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Estructura

La molécula de xantano consta de una cadena principal de D-glucopiranosilo con enlace a 1-4, como en la celulosa. A la cadena se anexan cadenas laterales de trisacárido compuestas por residuos de D-manopiranosilo y de ácido D-glucopiranosilurónico. Los residuos de manosilo con enlace a 1-2 tienen sustitutos 6-o-acetilo. Un promedio de aproximadamente la mitad de los grupos terminales del a-D-manosilo tienen sustitutos 4,6-o-(1-carboxietilideno), por ejemplo el ácido pirúvico con enlace 4,6 acetal. Se le asigna como fórmula promedio C32.34H49.94O28.34Na1.38 .




Fig 1. Estructura del xantano. [7]

Algunas aplicaciones industriales requieren que el contenido de piruvato supere el 3.3% en peso, siendo su valor el mejor indicador de la calidad del producto [7]. La distribución de pesos moleculares del xantano abarca el rango de 2 a 16 × 106 Dalton y depende de las condiciones de fermentación [14].


Propiedades reológicas

La molécula de xantano tiene dos conformaciones, una de hélice y otra de cadena desordenada, dependiendo de la temperatura a la cual se realiza la disolución. Esto hace que la viscosidad de la soluciones dependa no solo de la temperatura a la cual se mide la viscosidad sino también de la temperatura a la cual se disuelve el polisacárido [14]. Las soluciones de xantano son estables respecto de la acción del calor en un amplio intervalo de temperaturas y su estabilidad aumenta con sales catiónicas mono y divalentes, La viscosidad es independiente del pH en presencia de sales a pH entre 1 y 13 [38].

El comportamiento reológico de las soluciones de xantano ha sido descripto mediante la ecuación de Ostwald de Waele y la ecuación de Casson, mostrando ambos modelos un excelente ajuste a los datos experimentales en el rango de velocidades de corte de 0.39 a 79.2 s-1 [14].

t = K g n = (K g n-1) g ma = K g n-1 Ostwald de Waele

t 0.05 = t 0 0.5 + Kc g 0.5 Casson

En donde ma es la viscosidad aparente, g la velocidad de corte, t la tensión de corte, K el índice de consistencia, n el índice de comportamiento y Kc la constante de Casson. Estos parámetros son funciones conocidas de la concentración, y temperatura de medición y se tabulan para diferentes temperaturas de disolución.

La relación de la viscosidad aparente con la concentración puede calcularse mediante la siguiente ecuación empírica obtenida a partir del modelo Ostwald de Waele bajo condiciones constantes de velocidad de corte y temperatura de disolución.

ma = a Cp b


Interacción con otras gomas

La propiedad más excepcional del xantano es la reactividad con galactomananos como la goma de guar y la goma de algarrobo. El agregado de cualquiera de estos galactomananos a una solución de xantano a temperatura ambiente causa un incremento sinérgico de la viscosidad. Las combinaciones de xantano y goma de algarrobo forman geles elásticos mientras que las combinaciones de xantano con goma guar producen viscosidades más elevadas de lo esperado pero no forman gel [6].


Toxicidad

Las propiedades toxicológicas y de seguridad del xantano se investigaron intensamente para determinar su aplicabilidad en alimentos y fármacos [14]. El xantano no es tóxico y no inhibe el crecimiento. No provoca sensibilización ni irritación ocular o de la piel. La Food and Drug Administration FDA de EEUU lo aprobó en 1969 como aditivo alimentario sin ningún límite especifico de cantidad. En 1980 la comunidad económica europea agregó el xantano a la lista de emulsificantes / estabilizantes alimentarios permitidos con el número de ítem E-415.


Usos

El xantano se agrega a los alimentos para controlar la reología del producto final. El polímero produce un gran efecto sobre propiedades como la textura, liberación de aroma y apariencia, que contribuyen a la aceptabilidad del producto para su consumo. Por su carácter pseudoplástico en solución el xantano tiene una sensación menos gomosa en la boca que las gomas con comportamiento newtoniano.

Su comportamiento como antioxidante es mayor que el de otros polisacáridos debido a su gran capacidad de unirse a metales y su comportamiento viscoso.


Función

Aplicación

Adhesivo

Glaseados y recubrimientos

Aglutinante

Alimentos para mascotas

Recubrimiento

Confitería

Emulsificante

Aderezos para ensaladas

Encapsulante

Saborizantes en polvo

Formación de película

Recubrimientos protectores, envoltura de salchichas

Estabilizante de espuma

Cerveza

Sustituto de gluten y procesamiento de masa

Panadería, pastas

Estabilizante

Helados, aderezos, jugos, margarina

Agente de hinchamiento

Productos procesados de carne

Mejorador de estabilidad en la congelación y descongelación

Queso, alimentos congelados

Espesante

Dulces, salsas, jarabes y rellenos de pasteles

Mejorador de bombeo y llenado

Productos enlatados

Tabla 1. Usos prácticos del xantano en la industria de alimentos [7,14].

En la industria farmacéutica y cosmética el xantano se usa como agente emulsificante y para dar cuerpo. Los productos de cuidado personal como champú, cremas, lociones, maquillaje, productos de cuidado capilar y dentífrico pueden formularse con xantano. El xantano otorga a las cremas y lociones una buena sensación en la piel durante y después de la aplicación. En la industria farmacéutica el xantano se usa para mantener en suspensión a los antibióticos u otros fármacos y para lograr formulaciones de dosificación uniforme o estabilizar cremas conteniendo fármacos.

En las aplicaciones agrícolas el xantano se usa como agente de suspensión o espesante. Se utiliza para mejorar la eficiencia de fungicidas, herbicidas e insecticidas al suspender uniformemente los componentes sólidos de las formulaciones en sistemas acuosos o al estabilizar emulsiones y sistemas multifásicos líquidos.

Las propiedades reológicas facilitan la pulverización, reducen la dispersión con el viento, e incrementan la persistencia y adhesión del pesticida.

En la industria petrolera se lo utiliza como aditivo para fluidos de perforación; la seudoplasticidad suministra baja viscosidad en el trépano, donde la velocidad de corte es alta y alta viscosidad en el ánulo donde hay menor velocidad de corte. Esto permite una rápida penetración del trépano y al mismo tiempo que en el ánulo las partículas arrancadas se mantengan en suspensión.

Las soluciones de xantano también se aplican a líquidos de fractura. La fractura hidráulica permite mejorar la productividad del pozo mediante fracturas profundas en el reservorio. La reología del xantano permite una transmisión de presión máxima a la formación y fricción mínima en la tubería y reservorio. En la recuperación secundaria de petróleo se adiciona para reducir la permeabilidad y reducir la movilidad del agua al incrementar su viscosidad.

Otros usos industriales son tintas para impresión a chorro de tinta, procesos para remoción de metales disueltos en minería y películas termocurables con ventajas medioambientales.


Proceso productivo

El proceso típico de producción de xantano es discontinuo [7,13,14]. Comienza con la conservación y el cultivo de la cepa de X. campestris. La cepa seleccionada se conserva a largo plazo con métodos como liofilización y congelamiento a fin de mantener sus propiedades. Del cultivo conservado se toma una pequeña cantidad y se hace crecer en medios sólidos o líquidos. Se cultiva en placas de petri, erlenmeyers y fermentadores pequeños hasta obtener el inóculo. El inóculo ingresa al biorreactor junto al medio de producción previamente esterilizado.

El medio de producción contiene como fuente de carbono sacarosa, glucosa o jarabe de maíz en concentraciones de 20-40 g/l. También contiene fuentes complejas o inorgánicas de nitrógeno y otros nutrientes en menor cantidad.

La fermentación se lleva a cabo en condiciones aerobias, controlándose la temperatura, pH, oxígeno disuelto, formación de espuma y agitación. Al final de la fermentación se separan las células por centrifugación o filtración. El xantano formado se separa típicamente por precipitación con agentes como isopropanol, etanol o acetona, agregado de sales y ajuste de pH. De acuerdo a regulaciones del la FDA, para usos alimenticios se debe utilizar isopropanol. El agente precipitante se recupera por destilación. El producto precipitado se lava, se seca, muele y envasa. A veces se somete a tratamientos enzimáticos intermedios para modificar sus propiedades.


Variables de proceso

Un aspecto importante del proceso es la cepa bacteriana. La cepa puede sufrir con el tiempo degradación hacia variantes que no producen xantano si no se utilizan buenas técnicas de conservación [13]. Actualmente existen variedades genéticamente modificadas en la cuales se incrementó la producción de xantano mediante mutaciones o el agregado de información genética exógena que controla la síntesis de xantano. Se han investigado variedades que utilizan la lactosa como fuente de carbono por inserción de un plásmido con un gene que codifica la enzima b-galactosidasa, pero éstas presentaban problemas de estabilidad en el tiempo. Se aislaron mutantes que producen goma con mayor contenido de piruvato y también sin piruvato. Mediante la ingeniería genética se estudian modificaciones para eliminar la producción de metabolitos indeseables como las enzimas que degradan la celulosa [17].

Otro aspecto a controlar es la etapa de generación del inóculo. Se pretende que la producción de xantano sea pequeña ya que el xantano alrededor de las células dificulta el transporte de nutrientes y aumenta el tiempo de la fase de latencia del crecimiento. Se trabaja en varias etapas, en las que se restringe el tiempo de cultivo. En cada etapa se inocula un 5-10% del volumen total del tanque y se hacen tantas como sean necesarias de acuerdo al volumen del biorreactor de producción[13].

El medio de producción debe estar optimizado ya que tiene una gran influencia en el crecimiento y la producción de xantano. Los carbohidratos más utilizados son glucosa o sacarosa, a una concentración de 20 a 40 g/l, a concentraciones mayores se inhibe el crecimiento. Como fuente de nitrógeno se utilizan fuentes orgánicas como por ejemplo extractos de soja o inorgánicas como nitrato de amonio. La relación carbono-nitrógeno usualmente es más baja en el medio de producción que para el crecimiento y existen discrepancias en cuanto a su efecto sobre el rendimiento y la productividad [7]. El medio también afecta la calidad de la goma, por ejemplo el grado de sustitución de piruvato y acetato depende de la concentración de los micronutrientes.

Además de la operación discontinua o batch, autores como Funahashi et al. [10] han estudiado la modalidad fed-batch, en la cual la fuente de carbono se agrega gradualmente. Esto permite mantener el nivel de glucosa entre 30 y 40 g/l, los cuales son óptimos para la producción de xantano. La aplicación industrial de la modalidad fed-batch no ha prosperado debido a que el incremento de la producción es pequeño y que al final del proceso queda una gran cantidad de glucosa remanente [7].

Otra modalidad propuesta es la fermentación continua. Con ella se han alcanzado las mayores productividades específicas conocidas. Lamentablemente la fermentación continua presenta problemas prácticos a escala industrial. Por una parte es difícil el mantenimiento de la esterilidad, pudiendo ocurrir mutantes de rápido crecimiento que no producen xantano. Otro problema es que en el medio de cultivo queda una gran cantidad de carbohidrato sin utilizar lo cual perjudica la economía del proceso y dificulta la separación posterior.

En cuanto al pH, el control para mantenerlo en el óptimo de 6.8-7 mejora el crecimiento pero inhibe la producción de goma una vez alcanzada la fase estacionaria. Si se trabaja sin control de pH se logra mayor producción de goma ya que ésta continúa produciéndose durante la fase estacionaria [14].

Una variable de suma importancia es un suministro adecuado de oxígeno. Las células lo requieren tanto para el crecimiento como para la producción. Los reactores más usuales son tanques agitados con difusor de aire. Al progresar la fermentación se produce un incremento de viscosidad que tiende a reducir la velocidad de transferencia de oxígeno. La transferencia de oxígeno puede controlarse modificando la velocidad de agitación y el caudal de aire. Si se usa una excesiva velocidad del agitador se producen daños mecánicos a las células. Se logra un compromiso entre la transferencia de oxígeno y los daños a las células aumentando gradualmente la velocidad de agitación a lo largo de la fermentación.

El control de espuma se hace necesario ya que el cultivo tiende a formarla ante la intensa aireación. La generación incontrolada de espuma provoca pérdidas de medio de cultivo a través de la salida de gases, y para controlarla se agregan pequeñas cantidades de antiespumantes.

La temperatura del proceso es una variable que afecta la velocidad de todas las etapas bioquímicas y los fenómenos de transporte de nutrientes, metabolitos y oxígeno. Influye por tanto en la cinética neta del crecimiento celular y la producción de xantano, lo que en última instancia determina el rendimiento y los tiempos de fermentación.


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