Ενζυμική επεξεργασία βιοπολυμερών

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως σκοπό την ενζυμική ακυλίωση της κυτταρίνης. Η παραγωγή των αντίστοιχων αλειφατικών εστέρων είναι ιδιαιτέρως σημαντική, καθώς οι τελευταίοι ανήκουν σε μία άκρως ενδιαφέρουσα και χρήσιμη τάξη βιοπολυμερών∙ τα θερμοπλαστικά. Το γεγονός της προέλευσης τους από την κυτταρίνη αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη διαδικασία παραγωγή τους. Η κυτταρίνη, λόγω του εκτεταμένου δικτύου δεσμών υδρογόνου που αναπτύσσεται ανάμεσα στις αλυσίδες της, παρουσιάζει μία εξαιρετικά συμπαγή και σχεδόν αδιαπέραστη μοριακή δομή. Έτσι η διαλυτότητα της είναι ιδιαιτέρως περιορισμένη, με αποτέλεσμα να δυσχεραίνεται η όποια χημική επεξεργασία της. Στη συγκεκριμένη εργασία σχεδιάζονται και αναπτύσσονται δυο διαφορετικές και ανεξάρτητες διεργασίες, που ως στόχο έχουν τη διάνοιξη της δομής της κυτταρίνης και την αύξηση της διαθεσιμότητας και της δραστικότητας των υδροξυλίων της. Η πρώτη διεργασία αφορά στη διάλυση και την προκατεργασία της κυτταρίνης (Avicel και ινώδους) σε συγκεκριμένα ιοντικά υγρά ([bmim]Cl, [emim]OAc), έτσι ώστε να αλλοιωθεί η συμπαγής δομή της και να μειωθεί ο αντίστοιχος δείκτης κρυσταλλικότητας. Μετά την παραλαβή της αναγεννημένης κυτταρίνης που προκύπτει, επιχειρείται η ενζυμική της ακυλίωση σε διάφορα μη συμβατικά συστήματα βιοκατάλυσης (οργανικοί διαλύτες, ιοντικά υγρά, συστήματα ελεύθερα διαλυτών). Ως ακυλο-δότες χρησιμοποιήθηκαν οι βινυλ-εστέρες του προπιονικού, του λαυρικού και του στεατικού οξέως. Τα ένζυμα που δοκιμάστηκαν ήταν η λυοφιλιωμένη λιπάση B από Candida αntarctica, η λυοφιλιωμένη λιπάση από Candida cylindracea, η λυοφιλιωμένη λιπάση από Aspergillus niger, η λυοφιλιωμένη λιπάση από Rhizomucor miehei, η ακινητοποιημένη λιπάση B από Candida antarctica, η λυοφιλιωμένη εστεράση από ήπαρ χοίρου, η ακινητοποιημένη εστεράση από ήπαρ χοίρου και η ακινητοποιημένη κουτινάση από Fusarium solani pisi. Από τα αντιδρώντα συστήματα που δοκιμάστηκαν, μόνο στα ελεύθερα διαλυτών επετεύχθη η επιθυμητή αντίδραση εστεροποίησης της κυτταρίνης με τους τρείς διαφορετικούς ακυλο-δότες. Επίσης τα ένζυμα που κατέστησαν ικανά να καταλύσουν τις παραπάνω ακυλιώσεις ήταν η λυοφιλιωμένη εστεράση από ήπαρ χοίρου, η ακινητοποιημένη εστεράση από ήπαρ χοίρου και η ακινητοποιημένη κουτινάση από Fusarium solani pisi. Αντιθέτως, καμία από τις λιπάσες δεν εξέφρασε δραστικότητα. Στο πλαίσιο της μελέτης των επιτυχών αντιδράσεων, εξετάστηκε και η επίδραση που έχουν ορισμένες βασικές παράμετροι στην πορεία των ενζυμικών ακυλιώσεων. Ως αποτέλεσμα παράχθηκαν τρείς διαφορετικοί εστέρες κυτταρίνης∙ η προπιονική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα 1.9%, η λαυρική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα 1.3% και η στεατική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα 0.9%. Η δεύτερη διεργασία αποτελείται από ένα μόνο στάδιο και στηρίζεται στην ταυτόχρονη διόγκωση και ενζυμική ακυλίωση της (ινώδους) κυτταρίνης, σε περιβάλλον υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα. Ως ακυλο-δότες χρησιμοποιήθηκαν οι βινυλ-εστέρες του προπιονικού, του λαυρικού και του στεατικού οξέως. Τα ένζυμα που δοκιμάστηκαν ήταν η ακινητοποιημένη λιπάση B από Candida antarctica, η ακινητοποιημένη εστεράση από ήπαρ χοίρου και η ακινητοποιημένη κουτινάση Fusarium solani pisi. Και οι τρείς βιοκαταλύτες επέδειξαν την ικανότητα ακυλίωσης της κυτταρίνης στο συγκεκριμένο σύστημα με το υπερκρίσιμο ρευστό. Τα προϊόντα που παράχθηκαν ήταν η προπιονική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα 4.4%, η λαυρική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα 4.0% και η στεατική κυτταρίνη με μέγιστο ποσοστό εστέρα ίσο με 3.3%. Επίσης πραγματοποιήθηκε και μελέτη της επίδρασης που είχαν ορισμένες βασικές παράμετροι στην πορεία των μελετώμενων ενζυμικών αντιδράσεων. Τέλος οι παραγόμενοι εστέρες κυτταρίνης αξιολογήθηκαν ως προς ορισμένες χαρακτηριστικές τους ιδιότητες. Ειδικότερα υπολογίστηκε το μέτρο ελαστικότητας Young των παραγόμενων εστέρων (ενδεικτικό της σκληρότητας των συγκεκριμένων υλικών). Επίσης μετρήθηκε ο δείκτης κρυσταλλικότητας τους και μελετήθηκε η μορφολογία της επιφάνειας τους. Θα πρέπει να σημειωθεί πως με τις δυο παραπάνω προσεγγίσεις επιτυγχάνεται για πρώτη φορά η ενζυμική ακυλίωση της κυτταρίνης, με αλειφατικές αλυσίδες μεγάλου μήκους.

The present study focuses on the enzymatic acylation of cellulose. Aliphatic esters of cellulose have recently raised the interest on the field of biopolymers, because of their thermoplastic properties. Due to the extended intra- and intermolecular hydrogen bonding between the cellulose chains, this biopolymer has a high crystalline structure. As a result it is completely insoluble in water or in common solvents leading to difficulties in chemical manipulation. In this work there have been developed two different processes in order to open the strict structure of cellulose and make its hydroxyl groups as permeable as possible. In the first methodology, cellulose (Avicel and fibrous) was putted into specific ionic liquids ([bmim]Cl, [emim]OAc), in order to facilitate the unwrap of the structure of the polysaccharide molecule and make it accessible to the enzyme. Thus, after this pretreatment the enzymatic esterification reaction was tested using various media (organic solvents, ionic liquids, solvent free systems). There were used three different acyl donors: vinyl propionate, vinyl laurate and vinyl stearate. The biocatalysts used were the following hydrolases: lyophilized lipase B Candida αntarctica, lyophilized lipase Candida cylindracea, lyophilized lipase Aspergillus niger, lyophilized lipase Rhizomucor miehei, immobilized lipase B Candida antarctica, lyophilized esterase from hog liver, immobilized esterase from hog liver and immobilized cutinase Fusarium solani pisi. From the reaction systems tested, only the solvent free were able to produce the cellulose esters. The enzymes capable of catalyzing the acylation of cellulose were found to be the lyophilized and immobilized esterases from hog liver and the immobilized cutinase from Fusarium solani pisi, while the lipases used did not show any catalytic activity. In order to investigate those reactions further, a number of parameters that affect the reaction course were also studied. Cellulose esters of propionate, laurate and stearate were synthesized with a maximum ester content of 1.9, 1.3 and 0.9%, respectively. Concerning the second methodology, there was designed a system at which cellulose swelling by supercritical carbon dioxide and enzymatic esterification of the swelled macromolecule by acyl groups, are occurred in one step. The cellulosic substrate was fibrous cellulose. The acyl donors used were vinyl propionate, vinyl laurate and vinyl stearate, while the biocatalysts used for this reaction were immobilized lipase B Candida antarctica, immobilized esterase from hog liver and immobilized cutinase Fusarium solani pisi. All the reactions tested with those immobilized enzymes were successful; the formed products were cellulose propionate, cellulose laurate and cellulose stearate with a maximum ester content of 4.4, 4.1 and 3.3%, respectively. In order to investigate those reactions further, a number of parameters that affect the reaction course were also studied. Finally, the produced cellulose esters were mechanically tested as thermoplastic materials; Young’s modulus was calculated as a measure of their stiffness. Additionally the crystallinity index of those materials was measured and the morphology of their surface was also studied. It must be noted that the above novel biocatalytical processes are the first successful attempts on the enzymatic acylation of cellulose with long chain fatty acids.