Unique Emulsions based on recombinant Hydrophobins

Einzigartige Emulsionen auf Basis rekombinanter Hydrophobine

Hydrophobins are very interesting proteins of fungal origin. Beside their relatively small size of around 100 amino acids, they are well known to be the most surface active, natural proteins that have a strong tendency for self-assembly. Due to their versatile properties hydrophobins are present in different fungal structures, like as coaters of hyphae. These diversified properties of hydrophobins raised great interest among scientists. Possible applications in surface modification or emulsion iHydrophobins are very interesting proteins of fungal origin. Beside their relatively small size of around 100 amino acids, they are well known to be the most surface active, natural proteins that have a strong tendency for self-assembly. Due to their versatile properties hydrophobins are present in different fungal structures, like as coaters of hyphae. These diversified properties of hydrophobins raised great interest among scientists. Possible applications in surface modification or emulsion industry were always restricted by the cost and effort of natural hydrophobin purification. This changed dramatically by the use of white biotechnology resulting in the availability of high amounts of recombinant hydrophobins nowadays. This study started with the physicochemical characterization of two recombinant hydrophobins, called H Star Proteins ® A and B. Both show a remarkable, time-dependent surface activity as well as a distinct aggregation behaviour indicating them to have the typical properties of natural hydrophobins. The use of the recombinant hydrophobins as emulsifier resulted in the formation of gel-like oil in water emulsions. Interestingly, without the occurrence of typical emulsion instability processes like creaming or coalescence, these emulsions showed significant aging effects. We conclude them to be the consequence of the time-dependent formation and progression of a self-supporting, three-dimensional protein network that evolves in the emulsion. The self-assemble tendency of recombinant hydrophobins is clearly not limited by adsorption to the oil-water interface. Obviously the long term stability of the emulsion is determined by the sticky character of the hydrophobin coated oil droplets that attract each other in the short range distance. This type of emulsion stabilization mechanism is absolutely novel in the field of emulsion technology. Moreover we used the hydrophobins’ ability of surface modification in order to coat disk-like clay particles. These clay-hydrophobin sandwiches were used for the formation of Pickering Emulsions. It turned out that the synergistic use of clay and hydrophobin resulted in homogenous, long-term stable and tooth-paste like emulsions. The clay particles improved strikingly the rigidity and elasticity of the self-supporting hydrophobin network. Substitution of the clay particles by boehmite needles resulted in similar Pickering emulsions. Finally, we report that it is possible to replace hydrophobin in combination with clay by other proteins, amphiphiles or surfactants. By adjusting the preparation conditions, the emulsifier concentration or the oil mass fraction one has a versatile tool to obtain Pickering emulsions with the desired properties. A new stabilization mechanism in emulsion science is introduced, supported and confirmed by our results.show moreshow less
Hydrophobine sind Pilzproteine aus etwa 100 Aminosäuren. Hydrophobine sind die am stärksten oberflächenaktiven, natürlichen Proteine mit ausgesprochener Tendenz zur Selbstaggregation. Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften wirken Hydrophobine in vielen Strukturen des Pilzes, unter anderem als Mantelsubstanz der Hyphen. Anwendungen der Hydrophobine sind im großen Maßstab bisher an den Kosten und dem Aufwand der natürlichen Hydrophobin Reinigung gescheitert. Dies änderte sich grundlegend durch Hydrophobine sind Pilzproteine aus etwa 100 Aminosäuren. Hydrophobine sind die am stärksten oberflächenaktiven, natürlichen Proteine mit ausgesprochener Tendenz zur Selbstaggregation. Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften wirken Hydrophobine in vielen Strukturen des Pilzes, unter anderem als Mantelsubstanz der Hyphen. Anwendungen der Hydrophobine sind im großen Maßstab bisher an den Kosten und dem Aufwand der natürlichen Hydrophobin Reinigung gescheitert. Dies änderte sich grundlegend durch den Einsatz weißer Biotechnologie grundlegend, welche rekombinante Hydrophobine heute im großen Maßstab zugänglich macht. In dieser Arbeit werden zwei rekombinante Hydrophobine beispielhaft für diese Proteinklasse auf Ihre Fähigkeit zur Emulsionsstabilisierung hin untersucht: H Star Protein ® A und B. Die physikalisch-chemische Charakterisierung der Hydrophobine zeigt, dass sich diese rekombinanten Proteine in ihrer Oberflächenaktivität tatsächlich wie die natürlichen Hydrophobine verhalten. Der Einsatz rekombinanter Hydrophobine als Emulgator führt zur Ausbildung gelartiger Öl-in-Wasser Emulsionen, die sich nicht mehr auftrennen, also weder Aufrahmen noch Koaleszenz zeigen. Die Emulsionen werden sogar zeitabhängig, in Stunden oder Tagen, noch wesentlich stabiler. Der Grund ist der kinetisch kontrollierte Aufbau eines räumlichen Netzwerkes aus Hydrophobin, das die Öltröpfchen umgibt. Diese Art der Emulsionsstabilisierung ist neuartig auf dem Feld der Emulsionstechnologie. Es wurde gefunden, dass Hydrophobine in der Lage sind, an Clays, also scheibchenartige Schichtsilikatpartikel, teilweise oder vollständig zu adsorbieren. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die Eigenschaften der Systeme Wasser, Öl und Schichtsilikat kontrolliert zu verändern. Es wurde gezeigt, wie durch synergistische Effekte homogene und höchst stabile Pickering Emulsionen hergestellt werden können, die sich durch hohen Ölgehalt bei extrem geringem Emulgatoranteil auszeichnen. Die planaren Schichtsilikate können auch durch stäbchenförmige Teilchen ersetzt werden. Boehmitenadeln bilden ebenfalls in Verbindung mit Hydrophobin Pickering Emulsionen. Abschließend wird gezeigt, wie Hydrophobin in der Kombination mit Schichtsilikat auch durch andere Proteine, Amphiphile oder Tenside ersetzt werden kann. Durch Einstellen der Präparationsbedingungen, der Emulgatorenkonzentration oder des Ölmassenbruchs besitzt man nun ein neues, universelles Werkzeug, um Pickering Emulsionen mit gewünschten Eigenschaften herzustellen.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Martin Reger
Advisor:Prof. Dr. em. Heinz Hoffmann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:25.04.2012
Year of Completion:2012
SWD-Keyword:Emulsion; Hochdruckhomogenisation; Hydrophobine; Nanopartikel; Rheologie
Tag:BSA; Böhmit; Pickering Emulsion; Schichtsilikate; Synergismus
Clay; Pickering Emulsion; emulsion; hydrophobin; protein-clay synergism
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
RVK - Regensburg Classification:VN 5000
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-9889
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):04.06.2012