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Entwicklung einer Methode zur Immobilisierung von Peroxidasen an Polyester-basierten Textilien

Courth, Katharina

Die vorliegende Dissertation beschreibt Untersuchungen zur permanenten Ausrüstung von textilen Konstruktionen aus Polyester (genauer Polyethylenterephthalat) mit Biokata-lysatoren aus der Klasse der Oxidoreduktasen. Die dauerhafte Immobilisierung der kom-merziell verfügbaren Peroxidasen Baylase® und MaxiBright® gelang unter Erhalt der bio-katalytischen Aktivität mit Hilfe der Vernetzungsreagenzien Glutardialdehyd, Rowaflex® und CoatOSil®. Dafür wurde eine Methode erarbeitet, die eine Ausrüstung des textilen Trägermaterials in mehreren verfahrenstechnischen Schritten beinhaltet. Im ersten Schritt werden die Polyesterfasern mit Polyvinylamin vorfunktionalisiert. Hierdurch werden Aminogruppen an der Polymeroberfläche etabliert, die z.B. mittels des aminogruppenspezifischen TNBS-Assays qualitativ nachgewiesen wurden. Im zweiten Schritt der Methode wurden die Peroxidasen über verschiedenen Ankergruppen durch chemische Bindungen an die Polymeroberfläche fixiert. Der Erfolg der durchgeführten Experimente wurde über unterschiedliche qualitative sowie quantitative Analysemethoden wie der Gravimetrie, UV/Vis-Spektroskopie, optische Emissionsspektrometrie sowie Rasterelektronen-, Rastersonden-, Digital- und Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen. Dabei ergaben die Untersuchungen, dass in Gegenwart von Rowaflex® bis zu 80 mg Peroxidase/1 g Textil immobilisierbar sind. Die entsprechenden Aktivitätsmessungen ergaben eine rasche Desorption von lediglich adsorptiv gebundener Peroxidase schon nach der ersten Wiederverwertung. Im Gegensatz dazu zeigte die am modifiziertem Textil gebundene Peroxidase eine deutliche und gleichbleibend hohe bio-katalytische Aktivität von ca. 20 U/1 g Textil bezüglich der betrachteten Modellreaktion (Oxidation von ABTS) über mindestens 28 Reaktionszyklen. Der zusätzliche Einsatz eines Vernetzters verdoppelte die katalytischen Aktivität auf 40 U/1 g Textil unter Erhalt der Aktivität über mehrere Reaktionszyklen. Mit der vorliegenden Arbeit wurde somit die Grundlage für die erfolgreiche Immobilisierung von Peroxidasen an textilen Trägern aus Polyethylenterephthalat gelegt. Dabei zeichnen sich textile Materialien gegenüber anderen Trägern vor allem durch ihren geringen Preis, ihre gute Durchströmbarkeit, ihre flexible Konstruktion, ihre mechanische Robustheit und insgesamt einfachen Handhabbarkeit aus. Gleichzeitig wurde die Verwendung derartig fasergebundener Peroxidasen bei der Bleiche von mit Lebensmittelfarbstoffen gefärbter Molke innerhalb der Käseerzeugung untersucht. Auch im wiederholten Einsatz war es möglich, mit Norbixin gefärbte Molke, wie sie etwa als Nebenprodukt bei der Herstellung von Cheddar-Käse anfällt, in Gegenwart von faserfixierten Peroxidasen mit Hilfe von Wasserstoffperoxid unter schonenden Bedingungen (pH = 4 bis 7, T = RT bis 30 °C) zu bleichen. Darüber gelang im Untersuchungszeitraum ein UpScale der Molkeblei-che von wenigen Millilitern bis hin zu aufeinanderfolgenden 10 L-Batches. Die Verwendung der Vernetzer Rowaflex® und CoatOSil® wurde im Zusammenhang mit textilen Trägern und dem hier untersuchten Modellenzym Peroxidase bisher nicht beschrieben. Die vorliegende Arbeit erweitert somit den aktuellen Kenntnisstand im Bereich der Technischen Textilien mit katalytischen Eigenschaften und kann grundsätzlich auch auf andere Katalysatorsysteme übertragen und dort gegebenenfalls genutzt werden.

The following dissertation is a study on the permanent finishing of synthetic polyethylene terephthalate textiles with biomolecules. Three kind of crosslinking reagents glutardialdehyde, Rowaflex® and CoatOSil® were used to immobilize oxidoreductases (Baylase® and Maxibright®) while maintaining their bio-catalytic activity. A method, which includes several process steps in the finishing of the polyester carrier material has been developed. In the first step, the polyesters are prefunctionalized with polyvinylamine. In this way, amino groups are attached to the polymer surface, which were qualitatively determined by the TNBS-assay. In the second step the peroxidases were fixed to the polymer surface by chemical bonds using different kind of anchor groups. The success of the experiments was demonstrated by various qualitative and quantitative analysis methods such as gravimetric measurements, UV/Vis spectroscopy, optical emission spectrometry as well as scanning electron-, scanning probe-, digital- and fluorescence microscopy. The investigations showed the maximum amount of immobilizable peroxidase of 80 mg/1 g of textile can be achieved by using Rowaflex® as crosslinker. The corresponding activity measurements showed a rapid desorption of adsorbed bound peroxi-dase after the first reuse. In contrast, the peroxidase covalently bound to the modified textile showed a clear and constant high biocatalytic activity of about 20 U/1 g of textile, under consideration to the model reaction (oxidation of ABTS) at least 28 reaction cycles. The catalytic activity even doubled to 40 U/1 g of textile by additional use of a crosslinker, without significant loss of activity over several reaction cycles. This work shows a successful immobilization of peroxidases on a textile carrier of poly-ethylene terephthalate with three crosslinker-additives. Especially textile materials are advantageous compared to other carriers by their low price, good flowability, flexible con-struction, mechanical robustness and overall easy handling. At the same time, the use of such fiber-bound peroxidases was investigated during the bleaching of whey, which is dyed with foodstuffs within cheese production. It was possible to use the immobilized peroxidase in repeated use to bleach norbixin-colored whey under gentle conditions (pH = 4 – 7, T = RT – 30 °C). In the period of investigation, an upscale from a few millilitres to successive 10 L batches of whey bleaching was achieved. The use of the crosslinker-additives Rowaflex® and CoatOSil® has not been described in connection with textile carriers and the model enzyme peroxidase yet. The present work expands the current state of knowledge in the area of technical textiles with catalytic properties and can in principle be transferred to other catalyst systems.

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Courth, Katharina: Entwicklung einer Methode zur Immobilisierung von Peroxidasen an Polyester-basierten Textilien. 2018.

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