بخشی از مقاله
چکیده
صمغ زانتان یک پلی ساکارید طبیعی و یک بیو پلیمر مهم صنعتی است که توسط گونه های مختلف باکتری زانتاموناس تولیدشده و مطالعات پهناوری به دلیل خواص مکملی که برای دیگر صمغهای طبیعی دارد بر روی آن صورت گرفته است. در این پژوهش یک نرمچوب و یک سختچوب برای تولید صمغ زانتان انتخاب شد؛ همچنین برای پیشفراوری از اسید فسفریک غلیظ %85 با نسبت 8 به 1 سوبسترا - وزنی/وزنی - در دمای بهینه 60 درجه سانتی گراد به مدت 1 و 3 ساعت استفاده گردید. سپس چوبهای پیشفراوری شده جهت هیدرولیز با آنزیم های Cellic ctec2 و Cellic htec2 به نسبت 9 به 1 با فعالیت آنزیمی FPU/ml - 125 و - 10 FPU/ml مخلوط و به مدت 72 ساعت در گرماده همزن دار قرار داده شدند.
بهمنظور تعیین غلظت کل قند استخراجشده از روش رنگ سنجی DNS استفاده شد. بیشترین میزان قند آزادشده برای چوب سرو 20 - گرم بر لیتر - و برای چوب نارون 22 - گرم بر لیتر - در زمان 60 دقیقه مشاهده گردید. از محلولهای قندی بهدست آمده بهعنوان منبع گلوکز برای باکتری زانتاموناس جهت تولید زانتان استفاده شد. همچنین از گلوکز خالص بهعنوان شاهد و مقایسه بازدهی تولید زانتان از چوب های حاصل از آبکافت استفاده گردید. بیشترین بازده زانتان تولیدی 4.15 گرم بر لیتر برای چوب نارون و 3.95 گرم بر لیتر برای چوب سرو به دست آمد که بهخوبی با زانتان تولیدی از گلوکز خالص قابل قیاس بودند.
مقدمه
صمغ زانتانٌ یک پلی ساکارید ٍ طبیعی و یک بیو پلیمر مهم صنعتی است که در سال 1950 در آزمایشگاهی تحقیقاتی در بخش کشاورزی ناحیه شمالی ایالاتمتحده کشف شد. صمغ زانتان توسط گونههای مختلف باکتری زانتاموناسَ تولیدشده و مطالعات پهناوری به دلیل خواص مکملی که برای دیگر صمغهای طبیعی دارد بر روی آن صورت گرفته است. پیش از اینکه زانتان بهعنوان یک عنصر خوراکی مورداستفاده قرار بگیرد پژوهش های فراوانی جهت بررسی سمیت و بیخطر بودن آن صورت گرفت. در سال 1969 سازمان غذا و داروی آمریکا - - FDA4 اعلام کرد که میتوان از زانتان بهعنوان افزودنی خوراکی استفاده کرد و در مجموعه قوانین فدرال بهعنوان تثبیتکننده و تغلیظ کننده به ثبت رسید.
از سال 1964 کاربرد صنعتی این پلیمر به علت خواص ویژه آن، ازجمله قابلیت انحلال درون آب، روزبهروز افزایش یافت و تولید این صمغ بهصورت تجاری در ایالت متحده آغاز شد. بیشترین تولید و تحقیق در تولید این پلیمر توسط شرکتهای آمریکایی، فرانسوی و استرالیایی صورت میگیرد. برای تولید صمغ زانتان، باکتری زانتاموناس نیازمند مواد خوراکی گوناگونی شامل عناصر کممصرف مانند پتاسیم، آهن و کلسیم و عناصر پرکاربرد مانند کربن، نیتروژن است. منبع کربن قند گلوکز و ساکاروز و منبع نیتروژن یک ترکیب آلی یا غیر آلی است.
- - *DUF D-Ochoa, Santos, Casas, & Gomez , 2000 تولید سالانه جهانی صمغ زانتان سی هزار تن و سهم بازار 408 میلیون دلار بوده است که نشان می دهد زانتان یکی از تجاریترین صمغهای صنعتی تولیدشده به روش تخمیر میباشد. انتظار میرود که تولید سالیانه صمغ زانتان در سال 2015 به هشتاد هزار تن برسد. زانتان در مقیاس تجاری از گلوکز و قند اینورت تولید می گردد که این دو هزینه بالایی را بهعنوان ماده اولیه تولید صمغ دارا هستند. برآورد گردیده است که در حدود 50 درصد از قیمت تمامشده صمغ زانتان مربوط به هزینه مواد اولیه آن میباشد. در چنین شرایطی و با توجه به افزایش قیمت ماده اولیه، نیاز به یک جایگزین می باشد.
مواد لیگنوسلولزی، به موادی گفته میشود که در ساختار خود دارای ماده اصلی سلولز، همیسلولز و لیگنین میباشد. سلولز و همی سلولز قندهای پنج و شش کربنه ای هستند که میتوان در صورت جداسازی از مواد دیگر نظیر لیگنین در تولید صمغ زانتان بهره گرفت. - - Rottava et al., 2009 استفاده از مواد لیگنوسلولزی جهت تولید صمغ زانتان در سالهای اخیر موردتوجه فراوانی قرارگرفته و به نظر میرسد بهکارگیری این مواد بهعنوان سوبسترا کمک شایانی در کاهش قیمت تمامشده محصول میکند. چوب درختان به دلیل اینکه سوبسترای قابلدسترسی است و تهیه آن چندان دشوار نیست و استفاده از چوب درختان پیر و پسماندههای چوبی ناسازگاریای با اهداف سازمانهای زیستمحیطی ندارد، آن را بهعنوان سوبسترا انتخاب کردیم.
پیشفراوری با اسید بهعنوان یک روش برگزیده برای طیف گستردهای از مواد خام ازجمله نرمچوب و سختچوب به کار میرود. استفاده از اسید منجر به انحلال همی سلولز، افزایش دسترسی آنزیم در فرآیند هیدرولیز، پایینتر بودن درجه پلیمریزاسیون، کاهش کریستالیتی جزء سلولز و هضم بیشتر سوبسترای مورداستفاده میشود. ازآنجاکه در تولید زانتان نیاز است ترکیبات لیگنوسلولزی ابتدا هیدرولیز شوند در این پژوهش جهت بهبود بازده فرآیند هیدرولیز، از پیشفراوری اسیدی استفاده شد. - Taherzadeh & Karimi, 2008 -
مواد و روشها:
پیشفراوری با اسید فسفریک
چوب سرو و نارون به عنوان سوبسترا و منبع کربن از جنگلهای دانشگاه صنعتی اصفهان تهیه گردید. ابتدا کنده درخت به قطعات کوچک تقسیم شد و سپس قطعات به کمک آسیاب فکی خرد گردید و اندازه ذرات به 2 تا 5 میلی متر رسید و در پایان با استفاده از صافی ریز اندازه ذرات به کمتر از 1 میلیمتر کاهش داده شد. میزان رطوبت موجود در چوبها با خشککردن آنها در دمای 105 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت و اندازهگیری وزن خشک آنها به دست آمد.
فسفریک اسید محصول شرکت مرک آلمان از بازار خریداری شد و در پیشفراوری استفاده گردید. فسفریک اسید غلیظ 85 درصد با سوبستراهای چوب به نسبت 8 به 1 - وزنی/وزنی - مخلوط گردید. پیشفراوری در ظروف درب آبی بسته در حمام آب با دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 1 و 3 ساعت انجام شد. پس از انجام پیشفراوری مخلوط دوغابی دربرگیرنده چوبهای پیشفراوری شده با آب مقطر شستشو داده شد تا به PH نزدیک 7 برسد جامد پیشفراوری شده بهوسیله سانتریفیوژ از محلول جدا شد و جهت انجام مرحله هیدرولیز آنزیمی خشک گردید. - - Zhang et al., 2007
هیدرولیز آنزیمی
از آنزیمهای Cellic ctec2 و Cellic htec2 با فعالیت آنزیمی 125 FPU/ml - و - 10 FPU/ml جهت هیدرولیز آنزیمی نمونههای پیشفراوری شده استفاده گردید. در این شیوه 1 گرم سوبسترا در 20 میلیلیتر بافر 50 میلی مولار سدیم سیترات با 4/8 PH ریخته شد. نمونهها به مدت 20 دقیقه در دمای 121 درجه سانتیگراد در اتوکلاو استریل شدند. پس از اتمام زمان استریل و سرد شدن، نمونه ها به مدت 27 دقیقه زیر پرتو UV قرار گرفتند تا هرگونه آلودگی از بین برود. آنگاه به هرکدام از نمونهها 17/6 میکرو لیتر آنزیم htec2 و 158/4 میکرو لیتر آنزیم ctec2 افزوده شد. پس از آماده سازی با پنبه و درب آلومینیومی استریل شده سر ظروف هیدرولیز بسته شد و درون گرماخانه همزن دار با سرعت 150 دور بر دقیقه به مدت 72 ساعت در دمای 50 درجه سانتی گراد قرار گرفتند.
