Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi
Juntunen, Jenni (2010)
Tiivistelmä
Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten. Hemicelluloses, cellulose and lignin are the main constituents of wood and other plant materials. The chemical composition of hemicellulose varies among plant species, which makes hemicelluloses a diverse group of polysaccharides. The main hemicellulose in hardwood is glucuronoxylan. Xylans also found in many other plants in various compositions. The softwood hemicellulose is mainly galactoglucomannan. Arabinogalactan is a hemicellulose that exists particularly abundantly in larch, but less in other conifers. Biopolymers are constantly under research, especially in projects of finding replacement for petroleum-based products. Previously hemicelluloses were mainly utilized in their native form or converted into other products, such as sugars. But like cellulose and starch, hemicellulose could also serve as favourable starting material for chemical, physical and enzymatic modifications. The most common drawback in the utilization of hemicelluloses is their usually low yield in extraction processes. The extraction is usually made after delignification using a suitable reagent, such as alkali. Severe reaction conditions are not, however, required for the extraction of arabinogalactan and treatment with water is often sufficient. The recovery of hemicelluloses after extraction can be done conveniently with membrane filtration. The extraction of arabinogalactan from Siberian Larch was investigated in this study, as well as the concentration and purification of the extracted hemicellulose using membrane separation. The possibility to use the extracted arabinogalactan as raw material for chemical modification, especially in situ modification, was also studied. Only a small fraction of the Larch arabinogalactan was successfully extracted from the wood material. In addition, some of the arabinogalactan was lost during membrane filtration. Because of the low hemicellulose concentration in the extraction liquor, in situ modification of the molecules in this solution was nearly impossible. Further research on the extraction conditions and selection of filtration membranes may improve the process for obtaining more material for modification.