بهینه سازی تولید میکروبی صمغ زانتان توسط زانتاموناس کمپستریس با استفاده از نشاسته هیدرولیز شده

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی بیوتکنولوژی، دانشگاه اصفهان، ایران،

2 استادیار مهندسی شیمی بیوتکنولوژی، دانشگاه اصفهان، ایران

3 استادیار مهندسی شیمی بیوتکنولوژی، دانشگاه اصفهان، ایران،

4 استادیار مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران،

چکیده

  مقدمه: در تولید فرآورده‌های زیستی با ارزش افزوده پایین، هزینه سوبسترا سهم زیادی از قیمت تمام شده محصول را تشکیل می‌دهد؛ بنابراین، انتخاب یک سوبسترای ارزان قیمت که دارای بازده بالایی از محصول باشد، می‌تواند قیمت تمام شده محصول را تا حد زیادی کاهش دهد. نشاسته به عنوان یکی از منابع کربن فراوان و ارزان قیمت می‌تواند سوبسترای مناسبی برای تولید صمغ زانتان باشد. تاکنون در بیشتر تحقیقات انجام شده بر روی تولید میکروبی صمغ زانتان، از گلوکز به عنوان سوبسترای اصلی استفاده شده است.   مواد و روش ‏‏ ها: در این تحقیق، تولید میکروبی صمغ زانتان توسط باکتری زانتاموناس کمپستریس PTCC 1473 ‏با استفاده از نشاسته هیدرولیز شده بررسی شده است. دو عامل زمان و غلظت منبع کربن (نشاسته­هیدرولیز شده) با استفاده از روش تحلیل آماری سطح رویه پاسخ- طراحی ترکیبی مرکزی ( RSM- CCD ) بهینه شده است. هر دو عوامل موثر بر تولید زانتان از سوبسترای نشاسته هیدرولیز شده ‏شناخته شدند .   نتایج: بر اساس نتایج حاصل از تحقیق، زمان 38/4 ساعت و غلظت 56/0گرم بر لیتر از نشاسته هیدرولیز شده، به عنوان زمان و غلظت بهینه از سوبسترا برای تولید8/34 گرم بر لیتر صمغ زانتان به­دست آمدند .   بحث و نتیجه ‏ گیری: این نتایج نشان دهنده قابلیت استفاده از نشاسته هیدرولیز شده به عنوان یک منبع کربن ارزان قیمت و ضایعاتی به جای گلوکز برای تولید زانتان است. همچنین، از بین دو عامل غلظت منبع کربن و زمان، عامل غلظت منبع کربن اثر بیشتری بر تولید زانتان داشت. این دو عامل با یکدیگر اثر متقابل نداشته و هر یک به تنهایی موثر بودند .  

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of microbial production of xanthan gum by the bacterium Xanthamonas campestris using the hydrolyzed starch

نویسندگان [English]

  • vahid niknezhad 1
  • Mohammad Ali Asadollahi 2
  • davood biria 3
  • Akram Zamani 4
1 M.Sc Student of Chemical Engineering-Biotechnology, University of Isfahan, Iran
2 Assistant Professor of Chemical Engineering- Biotechnology, University of Isfahan, Iran
3 Assistant Professor of Chemical Engineering- Biotechnology, University of Isfahan, Iran,
4 Assistant Professor of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
چکیده [English]

  Introduction : In biological production of low value added bioproducts, the substrate cost comprises a significant part of the total price. Therefore, choosing an inexpensive substrate with a high yield of production can greatly reduce the production cost . Starch as an abundant and cheap carbon source can be a suitable substrate for microbial production of xanthan gum. However, in most of the studies on microbial xanthan gum production, glucose has been used as substrate .   Materials and method s: In this study, microbial production of xanthan gum using Xanthomonas campestris PTCC 1473 and hydrolyzed starch as carbon source was investigated. The concentration of carbon source and time were optimized using RSM-CCD method. Both factors were regarded to be significant for production of xanthan using hydrolyzed starch .   Results : Based on the obtained results, optimum carbon source concentration and time were 56 g/L and 38.4 h, respectively. Under optimum conditions, 8.34 g/L of xanthan gum was produced .   Discussion and conclusion : The results of this study indicated that starch could be used as a waste and inexpensive carbon source instead of glucose for the production of xanthan gum. It was also shown that the effect of carbon source concentration was more significant than time for xanthan production. In addition, these two factors were independent and did not have any interaction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Xanthan gum
  • Xanthomonas campestris
  • starch
  • Optimization

مقدمه

صمغ زانتان هتروپلی­ساکارید برون سلولی است که درون آب محلول است و به شکل صنعتی از ساکارز و گلوکز طی فرآیند تخمیری با سویه های میکروبی زانتاموناس به ویژه زانتاموناس کمپستریس تولید می‏شود (5 و 7). با توجه به خواص تغییر شکل متنوع، زانتان در صنایع گوناگونی همچون صنایع غذایی، آرایشی و تزئینی، داروسازی، افزایش بازیافت نفت به عنوان غلیظ کننده، پایدار کننده و معلق کننده استفاده می‏شود (2 و 5). فرآیندهای پایین دستی در جداسازی زانتان و خالص کردن آن با هزینه بسیار بالا، حدود 50 درصد هزینه تمام شده است‏‏ (15). بنابراین، یکی از راه­ها، استفاده از منابع کربن ارزان قیمت برای کاهش هزینه کلی تولید است. مطالعات زیادی بر روی کاهش هزینه تولید با استفاده از منابع متنوع کربن همچون ملاس چغندر قند، ملاس نیشکر، آب­پنیر، ضایعات میوه (مرکبات، فندق، خرما) انجام گرفته است (3، 4، 8، 9،10 و 12). میزان تولید جهانی صمغ زانتان حدود 30000 تن با ارزشی حدود 408 میلیون دلار است. این میزان تولید با رشدی حدود 5 تا 10 درصد روبه­رو است (2، 3 و 9). در این مقاله، برای کاهش هزینه­های تولید و افزایش بازده تولید برای استفاده این بسپار در صنایع غذایی، از نشاسته هیدرولیزی برای تولید زانتان توسط باکتری زانتاموناس کمپستریس استفاده شده است. برای بهینه‌سازی میزان تولید زانتان از روش آماری سطح پاسخ نقطه مرکزی (CCD) که دو عامل زمان و غلظت منبع کربن را در نظر گرفته است، استفاده شد. منبع کربن استفاده شده در این تحقیق نشاسته بوده که منبعی ارزان و قابل دسترس است.

 

 

مواد و روش‏ها

میکروارگانیسم و شرایط رشد

سویه استاندارد زانتاموناس کمپستریس PTCC1473 از کلکسیون میکروبی سازمان پژوهش­های علمی و صنعتی ایران به شکل لیوفیلیزه خریداری شذ. این سویه بر روی محیط کشت GYC حاوی 20 گرم بر لیتر گلوکز، 20 گرم بر لیتر کلسیم­کربنات، 17 گرم بر لیتر آگار و 10 گرم بر لیتر عصاره مخمر به مدت 48 ساعت در دمای 28 درجه سانتی‏گراد کشت داده شد.

مایه تلقیح

برای رسیدن به یک توده­ی میکروبی مناسب برای استفاده در فرآیند تخمیری، از محیط کشت YPD حاوی 20 گرم بر لیتر گلوکز، 20 گرم بر لیتر پپتون، 10 گرم بر لیتر عصاره مخمر استفاده شد. 100 میلی‌لیتر از محیط کشت داخل یک فلاسک 500 میلی‌لیتری ریخته و پس از اتوکلاو شدن، از محیط کشت GYC مقدار 4 لوپ به این محیط کشت تلقیح شد. محیط کشت در دمای 30 درجه سانتی‏گراد و در دور 200 دور بر دقیقه به مدت 24 ساعت گرمادهی شد (3). در این زمان با توجه به این‏که سویه در فاز لگاریتمی رشد بوده بهترین زمان برای تلقیح اولیه است. از مایه تلقیح به دست آمده به عنوان مایه تلقیح آزمایش‌های اصلی به میزان 5 درصد(حجمی/حجمی)استفاده شد (7).

فرآیندتخمیر

آزمایش با درصد­های مختلف از منبع کربن (نشاسته هیدرولیزی) که با توجه به تحلیل آماری در سه سطح اصلی (80، 50 و 20 گرم بر لیتر) و دو سطح اضافه (57/7 و43/92 گرم بر لیتر) مشخص شده بود توسط نرم‏افزار و مقادیر ثابت محیط کشت (گرم بر لیتر) انجام شد. این مقادیر ثابت عبارتند از: پتاسیم دی‏هیدروژن‏فسفات: 2، سولفات منیزم: 2/0، نیترات‏آمونیم: 2، سیتریک اسید:2، بوریک اسید: 0006/0، کلرید روی: 0006/0، کلرید آهن: 0024/0، کربنات کلسیم:02/0. اسیدیته‏ محیط کشت با افزودن NaOH(1M) به 2/7 رسانده (4 و 11) و محیط کشت در دمای 115 درجه سانتی‏گراد و به مدت 10 دقیقه اتوکلاو شد.

هیدرولیز نشاسته

 نشاسته (آرد گندم) خشک شده به نسبت 1:5 در آب مخلوط شد. پس از رساندن اسیدیته‏ به 5/5 توسط کلریدریک اسید یک مولار، آنزیم آلفا آمیلاز با نسبت 0002/0 درصد حجمی به نشاسته اضافه و پس از دو ساعت هم‏زدن در حمام 90 درجه سانتی‏گراد، دمای محلول به 65 درجه سانتی‏گراد رسانده شد. سپس برای مرحله قند‏سازی، اسیدیته‏ محلول در 5/4 تنظیم و 0002/0 درصد حجمی آنزیم گلوکوآمیلاز به آن اضافه شد. سپس این محلول در یک شیکر انکوباتور با دور متوسط (120 دور بر دقیقه) به مدت 20 ساعت در دمای 65 درجه سانتی‏گراد گرماگذاری شد (14). در پایان، محلول سانتریفیوژ شده و مایع رویی در دمای 4 درجه سانتی‏گراد نگه داشته شد. غلظت نشاسته در این محلول 20 درصد است که با رقیق کردن آن غلظت‏های 2، 5 و 8 درصد برای استفاده در محیط کشت به دست آمد.

برآورد میزان تولید سلولی

سلول­ها پس از سانتریفیوژ در دور15000 دور بر دقیقه به مدت 25 دقیقه و در دمای 4 درجه سانتی‏گراد از مایع­رویی که برای جداسازی زانتان استفاده می­شود، جدا شده و از اتانول برای جداسازی بقایای زانتان موجود به مدت 10 دقیقه در دور 10000 دور بر دقیقه سانتریفیوژ استفاده شد. سلول­ها درون آون به مدت 3 ساعت در دمای 105 درجه سانتی‏گراد خشک شد. سپس وزن خشک سلول با توزین ظرف حاوی سلول و ظرف خالی توسط ترازو (دقت 00001/0 گرم) و کسر ایندو وزن از یکدیگر تخمین زده شد (3).

تولید زانتان

صمغ زانتان توسط فرآیند هوازی به شکل ناپیوسته درون ارلن و دمای30 درجه سانتی‏گراد در دور 200 دور بر دقیقه و به مدت 56 ساعت انجام شد. محیط کشت به دست آمده به مدت 25 دقیقه در دور 15000 دور بر دقیقه و دمای 4 درجه سانتی‏گراد سانتریفیوژ شد. مقدار 5/0 میلی‏لیتر از مایع رویی بدون سلول میکروبی درون میکروتیوب 5/1 میلی­لیتر ریخته و مقدار یک میلی­لیتر ایزوپروپانول حاوی یک درصد نمک کلسیم کلراید به آن اضافه شد (7). پس از سانتریفیوژ به مدت 30 دقیقه در دور 15000 دور بر دقیقه و دمای 4 درجه سانتی‏گراد، پلیمر رسوب کرده در ته ظرف به مدت 48 ساعت در دمای50 درجه سانتی‏گراد خشک شد. به علت مدت زمان زیاد فرآیند خشک شدن و دمای متوسط خشک شدن زانتان، رطوبتی که موجب خطای تخمین زانتان شود وجود ندارد. ‏میزان تولید زانتان بر اساس اختلاف وزن میکروتیوب قبل از ریختن مواد و پس از خشک شدن بر اساس گرم بر لیتر توسط ترازو (دقت 00001/0 گرم) محاسبه شد.

طراحی آزمایش‌ها

آزمایش‌ها بر پایه دو عامل زمان و غلظت منبع کربن، طراحی شد. عامل زمان در سه سطح 24، 36 و 48 ساعت و غلظت منبع کربن نیز در سه سطح 20، 50 و 80 گرم بر لیتر بررسی شد. این طرح بر اساس روش آزمایشی طراحی نقطه مرکزی (CCD) و با استفاده از نرم افزاز Minitab16 انجام شد. به طور کلی، 13 آزمایش با در نظر گرفتن نقاط مرکزی و تکرار آن‏ها انجام شد. آزمایش‌ها به شکل تصادفی انجام شد تا کم‏ترین مقدار خطا را داشته باشد. در جدول (1) سطوح متغیرها همراه با مقادیر زانتان تولیدی نشان داده شده است.

جدول ‏1- نوع طراحی آزمایش و مقادیر تولیدی صمغ زانتان

شماره آزمایش

غلظت نشاسته هیدرولیزی (گرم بر لیتر)

زمان (ساعت)

صمغ زانتان (گرم بر لیتر)

1

50

36

10/8

2

4/92

36

35/7

3

50

19

98/5

4

6/7

36

45/2

5

50

36

00/8

6

80

24

68/6

7

80

48

10/7

8

20

24

70/4

9

50

36

23/8

10

50

36

69/7

11

50

36

98/7

12

20

48

12/5

13

50

53

45/7

 

نتایج

در بهینه­سازی فرآیند تولید صمغ زانتان، پس از انجام آزمایش بر اساس طرح آماری تنظیم شده در جدول 1، نتایج مربوط به پاسخ­های به دست آمده در هر یک از شرایط آزمایشی تعریف شده مطابق جدول 2 به دست آمد.

با توجه به نتایج به دست آمده از آزمایش­ها توسط نرم افزار Minitab16، ابتدا هر یک از پاسخ­ها به شکل جداگانه بررسی و تحلیل شد. علاوه بر ارائه رابطه­ای بین پاسخ و متغیرهای مورد آزمایش، سطوح بهینه این متغیرها نیز بر اساس متغیرهای پاسخ تعیین شد. در بررسی آماری داده­ها، نتایج به­دست آمده توسط نرم‏افزار تحلیل و مدل نخستین ارائه شد. این مدل از درجه دو بوده و ضرایب مربوط به هر عامل از طریق رگرسیون محاسبه شد. از آن‏جایی که مدل اولیه پیشنهادی شامل کلیه عامل­های A، B، AB، ‏A2 و ‏B2 (متغیرها با توان اول و دوم و اثر متقابل متغیرها) است، درجه اهمیت هر یک از عامل­ها با توجه به مقدار P مربوط به هر یک از آن‏ها که در جدول تحلیل آماری ارائه می­شود، مشخص شده و عامل­های با درجه اهمیت کمتر که در واقع تاثیر ناچیزی در مدل ارائه شده دارند، حذف شدند. به طور کلی، هرچه میزان P مربوط به یک عامل کمتر باشد، آن عامل از اهمیت و تاثیر بیش‏تری برخوردار است و از آن‏جایی که مقدار 95 درصد به عنوان سطح اطمینان از موثر بودن عامل در نظر گرفته می­شود در صورت عدم صدق شرط ‏(P value <0.05) در مورد یک عامل، عامل مربوطه توسط نرم­افزار حذف شده و رابطه جدیدی که تنها شامل عامل­های مهم باشد، ارائه می­شود (1). علاوه بر موارد ذکر شده، ضریب همبستگی (R2) متغیر دیگری است که برای تحلیل بهتر داده­ها می­توان از آن استفاده کرد (13). به طور معمول، هرچه میزان این ضریب به یک نزدیک­تر باشد، انطباق داده­های تجربی و مدل ارائه شده بیشتر بوده و مدل از دقت بالاتری برخوردار است.

در جدول 2 تحلیل آماری مربوطه قابل مشاهده است. آزمایش رگرسیون دارای ‏P صفر بوده که آزمایشی منطقی ‏و دارای خطای بسیار پایین را نشان می‏دهد. عامل غلظت منبع کربن با P بسیار پایین حدود صفر مشاهده می‏شود که نشان دهنده معنی­دار بودن انتخاب عامل مربوطه و داشتن بیش‏ترین اثر ممکن بر تولید زانتان است. ولی عامل زمان در حد مرز ممکن P بوده که گویای این است که نسبت به عامل غلظت موثر نیست، هرچند باز هم عاملی موثر تلقی می‏شود. اثر متقابل این دو عامل (زمان و غلظت منبع کربن) دارای ‏P بسیار بالایی است که اثر این دو عامل را بر روی هم رد کرده و این عوامل را به تنهایی موثر می داند. عبارتLack-of-Fit  به نوعی معرف خطا است که هرچه P آن بیشتر باشد بهتر است، چون در Lack-of-Fit معنی­دار بودن خطا با P بالا رد می­شود. در این آزمایش، بالاتر بودن P از حد مرزی 5 درصد، نشان دهنده معنی‏دار نبودن خطای Lack-of-Fit و در نتیجه خطای پایین آزمایش است. مقدار R نیز با توجه به آزمایش برابر با 87/95 درصد است. این مقدار بسیار نزدیک به عدد یک بوده و انطباق داده­های تجربی و مدل ارائه شده را نشان می­دهد.

 

 

جدول 2- تحلیل واریانس تولید صمغ زانتان

عوامل

درجه آزادی[1]

مجموع مربعات[2]

تعدیل مجموع مربعات[3]

تعدیل میانگین مربعات[4]

[5]F

[6]P

R2 = 87/95 درصد

 

 

 

 

 

 

رگرسیون

5

35/33

35/33

67/6

75/31

000/0

غلظت منبع کربن

(گرم بر لیتر):A

1

82/14

82/14

82/14

55/70

000/0

زمان (ساعت):B

1

06/1

06/1

06/1

07/5

050/0

A2

1

79/14

21/16

21/16

19/77

000/0

B2

1

66/2

66/2

66/2

70/12

009/0

A×B

1

00/0

00/0

00/0

00/0

000/1

Lack-of-Fit

3

31/1

31/1

43/0

97/8

061/0

خطای خالص[7]

4

15/0

15/0

03/0

 

 

تمام آزمایش

12

82/34

 

 

 

 

 

 

 

نرم افزار بر اساس داده­های به دست آمده و روش‏های آماری و ریاضی، معادله­ای را برای مقدار تولید صمغ زانتان پیش­بینی می­کند. اعتبار کار آماری معادلات چند جمله­ای به وسیله تحلیل واریانس است‏(10). معادله 1 ارتباط تولید با مقادیر غلظت منبع کربن و زمان تولید محصول را نشان می‌دهد. اثر متقابل این دو عامل با ضریب صفر مشخص شده که نشان دهنده بی‏اهمیتی و عدم اثر متقابل این دو عامل است.

 

 

صمغ زانتان (g/l) = 00/8+ 36/1 A + ‏85/0B + ‏000/0A×B - 36/1A2 - ‏13/1B2 1

 

 

یکی از فرضیات کلیدی برای تجزیه و تحلیل آماری داده­های آزمایش این است که داده­ها به شکل نرمال توزیع شوند. نرمال بودن داده­ها را می­توان با نمودار احتمال نرمال باقیمانده بررسی نمود (1). به طور کلی، اگر داده­ها از خط رسم شده در شکل (1) دور نباشند، توزیع ‏به شکل نرمال بوده و داده­ها با کمترین میزان خطا وارد شده­اند.

 

شکل 1- نمودار احتمال نرمال باقیمانده

 

نمودار مقادیر باقیمانده تجربی برحسب مقادیر پیش‏بینی شده در شکل (2) آمده است، که با عدم تبعیت از الگوی خاصی در روند پراکندگی داده­ها، میزان خطا در آزمایش را در کم‏ترین مقدار دانسته و هم‏پوشانی داده­های تجربی و پیش­بینی شده توسط مدل برای صمغ زانتان را نشان می­دهد.

 

 

شکل 2- نمودار مقادیر باقیمانده تجربی بر حسب مقادیر پیش­بینی شده

 

در شکل 3 اثر دو عامل زمان و غلظت نشاسته هیدرولیز شده بر روی تولید صمغ زانتان به شکل متوسط تولید نشان داده شده است. در این شکل میزان تولید با گذشت زمان رفتار متفاوتی از خود نشان داده است به طوری‏که در زمان 48 ساعت میزان میانگین تولید زانتان کاهش یافته ولی در زمان 53 ساعت دوباره میزان تولید افزایش یافته است. افزایش میزان تولید در زمان 53 ساعت شاید به دلیل تعداد کم آزمایش‌های انجام شده برای این زمان بر اساس طراحی انجام شده باشد که از اشکالات روش RSM-CCD می‌باشد. ولی به طور کلی با افزایش زمان، میزان تولید نیز بیش‏تر می­شود. شایان ذکر است که نمی­توان افزایش زمان را تنها عامل افزایش مقدار زانتان دانست و باید با غلظت منبع کربن مقایسه شود. در شکل 3 با افزایش غلظت تا 50 گرم بر لیتر مقدار زانتان تولیدی به شدت افزایش داشته و به مقدار متوسطی حدود 2/7 گرم بر لیتر می­رسد. با افزایش غلظت، تولید زانتان افزایش چندانی نداشته و در برخی موارد حتی کاهش پیدا می­کند. اگرچه هر دو عامل بسیار بر میزان تولید صمغ زانتان موثر شناخته می­شوند ولی دارای محدودیت­هایی نیز هستند. افزایش این دو عامل تا مقادیر خاصی موثر بوده و افزایش تولید را به دنبال دارد. شایان ذکر است علت نوسان­های موجود در نمودارها به علت مقادیر میانگین بوده که متأثر از تعداد آزمایش­های انجام شده هستند.

 

 

شکل 3- اثر دو عامل زمان و غلظت نشاسته هیدرولیز شده بر روی تولید صمغ زانتان

 

در شکل 4 اثر دو عامل زمان و غلظت منبع کربنی  بر روی همدیگر (اثر متقابل) نشان داده شده است. طبق مقدار P، این دو عامل بر روی هم اثری ندارند. این مطلب را می­توان در این نمودار مشاهده کرد زیرا اگر این دو عامل بر روی هم اثر متقابل داشته باشند، خطوط رسم شده همدیگر را قطع می­کنند ولی در این شکل هیچ­گونه برخوردی بین خطوط مشاهده نمی‏شود.

شکل 4- اثر متقابل دو عامل زمان و غلظت منبع کربنی

 

بر اساس تحلیل آماری انجام شده نمودارهای دو و سه بعدی برای توصیف رویه پاسخ که ارتباط دو عامل بررسی شده را نشان می­دهد، مناسب هستند (شکل­های 5 و 6). همان گونه که مشخص است، با افزایش غلظت از 2 گرم بر لیتر به حدود 6 گرم بر لیتر، هم‏زمان با افزایش زمان از 24 ساعت به حدود 39 ساعت، میزان تولید صمغ زیاد شده، سپس با افزایش غلظت به مقادیر بالا در زمان­های بالاتر میزان تولید کاهش پیدا می‏کند. رویه پاسخ و نمودار دو بعدی بسیار مناسب ایجاد شده، نقاط بیشینه و کمینه تولید را به طور واضح نشان می­دهد که بیانگر مناسب بودن این روش  در بهینه­سازی منابع مختلف کربن و زمان در تولید صمغ زانتان می‌باشد.

 

شکل 5- نمودار دو بعدی ارتباط زمان و غلظت منبع کربن در تولید صمغ زانتان

 

 

شکل 6- نمودار سه بعدی ارتباط زمان و غلظت منبع کربن در تولید صمغ زانتان

 

بحث و نتیجه­گیری

با توجه به تحلیل انجام شده، میزان تولید این صمغ با سوبسترای نشاسته هیدرولیز شده برای استفاده در صنایع مختلف، به‏ویژه غذایی مناسب بوده است. زانتان تولیدی در مقایسه با کارهای قبلی که بر تولید زانتان از گلوکز متمرکز شده بودند، دارای بازدهی تولید مناسبی است (7). عامل غلظت نسبت به عامل زمان دارای اهمیت بیش‏تری بوده است. علت اثر زیاد غلظت منبع کربن بر تولید زانتان، نیازمندی زیاد میکروارگانیسم زانتوموناس برای رشد و نیز تولید زانتان به منبع کربن است (8 و 10). با توجه به نیازمندی میکروارگانیسم­ها به مواد مغذی و هم‏چنین تطابق با شرایط محیط کشت برای تولید صمغ زانتان، زمان، عامل موثری بر تولید زانتان است. همچنین طبق تحقیق­های انجام شده، صمغ زانتان بیش‏ترین تولید را در مرحله رشد نمایی دارد (7).  معادله 1 دیدی مناسب نسبت به عوامل مورد بررسی و میزان تأثیر هر کدام بر تولید زانتان نشان می‌دهد ولی به علت تأثیر عوامل گوناگونی همچون غلظت مواد دیگر همچون منبع فسفر و منبع نیتروژن در تولید صمغ زانتان، این معادلات را نمی­توان مصداقی کلی برای تمام فرآیندها و روش­های تولید زانتان دانست. با استفاده از رسم نمودارهای سه بعدی و دو بعدی سطوح بهینه، مقادیر 56گرم بر لیتر برای غلظت منبع کربن و 4/38 ساعت برای زمان مشخص شد. براساس نمودار رشد، سویه زانتوموناس کمپستریس در زمان 4/38 ساعت پس از کشت در مرحله سکون رشد بوده و از مرحله نمایی رشدگذشته است پس برای محصول­گیری زمان مناسبی است (داده­ها نشان داده نشده). عوامل گوناگونی همچون غلظت منبع کربن، غلظت منبع نیتروژن و دما بررسی شدند. بین این سه عامل فقط غلظت منبع کربن بر تولید زانتان موثر شناخته شد و دو عامل دیگر بر تولید زانتان موثر شناخته نشدند. نتیجه به دست آمده در این تحقیق، نتایج قبلی و موثر بودن غلظت منبع کربن بر تولید زانتان را تأیید می‏کند (3). برای بهینه­سازی تولید صمغ زانتان، غلظت منبع نیتروژن، دور همزدن و غلظت منبع فسفر، عواملی موثر بر تولید زانتان شناخته شدند (13). علت اختلاف نظر بین محققین بر موثر بودن و نبودن منبع نیتروژن می­تواند ‏اختلاف در نوع سوبسترا، مواد مغذی درون محیط کشت و عوامل دیگر بر تولید زانتان دانست. پس استفاده از تحلیل آماری می­تواند در کم‏ترین تکرار و تعداد آزمایش راه­گشایی برای پیدا کردن بهترین بازده تولید محصول­های زیستی باشد. در شکل­های 7 و 8 مقادیر بهینه به شکل 2 بعدی و سه بعدی نمایش داده شده­اند. مقادیر بهینه زمان و غلظت منبع کربن با شدت رنگ بیشتر و ایجاد یک رویه مناسب در شکل سه بعدی قابل مشاهده هستند.

 

 

شکل 7- نمودار دو بعدی پیش­بینی مقدار بهینه

 

 

شکل 8- نمودار سه بعدی پیش­بینی مقدار بهینه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



[1]. Degree of Freedom

[2]. Sum Square

[3]. Adjust Sum Square

[4]. Adjust Mean Square

[5]. F- test

[6]. P-value

[7]. Pure Error

References

(1) Antony J. Design of Experiments for Engineers and Scientists. New York Butterworth-Heinemann; 2003 ‏390- 445.

(2) Antunes AEC. Screening of Xanthomonascampestrispvprunistrains According to TheirProduction of Xanthan andits Viscosity and Chemical Composition. Braz J Food Technol2003; 6 (2):317-22.

(3) Ben Salah R, Chaari K, Besbes S, Ktari N, Blecker C, Deroanne C, et al. Optimisation of xanthan gum production by palm date (Phoenix dactylifera L.) juice by-products using responsesurface methodology. Food Chem 2010; 121(2): 627-33.

(4) Bilanovic D, Shelef G, Green M. Xanthan fermentation of citrus waste. Bioresource Technol 1994; 48 (2): 169-72.

(5) Bono A, Fong NL, Sarbatly RH, Krishnaiah D. Xanthan Gum Production Using Fed-BatchContinuous Recycled Packed Bed Bioreactor. International Conference on Chemical Reactors 2006; 17 (1):298-301.

(6) Esgalhado ME, Roseiro JC, CollaGo MTA. Interactive Effects of pH and Temperature onCell Growth and Polymer Production by Xanthomonascampestris. Process Biochem 1994; 30 (7): 667-71.

(7) Garcia OF, Santos VE, Casas JA, Gómez E. Xanthan gum: production, recovery, and properties. Biotech Adv 2000; 18 (7): 549-79.

(8) Gilani SL, Heydarzadeh HD, Mokhtarian N, Alemian A, Kolaei M. Effect of preparation conditions on xanthan gum production and rheological behavior using cheese whey by Xanthomonas campestris. Aust. J. Basic Appl Sci 2011; 5 (10):855-9.

(9) Kalogiannis S, Iakovidou G, Liakopoulou K M, Kyriakidis D A, Skaracis G N.Optimization of xanthan gum production by Xanthomonas campestris grown in molasses. Process Biochem 2003; 39 (2): 249- 56.

 

(10)            Kyriakides ML, Psomas SK, Kyriakidis DA. Xanthan gum production by Xanthomonas campestris w.t. Fermentation from chestnut extract. ApplBiochem Biotech 1999; 82 (3): 175-83.

(11)            Mesomo M, Silva MF, Boni G, Padilha FF, Mazutti M, Mossi A,et al. Xanthan gum produced by Xanthomonas campestris from cheese whey: production optimization and rheological characterization. J Sci Food Agric2009; 89 (14): 2440–5.

(12)            Murugesan AG, Dhevahi B, Gowdhaman D, Amutha K B, Prabu CS. Production of xanthan employing Xanthomonas campestris using sugarcane molasses. American J Environ Eng 2012; 2(2):31-4.

(13)            Moshaf S, Esfahani ZH, Azizi MH. Optimization of conditions for xanthan gum productionfrom waste date in submerged fermentation. World Acad Sci Eng Technol2011;81 (1): 521-4.

(14)            Vinche MH, Heidary M, Karimi K, Zamani A, Asachi R. Chitosan: A valuable byproduct ofethanolic fermentation by Rhizopus oryzae. J of Biobased Mater and Bioen 2012; 6 (5): 552-7.