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Unique Emulsions based on recombinant Hydrophobins
(2012)
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Martin Reger
- 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 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.
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Novel microemulsions with an anionic/non-ionic surfactant mixture
(2012)
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Lukas Wolf
- Mikroemulsionen bestehen im einfachsten Fall aus Wasser, Öl und Tensid(en). Es handelt sich dabei im Gegensatz zu normalen Emulsionen um transparente, thermodynamisch stabile Phasen. Diesen makroskopisch einphasig erscheinenden Systemen liegen jedoch hoch komplexe Nanostrukturen zu Grunde. Die in wissenschaftlicher Hinsicht bislang am besten untersuchten und verstandenen Mikroemulsionssysteme bestehen entweder aus Wasser, Öl und einem einzigen elektrisch ungeladenen nicht-ionischen Tensid oder einem elektrisch geladenen ionischen Tensid. Beide Systeme unterscheiden sich grundlegend, unter anderem in ihrem Phasenverhalten, ihrer Temperaturstabilität oder ihren Nanostrukturen. Systeme mit Mischungen aus ionischen und nichtionischen Tensiden dagegen wurden bisher kaum untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten einer anionischen/nichtionischen Tensidmischung mit verschiedenen Ölen bei konstanter Temperatur und konstantem Tensidgehalt untersucht. Die Phasendiagramme weisen jeweils zwei optisch isotrope Phasengebiete, so genannte Einphasenkanäle, mit steigendem Öl-Gehalt auf. Die beiden Mikroemulsions-Einphasenkanäle sind voneinander durch ein optisch anisotropes Phasengebiet getrennt. Der Mikroemulsionskanal unterhalb des anisotropen Bereichs erstreckt sich von der wässrigen Phase ausgehend mit wachsendem Öl- und nichtionischen Co-Tensid-Anteil bis in die Mitte des Phasendiagramms und endet dort. Der obere Einphasenkanal verläuft durch ein steiles Minimum, in Bezug auf das Tensid/Co-Tensidverhältnis, durchgehend von der wässrigen zur ölreichen Seite des Phasendiagramms. Im Gegensatz zu Mikroemulsionen mit nichtionischen Tensiden handelt es sich um isotherme Einphasenkanäle. Die einphasigen Gebiete wurden mit diversen physikalisch-chemischen Methoden untersucht. Mittels Leitfähigkeits-, SANS-, PFG-NMR-Messungen und elektronenmikroskopischen cryo-TEM Aufnahmen konnten die Nanostrukturen identifiziert werden. Während im unteren Einphasenkanal die Strukturen aus kleinen Öl-Tröpfchen in einer kontinuierlichen Wasserphase bestehen, welche mit zunehmendem Öl-Gehalt anschwellen, kommt es im oberen Einphasenkanal zu einer komplexen Strukturänderung. Während der ölfreien Probe eine bikontinuierliche Schwammstruktur zu Grunde liegt, wandelt sich diese mit bereits wenigen Prozent an Öl zu einer polyedrischen Wasser-in-Öl Schaumstruktur. Für diese, in Mikroemulsionen bislang unbekannten, Struktur wurde der Begriff High Internal Phase Microemulsion (HIPME) eingeführt, aufgrund ihrer strukturellen Parallelen zu bereits bekannten High Internal Phase Emulsionen (HIPE). Mittels transienter Elektrodoppelbrechung konnte dieser komplexe strukturelle Übergang nachvollzogen werden. Die ermittelten strukturellen Relaxationszeiten, welche zudem die Viskosität der Mikroemulsionen bestimmen, weisen ein deutliches Maximum am Übergangspunkt von der bikontinuierlichen zur HIPME-Struktur auf. Grund für die beobachtete HIPME-Struktur ist vermutlich der Anteil der elektrischen Ladung des anionischen Tensids. Diese sorgt für eine vergleichbar hohe Grenzflächenspannung zwischen der wässrigen verdünnten Tensid-Phase und des Öls. Konsequenz dieser hohen Grenzflächenspannung sind ölkontinuierliche Schaumstrukturen anstatt bikontinuierlicher Strukturen, welche man in vergleichbaren Mikroemulsionen mit rein nichtionischen Tensiden erhält. Durch Abschirmen der elektrischen Ladungen mit Salz werden die HIPME-Strukturen gestört, was sich in einem Ansteigen der Leitfähigkeit und einer erhöhten Mobilität der Wasserphase äußert, welche mit NMR beobachtet wurde.
