| License: Creative Commons Attribution No Derivatives 4.0 (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-463951
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.46395
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 26 June 2023 |
| Referee: | Prof. Dr. Werner Kunz |
| Date of exam: | 24 June 2021 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz |
| Keywords: | surfactants, lipase, characterization methods |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 46395 |
Abstract (English)
The aim of this work was to investigate the processes that influence the washing efficiency of a lipase containing detergent on stained cotton fabric and, based on these findings, how to improve the washing performance at room temperature. To clarify the effectiveness of a lipase on a fat stain, the factors influencing the enzyme based washing performance had to be unravelled from the convoluted ...
Abstract (English)
The aim of this work was to investigate the processes that influence the washing efficiency of a lipase containing detergent on stained cotton fabric and, based on these findings, how to improve the washing performance at room temperature. To clarify the effectiveness of a lipase on a fat stain, the factors influencing the enzyme based washing performance had to be unravelled from the convoluted mixture of effects present during washing. Based on previous works performed by other members of this group, strategies were developed and employed to increase the release of fat-based soil at room temperature. These strategies involved understanding the factors influencing the lipase’s washing performance, defined by its activity, i.e. the turnover rate, and its efficiency, i.e. access to the substrate.
Before employing the enzyme, the phase behaviour of fatty acids in surfactant solutions was studied. As the enzymatic hydrolysis of triglycerides yields fatty acids, it was assumed that they would more readily in the medium directly surrounding the stain compared to triglycerides. Tests were performed with a non-ionic surfactant, an ethoxylated linear alcohol, non-ionic polyalkylglycosides, linear alkyl sulfates and linear alkyl benzene sulfonates. Co-solvents were also added. It was determined that fatty acids could not be dissolved at room temperature, even considering the higher surfactant concentration at the water/fat interface.
An important cornerstone of this work was the detergency tests with stained cotton stripes. A testing unit was built specifically for this purpose. It proved invaluable for the experiments performed. The results showed synergistic interactions with the applied lipase for some co-solvents. Furthermore the testing unit gave clear insights on the influence of formulations components on the washing performance. Some results suggested that the performance of the lipase itself can be increased. However, the mixtures and interactions during these tests were too complex for quantitative assessment of such interactions. Therefore, experimental procedures to isolate effects were developed.
One of these experimental set-ups chosen to see, how additives could directly influence the lipase, was Langmuir-Blodgett (LB) trough tests. By creating a monolayer, any swelling effects that co-solvents might cause on the stain can be excluded. Mixtures of tripalmitin and palmitic acid were examined in order to find a quantifiable correlation of the isotherm with the palmitic acid content in the monoloayer. In the next step, defined mixtures of palmitic acid and tripalmitin were spread on the surface of the LB-trough. Lipase was present in the subphase. After a defined incubation time, an isotherm was recorded. For further experiments, small amounts of co-solvents were added to the subphase. It was shown, that the amount of determined palmitic acid is increased in the presence of lipase and that certain additives, e.g. 2-methyl-THF can further increase the amount of free fatty acid on the surface.
To gain further insight into the activity of the lipase in a detergent-like environment, an enzyme assay tracking the hydrolysed fat was proposed. To quantify the degradation products of the enzymatic hydrolysis a high performance liquid chromatography (HPLC) method was developed. A normal phase (NP) setup was chosen. After showing that triolein, oleic acid, 1-monooelein, 2-monoolein, 1,3-diolein and 1,2-diolein could be separated well enough, it was decided to quantify the amount of oleic acid generated by the hydrolysis reaction. Emulsions of oleic acid in water with the same surfactants as were used in the washing tests were prepared. Lipase was added and the mixtures were incubated for thirty minutes, after which the reaction was terminated. Samples with various co-solvents were also tested. The HPLC results showed, that changing reaction parameters, such as the pH or the salt content of the water, can have drastically influence the lipase activity. Furthermore, it was shown, that some co-solvents, e.g. 2-methyl-THF, can drastically increase the amount of determined fatty acid, which conversely means that the activity of the lipase was increase. In the case of the aforementioned 2-methyl-THF, small amounts of monoolein were determined, were for all other HPLC experiments, no degradation products beyond diolein were found.
To see if the co-solvents had any influence on the additives stability, differential scanning calorimetry (DSC) measurements were performed. This method was limited by the large amount of required components. Enzyme and co-solvent concentrations in the single digit percent range were necessary to obtain a significant signal. It was found that 2-MTHF does reduce the degradation temperature, suggesting it has an influence on the structure of the lipase, while other co-solvents did not reduce the degradation temperature of the lipase.
Finally, to test the hypothesis that the co-solvents cause fat stains on fabric to swell, swelling tests with aqueous additive solutions and Biskin were performed. The results were mostly inconclusive and no quantitative statements can be drawn from them, due to large standard errors.
Translation of the abstract (German)
Ziel dieser Arbeit war es, die Prozesse zu untersuchen, welche die Wascheffizienz eines lipasehaltigen Waschmittels auf Baumwollgeweben beeinflussen und basierend auf diesen Erkenntnissen die Waschleistung bei Raumtemperatur zu verbessern. Um die Wirksamkeit einer Lipase auf Fettflecken zu klären, mussten die Einflussfaktoren auf die enzymbasierte Waschleistung aus einer Vielzahl an ...
Translation of the abstract (German)
Ziel dieser Arbeit war es, die Prozesse zu untersuchen, welche die Wascheffizienz eines lipasehaltigen Waschmittels auf Baumwollgeweben beeinflussen und basierend auf diesen Erkenntnissen die Waschleistung bei Raumtemperatur zu verbessern. Um die Wirksamkeit einer Lipase auf Fettflecken zu klären, mussten die Einflussfaktoren auf die enzymbasierte Waschleistung aus einer Vielzahl an Wechselwirkungen beim Waschen entwirrt werden. Basierend auf früheren Arbeiten anderer Mitglieder dieser Gruppe wurden Strategien entwickelt und angewendet, um die Freisetzung von fetthaltigem Schmutz bei Raumtemperatur zu erhöhen. Diese Strategien beinhalteten das Verständnis der Faktoren, welche die Waschleistung der Lipase, definiert durch ihre Aktivität, d. h. die Umsatzrate, und ihre Effizienz, d. h. den Zugang zum Substrat, beeinflussen.
Vor dem Einsatz des Enzyms wurde das Phasenverhalten von Fettsäuren in Tensidlösungen untersucht. Da die enzymatische Hydrolyse von Triglyceriden zu Fettsäuren führt, wurde angenommen, dass diese im Vergleich zu Triglyceriden in dem Medium um den Fleck herum, leichter löslich wären. Tests wurden mit einem nichtionischen Tensid, einem ethoxylierten linearen Alkohol, nichtionischen Polyalkylglycosiden, linearen Alkylsulfaten und linearen Alkylbenzolsulfonaten durchgeführt. Co-Solventien wurden ebenfalls zugegeben. Es wurde festgestellt, dass Fettsäuren trotz der höheren Tensidkonzentration an der Wasser/Fett-Grenzfläche bei Raumtemperatur nicht gelöst werden konnten.
Ein wichtiger Eckpfeiler dieser Arbeit waren die Waschtests mit verschmutzten Baumwollstreifen. Dafür wurde eigens ein Testgerät gebaut. Es erwies sich enorm wichtig für die durchgeführten Experimente. Die Ergebnisse zeigten für einige Co-Lösungsmittel synergistische Wechselwirkungen mit der verwendeten Lipase. Darüber hinaus konnten klare Erkenntnisse über den Einfluss von Formulierungskomponenten auf die Waschleistung gewonnen werden. Einige Ergebnisse legen nahe, dass die Leistung der Lipase selbst erhöht werden kann. Die Wechselwirkungen während dieser Tests waren jedoch zu komplex für eine quantitative Bewertung. Daher wurden experimentelle Verfahren entwickelt, um Effekte zu isolieren.
Einer dieser Versuchsaufbauten, waren Langmuir-Blodgett (LB) Trog-Tests. Durch die Bildung einer Monoschicht können Quelleffekte, die Co-Solventien in einem festen Fettfleck verursachen könnten, ausgeschlossen werden. Mischungen aus Tripalmitin und Palmitinsäure wurden untersucht, um eine quantifizierbare Korrelation der Isotherme mit dem Palmitinsäuregehalt in der Monoschicht zu finden. Dann wurden Mischungen aus Palmitinsäure und Tripalmitin mit festem Mischverhältnis auf die Oberfläche des LB-Trogs aufgetragen. Lipase war in der Subphase vorhanden. Nach einer der Inkubationszeit wurde eine Isotherme aufgezeichnet. Für weitere Experimente wurden der Subphase geringe Mengen an Co-Solventien zugesetzt. Es zeigte sich, dass die Menge der bestimmten Palmitinsäure in Gegenwart von Lipase erhöht wird und dass bestimmte Zusatzstoffe, z.B. 2-Methyl-THF die Menge an freier Fettsäure auf der Oberfläche erhöhen können.
Um weitere Einblicke in die Aktivität der Lipase zu gewinnen, wurde ein Enzymassay entwickelt, der das hydrolysierte Fett quantifiziert. Um die Abbauprodukte der enzymatischen Hydrolyse zu ermitteln, wurde eine Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) Methode entwickelt. Es wurde ein Normalphasen-(NP)-Setup gewählt. Nachdem gezeigt wurde, dass Triolein, Ölsäure, 1-Monooelein, 2-Monoolein, 1,3-Diolein und 1,2-Diolein gut getrennt werden konnten, wurde entschieden, die Menge an Ölsäure, die durch die Hydrolysereaktion erzeugt wird, zu quantifizieren. Es wurden Emulsionen von Ölsäure in Wasser mit den gleichen Tensiden hergestellt, die in den Waschtests verwendet wurden. Lipase wurde zugegeben und die Mischungen wurden 30 Minuten inkubiert, dann wurde die Reaktion abgebrochen. Proben mit verschiedenen Co-Solventien wurden ebenfalls getestet. Die HPLC-Ergebnisse zeigten, dass sich ändernde Reaktionsparameter, wie der pH-Wert oder der Salzgehalt des Wassers, die Lipaseaktivität drastisch beeinflussen können. Weiterhin wurde gezeigt, dass einige Co-Solventien, z.B. 2-Methyl-THF, die Menge der bestimmten Fettsäure drastisch erhöhen können, was bedeutet, dass die Aktivität der Lipase erhöht wurde. Bei dem oben genannten 2-Methyl-THF wurden geringe Mengen an Monoolein bestimmt. Bei allen anderen HPLC-Experimenten wurden keine Abbauprodukte über Diolein hinaus gefunden.
Um festzustellen, ob die Co-Solventien einen Einfluss auf die Stabilität der Additive hatten, wurden DSC Messungen durchgeführt. Enzym- und Co-Lösungsmittelkonzentrationen im einstelligen Prozentbereich waren notwendig, um ein signifikantes Signal zu erhalten, was diese Methode deutlich limitiert hat. Es wurde festgestellt, dass 2-MTHF die Denaturierungstemperatur der Lipase senkt, was darauf hindeutet, dass es einen Einfluss auf die Struktur der Lipase hat. Andere Co-Solventien senkten die Abbautemperatur der Lipase nicht.
Um schließlich zu testen, ob die Co-Solventien Fettflecken auf dem Gewebe aufquellen, wurden Quelltests mit wässrigen Additivlösungen und Biskin durchgeführt. Die Ergebnisse waren meist nicht aussagekräftig und aufgrund großer Standardfehler lassen sich daraus keine quantitativen Aussagen ableiten.
Metadata last modified: 26 Jun 2023 04:42
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