京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(農学) / 乙第13567号 / 論農博第2913号 / 新制||農||1101(附属図書館) / (主査)教授 小川, 順, 教授 阪井, 康能, 教授 栗原, 達夫 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

<p>Weak wet strength of paper is one of the major challenges limiting the increase use of paper products. It is difficult to form strong adhesive joints between hydrophilic wet cellulose surfaces. Previous research disclosed an approach using polyvinylamine (PVAm) with grafted TEMPO for oxidation of cellulose to improve wet cellulose adhesion. The object of this research is to further develop new and more eco-friendly approaches to induce adhesion between wet cellulose surfaces. PVAm-graft-TEMPOs (PVAm-TEMPO) with various TEMPO grafting extents were prepared and characterized by electron paramagnetic resonance (EPR) and conductometric titration. The stability studies of fully hydrolysed PVAm in sodium hypochlorite (NaClO) environment were conducted. PVAm can be oxidized and degraded by NaClO in alkaline solution. Furthermore, PVAm-TEMPO was applied into the TEMPO/laccase/O2 oxidation of cellulose. Increased wet adhesion between cellulose surfaces were achieved with this enzyme catalyzed approach and the mechanism of this approach was investigated. PVAm-TEMPO and laccase works together as mediators catalyzing the oxidation of primary alcohol groups on cellulose into aldehyde groups that react to form covalent bonds with primary amines on PVAm. However, cationic PVAm-TEMPO and anionic laccase can form complexes during the oxidation process. Grafted TEMPO in enzyme catalyzed approach offers three significant advantages over small molecule TEMPO (free TEMPO). First, as PVAm has high molecular weight, the oxidation of porous fibers is restricted to the exterior surfaces only, which avoids the excessive oxidation of interior surfaces and prevents from weakening the mechanical property of fibers. Second, TEMPO is concentrated on cellulose surfaces by tethered it to PVAm, compared with water-soluble free TEMPO. Thus the total dose of TEMPO required to oxidize fibers by PVAm</p> / Master of Applied Science (MASc)

In den Pflanzenzellwänden befindliche Polysaccharide stehen dem Prozess nur bedingt als Energiequelle zur Verfügung, da diese in einem Komplex mit Lignin verknüpft sind. Um diese Substanzen für den Biogasprozess verfügbar zu machen und demnach den Substratumsatz bzw. die Prozesseffizienz zu erhöhen, sind geeignete Stoffe oder Techniken einzusetzen bzw. zu entwickeln. In dieser Arbeit wurde zielführend der Einsatz von unterschiedlichen Enzympräparaten in drei verschiedenen Prozessstufen bei ausgewählten Energiepflanzen mit variierender Häcksellänge untersucht. Anhand von Enzymaktivitätsbestimmungen konnten Enzympräparate für die einzelnen Stufen selektiert werden. Die ausgewählten Enzyme wurden einzeln oder in Mischung während der Silierung, direkt vor dem Biogasprozess sowie während des Biogasprozesses zum Substrat dotiert und dieses nach der jeweiligen Vorbehandlung in Batch-Gärtests vergoren. Neben der Biogas- und Methanausbeute wurde zur Bewertung der Enzymleistung der Abbau an Lignocellulose sowie die Freisetzung an niedermolekularen Kohlenhydraten ermittelt. Zusätzlich wurde das Quellen der Lignocellulose mit Hilfe eines Wasserzusatzes in Form einer Vorhydrolyse als Vorbehandlungsmethode mit allgemein positivem Ergebnis geprüft. Das Ziel der verbesserten Substratumsetzung bei Mais und Roggen und folglich einer Erhöhung der Biogasproduktion wurde durch den Zusatz ausgewählter Enzympräparate erreicht. Es konnten Grundlagen bezüglich der Wirkung von Enzymen in Biogasprozessen geschaffen werden, anhand derer deutlich wurde, dass besonders die enzymatische Behandlung in den der Methanisierung vorgelagerten Prozessstufen weiterzuentwickeln ist. / Polysaccharides of plant cell walls are of limited digestibility due to their cross-linking to lignin. In order to make the molecules available for the biogas process and thus increase the substrate utilization and process efficiency appropriate substances or techniques are needed. It was therefore the aim of this work to investigate the effects of different enzyme preparations in three digestion process stages. Selected energy plants with varying degrees of particle sizes (chopping lengths) were used as digester feedstock. Enzyme preparations for the different process stages were chosen by enzyme assays. The selected enzymes were added to the feedstock during the ensiling, directly before the biogas process or during the biogas process separate or in mixtures. Pre-treated substrates were subsequently digested in batch fermentation tests. Beside the biogas and methane yield the degradation degree of lignocellulose and the release of low molecular carbohydrates were investigated for evaluating the enzyme performance. Additionally, the swelling of lignocellulose caused by addition of water in a pre-hydrolysis process was examined as a method of pre-treatment, with generally positive results. The aim of an improved substrate conversion of maize and rye and thus an enhanced biogas production by enzymatic pretreatments was achieved. Scientific fundamentals regarding the impact of enzymes on biogas processes were established. Enzymatic pretreatments in process steps before methanation showed potential for further developments.

Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort. / L’objectif principal de ce projet de recherche est d’étudier l’efficacité de la microencapsulation, technique d’immobilisation d’enzymes utilisée pour la réalisation des nouveaux biocapteurs électrochimiques. Généralement, l’analyte d’intérêt produit ou consomme des électrons, et la réponse électrochimique est mesurée, afin d’identifier ou quantifier l’analyte. Dans le développement d’un biocapteur, il est désirable de quantifier la conversion du substrat (analyte) et/ou la formation de produit de réaction enzymatique. Les similarités structurales entre le substrat et le produit de réaction dans les réactions redox demandent que la technique utilisée pour les identifier soit très sélective. Le haut pouvoir de résolution de l’électrophorèse capillaire (EC) pour des séparations rapides de produits similaires en fait une méthode de choix, spécialement quand le substrat et le produit peuvent être suivis pendant et après la réaction catalysée par l’enzyme immobilisée. Un choix judicieux du substrat, compte tenu de son comportement en EC peut fournir des informations autant sur l’activité de l’enzyme que sur l’efficacité de la microencapsulation. Pour cette raison, nous avons choisi le substrat o-phenylènediamine qui est oxydé par la laccase, pour former le produit 2,3-diaminophenazine, tout en réduisant l’oxygène en eau. Pour commencer, nous avons préparé les microcapsules et évalué l’impact de la microencapsulation sur le comportement de l’enzyme. Ensuite, nous avons développé une méthode de séparation en EC afin de quantifier la conversion de l’OPD en DAP par la laccase libre. La même méthode d’analyse a été utilisée pour caractériser la laccase immobilisée dans les microcapsules. Par la suite, afin de suivre la réaction enzymatique, un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée a été couplé hors ligne au système d’EC. Finalement, nous avons essayé l’implémentation du système en ligne et les résultats préliminaires seront présentés. / The principal objective of this research project is to study the efficiency of microencapsulation, technique used for enzyme immobilization in order to create new types of electrochemical biosensors. Generally, the target analyte involved either produces or consumes electrons and the electrochemical response is measured to identify or quantify the analyte. In the development of a biosensor, it is desirable to quantify the conversion of substrate (analyte) and/or the formation of product of the enzymatic reaction. The structural similarity between substrate and product in redox reactions means that the technique used to determine these species must be very selective. The high resolving power of capillary electrophoresis (CE) for rapidly separating similar compounds is thus an attractive method, particularly if substrate and product can both be monitored during or following the reaction catalyzed by microencapsulated enzyme. A judicious choice of substrate with respect to its behaviour in CE separations can help provide information on enzyme activity as well as microencapsulation efficiency. To achieve this, we chose the substrate o-phenylenediamine (OPD), which is oxidized by laccase to form the product 2,3-diaminophenazine (DAP) concomitant with the reduction of molecular oxygen to water. We firstly prepared the microcapsules and evaluate the impact of microencapsulation on the behaviour of the enzyme. After that, we developed a CE based separation method to quantify the conversion of OPD to DAP by free laccase. We also used the CE method to characterize laccase immobilized in microcapsules. Subsequent, the microencapsulated laccase was packed into a microreactor format permitting its off-line coupling with CE as a means to follow the enzymatic reaction. Finally, we tried to implement the on-line system and the preliminaries results are presented.

L'oxydation de l'acide férulique et de son ester (le férulate d'éthyle) par la laccase de Myceliophtora thermophila a été étudiée en milieu aqueux et dans des conditions expérimentales douces (30 °C et pH 7,5) afin de synthétiser de nouvelles molécules naturelles grâce à un procédé vert. L'oxydation enzymatique a permis l'obtention d'intermédiaires colorés pour l'acide férulique et incolores pour le férulate d'éthyle. En outre, le férulate d'éthyle a été plus rapidement totalement oxydé que l'acide férulique. De plus, cette procédure a abouti à des produits majoritairement dimériques avec MM = 443 g/mol et MM = 386 g/mol pour le férulate d'éthyle et l'acide férulique, respectivement. Les nouvelles molécules synthétisées ont présenté des propriétés antioxydantes importantes avec de faibles propriétés antibactériennes et cytotoxiques. En présence du chitosane insoluble dans le milieu réactionnel, la laccase a été protégée de l'inhibition liée aux produits d'oxydation et le degré de polymérisation de ces produits a été contrôlé. De plus, les produits d'oxydation ont réagi avec les groupements NH2 libres permettant la formation de liaisons covalentes de type base de Schiff (C=N) au niveau du C2 sur le chitosane. La majorité des produits d'oxydation greffés sur le chitosane était de forme dimérique. Cette procédure a permis d'obtenir du chitosane coloré avec l'acide férulique et incolore avec le férulate d'éthyle tout en présentant de nouvelles propriétés dues au greffage de composés phénoliques. Ces chitosanes dérivés ont présenté des propriétés fonctionnelles intéressantes telles que antioxydantes, physico-chimiques (stabilisation thermique) et biologiques (adhésion cellulaire) ainsi que la conservation des propriétés antibactériennes du chitosane natif / Oxidation of ferulic acid and its ester (ethyl ferulate) by Myceliophtora thermophila laccase has been studied in aqueous medium under mild experimental conditions (30°C and pH 7.5) as a green process to synthesize natural neo-molecules. Enzymatic oxidation led to colored and colorless intermediaries for ferulic acid and ethyl ferulate, respectively. Additionally, ethyl ferulate was oxidized faster than ferulic acid. This procedure has led to dimeric major products with MM = 443 g/mol and MM = 386 g/mol for ethyl ferulate and ferulic acid, respectively. New synthesized molecules demonstrated important antioxidants properties with weak antibacterial and cytotoxic properties. With insoluble chitosan particles in the reaction medium, laccase was protected from inhibition due to oxidation products and the polymerization degree of these products was checked. In addition, the oxidation products reacted with the free NH2 groups forming covalent bonds of Schiff base type (C=N) at C-2 region. The majority of the oxidation products grafted onto chitosan was of dimeric form. This procedure led to colored and colorless chitosans by ferulic acid and ethyl ferulate, respectively, with new properties due to grafting of phenolic compounds. These chitosan derivatives presented interesting functional properties such as antioxidant, physico-chemical (thermal stability) and biological (cell adhesion) as well as the preservation of antibacterial properties of native chitosan

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L’objectif principal de ce projet de recherche est d’étudier l’efficacité de la microencapsulation, technique d’immobilisation d’enzymes utilisée pour la réalisation des nouveaux biocapteurs électrochimiques. Généralement, l’analyte d’intérêt produit ou consomme des électrons, et la réponse électrochimique est mesurée, afin d’identifier ou quantifier l’analyte. Dans le développement d’un biocapteur, il est désirable de quantifier la conversion du substrat (analyte) et/ou la formation de produit de réaction enzymatique. Les similarités structurales entre le substrat et le produit de réaction dans les réactions redox demandent que la technique utilisée pour les identifier soit très sélective. Le haut pouvoir de résolution de l’électrophorèse capillaire (EC) pour des séparations rapides de produits similaires en fait une méthode de choix, spécialement quand le substrat et le produit peuvent être suivis pendant et après la réaction catalysée par l’enzyme immobilisée. Un choix judicieux du substrat, compte tenu de son comportement en EC peut fournir des informations autant sur l’activité de l’enzyme que sur l’efficacité de la microencapsulation. Pour cette raison, nous avons choisi le substrat o-phenylènediamine qui est oxydé par la laccase, pour former le produit 2,3-diaminophenazine, tout en réduisant l’oxygène en eau. Pour commencer, nous avons préparé les microcapsules et évalué l’impact de la microencapsulation sur le comportement de l’enzyme. Ensuite, nous avons développé une méthode de séparation en EC afin de quantifier la conversion de l’OPD en DAP par la laccase libre. La même méthode d’analyse a été utilisée pour caractériser la laccase immobilisée dans les microcapsules. Par la suite, afin de suivre la réaction enzymatique, un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée a été couplé hors ligne au système d’EC. Finalement, nous avons essayé l’implémentation du système en ligne et les résultats préliminaires seront présentés. / The principal objective of this research project is to study the efficiency of microencapsulation, technique used for enzyme immobilization in order to create new types of electrochemical biosensors. Generally, the target analyte involved either produces or consumes electrons and the electrochemical response is measured to identify or quantify the analyte. In the development of a biosensor, it is desirable to quantify the conversion of substrate (analyte) and/or the formation of product of the enzymatic reaction. The structural similarity between substrate and product in redox reactions means that the technique used to determine these species must be very selective. The high resolving power of capillary electrophoresis (CE) for rapidly separating similar compounds is thus an attractive method, particularly if substrate and product can both be monitored during or following the reaction catalyzed by microencapsulated enzyme. A judicious choice of substrate with respect to its behaviour in CE separations can help provide information on enzyme activity as well as microencapsulation efficiency. To achieve this, we chose the substrate o-phenylenediamine (OPD), which is oxidized by laccase to form the product 2,3-diaminophenazine (DAP) concomitant with the reduction of molecular oxygen to water. We firstly prepared the microcapsules and evaluate the impact of microencapsulation on the behaviour of the enzyme. After that, we developed a CE based separation method to quantify the conversion of OPD to DAP by free laccase. We also used the CE method to characterize laccase immobilized in microcapsules. Subsequent, the microencapsulated laccase was packed into a microreactor format permitting its off-line coupling with CE as a means to follow the enzymatic reaction. Finally, we tried to implement the on-line system and the preliminaries results are presented. / Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

Ce travail a pour objectif de mettre au point un procédé d’oligomérisation de rutine et d’esculine par la laccase de Trametes versicolor. Un procédé de synthèse en parallèle et d’analyse en ligne par SEC-UV et par MALDI-TOF a été mis au point. L’analyse par MALDI-TOF a révélé la formation d’un simple pontage, allant jusqu’au degré d’oligomérisation 6 pour la rutine et 9 pour l’esculine. Un pontage par liaison éther a été observé par FTIR dans le cas des oligorutines. L’analyse par RMN a démontré la mise en place de liaisons tant C-C que C-O localisées sur la partie phénolique et la partie sucre des monomères. De faibles pH et températures favorisent l’allongement de la chaîne, alors que l’augmentation de la constante diélectrique du solvant ou de la température augmente la production des oligomères de rutine. La limitation de la masse de ces oligomères serait due à une inhibition de l’enzyme, provoquée par les capacités chélatantes des oligomères. Une diminution du pouvoir antioxydant et une augmentation du pouvoir inhibiteur de la xanthine oxydase ont pu être observées lors de l’accroissement de la masse des oligomères de rutine. Ces deux activités sont améliorées lors de l’accroissement de la masse des oligomères d’esculine. Pour ces deux types d’oligomères, la solubilité dans l’eau est fortement accrue. Dans le cas des oligorutines, cette forte augmentation a été corrélée à la mise en place d’un réseau dense de liaisons hydrogène observé par modélisation moléculaire. Globalement, l’approche par modélisation moléculaire dans le vide et dans le solvant a permis de dégager des relations structure-activité, reliant notamment le nombre de liaisons hydrogène à la solubilité / The aim of this work is the elaboration of rutin and esculin oligomerization process by the laccase from Trametes versicolor. A parallel synthesis process and on-line analysis of reaction media by SEC-UV and MALDI-TOF have been elaborated. The MALDI-TOF analysis has revealed the formation of simple bridges between rutin and esculin units, up to degree of oligomerization of 6 and 9 respectively. An ether bond has been observed by FTIR spectrometry for the rutin oligomers. Finally, the NMR analysis has revealed the formation of C-C and C-O bridges both on phenolic and the sugar parts of the flavonoids. At low pH and temperature, the elongation of the chain is favored, whereas increasing the dielectric constant of the solvent or the temperature favors the production of rutin oligomers. The limitation of oligomers mass is explained by the inhibition of the enzyme, probably due to the highest chelation properties of oligomers. In the case of oligorutin, a decrease of antiradical activity and an increase of xanthine oxidase inhibitory activity have been observed when the oligomers molecular mass increases. In the case of esculin oligomers, these two activities increase with the increase of the oligomers mass. For these two types of oligomers, the water solubility is considerably increased. For the oligorutins, this augmentation has been correlated to a dense network of H-bonds, which has been demonstrated by molecular modeling. Globally, the molecular modeling approach in vacuum and in solvent has allowed to establish structure-activity relationship

Dans un contexte de démarche écoresponsable et pour répondre aux exigences de biocompatibilité notamment dans les applications cosmétiques et biomédicales, nous avons développé de nouveaux hydrogels à base de polysaccharides neutres et anioniques en utilisant deux voies originales. La 1ère approche est biomimétique et a consisté à mimer un phénomène d’élaboration naturelle d’hydrogels que l’on retrouve chez certains végétaux pour lesquels une enzyme, la laccase, permet de créer des liens de réticulation par dimérisation des composés phénoliques (en l’occurrence de l’acide férulique FA) présents sur les arabinoxylanes des mucilages des graines de céréales par exemple. Notre travail a ainsi consisté à greffer de l’acide férulique via deux chimies différentes de type imidazole et carbodiimide respectivement pour des polysaccharides neutres ou anioniques. Nous avons ainsi fonctionnalisé trois polysaccharides : le pullulane ou PUL (neutre modèle), le carboxyméthylpullulane ou CMP (anionique modèle) et l’acide hyaluronique ou HA (anionique d’intérêt). Des taux de greffage compris entre 2 et 25% ont été obtenus. L’étude physicochimique en régimes dilué et semi-dilué a permis de mettre en évidence un comportement associatif lié au caractère amphiphile des polysaccharides fonctionnalisés. La réticulation en présence de laccase, suivie in situ en rhéologie, a été réalisée avec succès sur les différents systèmes envisagés avec des contrôles possibles de la cinétique, des propriétés mécaniques finales ou encore du gonflement des hydrogels en fonction du caractère neutre ou chargé des polysaccharides, du degré de substitution en acide férulique, de la concentration en polymère ou de l’activité enzymatique fixée. Les dérivés synthétisés ont globalement démontré des activités biologiques (antioxydante et cytocompatible) intéressantes. La deuxième approche repose sur la photoréticulation possible de polysaccharides (PUL, CMP et HA) fonctionnalisés par le greffage d’amine/acide gras mono ou polyinsaturé (oleylamine, acide oléique et linoléique) via la chimie des imidazoles. Si le pullulane modifié par l’acide linoléique à 2% s’est avéré non hydrosoluble en raison de son caractère neutre, tous les autres dérivés avec des taux de greffages de 3 et 10% ont démontré une bonne solubilité dans l’eau. Les études physicochimiques mettent en évidence un très fort caractère associatif de ces dérivés amphiphiles avec la formation de gels physiques en régime semi-dilué. La photoréticulation a été démontrée en rhéologie sous irradiation UV in situ en présence d’un photoamorceur de type Darocur 1173®. Les résultats préliminaires obtenus selon cette approche en photoréticulation ouvrent ainsi des perspectives intéressantes. / In the framework of an eco-responsible context and to take advantage of biocompatibility, notably in cosmetic and biomedical applications, we have developed new hydrogels based on neutral and anionic polysaccharides using two original routes. The first approach is biomimetic and consists of mimicking a natural development of hydrogels that is found in certain plants for which an enzyme, laccase, allows to create crosslinks by dimerization of phenolic compounds, in occurrence of ferulic acid (FA) present on arabinoxylans mucilage of cereal seeds for example. Thus, our work consisted in grafting ferulic acid via two different chemical ways that means imidazole and carbodiimide respectively for neutral or anionic polysaccharides. We functionalized three polysaccharides: pullulan or PUL (neutral model), carboxymethylpullulane or CMP (model anionic) and hyaluronic acid or HA (anionic of interest) with grafting rates of between 2 and 25%. The physicochemical study in diluted and semi-diluted regimes evidenced an associative behavior due to the amphiphilic character of the functionalized polysaccharides. The crosslinking in the presence of laccase, followed in situ thanks to rheology, has been successfully performed on the various envisaged systems with possible controls of kinetics, the final mechanical properties or the swelling of the hydrogels as a function of the neutral or charged nature of the polysaccharides, the degree of substitution in FA, the polymer concentration or the enzymatic activity. The synthesized derivatives have generally demonstrated interesting biological activities (antioxidant and cytocompatibility). The second approach is based on the possible photocrosslinking of polysaccharides (PUL, CMP and HA) functionalized by the grafting of mono or polyunsaturated fatty amine/acid (oleylamine, oleic acid and linoleic acid) via imidazole chemistry. If pullulan grafted with 2% of linoleic acid was found to be water-insoluble due to its neutral character, all other derivatives (i.e. anionic ones) with grafting rates of 3 and 10% showed good solubility in water. The physicochemical studies show a very strong associative character of these amphiphilic derivatives with the formation of physical gels in semi-diluted regime. Photocrosslinking has been demonstrated in situ thanks to rheology/UV irradiation in the presence of a Darocur 1173® photoinitiator. The preliminary results according to this photocrosslinking approach thus open interesting perspectives.