Dokument: Entwicklung einer enzymatischen Reaktionskaskade zur Darstellung von Fettsäure-Hydroperoxiden aus Distelöl

Titel:	Entwicklung einer enzymatischen Reaktionskaskade zur Darstellung von Fettsäure-Hydroperoxiden aus Distelöl
Weiterer Titel:	Development of an enzymatic reaction cascade for the production of fatty acid hydroperoxides from safflower oil
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=62413
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230418-112620-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Gala Marti, Valentin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,99 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.04.2023 / geändert 14.04.2023
Beitragende:	Prof. Dr. rer. Nat Jaeger, Karl-Erich [Gutachter] Prof. Dr. rer. Nat Ulrich Schörken [Gutachter]
Stichwörter:	Enzymkaskade, Pflanzenöl, Hydroperoxide, Fettsäuren
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Linolsäurehydroperoxide sind vielseitige Zwischenprodukte für die Herstellung von Aromastoffen mit grüner Note und bifunktionellen ω-Oxosäuren als Koppelprodukt. Im Fokus der vorliegenden Arbeit lag die Prozessentwicklung einer enzymatischen Kaskade mit Lipase und Lipoxygenase zur Synthese von Linolsäurehydroperoxiden aus Distelöl gekoppelt mit einer in situ Sauerstofferzeugung durch Katalase. Die Herausforderung bei der Entwicklung der Reaktionskaskade bestand in der Zusammenführung der Enzyme und Optimierung der Reaktionsbedingungen, um möglichst hohe Reaktorausbeuten zu generieren. Optimierungsarbeiten zur Hydroperoxidierung mit 13S-spezifischer Lipoxygenase-1 aus Sojabohnen (LOX-1) zeigten, dass insbesondere die Zugabe des biobasierten Tensids Triton CG-110 die Ausbeute der Reaktion um mehr als das Doppelte verbesserte. Zur Kombination von Lipase und LOX-1 eigneten sich die Lipasen aus Candida rugosa und Pseudomonas fluorescens, die in der Lage waren, Distelöl innerhalb von 5 Stunden bei einem pH-Wert von 8,0 zu >75 % zu hydrolysieren. Im Gegensatz zur Lipase aus C. rugosa wies das Enzym aus P. fluorescens keine Lag-Phase auf. Bei Kombination von P. fluorescens-Lipase mit LOX-1 wurde ein synergistischer Effekt beobachtet, der zu Ausbeuten von >80 % Hydroperoxide führte. Katalase aus Micrococcus lysodeikticus wurde für die in situ Sauerstoffproduktion mit kontinuierlicher H2O2-Dosierung im LOX-1/Lipase-Reaktionssystem verwendet. Die Schaumbildung wurde in der 3-Enzym-Kaskade im Vergleich zum belüfteten Reaktionssystem deutlich reduziert. In diesem System konnten bis zu 300 mM Linolsäure als Distelöl-Äquivalent mit einer Ausbeute von 70 g/L (±)13-hydroperoxy-9Z,11E-octadecadiensäure (13-HPODE) und einer Regioselektivität von 90% innerhalb von 7 Stunden umgesetzt werden. Um eine wiederholbare Reaktionsführung zu untersuchen, wurden die verwendeten Enzyme auf verschiedene Trägermaterialien Co-immobilisiert und hinsichtlich ihrer Stabilität über mehrere Zyklen getestet. Eine Immobilisierung von LOX auf Immobead 150 P erlaubte bis zu acht Reaktionszyklen. Co-immobilisierte LOX mit Katalase konnte dagegen in bis zu sechs Reaktionszyklen eingesetzt werden. Der entwickelte Prozess erlaubte die Umsetzung von Distelöl über fünf wiederholten Anwendungen mit einer Ausbeute von maximal 45 % an 13-HPODE bei 30 mM Linolsäure. Eine Co-Immobilisierung von Lipase, LOX und Katalase auf Immobead war aufgrund einer Deaktivierung der Lipase durch HPODE Produkte nicht möglich. Um dieses Problem zu umgehen, wird ein 2-Reaktor Konzept mit getrennten Immobilisaten (LOX + Katalase getrennt von Lipase) vorgeschlagen. Dieser Ansatz würde eine kontinuierliche Hydrolyse mit getrennter Hydroperoxidierung erlauben. Auf dem Weg zu einem kombinierten chemo-enzymatischen Reaktionsprozess zur Synthese von Duftstoffen mit grüner Note wurde die Spaltung mit Hilfe von Lewis-Säuren gezeigt und über GC nachgewiesen. Linoleic acid hydroperoxides are versatile intermediates for the production of aroma compounds with a green note and bifunctional ω-oxoacids as a co-product. The focus of the present work was the development of an enzymatic cascade with lipase and lipoxygenase for the synthesis of linoleic acid hydroperoxides from safflower oil coupled with in situ oxygen generation by catalase. The challenge in developing the reaction cascade was to combine the enzymes and optimize the reaction conditions in order to generate the highest possible reactor yields. Optimization work on hydroperoxidation with 13S-specific lipoxygenase-1 from soybeans (LOX-1) showed that the addition of the biobased surfactant Triton CG-110 in particular improved the yield of the reaction by more than double. The lipases from Candida rugosa and Pseudomonas fluorescens were suitable for the combination of lipase and LOX-1 and were able to hydrolyse safflower oil to >75 % within 5 hours at a pH of 8.0. In contrast to the lipase from C. rugosa, the enzyme from P. fluorescens did not show a lag phase. When P. fluorescens lipase was combined with LOX-1, a synergistic effect was observed, leading to yields of >80 % hydroperoxides. Catalase from Micrococcus lysodeikticus was used for in situ oxygen production with continuous H2O2 dosing in the LOX-1/lipase reaction system. Foam formation was significantly reduced in the 3-enzyme cascade compared to the aerated reaction system. In this system, up to 300 mM linoleic acid as safflower oil equivalent could be converted within 7 h with a yield of 70 g/L (±)13-hydroperoxy-9Z,11E-octadecadienoic acid (13-HPODE) and a regioselectivity of 90%. In order to investigate a repeatable reaction procedure, the enzymes used were co-immobilised onto different support materials and tested with regard to their stability over several cycles. Immobilization of LOX on Immobead 150 P allowed up to eight reaction cycles while co-immobilized LOX with catalase, on the other hand, could be used in up to six reaction cycles. The developed process allowed the conversion of linoleic acid over six repeated applications with a maximum yield of 45 % of 13-HPODE at 30 mM. Co-immobilisation of lipase, LOX and catalase on Immobead was not possible due to deactivation of lipase by HPODE product. To circumvent this problem, a 2-reactor approach with separate immobilisates (LOX + catalase and separated lipase) is proposed. This approach would allow continuous hydrolysis with separate hydroperoxidation. Towards a combined chemo-enzymatic reaction process for the synthesis of green-flavoured fragrances, cleavage was demonstrated using Lewis acids and detected via GC.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Bezug:	Leverkusen, 03/2019 - 03/2023
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Dokument erstellt am:	18.04.2023
Dateien geändert am:	18.04.2023
Promotionsantrag am:	25.10.2022
Datum der Promotion:	17.03.2023