Μελέτη ακινητοποιημένων βιολογικά ενεργών μορίων σε μη υδατικά συστήματα: μικρογαλακτώματα - οργανογέλες

Abstract

This study was made in the field of industrial biotechnology and its purpose was the development and optimization of systems which would be used for biocatalysis. Enzymes -and specifically lipases entrapped in microemulsions- have been used for achieving ester synthesis. Series of experiments have been done on structure and kinetic studies to solve several problems that occur, such as catalyst recovery and system stability, in order to be able to move further to using these systems in high added value products production. In order to overcome the problems that occur on catalyst recovery due to the presence of surfactant molecules in conventional microemulsions, surfactantless ternary solutions were studied. Structural studies have indicated that these are systems with defined water structures and propanol-reach interface between water and the organic solvent (hexane). When lipase from Rhizomucor miehei and lipase from Candida antarctica were entraped in the surfactantless microemulsions, they both retained their catalytic activity and showed very good stability. Remarkable is also the possibility of using these systems for the esterification of phenolic acids (anti-oxidants). Moreover, gels were prepared based on lecithin, AOT or surfactantless microemulsions, using natural polymers such as agar, gelatine or cellulose derivatives (HPMC). These organogels are stable in non polar organic solvents and consist a suitable matrix for lipase immobilization. They can effectively be used for enzymatic synthesis of fatty or phenolic acid esters. The stability of the lipases immobilized in these media is very good and appears to be better than their stability in relative microemulsions. Furthermore, the reusability of the catalyst was successful. The kinetic study revealed the ping pong bi bi mechanism with inhibition by alcoholic substrate. The external organic solvent can successfully be replaced by environmentally friendly supercritical CO2, without affecting systems efficiency. Finally, it has been proved that these organogels can successfully been used for transdermal drug delivery.

Η εργασία αυτή εντάσσεται στο πεδίο της βιομηχανικής βιοτεχνολογίας και σκοπός της ήταν η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση συστημάτων που θα χρησι-μοποιηθούν για την πραγματοποίηση βιοκαταλύσεων. Χρησιμοποιήθηκαν ένζυμα -και συγκεκριμένα λιπάσες εγκλωβισμένες σε μικρογαλακτώματα- για τη σύνθεση εστέρων. Με σειρές πειραμάτων τόσο πάνω σε δομικές μελέτες όσο και σε κινητικές μελέτες προσπαθήσαμε να επιλύσουμε τα διάφορα προβλήματα που προκύπτουν, όπως την ανάκτηση του καταλύτη και τη σταθερότητα του συστήματος, ώστε να μπορέσουμε να προχωρήσουμε στην παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Με σκοπό να ξεπεραστούν τα προβλήματα που προκύπτουν κατά την ανάκτηση του καταλύτη λόγω της παρουσίας επιφανειοενεργού στα μικρογαλακτώματα, μελετήθηκαν τριαδικά συστήματα χωρίς επιφανειοενεργό. Οι δομικές μελέτες έδειξαν ότι πρόκειται για συστήματα μικρογαλακτωμάτων στα οποία οι υδατικές μικροδομές περιβάλλονται από μια μεσεπιφάνεια πλούσια σε αλκοόλη, η οποία τις διαχωρίζει από τον εξωτερικό διαλύτη (εξάνιο). Οι λιπάσες από Rhizomucor miehei και Candida antarctica που εγκλωβίστηκαν στα μικρογαλακτώματα χωρίς επιφανειοενεργό διατηρούν την καταλυτική τους δραστικότητα, επιδεικνύουν πολύ καλή σταθερότητα, ενώ αξιοσημείωτη είναι και η δυνατότητα εφαρμογής αυτών των συστημάτων στην επίτευξη βιοκαταλυόμενων αντιδράσεων σύνθεσης εστέρων ορισμένων φαινολικών οξέων (αντι-οξειδωτικά). Επίσης σχηματίστηκαν πηκτώματα (γέλες) με βάση μικρογαλακτώματα χωρίς επιφανειοενεργό ή λεκιθίνης ή ΑΟΤ, με φυσικά πολυμερή όπως το άγαρ, η ζελατίνη και παράγωγα κυτταρίνης (HPMC). Τα συστήματα αυτά είναι σταθερά σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες και αποτελούν κατάλληλο φορέα για την ακινητοποίηση λιπασών και την ενζυμική σύνθεση εστέρων τόσο λιπαρών όσο και φαινολικών οξέων με αλειφατικές αλκοόλες. Η σταθερότητα των λιπασών που ακινητοποιήθηκαν στα συστήματα αυτά είναι πολύ καλή και μάλιστα εμφανίζεται αυξημένη σε σύγκριση με τις ίδιες λιπάσες εγκλωβισμένες σε μικρογαλακτώματα. Επίσης, η επαναχρησιμοποίηση του καταλύτη ήταν επιτυχής. Η κινητική μελέτη έδειξε ότι στα συστήματα αυτά ακολουθείται ο μηχανισμός ping pong bi bi με παρεμπόδιση από το αλκοολικό υπόστρωμα. Ο εξωτερικός οργανικός διαλύτης μπορεί να αντικατασταθεί επιτυχώς από το φιλικό προς το περιβάλλον υπερκρίσιμο CO2, χωρίς να επηρεαστεί η αποδοτικότητα του συστήματος. Τέλος, αποδείχτηκε ότι τα πηκτώματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς για τη διαδερμική χορήγηση φαρμακευτικών ουσιών.