس به عنوان تنها سوبسترا و يا وقتي در مقدار زياد به عنوان يک شرکت کننده سوبسترا استفاده مي شود ، مهار کننده هاي خاص تا حدودي طي پيش تيمار حذف ميشوند. تا آنجا که ما ميدانيم ، ملاس چغندر قند تنها در يک مطالعه پيش از اين براي توليد زانتان استفاده شده است . در مطالعه حاضر بهينه سازي توليد صمغ زانتان از قند ملاس چغندر از نظر ترکيب محيط کشت و پيش تيمار ملاس انجام شده است . ثابت مي شود که ملاس چغندر قند يک سوبستراي عالي است زيرا تحت شرايط بهينه ، توليد صمغ زانتان و شکل گيري زيست توده افزايش يافت .
٢-ساختار و حالت شيميايي صمغ زانتان
ساختار اصلي صمغ زانتان يک پليمر خطي متشکل از ستون اصلي BD- گلوکز (مشابه سلولز ) با تريساکاريدها در زنجيره جانبي که به طور يک در ميان به گلوکز ها در ٣ -C متصل بوده و حاوي گلوکورونيک اسيد در اتصال ( ١ - ٤ ) به پايانه مانوز و مانوز دوم است که به ستون اصلي متصل ( ١- ٢ ) ميباشد. تقريبا ٥٠٪ از باقي مانده مانوز در دو انتها پيرواته هستند و بقيه داراي گروه استيل معمولا در ٦ -C ميباشند. مطالعات پراش اشعه X در الياف صمغ زانتان نشان دهنده ساختار راست گرد، يک مارپيچ پنج لايه با افزايش در ستون ديساکاريد از ٠.٩٤ نانومتر، به عنوان مثال ، يک مارپيچ پنج لايه با ضخامت ٤.٧ نانومتر است . در اين ساختار زنجيره جانبي تريساکاريد به ستون اصلي متصل شده و توسط فعل و انفعالات غير کووالانسي، به خصوص پيوند هيدروژني تثبيت ميشود. در حالت محلول زنجيره هاي جانبي ستون اصلي را پوشانده و در نتيجه از پيوندهاي حساس B ١- ٤ محافظت ميکنند. تصور مي شود اين حفاظت مسئول ثبات صمغ در شرايط نامطلوب است . به نظر مي رسد شاخه تري ساکاريد به طور محکم با ستون اصلي پليمر در ارتباط باشد. در نتيجه زنجيره سفت ممکن است به صورت مارپيچ تکي، دوگانه يا سه گانه وجود داشته باشد که با ديگر مولکول هاي پليمري براي تشکيل کمپلکس در تعامل باشدبه نظر ميرسد که سنتز صمغ زانتان است که شبيه سنتز اگزوپليساکاريدها توسط ساير باکتري هاي گرم منفي باشد .
مسير سنتز را مي توان به سه بخش تقسيم کرد: الف ) دريافت قندهاي ساده و تبديل آن ها به مشتقات نکلئوتيدي. ب ) تجمع زير واحد پنتاساکاريدي به حامل ايزوپنتيل پيرو فسفات . (ج ) پليمريزاسيون واحدهاي تکراري پنتاساکاريد و ترشح آنها . در X.
campestris ، مسير انتنر - دودوروف در رابطه با مسير چرخه تريکربوکسيليک اسيد، چرخه غالب کاتابوليسم گلوکز است بخش کوچکي از گلوکز از طريق مسير پنتوز فسفات توليد مي شود. براي جذب گلوکز، دو سيستم مجزا وجود دارد. در بيوسنتز
2
زانتان ، همانند بسياري از باکتريهاي توليد کننده پلي ساکاريد، از دهندگان الکتروني فعال براي شکل گيري پليمر در مولکول پذيرنده استفاده ميشود.
زانتان خواص سودوپلاستيک ويژه اي مثل ، غلظت و حلاليت بالادارد ، پايداري را در يک طيف گسترده اي از مقادير pH و درجه حرارت افزايش ميدهد ، همچنين به خاطر سازگاري با بسياري از نمک ها، مواد غذايي و پلي ساکاريد هاي ديگر به عنوان عامل تغليظ کننده استفاده مي شود. اين ويژگي در به کار بردن زانتان در طيف گسترده اي از فرايندها به خصوص در صنايع غذايي به عنوان يک عامل ثبات و تغليظ ، درمحصولات آرايشي، فرز کاغذ ، نساجي و بخش داروسازي و همچنين در افزايش بازيافت نفت کمک ميکند .
٣- کاربردهاي صمغ زانتان در صنايع غذايي
٣-١ کاربردهاي خوراکي
کاربرد اصلي صمغ زانتان در صنايع غذايي به عنوان يک ماده سوسپانسه کننده و عامل غليظ کردن پالپ ميوه و شکلات است .
اداره غذا و دارو آمريکا زانتان را بر اساس آزمون سم شناسي براي استفاده در مصارف انساني و مواد غذايي تائيد کرده است .
بسياري از غذاهاي امروز نياز به کنترل ويژگيهاي بافت ، گرانروي، انتشار عطر و طعم ، ظاهر و کنترل آب هستند. صمغ زانتان به بهبود همه اين موارد کمک کرده و موجب کنترل خواص رئولوژيکي محصول نهايي است . اين صمغ داراي حالت سودوپلاستيک در محلول ها بوده و نسبت به صمغ هايي با رفتار نيوتني احساس دهاني "آدامسي" کمتري دارد.
٣-٢ کاربرد در نانوايي
در محصولات نانوايي صمغ زانتان براي افزايش اتصال آب و افزايش ماندگاري محصولات نانوايي و نگهداري خمير در يخچال به کار ميرود. در محصولات نانوايي نرم ، صمغ زانتان مي تواند به عنوان جايگزين تخم مرغ مورد استفاده قرار گيرد، مخصوصا سفيده تخم مرغ مي تواند بدون تاثير و طعم و مزه با صمغ زانتان جايگزين گردد. صمغ زانتان مي تواند در نرمي، پخش هوا و تحمل خميرهاي آبکي براي کيک ، کلوچه ، شيريني و مخلوط هاي نان مشارکت کند. صمغ زانتان موجب بهبود حجم ، بافت محصولات نانوايي کم کالري و نان هاي بدون گلوتن است . افزودن صمغ زانتان به محصولات نانوايي گرم و يا سرد و مواد داخلي پاي ميوه موجب بهبود بافت و رهايش عطر و طعم آن خواهند شد. مزاياي ديگر زانتان در کرم ها و مواد داخلي پاي ميوه ، گسترش زمان ماندگاري، افزايش ثبات در حين انجماد زدايي و کنترل سينرزيس است .
٣-٣ نوشيدنيها
زانتان به عنوان يک عامل بافت دهنده در نوشيدني ها استفاده مي شود. وقتي اين نوشيدنيها حاوي پالپ ميوه باشند، گنجاندن زانتان در حفظ سوسپانسيون کمک کرده ، و در نتيجه در محصول موجب ظاهر و بافت مناسب ميشود. زانتان در بهبود احساس دهاني، تسريع و حلاليت کامل در PH پايين و ايجاد سوسپانسيون مناسب مواد غير قابل حل و سازگاري اکثر مواد موثر است . حضور صمغ زانتان در مخلوط خشک نوشيدنيها موجب بهبود بافت و کيفيت نوشيدني هاي بازسازي شده و توسعه سريع ويسکوزيته ميشود.
3
٣-٤ محصولات لبني
مخلوط صمغ زانتان ، کاراگينان ، گوار، گالاکتومانان و LBG بهترين تثبيت کننده براي بستني، شير يخ ، شربت ، شيرکاکائو و آب يخ است . زانتان با متيل کربوکسي متيل سلولز براي انجماد مواد لبني و با کربوکسي متيل سلولز به طور مستقيم براي ماست اسيدي به کار ميرود. ترکيبات مشابه براي دسر، پودينگ ها، ژل شير اسيدي و مواد ديگر استفاده مي شود. اين مخلوط مقرون به صرفه موجب ويسکوزيته مطلوب ، ثبات دراز مدت ، انتقال گرماي مطلوب در فرآيند، انتشار عطر و طعم ، حفاظت از شوک حرارتي و کنترل بلورهاي يخ خواهند شد. مخلوط زانتان ، گوار و LBG در حخظ بافت درحين برش ، سفتي و رهايش عطر و طعم پنير خامه اي حياتي است . همچنين ، زانتان با کنترل آبگيري مناسب ، در تغليظ دسر پنير کاتيج موثر است .
٣-٥ سس ها
ثبات صمغ زانتان در اسيد و نمک ، تاثير در غلظت هاي پايين و جريان سودوپلاستيک آن را براي سس هاي مايع بدون روغن ، کم چرب و سس هاي سالاد معمولي مناسب کرده است . سس هاي حاوي زانتان ، داراي پايداري امولسيون بلند مدت بوده و ويسکوزيته آن ها در طول يک گستره درجه حرارت ثابت باقي ميماند. آنها به راحتي جريان مييابند اما به خوبي به سالاد ميچسبند. به عنوان يک جزء جايگزين براي نشاسته در سس هاي معمولي و سس هاي جامد کم کالري، صمغ زانتان در ايجاد بافت مطلوب ، پايداري در حين انجمادزدايي و همچنين بهبود انتشار عطر و طعم و احساس دهاني موثر است .
٣-٦ غذاي حيوانات خانگي
زانتان به همراه LBG يا گوار ايجاد يک محصول همگن ژلي خواهد کرد. در جايگزين هاي شير گوساله ها و خوک ها صمغ زانتان براي ايجاد ثبات در سوسپانسيون مواد غير محلول استفاده مي شود. زانتان اغلب در ترکيب با صمغ گوار و LBG به عنوان تثبيت کننده و اتصال دهنده در توليد کنسرو غذاهاي حاوي آب گوشت حيوانات خانگي مورد استفاده قرار ميگيرد.
٣-٧ شربت ها و دسرها
خواص برجسته محلول هاي زانتان در شربت ها و دسرها مورد استفاده قرار ميگيرد. شربت هاي حاوي کره و دسرهاي شکلاتي حاوي زانتان ، داراي پيوستگي و خواص جرياني بسيار عالي هستند و به علت ويسکوزيته بالاي خود در محصولات اشتها آور مانند پن کيک ، بستني و گوشت پخته به کار ميروند. دسرهاي غير لبني منجمد همزده ، داراي بافت سفت ، اور ران بالا و ثبات عالي درحين انجمادزدايي هستند.
٣-٨ چاشنيها
افزودن صمغ زانتان به چاشني ها موجب بهبود وزن خشک و حذف افت مايع در حين حمل و نقل ميشود. در بخش بسته بندي، صمغ زانتان چاشني و مايع موجود در آن را به صورت يکنواخت حفظ کرده و از پخش شدن آن ها در پر کردن جلوگيري مي کند.
٣-٩ سس ها و اشکنه ها
4
ميزان پايين صمغ زانتان در سس ها و اشکنه ها در هر دو حالت اسيدي و pH خنثي غلظت بالا ايجاد ميکند. گرانروي نسبت به تغييرات دما بسيار ثابت است و تحت انواع شرايط نگهداري طولاني مدت ثابت باقي ميماند. اين سس ها و اشکنه ها به غذاهاي گرم چسبيده و داراي رهايش عطر و طعم و ظاهر بسيار عالي هستند.
٤- مواد و روش ها :
٤-١ ميکرو ارگانيسم ها و شرايط رشد
campestris.X ١٣٩٥ ATCC ، يک سويه نوع وحشي است که در اين مطالعه استفاده مي شود. گونه ها با غلظت ملاس بالا مطابق توضيح زير سازگار شدند و در کشت هاي غوطه وردر محيط مايع LBS١٠٠ ( درگرم . l : عصاره مخمر ٥ ، tryptone ١٠ ، نمک طعام ١٠ ، ساکارز ١٠٠ ) در ٧٣ C٨ نگهداري شدند. براي دو پاساژ تطابق اول زانتوموناس کمپستريس . مدت يک شب در انکباتور تکان دهنده مداري ( ٢٥٠ دور در دقيقه ) در ٣٠ C٨ در محيط کشت LBحاوي
٢٥ و ١٠٠ گرم ساکارز ، به ترتيب ، کشت داده شد. در حالي که براي سه پاساژ بعد از آن تحت شرايط مشابه در ٢٠٠ گرم . l ملاس چغندر قند کشت داده شد. در هر پاساژ، زيست توده و صمغ زانتان اندازه گيري شد و بهترين نتايج در پاساژ پنجم به بالا به دست آمد( ٢٠.٠ و ٤٠.٥ g.l) بود .
٤-٢. ماده تلقيحي
آمپولهاي شامل LBS٢٥ (٢٥ g.lساکارز) با کشت هاي غوطه ور ذخيره بوسيله کشت خطيتلقيح شدند. . آمپولها در
c°١±٢٨ براي ٣٦ . ٤٠ ساعتانکوبهشدندوآنهابرايتلقيح ٢٠ ميليليترازLBS٢٥ در فلاسک ارلن ماير ١٠٠ ميلي ليتري مورد استفاده قرار گرفتند . جذب اوليه در٦٠٠ نانومتر (A٦٠٠ ) از کشت تا حدود ٠.١ تنظيم شده است و فلاسک در يک انکوباتور لرزشي دوار انکوبه شد (c°١±٢٨ ، ٢٠٠ دور در دقيقه ) به مدت ٧ ساعت تا A٦٠٠ آنها به حدود ١.٤ رسيد. به ميزان مساوي از ١٠ ميلي ليتر براي شروع ١٠٠ ميلي ليتر کشت درفلاسک ارلن ماير ٥٠٠ ميلي ليتري حاوي ١٠٥ g.l
غلظت نهايي از ملاس چغندر قند مورد استفاده قرار گرفت و تحت شرايط يکسان براي ١٧ ساعت کشت شد . کشت هاي توليد صمغ زانتان پس از آن با مايه تلقيح ٥درصد (v .v ) از کشت قبلي تلقيح شده است .
٤-٣ . تخمير
آزمايش ها در فلاسک ارلن ماير٥٠٠ ميلي ليتري با ١٠٠ ميلي ليتر از محيط کشت حاوي ملاس چغندر قند تحت شرايط مشابه پيش تيمار براي ٣ روز انجام شد. کشت ها در موارد تکراري رشد کرده و مواد افزودني استريل بعد اتوکلاو در شرايط استريل اضافه شد . معادل حدود ١٢ ميلي ليتر تحت شرايط استريل هر ٢٤ ساعت از کشت خارج خواهند شد.
٤-٤ . ملاس و رزين
ملاس چغندر قند توسط کارخانه قند Platy از صنعت قند يونان تهيه شد .SA. رزين هاي صنعتي مورد استفاده براي پيش تيمار ملاس توسط S.A&Rohm. تهيه شدند.
5
٤-٥ . برآورد صمغ زانتان
صمغ زانتان با محلول پتاسيم کلريد واکنش داده با EDTA براي رسيدن به غلظت EDTA نهايي ٤ ميلي مولار محاسبه ميشود. رسوب مشتق شده از محيط کشت تلقيح نيافته محاسبه مي شود و مقادير مطلبق با آن اصلاح مي شوند. تمام ارزيابي ها در دو تکرار انجام مي شوند و ميانگين ها بر اساس مقادير مشتق از کشت هاي تکرارشده مي باشند.
٤- ٦ . وزن مولکولي و محتواي پيروات زانتان
وزن مولکولي مطابق با Papagianni و همکاران . (٢٠٠١) تعيين شد . مقدارپيروات توسط HPLC بعد از هيدروليز با اسيد کلريدريک در ٨٠ درجه سانتي گراد و استخراج با اتيل استات تعيين شد.
٤-٧ . طراحي آزمايش و تجزيه و تحليل آماري
طرح آزمايشي Plackett براي ارزيابي اهميت نسبي مواد مغذي مختلف براي توليد صمغ زانتان بر اساس اولين مدل استفاده
شده است
هيچ تعاملي ميان عوامل مورد استفاده وجود ندارد. پنج متغير در هشت آزمايش با دو متغير ساختگي انتخاب شدند ، هر متغير يک ترکيب تشکيل دهنده محيط کشت بود. ضرايب رگرسيون و value-t محاسبه شده توسط تجزيه و تحليل سازگار داده هاي به دست آمده از کشت هاي تکراري در توليد صمغ زانتان و زيست توده با استفاده از نرم افزار MINITAB محاسبه شد.
٥- نتايج
٥-١ . تطابق رشد Xcampestris . در ملاس
به منظور دستيابي به رشد سريع و سپس بازده بالاتر ، ارگانيسم با ملاس بالا محيط هاي کشتهاي متوالي تطابق پيدا ميکند.
کشت خالص حاصل ويژگي بهبود يافته از نظر رشد و توليد صمغ زانتان خواهد داشت .
