Termisk reaktivitet af hemicellulose og cellulose i cellevægge af cedertræ og bøgetræ

Hemicellulose og andre mindre saccharider reaktivitet i cellevægge af træ

Figur 3 sammenligner billederne af varme-behandlet japansk bøgetræ og japansk cedertræ udsat for temperaturer på 220-380 °C (10 °C/min). Misfarvningen af bøgetræet blev indledt ved 240 °C, hvor farven skiftede til brun og blev mørkere yderligere, efterhånden som temperaturen steg. Omvendt skete misfarvningen af cedertræet ved en højere temperatur på 320-340 °C. Med hensyn til misfarvning er bøgetræ således mere reaktivt end cedertræ. Disse resultater kan skyldes træelementernes forskellige pyrolytiske reaktivitet, hvilket vil blive diskuteret i de følgende afsnit.

Billeder af udseendet af: a japansk cedertræ og b japansk bøgetræ efter at være blevet udsat for pyrolyse ved forskellige temperaturer (10 °C/min, ingen ventetid) under en nitrogenstrøm (100 mL/min)

Ændringer i indholdet af hydrolyserbart sukker i det varmebehandlede træ er vist i fig. 4, med fokus på seks sukkerkomponenter: arabinose, glukose, galactose, mannose, xylose og 4-O-MeGlcA. Indholdet af hydrolyserbart sukker er vist som den procentdel sukker, der er genvundet i forhold til udbyttet fra ubehandlet træ (normaliseret til 100 %). Andre sukkerarter end glukose blev bestemt som de tilsvarende metylglykosider, der blev opnået ved sur methanolyse, på grund af ustabiliteten af hemicellulose- og pektinafledte sukkerarter, når de udsættes for strengere hydrolysebetingelser, der hydrolyserer stabil krystallinsk cellulose.

Tabel 1 viser sukkersammensætninger bestemt fra ubehandlet cedertræ og bøgetræ. Disse sukkerstoffers oprindelse bør diskuteres på baggrund af litteraturen , inden pyrolyseresultaterne sammenlignes. En betydelig mængde glukose stammer fra cellulose, men glukose er også en bestanddel af glucomannan. De forskellige indhold af xylose og mannose i cedertræ og bøgetræ forklares ved den velkendte forskel i sammensætningen af hemicellulose i løvtræ og nåletræ: xylan og spor af glucomannan i løvtræ, mens nåletræ typisk består af glucomannan i større mængder og xylan i mindre mængder. Ændringer i udbyttet af mannose og xylose er således en direkte indikator for nedbrydningen af henholdsvis glucomannan og xylan under træpyrolyse. Faldet i glukoseudbyttet er relateret til nedbrydning af cellulose i bøg, men for cedertræ må der tages hensyn til bidraget fra nedbrydning af glucomannan.

Xylan i både cedertræ og bøgetræ indeholder 4-O-MeGlcA som en sur sukkerkomponent, der forventes at virke som en syre- og basekatalysator (som metaluronat) , hvilket indikerer, at denne enhed kan fremskynde nedbrydningen af træets cellevægskomponenter. Effektiviteten af denne accelererende effekt i cellevægge diskuteres især i denne artikel. Typisk er indholdet af 4-O-MeGlcA større i løvtræ end i nåletræ, som det er anerkendt for bøg (20 g/kg) og cedertræ (9 g/kg), tabel 1.

Arabinose og galactose har en mere kompleks oprindelse. Arabinose er en bestanddel af xylan fra nåletræ, men ikke af xylan fra løvtræ. Galactose er imidlertid knyttet til glucomannankæden i begge typer træarter. For disse mindre sukkerarter kan man ikke se bort fra pektinindholdet i den primære cellevæg, som indeholder arabinose og galactose som primære sukkerarter. Følgelig er det vanskeligt at forstå den pyrolytiske nedbrydning af arabinose- og galactoseenheder med hensyn til træets bestanddele.

I fig. 4 observeres nedbrydning af glucoseenheder i det højeste temperaturområde for begge træsorter, hvilket er i overensstemmelse med nedbrydning af meget stabil cellulose. Omvendt er temperaturområdet, hvor xylose- og mannoseenheder nedbrydes, forskelligt; xylose- og mannoseenheder nedbrydes ved lignende temperaturer for cedertræ, men ved pyrolyse af bøgetræ nedbrydes mannoseenhederne ved betydeligt lavere temperaturer end xylose. Xylose-enhederne i begge træsorter nedbrydes ved lignende temperaturer, hvor mannose-enhederne i cedertræ også nedbrydes. Følgelig antages hemicelluloser i cellevæggene i begge træarter at have samme reaktivitet, bortset fra glucomannan i bøgetræ, der er mere reaktivt end andre hemicelluloser.

Den pyrolytiske reaktivitet af sukkerenhederne i hemicellulose i cedertræ og bøgetræ, som vist i fig. 4, sammenlignes med dem for isoleret xylan og glucomannan i fig. 5, for at belyse påvirkningen af cellevægsmatrixen. Resultaterne for de isolerede hemicelluloser er vist med stiplede linjer. Kommercielt xylan fra bøgetræ, hvor størstedelen af uronsyreenhederne findes som Na-salte, blev anvendt sammen med den demineraliserede (fri carboxyl) prøve som de isolerede xylaner, og deres pyrolytiske reaktivitet blev vurderet ved en lignende procedure, der er anvendt i denne undersøgelse . Baseret på analysedata fra ti nåletræ- og løvtræarter i vores tidligere artikel , ville de fleste af de frie carboxylgrupper 4-O-MeGlcA-grupper i xylan danne salte med alkali- og jordalkalimetallkationer, selv om nogle er involveret i dannelsen af esterbindinger med lignin som diskuteret senere.

Indflydelse af pyrolysetemperatur på genfindingshastigheden for: a xylose, b 4-O-MeGlcA, c mannose, d arabinose og e galactose i japansk bøgetræ (sort cirkel) og japansk cedertræ (hvid cirkel), sammenlignet med isoleret xylan (hvid spidst opadrettet trekant: Na+-salt, sort opadvendt trekant: fri carboxyl) og isoleret glucomannan (x). Pyrolysebetingelser: opvarmningshastighed (10 °C/min)/kvælstofstrøm (100 mL/min)/ingen ventetid

Glucomannan blev isoleret fra japansk cedertræ i henhold til en tidligere rapporteret procedure, der omfatter ekstraktion af de rester, der er opnået ved forekstraktion af xylan fra holocellulose (delignificeret træ) ved hjælp af en vandig opløsning af natriumhydroxid (24%) og borsyre (5%). I denne procedure blev det imidlertid konkluderet, at det ikke var muligt at fjerne borsyreforureningen fra den isolerede glucomannan, selv ikke ved anvendelse af harpikser. Af disse grunde blev konjac glucomannan anvendt som det isolerede glucomannan heri.

Den nedbrydningstemperatur for xylosenhederne i begge træsorter skiftede til højere temperaturer sammenlignet med de isolerede xylaner, hvilket tyder på, at xylan i cellevæggene i begge træsorter er væsentligt stabiliseret. Endvidere observeres det, at reaktiviteten svarer til glucomannan i cedertræ, som beskrevet ovenfor. 4-O-MeGlcA-enhederne er også stabiliseret i træerne, men den observerede stabilitet er forskellig for cedertræ og bøg. Disse resultater tyder på, at de 4-O-MeGlcA-enheder, der er knyttet til xylankæden, er begrænsede i træets cellevægge, hvor 4-O-MeGlcA ikke fungerer korrekt som syre- og basekatalysator for xylannedbrydning. Disse resultater vil give ny indsigt til forskningsgrupper inden for træpyrolyse, fordi xylan i øjeblikket menes at være mere reaktivt end glucomannan i træpyrolyse.

Reaktiviteten af mannoseenhederne udviser den modsatte tendens for cedertræ og bøgetræ; mannoseenhederne i cedertræ nedbrydes ved lidt højere temperaturer end konjac glucomannan, mens mannoseenhederne i bøgetræ nedbrydes ved betydeligt lavere temperaturer, selv om glucomannanindholdet er relativt lavt i bøgetræ. Disse resultater tyder på, at det miljø, hvor glucomannan findes, er forskelligt i cellevægsmatrixen i cedertræ og bøgetræ. En mulig forklaring på den øgede reaktivitet af glucomannan i bøgetræ er, at 4-O-MeGlcA-grupperne fungerer som syre/base-katalysatorer i nærheden af glucomannan i bøgetræets cellevæg, som omtalt senere.

Arabinose- og galactoseenheder i bøgetræ nedbrydes ved lavere temperaturer end i cedertræ. Den større reaktivitet af galactoseenhederne i bøgetræ kan forklares med reaktiviteten af glucomannan, som var større i bøgetræ end i cedertræ, fordi galactose er den mindre vigtige komponent i glucomannan i begge træsorter. Der skal dog tages hensyn til bidraget fra pektin i forbindelse med reaktiviteten af disse mindre sukkerenheder. Den misfarvning af bøgetræ, der begyndte ved en lavere temperatur på 240 °C sammenlignet med cedertræet (fig. 3), kan hænge sammen med den større reaktivitet af arabinose- og galactoseenheder sammen med glucomannan.

Cellulose-reaktivitet og tildeling af TG/DTG-kurver

Figur 6 illustrerer TG/DTG-profilerne målt for bøge- og cedertræ ved samme opvarmningshastighed (10 °C/min), som blev anvendt til ovenstående pyrolyseforsøg, sammen med nedbrydningsadfærden for cellulose og hemicelluloser, udtrykt i vægtprocent baseret på indholdet i træet, som blev groft estimeret ud fra udbyttet af hydrolyserbare sukkerstoffer. Indholdet af xylan og glucomannan i det pyrolyserede træ blev beregnet ved at multiplicere det respektive indhold i det oprindelige træ med genvindingsgraden af henholdsvis methylxylosid og methylmannosid, der blev opnået ved methanolyse. Celluloseindholdet blev bestemt ud fra det glucoseudbytte, der blev opnået ved hydrolyse, ved at trække udbyttet af glucomannan fra, idet det blev antaget, at reaktiviteten af glucose- og mannoseenhederne i glucomannan er den samme. Selv om TG/DTG-kurverne vises ved lidt højere temperaturer end nedbrydningen af træpolysaccharider, er sammenligningen af datasættene nyttig med henblik på TG/DTG-kurvetildeling.

Thermogravimetriske (TG)/Derivative TG-profiler, der viser genvinding af cellulose, xylan og glucomannan fra: a japansk cedertræ og b japansk bøgetræ (kun cellulose-origineret glukose blev talt for at bestemme glukoseudbyttet)

Der ses tydeligt en skulder i bøgens DTG-kurve sammen med en top, mens DTG-kurven for cedertræ kun udviser en bred top. En sådan forskel er tidligere blevet antaget at stamme fra den større reaktivitet af xylan, som er mere rigeligt forekommende i løvtræ . Den nuværende undersøgelse klarlægger imidlertid, at glucomannan i bøg er betydeligt mere reaktivt end xylan, hvilket tyder på, at skulderen i DTG-kurven for bøg ikke er relateret til hemicellulose-reaktiviteten.

I modsætning hertil er nedbrydningsadfærden for cellulose forskellig for cedertræ og bøgetræ. Cellulose i bøg er stabil op til ~ 320 °C, hvor xylan og glucomannan næsten nedbrydes. Den termiske nedbrydning af cellulose sker således uafhængigt af nedbrydningen af hemicellulose i bøgetræets cellevæg. Omvendt nedbrydes cellulose i cedertræ typisk sammen med nedbrydning af xylan og glucomannan. Som det fremgår af fig. 6, fører de overlappende temperaturintervaller for nedbrydning af cedertræcellulose og hemicelluloser derfor til ét bredt DTG-top.

Indflydelse af cellevæggens ultrastruktur

Esterificering med lignin kan delvis forklare den ineffektive katalytiske aktivitet af 4-O-MeGlcA i træets cellevæg. Tre typer af lignin-kulhydratkompleks (LCC)-bindinger, Cγ-ester med 4-O-MeGlcA, benzylether og phenylglycosid, Fig. 7, er rapporteret i cellevægge af nåletræ og løvtræ . Denne esterdannelse gør en del af 4-O-MeGlcA-grupperne inaktive som syre/base-katalysatorer for hemicelluloser og cellulose. Selv om foresteringshastigheden ikke er klar på nuværende tidspunkt, antages det, at der findes frie 4-O-MeGlcA-enheder i træets cellevæg på grundlag af kationbytningsevnen og fordelingen af alkali- og jordalkalimetallkationer i cellevæggene . Følgelig er nogle af 4-O-MeGlcA-grupperne i cellevæggen ineffektive, selv uden dannelse af esterbindinger med lignin.

Tre typer af lignin-kulhydratkompleksbindinger

Acetylgrupper er knyttet til xylan i bøg og glucomannan i cedertræ, selv om de isolerede hemicelluloser i fig. 5 ikke indeholder nogen acetylgrupper. Sådanne acetylgrupper kan påvirke xylan og glucomannan reaktiviteten i træets cellevægge. Dette ville dog ikke være vigtigt, da xylaner i begge træsorter udviste samme reaktivitet.

Xylan og glucomannan er normalt involveret i dannelsen af LCC-bindinger med lignin , hvilket indikerer, at hemicellulose og lignin eksisterer i nærheden af hinanden ved dannelse af kemiske bindinger. Disse strukturer i træcellens matrix kan begrænse mobiliteten af 4-O-MeGlcA-grupperne, selv om denne hypotese skal bekræftes ved yderligere undersøgelser af træcellens matrix og pyrolytisk reaktivitet. Den større reaktivitet af glucomannan i bøgetræ kan forklares ved denne hypotese; glucomannan findes i nærheden af 4-O-MeGlcA i bøgetræets cellevæg, hvorimod et angreb af xylans xylosehovedkæde af 4-O-MeGlcA ikke er muligt. Disse resultater vil være af stor interesse for træanatomer og forskere inden for pyrolyse.

Cellulose’s pyrolytiske reaktivitet er i sagens natur bestemt af den krystallinske natur. De molekyler, der udgør nanokrystallitterne (tiendedele af nm i tværsnit), er stabile, og derfor indledes den termiske nedbrydning fra overflademolekylerne . Forud for nedbrydningen er der en “induktionsperiode”, der observeres for at aktivere cellulosen, hvilket førte til begrebet “aktiv cellulose”-dannelse . Det foreslås også, at den reducerende ende under aktiveringen af cellulose spiller en rolle for den termiske misfarvning og vægttabsadfærd. Således spiller cellulosekrystallitoverfladen og grænsefladen mellem hemicellulose-lignin-matrixen en vigtig rolle ved bestemmelsen af cellulose-reaktiviteten, som illustreret i fig. 8, som antydes at være forskellig for ceder- og bøgetræer. Nedbrydning af hemicellulose kan aktivere overflademolekylerne i cedertræcellulose, men dette er dog ikke observeret for bøg.

Hæmicellulose-lignin-matrixens og cellulose-mikrofibrillenes overfladegrænsefladerolle for cellulose-reaktiviteten under pyrolyse, hvilket forventes at være forskelligt for japansk cedertræ og japansk bøgetræ

Sammensætningen af cellulose og hemicellulose i træets cellevægge har fået stor opmærksomhed inden for træets anatomi, og der er foreslået forskellige arrangementer for nåletræets og løvtræets cellevægge, som illustreret i fig. 9. Der er rapporteret om en stærk binding af glucomannan til cellulose i nåletræets cellevægge . På grundlag af resultaterne af dynamisk mekanisk analyse med FT-IR-spektrometri rapporterede Åkerholm og Salmén om den tætte forbindelse mellem cellulose og glucomannan i træfibre af rødgran (Picea abies), selv om xylan ikke viste nogen mekanisk interaktion med cellulose. Kumagai og Endo anvendte en kvartskrystalmikrobalance til at studere cellulasens virkning under enzymatisk hydrolyse af nanofibre af lignocellulose fremstillet af japansk cedertræ (et nåletræ) og eukalyptus (et hårdttræ). Rapporten konkluderede, at cellulose er dækket af glucomannan i japansk cedertræ, fordi fjernelse af glucomannan ved mannanasebehandlingen var nødvendig for, at cellulase kunne binde sig til cellulose. Xylan og lignin anses for at eksistere mellem glucomannan-belagt cellulose i nåletræ (fig. 9a) .

Skematisk oversigt over de foreslåede cellevægsarrangementer af cellulose, hemicellulose og lignin for nåletræ og løvtræ

Og omvendt, for så vidt angår cellevægge af løvtræ, har Dammström rapporteret om dynamiske FT-IR-analysedata for asp (Populus tremula), hvilket tyder på, at xylan er stærkt associeret med cellulose, i stedet for glucomannan i tilfælde af nåletræ. Xylans tilknytning til cellulose bruges også til at forklare den spiralformede række af cellulosemikrofibriller; negativt ladede 4-O-MeGlcA-grupper i xylan, der er knyttet til overfladen af cellulosemikrofibriller, bidrager til at opretholde rummet mellem mikrofibrillerne, hvilket giver en kolesterisk mesofase . Der har imidlertid været uenighed om, at xylan i opløsning danner en tredobbelt spiralformet skruekonformation, hvilket hindrer xylan i at kombinere sig med cellulose, der har en todelt konformation . Simmons et al. rapporterede klare beviser for bindingen af xylan til cellulose ved hjælp af faststof-NMR; xylan, der i opløsning har en tredobbelt spiralformet skrue, flader ud til en todelt spiralformet skrue for at binde sig tæt til cellulose. Disse observationer støttes også af teoretiske beregninger . Disse oplysninger tyder på, at xylan binder sig til cellulosemikrofibriller i stedet for glucomannan i cellevægge af løvtræ, som vist i fig. 9b.

Cedertræets og bøgetræets cellulose-reaktivitet kan påvirkes forskelligt af variationen i sammensætningen, selv om man hidtil ikke har forstået de detaljerede mekanismer fuldt ud. Derfor er det nødvendigt med yderligere oplysninger med hensyn til træets anatomi.