Glycolipids for foaming applications - from synthesis to structure-function relationship -
Creators: name: Hollenbach, Rebecca
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Der ökonomische Wandel weg von einer erdölbasierten Gesellschaft und Industrie hin zu einer Bioökonomie betrifft nicht nur den Energie- und Verkehrssektor, sondern alle Industriezweige und Bereiche des täglichen Lebens. So stellen auch nachhaltige Produktionswege für umweltverträgliche Tenside einen wichtigen Forschungsbereich dar. Biotenside umfassen ein breites Spektrum verschiedener Substanzen. Hierzu zählen auch Glycolipide, die sowohl chemisch als auch mikrobiell oder enzymatisch hergestellt werden können. Die enzymatische Synthese bietet den Vorteil, dass durch die Kombination unterschiedlicher Zucker(derivate) und Fettsäuren oder Fettalkoholen eine nahezu endlose Vielfalt an Glycolipiden produziert werden kann. Hierdurch wird die Herstellung von maßgeschneiderten Glycolipiden für die verschiedensten Anwendungen ermöglicht. Die Verwendung von stark eutektischen Lösungsmitteln (deep eutectic solvents, DES) als Reaktionsmedium ermöglicht eine enzymatische Glycolipid-Synthese vollständig auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Diese Arbeit befasst sich mit der quantitativen Analyse der enzymatischen Glycolipid-Herstellung in hydrophilen DES, woraus limitierende Faktoren identifiziert und eine Optimierungsstrategie abgeleitet wurden (Kapitel 2). Darüber hinaus wurden erstmals hydrophobe DES als Reaktionsmedien für die enzymatische Glycolipidsynthese eingesetzt und der Einfluss von verschiedenen Reaktionsparametern analysiert (Kapitel 3). In einem weiteren Schritt wurde die Struktur-Funktions-Beziehung von Glycolipiden in Bezug auf Schaumeigenschaften evaluiert, wobei Glycolipide mit unterschiedlichen Zucker(derivaten) als Kopfgruppe und Fettsäuren mit verschiedenen funktionellen Gruppen als Schwanzgruppe untersucht wurden (Kapitel 4). Zur quantitativen Analyse der Reaktionsraten und –ausbeuten wurde in einem ersten Schritt eine HPLC-Methode mit ELS-Detektion entwickelt. Diese ermöglicht die direkte Produktquantifizierung, dadurch wird eine indirekte Analyse über den Verbrauch an Fettsäure unnötig. Die direkte Quantifizierung bietet zudem den Vorteil, dass zwischen Mono- und Di-Estern unterschieden werden kann, während dies bei der indirekten Methode nicht möglich ist. Die entwickelte HPLC-ELSD-Methode erwies sich als sehr sensitiv, da bis zu einer Glycolipid-Konzentration von 1,4 µM quantifiziert werden kann. DES weisen im Vergleich zu Wasser und organischen Lösungsmitteln hohe Viskositäten auf. So hat das untersuchte Cholinchlorid: Harnstoff-DES (ChCl:U) bei 20 °C eine Viskosität von 0,28 Pa.s und das Cholinchlorid: Glucose-DES (ChCl:Glc) 1,41 Pa.s, während die Viskosität von Wasser bei nur 0,001 Pa.s liegt. Daher wurde ein externer Massentransferlimitierungstest durchgeführt, um zu untersuchen, ob die hohe Viskosität der DES einen limitierenden Faktor für die enzymatische Glycolipid-Synthese darstellt. Bei einer Schüttlergeschwindigkeit von mindestens 60 rpm konnte eine Massentransferlimitierung ausgeschlossen werden. Eine Fettsäurekonzentration von 0,5 mM erwies sich als geeignet für die Synthese, während höhere Fettsäurekonzentrationen zu einer Inhibierung der Lipase führten. Die mikroskopische und Laserbeugungs-Tropfengrößen-Analyse der Fettsäure-DES-Emulsionen zeigten eine bimodale Größenverteilung der Fettsäuretropfen in den hydrophilen DES-Systemen. Eine Ultraschallbehandlung der Fettsäure-DES-Emulsionen führte zu kleineren Tropfengrößen und einer monomodalen Verteilung. Durch die verbesserte Verfügbarkeit der Fettsäure für die enzymatische Synthese konnte die Glycolipid-Ausbeute nach Ultraschallbehandlung in ChCl:U um das 4fache gesteigert werden. Somit wurde die Fettsäureverteilung als ein limitierender Faktor für die enzymatische Glycolipid-Synthese identifiziert. Um das Problem der Fettsäureverfügbarkeit zu lösen, wurde erstmals die enzymatische Glycolipid-Synthese in einem hydrophoben DES evaluiert. Dazu wurde ein ( ) Menthol: Decansäure DES gewählt, da dieses DES das Fettsäuresubstrat bereits enthält. Die Glycolipid-Synthese war in diesem hydrophoben DES sowohl als Veresterung mit freien Fettsäuren möglich als auch als thermodynamisch begünstigte Umesterung mit aktivierten, vinylierten Fettsäuren. Die Veresterungsreaktion hatte geringere Ausbeuten im Vergleich zur Umesterungsreaktion, da das gebildete Nebenprodukt Wasser zur Einstellung eines Reaktionsgleichgewichtes zwischen Veresterung und der Rückreaktion, einer Hydrolyse, führte. Verschiedene Reaktionsparameter wurden untersucht, um die Synthese weiter zu optimieren. 20 mg/ mL Lipase und 0,5 M Glucose ergaben die höchste anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit für die Veresterungsreaktion, während die höchste anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit in der Umesterungsreaktion mit 1,5 M Glucose erreicht wurde. Die Glycolipid-Ausbeuten in ( ) Menthol: Decansäure-DES waren um das 20-1000fache höher als in den untersuchten hydrophilen DES. Dieser Produktivitätsunterschied ist auf die unterschiedliche Polarität des hydrophoben DES und der hydrophilen DES zurückzuführen. Die eingesetzte Lipase war nachweislich mindestens fünf Zyklen lang ohne signifikanten Aktivitätsverlust wiederverwendbar. Somit konnten hydrophobe DES als vielversprechende Alternative zu hydrophilen DES für die Glycolipid-Synthese identifiziert werden. Für die Auswahl von maßgeschneiderten Glycolipiden für unterschiedliche Anwendungen ist die Struktur-Funktionsbeziehung entscheidend. Daher wurden die Grenzflächeneigenschaften und die Schaumeigenschaften von sieben enzymatisch synthetisierten Glycolipiden, anhand des Gasvolumenanteil, der Blasengrößenverteilung und der Schaumstabilität, sowie der Textur erstmals analysiert. Die Schaumstabilität wurde mittels transienter Schaumhöhe charakterisiert. Hierzu wurden Glycolipide bestehend aus verschiedenen Kopfgruppen, nämlich Glucose, Sorbit, Glucuronsäure und Sorbose, kombiniert mit verschiedenen C10-Acylketten, nämlich Decanoat, Dec-9-Enoat und 4-Methyl-Nonanoat untersucht. Die Gleichgewichts-Grenzflächenspannung variierte zwischen 24,3 und 29,6 mN/m und die kritische Mizellenkonzentration zwischen 0,7 und 3,0 mM. In beiden Fällen wurden die höchsten Werte für diejenigen Glycolipide mit ungesättigten oder verzweigten Schwanzgruppen ermittelt. Grenzflächenelastizität und Viskosität waren in diesen Fällen signifikant reduziert. Die Schaumstabilität wird sowohl durch die Kopfgruppe als auch durch die Schwanzgruppe des jeweiligen Tensides beeinflusst. Schäume aus Glycolipiden mit Sorbose- und Glucuronsäure-Kopfgruppen zeigten eine höhere Stabilität als die Schäume aus Glycolipiden mit Glucose-Kopfgruppe, wobei Sorbitol-basierte Glycolipide die niedrigste Schaumstabilität lieferten. Dies ist auf eine unterschiedliche Hydratation der Kopfgruppen zurückzuführen, welche sich auch bei den Grenzflächenspannungsmessungen in der Absorptionsgeschwindigkeit der Glycolipide an der Grenzfläche zeigte. Ungesättigte Schwanzgruppen verringerten die Schaumstabilität, während eine Verzweigung in der Alkylkette die Schaumstabilität im Vergleich zu den Systemen mit linearen, gesättigten Alkylketten erhöhte. Darüber hinaus beeinflusst die Schwanzgruppe die Schaumtextur stark. Glycolipide mit ungesättigten Schwanzgruppen erzeugten Schäume, die selbst bei kleinsten Scherbelastungen schnell kollabierten, während die verzweigte Schwanzgruppe ein höheres Schermodul als die linearen Schwänze ergab. Die normalisierten Schermodule für die Systeme mit verschiedenen Kopfgruppen variierten in einem engen Bereich, wobei der höchste Wert für Decylglucuronat gemessen wurde.