Biotechnological applications of renewable polyphenols in the development of functional nanomaterials: Biocatalysts, bioinks and biosensors
Author(s)
Date Issued
May 14, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
This study concerns the valorization of lignin in the context of three green industrial applications: a) nano-materials and biocatalysis; b) bio-inks; and c) biosensors.
In the first section of the thesis, the production of novel nanocapsules of lignin and lignin mixed polyphenols is reported, and their antioxidant activity, UV-shielding properties, and electrochemical responsiveness adequately discussed. Mixed nanodevices showed physical and chemical properties higher than the homopolymer counterpart and of the native polyphenol, highlighting the presence of synergistic effects between the different components. The presence of UV-visible bathochromic shift in the analysis of the novel devices confirmed the occurrence of J-aggregates between the aromatic moieties of the polymers, affording a parallel orientation of the molecular units along the longitudinal direction by a head-to-tail repetitive motif. In addition, nanocapsules of mixed polyphenols showed a layer aggregation state higher than references, the specific morphology of their surface being dependent on the structural arrangement of the different components.
In the second section of the thesis, lignin nanoparticles have been applied in the immobilization of tyrosinase by different technologies, including physical adsorption, encapsulation and layer-by-layer (LbL) deposition, with or without the assistance of the glutaraldehyde reticulation procedure. Functionalized lignin nanoparticles were stable after the immobilization of tyrosinase, and the enzyme retained the catalytic activity in the selective synthesis of a large panel of bioactive catechols. The efficacy of the catalyst was dependent from the specific immobilization procedure. In the preparation of a second set of biocatalysts, lignin nanoparticles were used in the immobilization of laccase from Trametes versicolor using the procedure previously reported for tyrosinase. The activity
parameters and kinetic properties of the novel catalysts are described in detail, and cyclic voltammetry and amperometric analyses highlighted the occurrence of pseudo direct electron transfer (pseudo-DET) and mediated electron transfer (MET) mechanisms in the performance of the immobilized enzyme. The novel catalysts converted alcohols to the corresponding aldehydes with high selectivity in the presence of low molecular weight redox mediators, retaining the activity for more runs. Finally, lignin nanoparticles were used as a platform for the immobilization of horseradish peroxidase, in order to prepare biocatalysts useful for the bio-desulfurization of liquid fuel from recalcitrant and pollutant sulfur derivatives. In this latter case, the immobilization of the enzyme was facilitated by the use of concanavalin A. The novel catalysts were applied in the oxidative degradation of dibenzothiophene, that is a well recognized model of the recalcitrant sulfur derivatives. The reactions were performed with hydrogen peroxide as a green oxidant in a water biphasic system at 45 °C and room pressure. The catalytic activity was retained for more transformations highlighting the beneficial effect of the support in the reusability of the catalyst.
In the second section of the thesis, enzyme functionalized lignin nanoparticles were applied in the preparation of polyvalent bioinks, in order to remove toxic ingredients from the actual ink formulations. In these bioinks, the pigment, vehicle, binder, and additive are included in a single confined spherical space, that is the lignin nanoparticle. Bioinks with different shades of color, encompassing black, gray, yellow-like, pink-like, and red/brown hues, have been prepared by appropriate selection of the reactants and of the pigmentation process. In addition, lignin nanoparticles were able to protect the pigments from alkaline and UV-degradation treatments.
In the third section of the thesis, lignin nanoparticles have been used in the layer-by-layer immobilization of cascade of enzymes, namely horseradish peroxidase (HRP) and glucose oxidase (GOX). The role of concanavalin A as a molecular spacer in ensuring the correct orientation and distance between the two enzymes was confirmed by Forster resonance energy transfer measurements. Polyelectrolyte layers with different physical and chemical properties finely tuned the activity and kinetic parameters of the enzymatic cascade, cationic lignin performing as the best polyelectrolyte in the retention of the sensoring activity. Electrochemical properties, temperature and pH stability, and reusability of the novel nanodevices have been studied, as well as their capacity to perform as colorimetric biosensors in the detection of glucose using ABTS as redox mediator and dopamine as chromogenic substrate. The limit of detection (LOD) of these
devices was better than, or comparable to, that previously reported for other sensors. Thus, renewable lignin platforms worked as smart and functional devices for the preparation of green biosensors in the detection of glucose.
Questo studio riguarda la valorizzazione della lignina nel contesto di tre applicazioni industriali verdi: a) nanomateriali e biocatalisi; b) bio-inchiostri; e c) biosensori.
Nella prima sezione della tesi viene riportata la produzione di nuove nanocapsule di lignina e polifenoli misti di lignina e adeguatamente discusse la loro attività antiossidante, le proprietà di schermatura UV e la reattività elettrochimica. I nanodispositivi misti hanno mostrato proprietà fisiche e chimiche superiori alla controparte omopolimerica e al polifenolo nativo, evidenziando la presenza di effetti sinergici tra i diversi componenti. La presenza di spostamento batocromico UV-visibile nell'analisi dei nuovi dispositivi ha confermato la presenza di J-aggregati tra le parti aromatiche dei polimeri, fornendo un orientamento parallelo delle unità molecolari lungo la direzione longitudinale mediante un ripetitivo testa-coda motivo. Inoltre, le nanocapsule di polifenoli misti hanno mostrato uno stato di aggregazione degli strati superiore ai riferimenti, essendo la morfologia specifica della loro superficie dipendente dalla disposizione strutturale dei diversi componenti.
Nella seconda sezione della tesi, le nanoparticelle di lignina sono state applicate nell'immobilizzazione della tirosinasi mediante diverse tecnologie, tra cui adsorbimento fisico, incapsulamento e deposizione strato per strato (LbL), con o senza l'assistenza della procedura di reticolazione della glutaraldeide. Le nanoparticelle di lignina funzionalizzate erano stabili dopo l'immobilizzazione della tirosinasi e l'enzima ha mantenuto l'attività catalitica nella sintesi selettiva di un ampio pannello di catecoli bioattivi. L'efficacia del catalizzatore dipendeva dalla procedura di immobilizzazione specifica. Nella preparazione di un secondo set di biocatalizzatori, sono state utilizzate nanoparticelle di lignina nell'immobilizzazione della laccasi da Trametes versicolor utilizzando la procedura precedentemente riportata per la tirosinasi. I parametri di attività e le proprietà cinetiche dei nuovi catalizzatori sono descritti in dettaglio e la voltammetria ciclica e le analisi amperometriche hanno evidenziato il verificarsi di meccanismi di trasferimento elettronico pseudo diretto (pseudo-DET) e trasferimento elettronico mediato (MET) nelle
prestazioni dell'enzima immobilizzato. I nuovi catalizzatori hanno convertito gli alcoli nelle corrispondenti aldeidi con elevata selettività in presenza di mediatori redox a basso peso molecolare, mantenendo l'attività per più sessioni. Infine, nanoparticelle di lignina sono state utilizzate come piattaforma per l'immobilizzazione della perossidasi di rafano, al fine di preparare biocatalizzatori utili per la biodesolforazione di combustibile liquido da derivati solforati recalcitranti e inquinanti. In quest'ultimo caso, l'immobilizzazione dell'enzima è stata facilitata dall'uso di concanavalina A. I nuovi catalizzatori sono stati applicati nella degradazione ossidativa del dibenzotiofene, che è un modello ben noto dei recalcitranti derivati dello zolfo. Le reazioni sono state eseguite con acqua ossigenata come ossidante verde in un sistema bifasico ad acqua a 45 °C e pressione ambiente. L'attività catalitica è stata trattenuta per più trasformazioni evidenziando l'effetto benefico del supporto nella riutilizzabilità del catalizzatore.
Nella seconda sezione della tesi, le nanoparticelle di lignina funzionalizzate con enzimi sono state applicate nella preparazione di bioinchiostri polivalenti, al fine di rimuovere ingredienti tossici dalle attuali formulazioni di inchiostri. In questi bioink, il pigmento, il veicolo, il legante e l'additivo sono inclusi in un unico spazio sferico confinato, ovvero la nanoparticella di lignina. Sono stati preparati bioinchiostri con diverse sfumature di colore, che comprendono tonalità nere, grigie, gialle, rosa e rosso/marrone, mediante un'opportuna selezione dei reagenti e del processo di pigmentazione. Inoltre, le nanoparticelle di lignina sono state in grado di proteggere i pigmenti dai trattamenti alcalini e di degradazione UV.
Nella terza sezione della tesi, le nanoparticelle di lignina sono state utilizzate nell'immobilizzazione strato per strato di una cascata di enzimi, vale a dire perossidasi di rafano (HRP) e glucosio ossidasi (GOX). Il ruolo della concanavalina A come distanziatore molecolare nell'assicurare il corretto orientamento e la distanza tra i due enzimi è stato confermato dalle misurazioni del trasferimento di energia per risonanza di Forster. Strati di polielettrolita con diverse proprietà fisiche e chimiche hanno ottimizzato l'attività e i parametri cinetici della cascata enzimatica, la lignina cationica si è rivelata il miglior polielettrolita nella ritenzione dell'attività di rilevamento. Sono state studiate le proprietà elettrochimiche, la stabilità della temperatura e del pH e la riutilizzabilità dei nuovi nanodispositivi, nonché la loro capacità di fungere da biosensori colorimetrici nella rilevazione del glucosio utilizzando l'ABTS come mediatore redox e la dopamina come substrato cromogenico. Il limite di rilevamento (LOD) di questi dispositivi era migliore o paragonabile a quello precedentemente riportato per altri sensori. Pertanto, le
piattaforme di lignina rinnovabile hanno funzionato come dispositivi intelligenti e funzionali per la preparazione di biosensori verdi nella rilevazione del glucosio.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
ecapecchi_tesid.pdf
Size
7.52 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
f7f28118304a29de743eb79831a52748