Thermal reactivity of hemicellulose and cellulose in cedar and beech wood cell wall

Hemicellulose and other minor saccharide reactivity in wood cell wall

A 3. ábra összehasonlítja a hőreakciók képeit.a 220-380 °C-os (10 °C/perc) hőmérsékletnek kitett japán bükk és japán cédrus faanyagok hőkezelt képeit. A bükkfa elszíneződése 240 °C-on kezdődött, a szín barnára változott, és a hőmérséklet növekedésével tovább sötétedett. Ezzel szemben a cédrusfa elszíneződése magasabb, 320-340 °C-os hőmérséklet-tartományban következett be. Az elszíneződés szempontjából tehát a bükkfa reaktívabb, mint a cédrusfa. Ezek az eredmények a fakomponensek eltérő pirolitikus reakcióképességéből eredhetnek, amelyet a következő bekezdésekben tárgyalunk.

Képek: a japán cédrus és b japán bükk faanyagok megjelenéséről, miután különböző hőmérsékleten (10 °C/perc, tartási idő nélkül), nitrogénáramlás (100 ml/perc)

A hőkezelt faanyagok hidrolizálható cukortartalmának változásait mutatja az ábra. 4. ábrán látható, hat cukorkomponensre összpontosítva: arabinóz, glükóz, galaktóz, mannóz, xilóz és 4-O-MeGlcA. A hidrolizálható cukortartalom a visszanyert cukor százalékos arányát mutatja a kezeletlen fából származó hozamhoz képest (100%-ra normalizálva). A glükóztól eltérő cukrokat savas metanolízissel nyert megfelelő metilglikozidokként határoztuk meg, mivel a hemicellulózból és pektinből származó cukrok instabilak, ha szigorúbb hidrolízis körülményeknek vetjük alá, amelyek a stabil kristályos cellulózt hidrolizálják.

Az 1. táblázat a kezeletlen cédrusfából és bükkfából meghatározott cukorösszetételeket mutatja. A pirolízis eredményeinek összehasonlítása előtt a szakirodalom alapján meg kell vitatni ezeknek a cukroknak az eredetét. A glükóz jelentős része a cellulózból származik, azonban a glükóz a glükomannán alkotórésze is. A cédrusfa és a bükkfa eltérő xilóz- és mannóz-tartalmát a keményfa és a puhafa jól ismert hemicellulóz összetételbeli különbsége magyarázza: a keményfában xilán és nyomokban glükomannán, míg a puhafa jellemzően nagyobb mennyiségben tartalmaz glükomannánt és kisebb mennyiségben xilánt. Így a mannóz- és xilózhozam változásai közvetlenül jelzik a glükomannán, illetve a xilán lebomlását a fa pirolízise során. A glükóz kinyerésének csökkenése a bükkben a cellulóz lebontásával függ össze, a cédrus esetében azonban a glükomannán lebontásának hozzájárulását is figyelembe kell venni.

A xilán mind a cédrus, mind a bükkfában 4-O-MeGlcA-t tartalmaz, mint savas cukorkomponenst, amely várhatóan sav és bázis (mint fémuronát) katalizátorként működik , ami arra utal, hogy ez az egység gyorsíthatja a fa sejtfal összetevőinek lebontását. Ennek a sejtfalgyorsító hatásnak a hatékonyságát a jelen dolgozatban külön tárgyaljuk. Jellemzően a 4-O-MeGlcA tartalom nagyobb a keményfában, mint a puhafában, amint azt a bükk (20 g/kg) és a cédrus (9 g/kg) esetében felismerték, 1. táblázat.

Az arabinóz és a galaktóz eredete összetettebb. Az arabinóz a puhafa xilán összetevője, de a keményfa xilánjának nem. A galaktóz azonban mindkét fafaj glükomannánláncához kapcsolódik. E kisebb cukrok esetében nem lehet figyelmen kívül hagyni az elsődleges sejtfal pektintartalmát, amely arabinózt és galaktózt tartalmaz elsődleges cukorként. Ennek megfelelően az arabinóz és galaktóz egységek pirolitikus lebomlásának megértése a faanyagkomponensek tekintetében nehézségekbe ütközik.

A 4. ábrán a glükóz egységek lebomlása mindkét fafaj esetében a legmagasabb hőmérsékleti tartományban figyelhető meg, ami összhangban van a nagy stabilitású cellulóz lebomlásával. Ezzel szemben a xilóz és a mannóz egységek lebomlásának hőmérsékleti tartománya eltérő; a xilóz és a mannóz egységek a cédrus esetében hasonló hőmérsékleten bomlanak le, azonban a bükkfa pirolízisében a mannóz egységek lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten bomlanak le, mint a xilóz. A xilózegységek mindkét fafajban hasonló hőmérsékleten bomlanak le, ahol a cédrusban a mannózegységek is lebomlanak. Következésképpen feltételezhető, hogy a két fafaj sejtfalában lévő hemicellulózok hasonló reaktivitással rendelkeznek, kivéve a bükkfa glükomannánját, amely reaktívabb, mint a többi hemicellulóz.

A 4. ábrán látható cédrus és bükkfa hemicellulózában lévő cukoregységek pirolitikus reaktivitását az 5. ábrán összehasonlítjuk az izolált xilán és glükomannán pirolitikus reaktivitásával, hogy megvilágítsuk a sejtfal mátrixának hatását. Az izolált hemicellulózok eredményei szaggatott vonalakkal vannak jelölve. A kereskedelmi bükkfa-xilánt, amelyben az uronsav-részek többsége Na-sóként létezik, a demineralizált (szabad karboxil) mintával együtt az izolált xilánokhoz használtuk, és pirolitikus reakcióképességüket a jelen vizsgálatban alkalmazott hasonló eljárással értékeltük . Korábbi tanulmányunkban tíz puhafa és keményfa faj elemzési adatai alapján , a xilánban lévő szabad karboxil 4-O-MeGlcA csoportok többsége alkáli- és alkáliföldfém kationokkal képezné a sókat, bár néhányan részt vesznek a ligninnel való észterkötések kialakításában, amint azt később tárgyaljuk.

A pirolízis hőmérsékletének hatása a visszanyerési arányokra: a xilóz, b 4-O-MeGlcA, c mannóz, d arabinóz és e galaktóz japán bükk (fekete kör) és japán cédrus (fehér kör) fákban, összehasonlítva az izolált xilánnal (fehér felfelé mutató háromszög): Na+ só, fekete felfelé mutató háromszög: szabad karboxil) és izolált glükomannán (x). Pirolízisfeltételek: fűtési sebesség (10 °C/perc)/nitrogénáramlás (100 ml/perc)/tartási idő nélkül

A glükomannánt japán cédrusfából izoláltuk egy korábban ismertetett eljárás szerint, amely magában foglalja a xilán holocellulózból (delignifikált fa) történő előextrakciója során kapott maradékok kivonását nátrium-hidroxid (24%) és bórsav (5%) vizes oldatával. Ez az eljárás azonban arra a következtetésre jutott, hogy a bórsavas szennyeződést még gyanták alkalmazásával sem lehetett eltávolítani az izolált glükomannánból. Ezen okok miatt a konjak glükomannánt használták itt izolált glükomannánként.

A xilózegységek lebomlási hőmérséklete mindkét fafajban magasabb hőmérsékletre tolódott el az izolált xilánokhoz képest, ami arra utal, hogy a xilán mindkét fa sejtfalában jelentősen stabilizálódik. Továbbá megfigyelhető, hogy a reakcióképesség hasonló a cédrusfa glükomannánjához, ahogyan azt fentebb leírtuk. A 4-O-MeGlcA egységek szintén stabilizáltak a fákban, azonban a megfigyelt stabilitás eltérő a cédrus és a bükk esetében. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a xilánlánchoz kapcsolódó 4-O-MeGlcA egységek korlátozottan vannak jelen a fa sejtfalában, ahol a 4-O-MeGlcA nem képes megfelelően működni a xilán lebontásának savas és bázikus katalizátoraként. Ezek az eredmények új betekintést nyújtanak a fa pirolízisével foglalkozó kutatócsoportok számára, mivel jelenleg úgy gondolják, hogy a xilán a fa pirolízisében reaktívabb, mint a glükomannán.

A mannózegységek reaktivitása ellentétes tendenciát mutat a cédrus és a bükkfa esetében; a mannózegységek a cédrusfában valamivel magasabb hőmérsékleten bomlottak le, mint a konjak glükomannán, míg a mannózegységek a bükkfában lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten bomlottak le, bár a glükomannán-tartalom viszonylag alacsony a bükkben. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a cédrusfa és a bükkfa sejtfalmátrixában eltérő az a környezet, amelyben a glükomannán létezik. A bükkfa glükomannán fokozott reakcióképességének egyik lehetséges magyarázata, hogy a 4-O-MeGlcA csoportok sav/bázis katalizátorként működnek a bükkfa sejtfalában a glükomannán közelében, amint azt később tárgyaljuk.

A bükkfában az arabinóz és galaktóz egységek alacsonyabb hőmérsékleten bomlanak le, mint a cédrusfában. A galaktózegységek nagyobb reaktivitása a bükkben a glükomannán reaktivitásával magyarázható, amely a bükkben nagyobb volt, mint a cédrusban, mivel a galaktóz a glükomannán kisebbik összetevője mindkét fában. Mindazonáltal a pektin hozzájárulását is figyelembe kell venni e kisebb cukoregységek reaktivitásához. A bükkfa elszíneződése, amely a cédrusfához képest alacsonyabb, 240 °C-os hőmérsékleten kezdődött (3. ábra), a glükomannánnal együtt az arabinóz- és galaktózegységek nagyobb reakcióképességével függhet össze.

Cellulóz reaktivitás és a TG/DTG görbék hozzárendelése

A 6. ábra a bükk és a cédrusfa esetében a fenti pirolízis-kísérletekhez használt azonos fűtési sebesség (10 °C/perc) mellett mért TG/DTG profilokat, valamint a cellulóz és a hemicellulózok lebomlási viselkedését mutatja, a fában lévő tartalom alapján tömegszázalékban kifejezve, amelyet a hidrolizálható cukrok hozamából durván becsültünk. A pirolizált faanyagok xilán- és glükomannán-tartalmát úgy számoltuk ki, hogy az eredeti faanyag megfelelő tartalmát megszoroztuk a metanolízis során nyert metilxilozid, illetve metilmannozid visszanyerési arányával. A cellulóztartalmat a hidrolízis során kapott glükózhozamból határoztuk meg a glükomannánból származó hozam levonásával, feltételezve, hogy a glükomannánban lévő glükóz- és mannózegységek reaktivitása hasonló. Bár a TG/DTG görbék valamivel magasabb hőmérsékleten jelennek meg, mint a fa poliszacharidjainak lebomlása, az adatsorok összehasonlítása hasznos a TG/DTG görbék hozzárendeléséhez.

Thermogravimetriás (TG)/Derivatív TG profilok, amelyek a cellulóz, a xilán és a glükomannán visszanyerését mutatják:

A bükk DTG-görbén egyértelműen megfigyelhető egy váll egy csúcs mellett, míg a cédrus DTG-görbéje csak egy széles csúcsot mutat. Korábban úgy vélték, hogy ez a különbség a keményfában nagyobb mennyiségben előforduló xilán nagyobb reakcióképességéből ered . A jelen vizsgálat azonban tisztázza, hogy a bükkben a glükomannán lényegesen reaktívabb, mint a xilán, ami arra utal, hogy a bükk DTG görbén látható váll nem a hemicellulóz reaktivitásával függ össze.

Ezzel ellentétben a cellulóz lebomlási viselkedése eltérő a cédrus és a bükk fafajok esetében. A bükk cellulóz ~ 320 °C-ig stabil, ahol a xilán és a glükomannán szinte lebomlik. A cellulóz termikus lebomlása tehát a hemicellulóz lebomlásától függetlenül történik a bükkfa sejtfalában. Ezzel szemben a cellulóz a cédrusfában jellemzően a xilán és a glükomannán lebomlásával együtt bomlik le. Következésképpen, ahogy a 6. ábrán látható, a cédrus cellulóz és a hemicellulózok lebontásának egymást átfedő hőmérsékleti tartományai egyetlen széles DTG-csúcshoz vezetnek.

A sejtfal ultrastruktúrájának hatása

A ligninnel való észteresedés részben magyarázhatja a 4-O-MeGlcA hatástalan katalitikus aktivitását a fa sejtfalában. Háromféle lignin-szénhidrát komplex (LCC) kötést, Cγ-észter 4-O-MeGlcA-val, benzil-éter és fenil-glikozid, 7. ábra, jelentettek puhafa és keményfa sejtfalakban . Ez az észterképződés a 4-O-MeGlcA-részek egy részét inaktívvá teszi a hemicellulózok és a cellulóz sav/bázis katalizátoraként. Bár az észteresedés mértéke jelenleg nem egyértelmű, a szabad 4-O-MeGlcA-részek létezését a fa sejtfalában a kationcserélő képesség és az alkáli- és alkáliföldfém-kationok sejtfalon belüli eloszlása alapján feltételezik. Ennek megfelelően a sejtfalban lévő 4-O-MeGlcA-részek egy része a ligninnel való észterkötések kialakulása nélkül is hatástalan.

Háromféle lignin-szénhidrát komplex kötés

Bükkben a xilánhoz, cédrusban a glükomannánhoz kapcsolódnak acetilcsoportok, bár az 5. ábrán látható izolált hemicellulózok nem tartalmaznak acetilcsoportokat. Az ilyen acetilcsoportok befolyásolhatják a xilán és a glükomannán reaktivitását a fa sejtfalában. Ez azonban nem lenne fontos, mivel a xilánok mindkét fafajban hasonló reaktivitást mutattak.

A xilán és a glükomannán általában részt vesznek a ligninnel való LCC-kapcsolatok kialakításában , ami azt jelzi, hogy a hemicellulóz és a lignin kémiai kötések kialakításával egymás közelében létezik. Ezek a struktúrák a fa sejtfal mátrixában korlátozhatják a 4-O-MeGlcA-részek mobilitását, bár ezt a hipotézist a fa sejtfal mátrixának és pirolitikus reakcióképességének további vizsgálataival meg kell erősíteni. A glükomannán nagyobb reaktivitása a bükkfában ezzel a hipotézissel magyarázható; a glükomannán a bükkfa sejtfalában a 4-O-MeGlcA közelében található, míg a xilán xilóz főláncának 4-O-MeGlcA általi támadása nem lehetséges. Ezek az eredmények jelentős érdeklődésre tarthatnak számot a fa anatómusai, valamint a pirolízis területén dolgozó kutatók számára.

A cellulóz pirolitikus reakcióképességét eredendően a kristályos jelleg határozza meg. A nanokristallitokat alkotó (több tíz nm-es keresztmetszetű) molekulák stabilak, ezért a termikus bomlás a felületi molekulákból indul ki . A bomlást megelőzően megfigyelhető egy “indukciós időszak”, amely aktiválja a cellulózt, ami az “aktív cellulóz” kialakulásának fogalmához vezetett . A redukáló vég szerepét a cellulóz aktiválása során a termikus elszíneződés és a súlycsökkentő viselkedés tekintetében is javasolták. Így a cellulóz kristályfelülete és a hemicellulóz-lignin mátrix határfelülete fontos szerepet játszik a cellulóz reaktivitásának meghatározásakor, amint azt a 8. ábra szemlélteti, amely a cédrus és a bükkfa esetében eltérőnek tűnik. A hemicellulóz lebomlása aktiválhatja a cédrus cellulóz felületi molekuláit, ez azonban a bükk esetében nem figyelhető meg.

A hemicellulóz-lignin mátrix és a cellulóz mikrofibrillumok felületi határfelületének szerepe a cellulóz reakcióképességében a pirolízis során, ami a japán cédrus és a japán bükk esetében várhatóan eltérő

A cellulóz és a hemicellulózok elrendeződése a fa sejtfalában jelentős figyelmet kapott a fa anatómiája terén, és a puhafa és keményfa sejtfalára különböző elrendeződéseket javasolnak, amint azt az ábra mutatja. 9. Jelentették a glükomannán erős kötődését a cellulózhoz a puhafa sejtfalakban. Åkerholm és Salmén az FT-IR spektrometriával végzett dinamikus mechanikai elemzés eredményei alapján a lucfenyő (Picea abies) faanyag rostjaiban a cellulóz és a glükomannán közötti szoros kapcsolatról számoltak be, bár a xilán nem mutatott mechanikai kölcsönhatást a cellulózzal. Kumagai és Endo kvarckristály-mikroműszert használtak a celluláz hatásának tanulmányozására a japán cédrusból (puhafa) és eukaliptuszból (keményfa) előállított lignocellulóz nanoszálak enzimatikus hidrolízise során. A jelentés arra a következtetésre jutott, hogy a cellulózt a japán cédrusban glükomannán borítja, mivel a glükomannán eltávolítása a mannanáz-kezeléssel szükséges volt ahhoz, hogy a celluláz a cellulózhoz kötődjön. Úgy vélik, hogy a puhafában a glükomannánnal bevont cellulóz között xilán és lignin található (9a. ábra) .

Sémakép a cellulóz, a hemicellulóz és a lignin javasolt sejtfal-elrendeződéséről a puhafa és a keményfa esetében

Viszont, a keményfa sejtfalak esetében Dammström közölte a nyárfa (Populus tremula) dinamikus FT-IR analízisének adatait, ami arra utal, hogy a xilán erősen kapcsolódik a cellulózhoz, a puhafa esetében a glükomannán helyett. A xilán cellulózhoz való társulása a cellulóz mikrofibrillumok helikoidális elrendeződésének magyarázatára is szolgál; a negatív töltésű 4-O-MeGlcA-részek a xilánban a cellulóz mikrofibrillumok felületéhez kapcsolódva segítenek fenntartani a mikrofibrillumok közötti teret, ami koleszterines mezofázist eredményez . Voltak azonban viták, mivel a xilán oldatban háromszoros spirális csavarkonformációt képez, ami akadályozza a xilán egyesülését a kétszeres konformációjú cellulózzal . Simmons és munkatársai szilárd halmazállapotú NMR segítségével egyértelmű bizonyítékot szolgáltattak a xilán cellulózhoz való kötődésére; az oldatban háromszoros helikális csavart mutató xilán kétszeres helikális csavarrá lapul, és így szorosan kötődik a cellulózhoz. Ezeket a megfigyeléseket elméleti számítások is alátámasztják. Ezek az információsorok arra utalnak, hogy a xilán a keményfák sejtfalában a glükomannán helyett a cellulóz mikrofibrillumokhoz kötődik, amint azt a 9b. ábra mutatja.

A cédrus és a bükk cellulóz reakcióképességét az összeszerelés eltérései eltérő módon befolyásolhatják, bár a részletes mechanizmusok tisztázása eddig nem teljesen tisztázott. Ezért további információkra van szükség a fa anatómiájával kapcsolatban.