TY  - THES
A1  - Staiger, Simona
T1  - Chemical and physical nature of the barrier against active ingredient penetration into leaves: effects of adjuvants on the cuticular diffusion barrier
T1  - Chemische und physikalische Beschaffenheit der Barriere gegenüber Wirkstoffen: Adjuvantieneffekte auf die kutikuläre Diffusionsbarriere
N2  - Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus.

Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle.
Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants.
In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. 
Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry.
N2  - Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. 

Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. 
Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien.
Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Kutikula
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Plant cuticle
KW  - Diffusion
Y1  - 2022
UR  - https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/19937
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-199375
ER  -