Ανάπτυξη βιοκαταλυτικών διεργασιών σε νεωτερικά μέσα

Abstract

The shift toward sustainable chemical processes has intensified interest in the use of biocatalysis as a green alternative to conventional methods. In this context, the present doctoral dissertation investigates the functional and structural behavior of enzymes in the presence of deep eutectic solvents (DES), aiming to assess their suitability as biocatalytic media, as well as their involvement in biotransformations, natural polymer modification, microfluidic applications, and microplastic degradation. The selected approaches are aligned with the principles of green chemistry, and experimental studies were conducted using selected oxidoreductases and hydrolases in aqueous DES-based systems, with emphasis on chitosan modification, bioconversions and enzymatic PET hydrolysis. The first experimental chapter focuses on the immobilization of tyrosinase extracted from fresh mushrooms for the preparation of cross-linked enzyme aggregates (CLEAs), both in magnetic and non-magnetic form. The resulting biocatalysts were characterized, and the catalytic and structural behavior of free tyrosinase and the magnetic CLEAs (mCLEAs) was compared in various aqueous DES solutions. The results demonstrated that both the nature and concentration of DES significantly influenced tyrosinase activity and stability, while immobilization enhanced enzymatic activity by up to 3.6-fold compared to the free form. The biocatalyst retained 100% of its initial activity after storage at −20 ℃ for one year and 90% activity after five consecutive reuse cycles. The mCLEAs were also employed for the homogeneous modification of chitosan with caffeic acid in the presence of DES. The biocatalyst enabled chitosan modification in the presence of 10% v/v Bet:Gly (1:3), leading to increased total antioxidant activity of the resulting membranes. Additionally, the mCLEAs were preliminarily evaluated as adsorbent materials for the decolorization of aqueous dye solutions. Incubation experiments with various dyes revealed rapid dye removal within the first hour (up to 90%), which was mainly attributed to non-covalent adsorption rather than catalytic action. Washing with organic solvent enabled the release of dyes from the biocatalyst surface, confirming its capacity to bind a wide range of dye molecules. These findings highlight the potential of mCLEAs in environmental remediation applications. The first part of the second experimental chapter investigates the application of various DES in the enzymatic oxidation of hydroxytyrosol (HT) using laccase from Trametes versicolor (TvL), aiming at the production of oligomeric derivatives such as HT dimers and trimers. The highest yield of oligomers was obtained in the system containing 70% v/v Bet:PG (molar ratio 1:4). The resulting oligomers were subsequently used for the non-enzymatic modification of chitosan and the development of nanogels (NG) based on the modified chitosan. The nanogels were prepared via ionic gelation using sodium tripolyphosphate (TPP) as a crosslinking agent. The modified chitosan was characterized by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy and nuclear magnetic resonance (NMR), while the morphology of the nanogels was examined by scanning electron microscopy (SEM). Compared to nanogels derived from unmodified chitosan, the nanogels based on modified chitosan exhibited nearly tenfold higher antioxidant activity and approximately 20% enhanced antibacterial activity. The second part of the second experimental chapter focuses on the enzymatic preparation of chitosan hydrogels with rosmarinic acid (RA) via the catalytic action of TvL, aiming to evaluate the resulting materials as bioactive hydrogels with antimicrobial properties. Different solvent systems were investigated as solvents for RA, both in terms of solubility and potential antimicrobial activity. The solubility of RA in Bet:PG (1:4) was found to be superior compared to its solubility in the conventional organic solvent methanol, highlighting the role of DES as effective solvents for phenolic compounds. The antimicrobial activity of the resulting hydrogels was assessed using the agar diffusion (inhibition zone) method, demonstrating the contribution of both RA and the DES to the properties of the final materials. The third experimental chapter investigates the use of aqueous DES-based systems, containing various hydrogen bond donors (HBD) and acceptors (HBA), as co-solvents in biocatalytic reactions catalyzed by immobilized β−glucosidase on green nanomaterials. The effect of the nature and concentration of DES on the activity of the biocatalyst was extensively studied, revealing that most systems based on choline chloride or betaine enhanced the enzyme's activity and thermal stability by up to 50%. The hydrolytic performance of the system against bioactive phenolic glycosides was found to be dependent on the specific DES composition, with the results indicating that selected DES combinations can serve as green co-solvents in enzymatic hydrolytic processes. The fourth experimental chapter explores the use of three-dimensional (3D) printing technology for the development of microreactors with immobilized enzyme, suitable for biocatalytic applications in DES-based systems. 3D-printed structures made of polylactic acid (PLA), such as microwell plates and tubular microreactors, were modified with polyethyleneimine (PEI), and Candida antarctica lipase B (CALB) was covalently immobilized onto their inner surfaces. The results showed that DES had no significant negative effect on the activity and stability of CALB, while the system exhibited high stability and reusability in the presence of DES during the hydrolysis of the model substrate p-nitrophenyl butyrate (pNPB). Kinetic studies under flow conditions indicated enhanced substrate accessibility in the presence of Bet:Gly, without substantial diffusion limitations. Incubation of the microreactors in 100% Bet:Gly preserved 53% of the enzyme's activity after 30 days of storage at 60 ℃, whereas the sample stored in buffer solution had already been inactivated. The enzymatic microreactor was also effectively employed in the transesterification of ethyl ferulate with glycerol to produce the corresponding glycerol ester, a compound known for its antioxidant activity. The biocatalytic process under continuous flow conditions exhibited a 23-fold higher productivity compared to the corresponding batch system. This study demonstrated an efficient and robust biocatalytic system with immobilized lipase, suitable for both hydrolytic and synthetic applications, with potential for further optimization of microreactor performance. The fifth experimental chapter investigates, for the first time, the effect of various aqueous DES solutions on the enzymatic degradation of PET microplastics in powder form by Humicola insolens cutinase (HiC). Initially, the catalytic behavior of HiC was evaluated using the model substrate pNPB, revealing optimal activity at pH 8 but greater stability at pH 7. The addition of 10% v/v of certain DES (such as ChCl:U:EG and Bet:BG) maintained or enhanced HiC activity on both pNPB and the PET degradation intermediate BHET, with significant hydrolysis yields (>80%) observed in selected systems, particularly in 20% v/v ChCl:Gly:EG (1:1:1). The hydrolysis of BHET was monitored via pH-stat titration, while the hydrolysis of PET microplastic powder was followed using UV-Vis spectroscopy. ATR spectroscopy provided evidence of chemical modifications on the PET surface after incubation with the enzyme and/or DES. These results demonstrate the functionality of HiC under mild conditions and highlight the potential of specific DES as compatible co-solvents for the enzymatic hydrolysis of PET microplastics, while also underscoring the need for further investigation to fully elucidate their role and optimize reaction conditions. This doctoral dissertation aims to contribute to the existing literature by introducing innovative approaches to green biocatalysis, utilizing DES as sustainable media for enhancing enzymatic performance and stability. By combining tools from biocatalysis, nanotechnology, and flow technologies, the potential for designing functional enzymatic systems is highlighted, with applications ranging from the modification of biopolymers to enhance their bioactivity, and microscale biotransformations, to the enzymatic degradation of microplastics—applying, in a way, a reaction media engineering approach. Within this framework, strategies were employed that align with the principles of green chemistry, promoting the use of environmentally friendly solvents and the development of reusable biocatalytic systems. Overall, this work contributes to the advancement of green catalytic platforms for the functional modification of biopolymers and the breakdown of synthetic polymers, offering new insights into the interplay between enzyme, reaction medium, and substrate nature.

Η στροφή προς βιώσιμες χημικές διεργασίες έχει εντείνει το ενδιαφέρον για τη χρήση της βιοκατάλυσης ως πράσινης εναλλακτικής έναντι των συμβατικών μεθόδων. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τη λειτουργική και δομική συμπεριφορά ενζύμων παρουσία βαθέως ευτηκτικών διαλυτών (DES), με στόχο την αξιολόγηση της καταλληλότητάς τους ως μέσα βιοκατάλυσης, καθώς και την εμπλοκή τους σε βιομετατροπές, εφαρμογές τροποποίησης φυσικών πολυμερών, μικρορευστονικών συστημάτων και στην αποδόμηση μικροπλαστικών, με τις επιλεγμένες προσεγγίσεις να ευθυγραμμίζονται με αρκετές από τις αρχές της Πράσινης Χημείας. Πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μελέτες με επιλεγμένες οξειδοαναγωγάσες και υδρολάσες σε υδατικά συστήματα DES, με έμφαση στην τροποποίηση της χιτοζάνης, και στην ενζυμική υδρόλυση PET. Στο πρώτο πειραματικό κεφάλαιο μελετάται η ακινητοποίηση τυροσινάσης από φρέσκα μανιτάρια με στόχο την παρασκευή συσσωματωμάτων διασυνδεδεμένων ενζύμων χωρίς φορέα (CLEAs), σε μαγνητική και μη μαγνητική μορφή. Οι παραχθέντες βιοκαταλύτες χαρακτηρίστηκαν, ενώ συγκρίθηκε η καταλυτική και δομική συμπεριφορά της ελεύθερης τυροσινάσης και των μαγνητικών CLEAs (mCLEAs) σε διάφορα υδατικά διαλύματα DES. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η φύση και η συγκέντρωση των DES επηρέασαν σημαντικά τη δραστικότητα και τη σταθερότητα της τυροσινάσης, ενώ η ακινητοποίηση αύξησε τη δραστικότητα του ενζύμου έως και 3.6 φορές σε σχέση με την ελεύθερη μορφή. Ο βιοκαταλύτης διατήρησε το 100% της αρχικής του δραστικότητας μετά από αποθήκευση στους −20 ℃ για ένα έτος και το 90% της δραστικότητας μετά από πέντε κύκλους χρήσης. Τα mCLEAs χρησιμοποιήθηκαν, επίσης, για την ομογενή τροποποίηση της χιτοζάνης με καφεϊκό οξύ παρουσία DES. Ο βιοκαταλύτης επέτρεψε την τροποποίηση της χιτοζάνης παρουσία 10% v/v Bet:Gly (1:3), αυξάνοντας τη συνολική αντιοξειδωτική δράση των μεμβρανών. Επιπλέον, τα mCLEAs αξιολογήθηκαν προκαταρκτικά ως προσροφητικά μέσα για τον αποχρωματισμό υδατικών διαλυμάτων χρωστικών. Σε πειράματα με επώαση των mCLEAs σε διαλύματα διαφόρων χρωστικών, παρατηρήθηκε ταχεία απομάκρυνση των χρωστικών ήδη από την πρώτη ώρα (έως και 90%), γεγονός που αποδόθηκε κυρίως σε μη ομοιοπολική προσρόφηση, παρά σε καταλυτική δράση. Η πλύση με οργανικό διαλύτη επέτρεψε την αποδέσμευση των χρωστικών από την επιφάνεια του βιοκαταλύτη, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητά του να δεσμεύει ένα ευρύ φάσμα χρωστικών. Τα ευρήματα αυτά καταδεικνύουν τη δυναμική των mCLEAs και σε εφαρμογές περιβαλλοντικής απορρύπανσης. Στο πρώτο σκέλος του δεύτερου πειραματικού κεφαλαίου εξετάζεται η εφαρμογή διαφόρων DES στην ενζυμική οξείδωση της υδροξυτυροσόλης (HT) με τη χρήση λακκάσης από Trametes versicolor (TvL), με σκοπό την παραγωγή ολιγομερών παραγώγων της, όπως διμερή και τριμερή HT. Η υψηλότερη απόδοση τόσο σε διμερές όσο και τριμερές καταγράφηκε στο σύστημα που περιείχε 70% v/v Bet:PG (μοριακή αναλογία 1:4). Τα παραγόμενα ολιγομερή χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την μη ενζυμική τροποποίηση της χιτοζάνης και την ανάπτυξη νανοπηκτωμάτων (nanogels, NG) με βάση την τροποποιημένη χιτοζάνη. Τα νανοπηκτώματα παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της ιοντικής πηκτωμάτωσης, χρησιμοποιώντας τριπολυφωσφορικό νάτριο (TPP) ως παράγοντα διασύνδεσης. Η τροποποιημένη χιτοζάνη χαρακτηρίστηκε με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR) και πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR), ενώ η μορφολογία των νανοπηκτωμάτων μελετήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Σε σύγκριση με τα νανοπηκτώματα μη τροποποιημένης χιτοζάνης, τα νανοπηκτώματα τροποποιημένης χιτοζάνης εμφάνισαν σχεδόν δεκαπλάσια αντιοξειδωτική δράση και περίπου 20% υψηλότερη αντιβακτηριακή δράση. Στο δεύτερο σκέλος του κεφαλαίου μελετάται η ενζυμική παρασκευή υδρογέλης χιτοζάνης με ροσμαρινικό οξύ (RA) μέσω της καταλυτικής δράσης της λακκάσης TvL, με στόχο την αξιολόγηση των υλικών ως βιοδραστικών υδρογελών με αντιμικροβιακές ιδιότητες. Μελετήθηκαν διαφορετικά συστήματα DES ως διαλύτες του RA, τόσο ως προς τη διαλυτότητα όσο και ως προς την ενδεχόμενη αντιμικροβιακή τους δράση. Η διαλυτότητα του RA στο DES Bet:PG (1:4) αποδείχθηκε ανώτερη σε σύγκριση με τη διαλυτότητά του στον συμβατικό οργανικό διαλύτη μεθανόλη, υποδεικνύοντας τον ρόλο των DES ως αποτελεσματικών διαλυτών φαινολικών ενώσεων. Η αντιμικροβιακή δράση των παραγόμενων υδρογελών αξιολογήθηκε με τη μέθοδο ζώνης αναστολής, αναδεικνύοντας τη συμβολή τόσο του RA όσο και του DES στις ιδιότητες των τελικών υλικών. Στο τρίτο πειραματικό κεφάλαιο μελετάται η χρήση υδατικών συστημάτων DES με διαφορετικούς δότες (HBD) και δέκτες δεσμών υδρογόνου (HBA) ως συνδιαλύτες σε βιοκαταλυτικές αντιδράσεις που καταλύονται από ακινητοποιημένη β−γλυκοσιδάση (βTm-ZnOFe) σε πράσινα νανοϋλικά. Εξετάστηκε εκτενώς η επίδραση της φύσης και της συγκέντρωσης των DES στη δραστικότητα του βιοκαταλύτη, και φάνηκε πως τα περισσότερα συστήματα με βάση τη χλωριούχο χολίνη ή τη βεταΐνη διατήρησαν ή αύξησαν τη δραστικότητα και τη θερμική σταθερότητα του ενζύμου έως και 50%. Η υδρολυτική ικανότητα του συστήματος έναντι βιοδραστικών φαινολικών γλυκοζιτών φάνηκε πως εξαρτήθηκε από τη σύσταση του εκάστοτε DES, με τα αποτελέσματα να υποδεικνύουν ότι συγκεκριμένοι συνδυασμοί DES μπορούν να αξιοποιηθούν ως πράσινοι συνδιαλύτες σε υδρολυτικές ενζυμικές διεργασίες. Στο τέταρτο πειραματικό κεφάλαιο, αξιοποιήθηκε η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης για την ανάπτυξη μικροαντιδραστήρων με ακινητοποιημένο ένζυμο, κατάλληλων για βιοκαταλυτικές εφαρμογές σε συστήματα με DES. Εκτυπωμένες δομές από πολυγαλακτικό οξύ (PLA), όπως πλάκες μικροκελιών και σωληνοειδείς μικροαντιδραστήρες, τροποποιήθηκαν με πολυαιθυλενιμίνη (PEI) και ακινητοποιήθηκε ομοιοπολικά στο εσωτερικό τους η λιπάση από Candida antarctica (CALB). Τα αποτελέσματα έδειξαν πως οι DES δεν επηρέασαν σημαντικά τη δραστικότητα και τη σταθερότητα της CALB, ενώ το σύστημα εμφάνισε υψηλή σταθερότητα και δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης παρουσία DES, κατά την υδρόλυση του πρότυπου υποστρώματος p-nitrophenyl butyrate (pNPB). Η κινητική μελέτη υπό συνθήκες ροής έδειξε ενίσχυση της προσβασιμότητας του υποστρώματος παρουσία Bet:Gly, χωρίς σημαντικούς περιορισμούς διάχυσης. Η επώαση των μικροαντιδραστήρων σε 100% Bet:Gly διατήρησε τη δραστικότητα του ενζύμου σε ποσοστό 53% μετά από 30 ημέρες αποθήκευσης στους 60 ℃, ενώ το δείγμα που είχε αποθηκευτεί σε ρυθμιστικό διάλυμα είχε ήδη απενεργοποιηθεί. Ο ενζυμικός μικροαντιδραστήρας χρησιμοποιήθηκε αποδοτικά και για τη μετεστεροποίηση του αιθυλεστέρα του φερουλικού οξέος με γλυκερόλη προς σχηματισμό του γλυκερυλεστέρα, ένωσης γνωστής για την αντιοξειδωτική της δράση, και η βιοκαταλυτική διεργασία υπό συνεχή ροή παρουσίασε 23 φορές υψηλότερη παραγωγικότητα από το αντίστοιχο σύστημα παρτίδας. Η μελέτη ανέδειξε ένα αποδοτικό και ανθεκτικό βιοκαταλυτικό σύστημα με ακινητοποιημένη λιπάση, κατάλληλο τόσο για υδρολυτικές όσο και για συνθετικές εφαρμογές, με περιθώρια περαιτέρω βελτιστοποίησης της απόδοσης του μικροαντιδραστήρα. Στο πέμπτο πειραματικό κεφάλαιο διερευνάται για πρώτη φορά η επίδραση διαφόρων υδατικών διαλυμάτων DES στην ενζυμική αποδόμηση μικροπλαστικών PET από την κουτινάση Humicola insolens (HiC). Αρχικά αξιολογήθηκε η καταλυτική συμπεριφορά της HiC στο πρότυπο υπόστρωμα pNPB, αναδεικνύοντας βέλτιστη δραστικότητα σε pH 8 αλλά μεγαλύτερη σταθερότητα σε pH 7. Η προσθήκη 10% v/v ορισμένων DES (όπως ChCl:U:EG και Bet:ΒG) διατήρησε ή ενίσχυσε τη δραστικότητα της HiC τόσο στο pNPB όσο και στο ενδιάμεσο υπόστρωμα BHET, με σημαντικές αποδόσεις υδρόλυσης (>80%) σε επιλεγμένα συστήματα με την υψηλότερη σε 20% v/v ChCl:Gly:EG (1:1:1). Η υδρόλυση του ενδιάμεσου προϊόντος της υδρόλυσης PET, BHET, παρακολουθήθηκε μέσω τιτλοδότησης pH-stat, η υδρόλυση σκόνης μικροπλαστικών PET παρακολουθήθηκε με φασματοσκοπία UV-Vis, ενώ η φασματοσκοπία ATR παρείχε ενδείξεις χημικών μεταβολών στην επιφάνεια του PET μετά από επώαση με ένζυμο ή/και DES. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη λειτουργικότητα της HiC σε ήπιες συνθήκες και τη δυναμική χρήσης συγκεκριμένων DES ως συμβατών συνδιαλυτών στην υδρόλυση μικροπλαστικών PET, ενώ παράλληλα αναδεικνύεται η ανάγκη για περαιτέρω μελέτη, με στόχο την πλήρη αποσαφήνιση του ρόλου τους και τη βελτιστοποίηση των συνθηκών αντίδρασης. Η παρούσα διατριβή επιχειρεί να προσθέσει στην ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία καινοτόμες προσεγγίσεις πράσινης βιοκατάλυσης, αξιοποιώντας τους DES ως βιώσιμα μέσα ενίσχυσης της ενζυμικής απόδοσης και σταθερότητας. Συνδυάζοντας εργαλεία από τη βιοκατάλυση, τη νανοτεχνολογία και τις τεχνολογίες συνεχούς ροής, αναδεικνύεται η δυνατότητα σχεδίασης λειτουργικών ενζυμικών συστημάτων με εφαρμογές που εκτείνονται από τη τροποποίηση βιοπολυμερών με σκοπό την ενίσχυση της βιοδραστικότητάς τους, εφαρμογές βιομετατροπών στη μικροκλίμακα έως την ενζυμική αποδόμηση μικροπλαστικών, εφαρμόζοντας κατά κάποιον τρόπο την προσέγγιση της μηχανικής του μέσου. Στο πλαίσιο αυτό, ακολουθήθηκαν προσεγγίσεις που εναρμονίζονται με τις αρχές της Πράσινης Χημείας, προωθώντας τη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον διαλυτών και την ανάπτυξη επαναχρησιμοποιήσιμων βιοκαταλυτικών συστημάτων. Συνολικά, η εργασία συμβάλλει στην ανάπτυξη πράσινων καταλυτικών συστημάτων για την λειτουργική τροποποίηση βιοπολυμερών και την αποδόμηση συνθετικών πολυμερών, προσφέροντας νέα δεδομένα για τη συσχέτιση του ενζύμου, του μέσου αντίδρασης και της φύσης του υποστρώματος.