Thermische reactiviteit van hemicellulose en cellulose in celwanden van ceder- en beukenhout

Hemicellulose en andere kleine sacharidenreacties in houtcelwanden

Figuur 3 vergelijkt de foto’s van hittebehandeldbehandeld Japans beukenhout en Japans cederhout onderworpen aan temperaturen van 220-380 °C (10 °C/min). De verkleuring van het beukenhout begon bij 240 °C, waarbij de kleur veranderde in bruin en verder verdonkerde naarmate de temperatuur hoger werd. Omgekeerd trad verkleuring van het cederhout op bij een hoger temperatuurbereik van 320-340 °C. Wat verkleuring betreft, is beukenhout dus reactiever dan cederhout. Deze resultaten kunnen het gevolg zijn van de verschillende pyrolytische reactiviteit van de houtcomponenten, die in de volgende paragrafen zal worden besproken.

Afbeeldingen van het uiterlijk van: a Japans cederhout en b Japans beukenhout na te zijn onderworpen aan pyrolyse bij verschillende temperaturen (10 °C/min, geen wachttijd), onder een stikstofstroom (100 ml/min)

Verschuivingen in het gehalte hydrolyseerbare suikers in de warmtebehandelde houtsoorten worden getoond in Fig. 4, toegespitst op zes suikercomponenten: arabinose, glucose, galactose, mannose, xylose en 4-O-MeGlcA. Het gehalte aan hydrolyseerbare suikers wordt weergegeven als het percentage teruggewonnen suiker ten opzichte van de opbrengst van onbehandeld hout (genormaliseerd op 100%). Andere suikers dan glucose werden bepaald als de overeenkomstige methylglycosiden verkregen door zure methanolyse, vanwege de instabiliteit van hemicellulose- en pectine-afgeleide suikers wanneer ze worden onderworpen aan strengere hydrolysecondities die stabiele kristallijne cellulose hydrolyseren.

Tabel 1 toont suikersamenstellingen bepaald uit onbehandeld ceder- en beukenhout. De oorsprong van deze suikers moet worden besproken, op basis van de literatuur , voorafgaand aan de vergelijking van de pyrolyse resultaten. Een aanzienlijke hoeveelheid glucose is afkomstig van cellulose, maar glucose is ook het bestanddeel van glucomannaan. De verschillende xylose- en mannosegehaltes in ceder- en beukenhout worden verklaard door het bekende verschil in samenstelling van hemicellulose in loofhout en zachthout: xylan en sporen van glucomannaan in loofhout, terwijl zachthout typisch glucomannaan in grote en xylan in kleine hoeveelheden bevat. Veranderingen in de opbrengst van mannose en xylose geven dus rechtstreeks de afbraak van respectievelijk glucomannaan en xylan aan tijdens de pyrolyse van hout. De afname van de terugwinning van glucose houdt verband met de afbraak van cellulose in beukenhout, maar voor cederhout moet de bijdrage van de afbraak van glucomannaan in aanmerking worden genomen.

Xylan in zowel ceder- als beukenhout bevat 4-O-MeGlcA als zure suikerkomponent die naar verwachting als zuur-base (als metaaluronaat) katalysator fungeert , wat erop wijst dat deze eenheid de afbraak van houtcelwandbestanddelen kan versnellen. De doeltreffendheid van dit versnellingseffect in celwanden wordt in dit document in het bijzonder besproken. Typisch is dat het 4-O-MeGlcA gehalte groter is in loofhout dan in naaldhout, zoals vastgesteld voor beuk (20 g/kg) en ceder (9 g/kg), Tabel 1.

De herkomst van arabinose en galactose is complexer. Arabinose is een bestanddeel van zachthout-xylan, maar niet van hardhout-xylan. Galactose zit echter vast aan de glucomannanketen van beide houtsoorten. Voor deze kleine suikers kan het pectinegehalte in de primaire celwand, dat arabinose en galactose als primaire suikers bevat, niet worden genegeerd. Bijgevolg is het begrijpen van de pyrolytische afbraak van arabinose- en galactose-eenheden moeilijk met betrekking tot de houtcomponenten.

In Fig. 4 wordt de afbraak van glucose-eenheden waargenomen in het hoogste temperatuurgebied voor beide houtsoorten, wat consistent is met de afbraak van zeer stabiele cellulose. Omgekeerd is het temperatuurbereik waarin xylose- en mannose-eenheden worden afgebroken verschillend; xylose- en mannose-eenheden worden bij vergelijkbare temperaturen afgebroken voor cederhout, maar bij de pyrolyse van beukenhout worden de mannose-eenheden bij aanzienlijk lagere temperaturen afgebroken dan xylose. De xylose-eenheden in beide houtsoorten worden bij vergelijkbare temperaturen afgebroken, terwijl de mannose-eenheden in cederhout ook worden afgebroken. Bijgevolg wordt gesuggereerd dat hemicelluloses in de celwanden van beide houtsoorten een vergelijkbare reactiviteit hebben, behalve glucomannan in beukenhout dat reactiever is dan andere hemicelluloses.

De pyrolytische reactiviteit van de suikereenheden in hemicellulose in ceder- en beukenhout, zoals weergegeven in Fig. 4, wordt vergeleken met die van geïsoleerd xylan en glucomannan in Fig. 5, om de invloed van de celwandmatrix te verduidelijken. De resultaten van de geïsoleerde hemicelluloses zijn aangegeven met stippellijnen. Commercieel xylan van beukenhout, waarin het merendeel van de ureumzuurmoleculen bestaat als Na-zouten, werd samen met het gedemineraliseerde (vrije carboxyl) monster gebruikt als de geïsoleerde xylanen, en hun pyrolytische reactiviteit werd geëvalueerd door middel van een vergelijkbare procedure als in de huidige studie. Op basis van de analysegegevens van tien zachthout- en hardhoutsoorten in ons vorige artikel , zouden de meeste vrije carboxylgroepen 4-O-MeGlcA in xylan de zouten vormen met alkali- en aardalkalimetaalkationen, hoewel sommige betrokken zijn bij de vorming van esterbindingen met lignine, zoals later besproken.

Invloed van de pyrolysetemperatuur op de terugwinningspercentages voor: a xylose, b 4-O-MeGlcA, c mannose, d arabinose en e galactose in Japanse beuk (zwarte cirkel) en Japanse ceder (witte cirkel) houtsoorten, vergeleken met geïsoleerd xylan (witte naar boven wijzende driehoek: Na+ zout, zwarte naar boven wijzende driehoek: vrije carboxyl) en geïsoleerd glucomannaan (x). Pyrolysecondities: verwarmingssnelheid (10 °C/min)/stikstofstroom (100 ml/min)/geen wachttijd

Glucomannaan werd geïsoleerd uit Japans cederhout volgens een eerder gerapporteerde procedure die de extractie omvat van de resten die zijn verkregen door de voorextractie van xylan uit holocellulose (gedelignificeerd hout) met behulp van een waterige oplossing van natriumhydroxide (24%) en boorzuur (5%). Bij die procedure werd echter geconcludeerd dat de boorzuurverontreiniging niet uit het geïsoleerde glucomannaan kon worden verwijderd, zelfs niet bij gebruik van harsen. Om deze redenen werd konjacglucomannaan gebruikt als het geïsoleerde glucomannaan hierin.

De afbraaktemperatuur van de xylose-eenheden in beide houtsoorten verschoof naar hogere temperaturen in vergelijking met de geïsoleerde xylanen, wat suggereert dat xylan in de celwanden van beide houtsoorten aanzienlijk gestabiliseerd is. Verder is waargenomen dat de reactiviteit vergelijkbaar is met die van het glucomannaan in cederhout, zoals hierboven beschreven. De 4-O-MeGlcA eenheden zijn ook gestabiliseerd in de houtsoorten, maar de waargenomen stabiliteit is verschillend voor ceder- en beukenhout. Deze resultaten geven aan dat de 4-O-MeGlcA eenheden die aan de xylan keten vastzitten, beperkt zijn in de houtcelwanden, waar 4-O-MeGlcA er niet in slaagt om goed te functioneren als een zuur en base katalysator voor xylan degradatie. Deze bevindingen zullen nieuwe inzichten verschaffen aan onderzoeksgroepen op het gebied van houtpyrolyse omdat xylan momenteel wordt verondersteld reactiever te zijn dan glucomannaan bij houtpyrolyse.

De reactiviteit van de mannose-eenheden vertoont de tegenovergestelde trend voor ceder- en beukenhout; mannose-eenheden in cederhout worden bij iets hogere temperaturen afgebroken dan konjac-glucomannaan, terwijl de mannose-eenheden in beukenhout bij aanzienlijk lagere temperaturen worden afgebroken, hoewel het glucomannaangehalte in beukenhout relatief laag is. Deze resultaten suggereren dat de omgeving waarin glucomannaan voorkomt, verschilt in de celwandmatrix van ceder- en beukenhout. Een mogelijke verklaring voor de hogere reactiviteit van glucomannaan van beukenhout is dat de 4-O-MeGlcA-groepen als zuur/base-katalysator fungeren in de omgeving van glucomannaan in de celwand van beukenhout, zoals later wordt besproken.

Arabinose- en galactose-eenheden in beukenhout worden bij lagere temperaturen afgebroken dan die in cederhout. De grotere reactiviteit van de galactose-eenheden in beukenhout kan worden verklaard door de reactiviteit van glucomannaan, die in beukenhout groter was dan in cederhout, omdat galactose in beide houtsoorten het minder belangrijke bestanddeel van glucomannaan is. Niettemin moet de bijdrage van pectine in aanmerking worden genomen voor de reactiviteit van deze minder belangrijke suikereenheden. De verkleuring van beukenhout die begon bij een lagere temperatuur van 240 °C, in vergelijking met cederhout (Fig. 3), kan verband houden met de grotere reactiviteit van arabinose- en galactose-eenheden samen met glucomannaan.

Cellulose reactiviteit en toewijzing van TG/DTG curven

Figuur 6 illustreert de TG/DTG profielen gemeten voor beuken- en cederhout bij dezelfde verhittingssnelheid (10 °C/min), gebruikt voor de bovengenoemde pyrolyse experimenten, samen met het afbraakgedrag van cellulose en hemicelluloses, uitgedrukt in wt% op basis van het gehalte in het hout, die ruw geschat werden uit de opbrengsten van hydrolyseerbare suikers. Het xylan- en glucomannaangehalte in het gepyrolyseerde hout werd berekend door het respectieve gehalte in het oorspronkelijke hout te vermenigvuldigen met het terugwinningspercentage van respectievelijk methylxyloside en methyl mannoside, verkregen door methanolyse. Het cellulosegehalte werd bepaald uit de door hydrolyse verkregen glucose-opbrengst door de opbrengst van glucomannaan daarvan af te trekken, ervan uitgaande dat de reactiviteit van de glucose- en mannose-eenheden in glucomannaan vergelijkbaar is. Hoewel de TG/DTG-curven bij iets hogere temperaturen verschijnen dan de afbraak van houtpolysachariden, is de vergelijking van de gegevensreeks nuttig voor de toewijzing van de TG/DTG-curven.

Thermogravimetrische (TG)/Derivatieve TG-profielen die het herstel laten zien van cellulose, xylan en glucomannaan uit: a Japanse ceder en b Japanse beuk (alleen uit cellulose afkomstige glucose werd geteld om de glucoseopbrengst te bepalen)

Een schouder wordt duidelijk waargenomen in de beuk DTG-curve samen met een piek, terwijl de DTG-curve van ceder slechts één brede piek vertoont. Eerder werd aangenomen dat een dergelijk verschil het gevolg was van de grotere reactiviteit van xylan, dat in loofhout overvloediger aanwezig is. Het huidige onderzoek maakt echter duidelijk dat het glucomannaan in beuken aanzienlijk reactiever is dan xylan, wat suggereert dat de schouder in de beuken DTG curve geen verband houdt met de reactiviteit van hemicellulose.

In tegenstelling tot dit, is het afbraakgedrag van cellulose verschillend voor ceder- en beukenhout. Cellulose in beukenhout is stabiel tot ~ 320 °C, waar xylan en glucomannaan bijna worden afgebroken. De thermische afbraak van cellulose gebeurt dus onafhankelijk van de afbraak van hemicellulose in de celwand van beukenhout. Omgekeerd wordt cellulose in cederhout gewoonlijk samen met xylan en glucomannan afgebroken. Bijgevolg leidt, zoals aangegeven in Fig. 6, de overlapping van temperatuurbereiken voor de afbraak van cedercellulose en hemicelluloses tot één brede DTG-piek.

Invloed van de celwand-ultastructuur

Esterificatie met lignine kan de ineffectieve katalytische activiteit van 4-O-MeGlcA in de houtcelwand gedeeltelijk verklaren. Drie soorten lignine-koolhydraat complex (LCC) verbindingen, Cγ-ester met 4-O-MeGlcA, benzyl ether, en fenyl glycoside, Fig. 7, zijn gerapporteerd in zachthout en hardhout celwanden . Deze estervorming maakt een deel van de 4-O-MeGlcA-moleculen inactief als zuur/base katalysator voor hemicelluloses en cellulose. Hoewel de veresteringssnelheid momenteel niet duidelijk is, wordt op basis van het kationenuitwisselingsvermogen en de verdeling van alkali- en aardalkalimetaalkationen binnen de celwanden gesuggereerd dat er vrije 4-O-MeGlcA-moleculen in de houtcelwand voorkomen. Bijgevolg zijn sommige van de 4-O-MeGlcA-moleculen in de celwand onwerkzaam, zelfs zonder de vorming van de esterbindingen met lignine.

Drie soorten lignine-koolhydraatcomplexe bindingen

Acetylgroepen zijn verbonden aan xylan in beuk en glucomannaan in cedar, hoewel de geïsoleerde hemicellulosen in Fig. 5 geen acetylgroepen bevatten. Dergelijke acetylgroepen kunnen de reactiviteit van xylan en glucomannan in houtcelwanden beïnvloeden. Dit zou echter niet van belang zijn omdat xylanen in beide houtsoorten vergelijkbare reactiviteiten vertoonden.

Xylan en glucomannaan zijn normaliter betrokken bij de vorming van LCC-bindingen met lignine , wat erop wijst dat hemicellulose en lignine in elkaars nabijheid bestaan door de vorming van chemische bindingen. Deze structuren in de matrix van de houtcelwand kunnen de mobiliteit van de 4-O-MeGlcA-moleculen beperken, hoewel deze hypothese moet worden bevestigd door verder onderzoek van de houtcelwandmatrix en de pyrolytische reactiviteit. De grotere reactiviteit van glucomannaan in beukenhout kan door deze hypothese worden verklaard; glucomannaan bevindt zich in de nabijheid van 4-O-MeGlcA in de celwand van beukenhout, terwijl een aanval van de xylose-hoofdketen in xylan door 4-O-MeGlcA niet mogelijk is. Deze resultaten zullen van groot belang zijn voor houtanatomisten, alsook voor onderzoekers op het gebied van pyrolyse.

De pyrolytische reactiviteit van cellulose wordt intrinsiek bepaald door de kristallijne aard. De moleculen waaruit de nanokristallieten bestaan (tientallen nm in doorsnede) zijn stabiel, en daarom wordt de thermische afbraak geïnitieerd vanuit de oppervlaktemoleculen. Voorafgaand aan de ontleding is er een “inductieperiode” die wordt waargenomen om cellulose te activeren, hetgeen heeft geleid tot het concept van de vorming van “actieve cellulose” . De rol van het reducerende uiteinde tijdens de activering van cellulose voor thermische verkleuring en gewichtsverliesgedrag wordt ook gesuggereerd. Het oppervlak van de cellulosekristallieten en het raakvlak tussen hemicellulose en de ligninematrix speelt dus een belangrijke rol bij het bepalen van de reactiviteit van cellulose, zoals geïllustreerd in fig. 8, waarvan wordt gesuggereerd dat het voor ceder- en beukenhout verschillend is. Afbraak van hemicellulose kan de oppervlaktemoleculen van cederhoutcellulose activeren, maar dit wordt niet waargenomen bij beukenhout.

Rol van de hemicellulose-lignine matrix en cellulose microfibril oppervlakte-interface voor cellulose reactiviteit tijdens pyrolyse, die naar verwachting verschillend zal zijn voor Japanse ceder en Japanse beuk

De assemblage van cellulose en hemicelluloses in de houtcelwanden heeft veel aandacht gekregen op het gebied van de houtanatomie, en er worden verschillende regelingen voorgesteld voor celwanden van naaldhout en hardhout, zoals geïllustreerd in Fig. 9. Er is melding gemaakt van een sterke binding van glucomannaan aan cellulose in celwanden van zachthout. Gebaseerd op de resultaten van dynamische mechanische analyse met FT-IR spectrometrie, rapporteerden Åkerholm en Salmén de nauwe verbinding tussen cellulose en glucomannan in de houtvezels van de fijnspar (Picea abies), hoewel xylan geen mechanische interactie met cellulose vertoonde. Kumagai en Endo gebruikten een kwartskristal microbalans voor het bestuderen van de werking van cellulase tijdens enzymatische hydrolyse van lignocellulose nanovezels bereid uit Japanse ceder (een zachthoutsoort) en eucalyptus (een hardhoutsoort). In het rapport werd geconcludeerd dat cellulose in Japanse ceder bedekt is met glucomannaan, omdat de verwijdering van glucomannaan door de mannanasebehandeling noodzakelijk was voor cellulase om zich aan cellulose te binden. Xylan en lignine worden geacht te bestaan tussen met glucomannaan bedekte cellulose in zachthout (Fig. 9a) .

Schematische weergave van de voorgestelde celwandopstellingen van cellulose, hemicellulose en lignine voor naaldhout en loofhout

Omgekeerd, in het geval van celwanden van hardhout heeft Dammström de dynamische FT-IR analysegegevens van esp (Populus tremula) gerapporteerd, die suggereren dat xylan sterk geassocieerd is met cellulose, in plaats van glucomannaan in het geval van zachthout. De associatie van xylan met cellulose wordt ook gebruikt om de spiraalvormige structuur van cellulose microfibrillen te verklaren; negatief geladen 4-O-MeGlca moleculen in xylan, gehecht aan het oppervlak van cellulose microfibrillen, helpen om de ruimte tussen de microfibrillen in stand te houden, waardoor een cholesterische mesofase ontstaat. Er is echter controverse geweest omdat xylan in oplossing een drievoudige spiraalvormige schroefconformatie vormt, waardoor xylan zich niet kan verbinden met cellulose met een tweevoudige conformatie. Simmons et al. rapporteerden duidelijke bewijzen voor de binding van xylan aan cellulose door middel van NMR in vaste toestand; xylan dat in oplossing een drievoudige spiraalvormige schroef vertoont, vlakt af tot een tweevoudige helicoïdale schroef om zich intiem aan cellulose te binden. Deze waarnemingen worden ook ondersteund door theoretische berekeningen. Deze informatie wijst erop dat xylan zich bindt aan cellulose microfibrillen in plaats van glucomannan in hardhout celwanden, zoals te zien is in Fig. 9b.

De cellulose reactiviteit van ceder en beukenhout kan verschillend beïnvloed worden door de variatie in de samenstelling, hoewel opheldering van de gedetailleerde mechanismen tot nu toe niet volledig begrepen is. Daarom is verdere informatie met betrekking tot de houtanatomie noodzakelijk.