Enzym-katalysierte Reaktionen in Mikroemulsionen in der Volumenphase und an Grenzflächen: Zusammenhang zwischen Tensidfilm-Elastizität, Phasenstruktur und Reaktivität

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Hellweg; Dr. André Richardt; Dr. Stefan Wellert
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213524825

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das hier zusammengefasste Projekt hatte das Ziel, das wissenschaftliche Verständnis von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei der Verwendung von Mikroemulsionen als Reaktionsmedium voranzubringen. Insbesondere standen hier enzymatisch-katalysierten Reaktionen und die oberflächennahe Strukturierung von Mikroemulsionen sowie die damit verbundenen Benetzungseigenschaften im Vordergrund. Damit eng verbunden sind Dekontaminationsprozesse bei denen lipophile toxische Substanzen mit Hilfe von Mikroemulsionen aus hydrophoben Oberflächen extrahiert und insitu enzymatisch abgebaut werden sollen. Bei diesen Untersuchungen wurden ausschließlich Zuckertensid basierte Mikroemulsionssysteme hinsichtlich ihres Phasenverhaltens untersucht und die Strukturparameter vorwiegend mittels Streumethoden charakterisiert. Dabei kamen verschiedene Ölkomponenten zum Einsatz, um sowohl definierte Modellsysteme auf der Basis von Cyclohexan und Tetradekan als auch praxisbezogene Systeme auf der Basis eines pharmazeutisch eingesetzten Öls und einer synthetisch hergestellten Komponente von Biodiesel zur Verfügung zu haben. Die Untersuchung enzymatisch katalysierter Reaktionen in bikontinuierlichen Mikroemulsionen mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zeigte einen Einfluss der Zusammensetzung des amphiphilen Films auf die beobachtete Kinetik. Darüber hinaus wurde ein starker Einfluss der mittleren Größe der Wasserdomäne auf die diffusive Bewegung von Proteinen in der wässrigen Phase der Mikroemulsionen gefunden. Bikontinuierliche Mikroemulsionen der untersuchten Phasensysteme zeigen an hydrophilen und hydrophoben planaren und porösen Oberflächen durchgehend ein teilbenetzendes Verhalten. Das Benetzungsverhalten scheint unabhängig von der Größe der Strukturen in der bikontinuierlichen Phase zu sein. Von praktischer Bedeutung ist die für alle untersuchten Systeme beobachtete Ausbildung einer persistenten Adosrptionsschicht, die beispielsweise bei Dekontaminations- oder Reinigungsvorgängen berücksichtigt werden sollte. Diese Beobachtung ist in guter Übereinstimmung mit den Befunden der Neutronenreflektometrie. Hier wird in der Nähe der festen Grenzflächen eine schichtartige Strukturierung gefunden, die über Perforationen und wechselnde Öl-und Wasserdomänen in die für die Volumenphase typische Struktur transformiert wird. Sowohl das Benetzungsvermögen als auch die grenzflächennahe Strukturierung sind eng mit dem Extraktionsvermögen der untersuchten Mikroemulsionen verbunden. Hier wurden unterschiedliche Extraktanden und Messmethoden eingesetzt und ein vergleichbares Verhalten gefunden. Die Anpassung bekannter theoretischer Modelle zeigte, dass für den Fall der Extraktion in komplexe Fluide noch Bedarf an Modellen besteht, welche die Nanostrukturierung der Flüssigkeiten und ihre Ankoppelung an das Reservoir mit einbeziehen. Die Fragen bezüglich des Zusammenhangs der elastischen Eigenschaften des Tensidfilms mit dem Umsatz und der Geschwindigkeit von enzymatisch kakatlysierten Reaktionen konnte leider noch nicht abschließend geklärt werden. Dieses Thema werden wir in der Zukunft weiter bearbeiten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2017) Wetting of planar solid surfaces by bicontinuous sugar surfactant-based microemulsions. Colloid Polym Sci (Colloid and Polymer Science) 295 (11) 2183–2190
  Vargas-Ruiz, Salomé; Lutzki, Jana; Klitzing, Regine von; Hellweg, Thomas; Wellert, Stefan
  
• Bicontinuous microemulsions with extremely high temperature stability based on skin friendly oil and sugar surfactant, Colloids Surf. A 2013, 418, 39-46
  Schulreich, C., Angermann, C., Höhn, S., Neubauer, R., Seibt, S., Stehle, R., Lapp, A., Richardt, A., Diekmann, A., Hellweg, T.
  
• An enzyme containing microemulsion based on skin friendly oil and surfactant as decontamination medium for organo phosphates: Phase behavior, structure, and enzyme activity, J. Colloid Interf. Sci. 2014, 413, 127-132
  Stehle, R., Schulreich, C., Wellert, S., Gäb, Blum, M.-M., Kehe, K., Richardt, A., Lapp, A., Hellweg, T.
  
• Efficiency boosting in technical grade sugar surfactant based microemulsions using pluronics, Tenside Surf. Det., 2014, 51, 31-39
  Höhn, S., Schulreich,C., Hellweg, T.
  
• Extraction of model contaminants from solid surfaces by environmentally compatible microemulsions, J. Colloid Interf. Sci. 2016, 471, 118-126
  Vargas-Ruiz, S., Schulreich, C., Kostevic, A., Tiersch, B., Koetz, J., Kakorin, S., von Klitzing, R., Jung, M., Hellweg, T., Wellert, S.
  
• Sugar Surfactant Based Microemulsions at Solid Surfaces: Influence of the Oil Type and Surface Polarity, Langmuir 2016, 32, 11928-11938
  Vargas-Ruiz, S., Soltwedel, O., Micciulla, S., Sreij, R., Feoktystov, A., von Klitzing, R., Hellweg, T., Wellert, S.
  
• Protein diffusion in a bicontinuous microemulsion: inducing sub-diffusion by tuning the water domain size, Soft Matter 2017, 13, 1998-2003
  Neubauer, R., H¨hn, S., Dulle, M., Lapp, A., Schulreich, C., Hellweg, T.