Ксантан Распространение в природе

Ксантан(ксантановая смола,ксантановая камедь) – микробный внеклеточный полисахарид, являющийся продуктом особого вида брожения бактерииXanthomonas Campestris. В естественных условиях микроорганизмы вида Xanthomonas Campestris в процессе своей жизнедеятельности в результате сложного ферментативного процесса выделяют данный тип камеди на внешней поверхности клеточной стенки, и камедь попадает в окружающую среду.

Получение

Получение ксантана в промышленности – сложный многоступенчатый процесс. Ксантановую камедь получаютмикробиологическим способом в ферментаторах (биореакторах) в результате аэробного брожения в водной (гидрокарбонатной) среде внеклеточной слизи, вырабатываемой бактериямиXanthomonas Campestris. Ферментативная среда содержит углеводы, протеины, источник азота, микроэлементы и другие факторы роста. Микроорганизмы используют субстраты питательной среды, растут, размножаются и выделяют ксантановую камедь. После размножения бактерий ферментативную среду (обедненную факторами роста и обогащенную микроорганизмами) сбраживают.Сброженную питательную среду пастеризуют для удаления микробов, осаждают спиртом или очищают методом микрофильтрации.

Недостатком производства ксантана является высокая требовательность микроорганизмов к условиям и питательной среде. С целью получения оптимально воспроизводимых результатов, в процессе производства строго отслеживаются следующие факторы: состав среды для культивирования, условия аэрации и перемешивания, величина рН и температура. Кроме того, удаляют продукты метаболизма, следят за отсутствием бактерий-конкурентов, паразитов и хищников.

В настоящее время для получения ксантановой камеди используют специальные штаммы бактерий Xanthomonas Campestris, способные осуществлять синтез полисахарида на дешевых средах (отходах пищевых производств) с широким набором различных углеродных субстратов.

Состав и структура ксантановой камеди, получаемой в микробиологической промышленности, идентичны характеристикам камеди, синтезируемой в процессе культивирования микроорганизмов вида Xanthomonas Campestrisв естественной среде обитания,на растениях, принадлежащих к семейству капусты.

Наибольшую популярность приобрели продукты на основе ксантана, выпускаемые под разными торговыми марками: Rhodоро1-23Р, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis и др.

Химическое строение и молекулярная структура

Ксантан – разветвленный полисахарид. Структурная формула макромолекулы ксантана представлена на рис.1.

(а)

(б)

Рис.1.Варианты написания структурных формул макромолекулы ксантана: (а) – показаны энергетически выгодные конформации (С1) звеньев, прикрепление одной боковой цепи; (б) – показаны структурные формулы пиранозных колец, присоединение двух боковых цепей.

Основная цепь (кор) которого построена из звеньев остатков β-D-глюкопиранозы, связанных β-(1→4)-гликозидными связями. Боковые цепи представлены трисахаридом, состоящим из звеньев остатков β-D-маннозы, β-D-глюкуроновой кислоты и -D-маннозы, гидроксильные группы которых частично замещены на пировиноградные или ацетильные группы. Концевое звено β-D-маннозы присоединено к звену остатка β-D-глюкуроновой кислоты посредством β-(1→4)-гликозидной связи. Звено глюкуроновой кислоты соединено со звеном остатка -D-маннозы -(1→2)-гликозидной связью. Боковые цепи прикреплены к кору посредством β-(1→3)-гликозидных связей.

В неионизованых растворах илипри температурах выше 75ºС макромолекулы ксантана приобретают скрученную конформацию, в которой боковые звенья завернуты вокруг основной цепи (рис. 2).

Рис.2.Конфигурация первичной структуры макромолекулы ксантана в неионизированном разбавленном растворе.

Макромолекулы ксантана имеют как первичную(первичная структура показана на рис.1 и рис.2), так ивторичную пространственную структуру. Формирование вторичной структуры обусловлено образованием меж- и внутримолекулярных водородных связей между гидроксильными группами звеньев молекул, атомом кислорода пиранозного кольца, а также в результате комплексообразования при введении в раствор полисахарида противоположно заряженных ионов.

Например, введение в неионизированный раствор ксантана даже незначительного количества катионов приводит к формированию макромолекулами двойной спирали с ионами металла внутри (рис.3).

(а)	(б)
Рис.3. Конфигурация вторичной структуры макромолекул ксантана в присутствии ионов металлов: (а) – схематическое изображение; (б) – визаулизация конфигурации и конформации двойной спирали ксантана с захваченными катионами металла, полученная компьютерным моделированием.

Макромолекулы ксантана образуют также третичнуюпространственную структуру. Например, в водном растворе молекулы ксантана при повышении ионной силы раствора или концентрации полисахарида претерпевают процесс самоассоциации. При этом происходит формирование геля, представляющего собой трехмерную сетку из двойных спиралей ксантана, связанных межмолекулярными водородными связями (рис.4).

Рис.4.Конфигурация третичной структуры ксантана, формирующейся в процессе самоассоциации макромолекул с образованием трёхмерной сетки.