Hintergrund und Zielsetzung

Bei der Produktion von Zellstoff resultiert Lignin als „Nebenprodukt“ in fast gleicher Menge wie Zellulose. Lignin kann in vielen technischen Produkten z.B. zu Dispergier- oder Bindezwecken eingesetzt werden. Abgesehen von diesen Möglichkeiten werden derzeit noch immer gewaltige Mengen von bei der Verarbeitung von Holz anfallendem Lignin einfach verbrannt. Der Grund dafür sind vielfach aufwendige und teure Aufarbeitungsschritte die für die Zuführung von Lignin in höherwertige Anwendungen erforderlich sind. Diese Arbeit soll daher das Potential von Enzymen als leistungsfähige Biokatalysatoren nutzen um die Eigenschaften von Lignin für höherwertige Einsatzgebiete zu verbessern. Enzyme, als natürliche Biokatalysatoren, katalysieren im Gegensatz zu konventionellen Prozessen unter milden Reaktionsbedingungen aber hochspezifisch Umwandlungen von kleinen Molekülen aber auch von Polymeren. Letztlich sind ja Enzyme die von Pilzen ausgeschieden werden für den Abbau von Holz im Wald verantwortlich. Dieselben Enzyme können auch eingesetzt werden um wertvolle Bausteine aus Lignozellulose zu gewinnen oder dieser gezielt bestimmte Eigenschaften zu verleihen.  

Stand des Wissens

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Arbeiten zur Verarbeitung von Lignozellulose mittels Enzymen von der Gruppe Gübitz und von anderen internationalen Forschergruppen veröffentlicht. So konnte gezeigt werden, dass die gezielte enzymatische Anbindung von funktionellen Molekülen an Lignozellulose - Materialien deren Eigenschaften (z.B. antimikrobiell, wasserabweisend, biokompatibel u.v.a.m.) verbessern kann.

Bindung von funktionellen Molekülen an Holzoberflächen mittels Enzymen: Die Anbindung der Fluorophenole führte zu einer deutlichen Steigerung der wasserabweisenden Eigenschaften. Mittels Lignin-Modellsubstraten wurde die kovalente (permanente) Verknüpfung der funktionellen Moleküle mit den Ligninbestandteilen gezeigt (Biores Technol 2010, 101:2793-2799 and 5054–5062). 

Durch den Einsatz derselben Enzyme können auch Fasern quervernetzt und z.B. Bindemittel bei der Herstellung von Faserplatten eingespart werden. Neben der Verarbeitung von Lignozellulose mit Laccasen, wurde erst kürzlich gezeigt, dass auch die Eigenschaften von Lignin selbst enzymatisch u.a. durch Erhöhung des Molkulargewichtes verbessert werden können.  Bislang existiert aber nur wenig Erfahrung mit der gezielten Anbindung funktioneller Moleküle an Lignin mittels Enzymen. Gerade diese Strategie könnte aber die Lignineigenschaften in umweltfreundlicher Art und Weise für eine Reihe von Einsatzgebieten verbessern und somit höherwertige Verwertungsmöglichkeiten für Lignine eröffnen.

Literatur

Kudanga T, Nyanhongo GS, Burton S, Gübitz GM (2011) Potential applications of laccase-mediated coupling and grafting reactions: a review, Enzyme and Microbial Technology, 48, 195-208 

Kudanga T, Prasetyo EN, Sipilä J, Nyanhongo GS, Gübitz GM (2010) Enzymatic grafting of functional molecules to the lignin model dibenzodioxocin and lignocellulose material. Enzyme and Microbial Technology, 46, 272-280.

Nugroho Prasetyo E, Kudanga T, Rencoret J, Gutiérrez A, del Río JC, Ignacio Santos J, Nieto L, Jiménez-Barbero J, Martínez AT, Li J, Gellerstedt G, Lepifre S, Silva C, Kim SY, Cavaco-Paulo A, Seljebakken Klausen B, Lutnaes BF, Nyanhongo GS, Gübitz GM (2010) Polymerization of lignosulfonates by the laccase-HBT (1-hydroxybenzotriazole) system improves dispersibility. Bioresource Technology, 101(14), 5054–5062

Prasetyo EN, Kudanga T, Fischer R, Eichinger R, Nyanhongo GS, Gübitz GM (2012) Enzymatic synthesis of lignin-siloxane hybrid functional polymers, Biotechnol J.; 7(2), 284-292 

Arbeitshypothese und methodischer Ansatz

Enzyme (d.h. Oxidoreduktasen) aus unterschiedlichen Pilzen sollen hinsichtlich des Potentials zur Erhöhung des Molekulargewichtes von Ligninen und zur Anbindung funktioneller Moleküle vergleichen werden. In einer ersten Phase soll die enzymatische Modifikation von Ligninen und Modellsubstraten optimiert und mechanistisch mit modernen Methoden wie FTIR, GC-MS, LC-MS und GPC untersucht werden. In einer nächsten Phase sollen technische Lignine von Kooperationspartnern behandelt werden und für unterschiedliche Anwendungen charakterisiert werden. Dabei wird z.B. der Einfluss der Erhöhung des Molekulargewichtes und auf die Verbesserung der Dispergiereigenschaften untersucht. Anderseits wird die kovalente enzymatische Bindung einer Reihe funktioneller Moleküle als neue Strategie zur gezielten Verbesserung der Eigenschaften von Ligninen z.B. in Bindemitteln untersucht. 

Erwartete Ergebnisse

Mechanistische Informationen über die enzymatische Funktionalisierung von Ligninen; Kenntnis der Anforderungen an Oxidoreduktasen (z.B. Redoxpotential); Verfügbarkeit unterschiedlicher funktioneller Moleküle für die enzymatische Funktionalisierung; Neue Enzym-basierte Strategien zur Modifikation von Ligninen für höherwertige Anwendungen 

Beitrag zu den Programmzielen

Verbesserung der Wertschöpfungskette und neue stoffliche Nutzung von Lignin mittels umweltfreundlicher enzymbasierter Technologien.