Reaktywność termiczna hemicelulozy i celulozy w ścianach komórkowych drewna cedrowego i bukowego

Reaktywność hemicelulozy i innych drobnych sacharydów w ścianach komórkowych drewna

Rycina 3 przedstawia porównanie obrazów drewna buka japońskiego i cedru japońskiego poddanych obróbce termicznej w temperaturze 220-33 °C (10 °C/min).Rysunek 3 przedstawia zdjęcia drewna buka japońskiego i cedru japońskiego poddanych działaniu temperatury 220-380 °C (10 °C/min). Przebarwienia drewna bukowego rozpoczęły się w temperaturze 240 °C, a kolor zmieniał się na brązowy i ciemniał wraz ze wzrostem temperatury. Odwrotnie, odbarwienie drewna cedrowego nastąpiło w wyższym zakresie temperatur 320-340 °C. Tak więc, pod względem odbarwień, drewno bukowe jest bardziej reaktywne niż drewno cedrowe. Wyniki te mogą pochodzić z różnej reaktywności pirolitycznej składników drewna, co zostanie omówione w kolejnych punktach.

Zdjęcia wyglądu: a cedru japońskiego i b buka japońskiego po poddaniu ich pirolizie w różnych temperaturach (10 °C/min, bez okresu przetrzymania), pod przepływem azotu (100 mL/min)

Zmiany zawartości cukrów hydrolizowalnych w drewnie poddanym obróbce termicznej przedstawiono na Rys. 4, skupiając się na sześciu składnikach cukrowych: arabinozie, glukozie, galaktozie, mannozie, ksylozie i 4-O-MeGlcA. Zawartość cukrów ulegających hydrolizie przedstawiono jako procent odzyskanego cukru w stosunku do uzyskanego z drewna nie poddanego obróbce (znormalizowanego do 100%). Cukry inne niż glukoza określono jako odpowiadające im glikozydy metylowe otrzymane w wyniku kwaśnej metanolizy z powodu niestabilności cukrów pochodzących z hemicelulozy i pektyn, gdy poddaje się je surowszym warunkom hydrolizy, które hydrolizują stabilną celulozę krystaliczną.

Tabela 1 przedstawia składy cukrów określone z nieobrobionego drewna cedrowego i bukowego. Przed porównaniem wyników pirolizy należy przedyskutować pochodzenie tych cukrów, opierając się na danych literaturowych. Znaczna ilość glukozy pochodzi z celulozy, jednak glukoza jest również składnikiem glukomannanu. Różnice w zawartości ksylozy i mannozy w drewnie cedrowym i bukowym można wytłumaczyć dobrze znaną różnicą w składzie hemicelulozy w drewnie twardym i miękkim: ksylan i śladowe ilości glukomannanu w drewnie twardym, podczas gdy drewno miękkie zazwyczaj składa się z glukomannanu w większości i ksylanu w niewielkich ilościach. Tak więc zmiany w wydajności mannozy i ksylozy bezpośrednio wskazują na degradację glukomannanu i ksylanu, odpowiednio, podczas pirolizy drewna. Spadek odzysku glukozy jest związany z degradacją celulozy w buku, jednak w przypadku cedru należy wziąć pod uwagę udział degradacji glukomannanu.

Xylan zarówno w drewnie cedrowym jak i bukowym zawiera 4-O-MeGlcA jako kwaśny składnik cukrowy, który powinien działać jako katalizator kwasowo-zasadowy (jako uronian metalu) , co wskazuje, że jednostka ta może przyspieszać degradację składników ściany komórkowej drewna. Skuteczność tego efektu przyspieszenia w ścianach komórkowych jest szczególnie omówiona w niniejszej pracy. Zazwyczaj zawartość 4-O-MeGlcA jest większa w drewnie twardym niż miękkim, co rozpoznano dla buka (20 g/kg) i cedru (9 g/kg), tabela 1.

Pochodzenie arabinozy i galaktozy jest bardziej złożone. Arabinoza jest składnikiem ksylanu z drewna miękkiego, ale nie z drewna twardego. Jednak galaktoza jest dołączona do łańcucha glukomannanu w obu gatunkach drewna. W przypadku tych drugorzędnych cukrów, nie można ignorować zawartości pektyn w pierwotnej ścianie komórkowej, która zawiera arabinozę i galaktozę jako podstawowe cukry. W związku z tym, zrozumienie pirolitycznej degradacji jednostek arabinozy i galaktozy jest trudne w odniesieniu do składników drewna.

Na Rys. 4, degradacja jednostek glukozy jest obserwowana w obszarze najwyższej temperatury dla obu gatunków drewna, co jest zgodne z degradacją wysoce stabilnej celulozy. Natomiast zakres temperatur, w których ulegają degradacji jednostki ksylozowe i mannozowe jest różny; jednostki ksylozowe i mannozowe ulegają degradacji w podobnych temperaturach dla cedru, jednak w pirolizie drewna bukowego jednostki mannozowe ulegają degradacji w znacznie niższych temperaturach niż ksylozowe. Zaobserwowano, że jednostki ksylozowe w obu gatunkach drewna ulegają rozkładowi w podobnych temperaturach, przy czym jednostki mannozowe w cedrze również ulegają rozkładowi. W związku z tym sugeruje się, że hemicelulozy w ścianach komórkowych obu gatunków drewna mają podobną reaktywność, z wyjątkiem glukomannanu w drewnie bukowym, który jest bardziej reaktywny niż inne hemicelulozy.

Reaktywność pirolityczna jednostek cukrowych w hemicelulozie w drewnie cedrowym i bukowym, przedstawiona na Rys. 4, jest porównywana z reaktywnością izolowanego ksylanu i glukomannanu na Rys. 5, w celu wyjaśnienia wpływu matrycy ściany komórkowej. Wyniki dla wyizolowanych hemiceluloz są zaznaczone liniami przerywanymi. Komercyjny ksylan z drewna bukowego, w którym większość cząsteczek kwasu uronowego występuje w postaci soli Na, został użyty wraz z próbką zdemineralizowaną (wolny karboksyl) jako wyizolowane ksylany, a ich reaktywność pirolityczna została oceniona za pomocą podobnej procedury zastosowanej w niniejszej pracy. Na podstawie danych z analizy dziesięciu gatunków drewna miękkiego i twardego w naszej poprzedniej pracy, większość wolnych grup karboksylowych 4-O-MeGlcA w ksylanie tworzy sole z kationami metali alkalicznych i ziem alkalicznych, chociaż niektóre są zaangażowane w tworzenie wiązań estrowych z ligniną, jak omówiono później.

Wpływ temperatury pirolizy na stopień odzysku: a ksylozy, b 4-O-MeGlcA, c mannozy, d arabinozy i e galaktozy w drewnie buka japońskiego (czarne kółko) i cedru japońskiego (białe kółko), w porównaniu z izolowanym ksylanem (biały trójkąt skierowany ku górze: sól Na+, czarny trójkąt skierowany ku górze: wolny karboksyl) i wyizolowanym glukomannanem (x). Warunki pirolizy: prędkość ogrzewania (10 °C/min)/przepływ azotu (100 mL/min)/brak okresu przetrzymywania

Glukomannan wyizolowano z drewna cedru japońskiego zgodnie z wcześniej opisaną procedurą obejmującą ekstrakcję pozostałości uzyskanych w wyniku wstępnej ekstrakcji ksylanu z holocelulozy (drewno delignifikowane) za pomocą wodnego roztworu wodorotlenku sodu (24%) i kwasu borowego (5%). Jednakże w wyniku tej procedury stwierdzono, że zanieczyszczenia kwasem borowym nie mogą być usunięte z wyizolowanego glukomannanu nawet przy użyciu żywic. Z tych powodów, glukomannan konjac został użyty jako wyizolowany glukomannan w niniejszym dokumencie.

Temperatura degradacji jednostek ksylozy w obu lasach przesunęła się do wyższych temperatur w porównaniu z wyizolowanymi ksylanami, co sugeruje, że ksylan w ścianach komórkowych obu lasów jest znacznie ustabilizowany. Ponadto zaobserwowano, że reaktywność jest podobna do glukomannanu w drewnie cedrowym, jak opisano powyżej. Jednostki 4-O-MeGlcA są również stabilizowane w tych lasach, jednak obserwowana stabilność jest różna dla cedru i buka. Wyniki te wskazują, że jednostki 4-O-MeGlcA przyłączone do łańcucha ksylanu są ograniczone w ścianach komórkowych drewna, gdzie 4-O-MeGlcA nie może prawidłowo funkcjonować jako katalizator kwasowo-zasadowy degradacji ksylanu. Odkrycia te zapewnią nowy wgląd grupom badawczym w dziedzinie pirolizy drewna, ponieważ obecnie uważa się, że ksylan jest bardziej reaktywny niż glukomannan w pirolizie drewna.

Reaktywność jednostek mannozy wykazuje odwrotną tendencję dla drewna cedrowego i bukowego; jednostki mannozy w drewnie cedrowym ulegają degradacji w nieco wyższych temperaturach niż glukomannan konjac, podczas gdy jednostki mannozy w drewnie bukowym ulegają degradacji w znacznie niższych temperaturach, chociaż zawartość glukomannanu w buku jest stosunkowo niska. Wyniki te sugerują, że środowisko, w którym występuje glukomannan jest różne w macierzy ściany komórkowej drewna cedrowego i bukowego. Możliwym wyjaśnieniem zwiększonej reaktywności glukomannanu z drewna bukowego jest to, że grupy 4-O-MeGlcA działają jako katalizatory kwasów/zasad w pobliżu glukomannanu w ścianie komórkowej drewna bukowego, jak omówiono później.

Jednostki arabinozy i galaktozy w drewnie bukowym ulegają degradacji w niższych temperaturach niż te w drewnie cedrowym. Większa reaktywność jednostek galaktozy w buku może być wyjaśniona przez reaktywność glukomannanu, która była większa w buku niż w cedrze, ponieważ galaktoza jest mniejszym składnikiem glukomannanu w obu gatunkach drewna. Niemniej jednak, udział pektyn musi być brany pod uwagę przy reaktywności tych mniejszych jednostek cukrowych. Przebarwienia drewna bukowego, które rozpoczęły się w niższej temperaturze 240 °C, w porównaniu z drewnem cedrowym (Rys. 3), mogą być związane z większą reaktywnością jednostek arabinozy i galaktozy wraz z glukomannanem.

Reaktywność celulozy i przyporządkowanie krzywych TG/DTG

Rycina 6 ilustruje profile TG/DTG zmierzone dla drewna bukowego i cedrowego przy tej samej szybkości ogrzewania (10 °C/min), stosowanej w powyższych eksperymentach pirolizy, wraz z zachowaniem degradacji celulozy i hemiceluloz, wyrażonych jako % wagowe w oparciu o zawartość w drewnie, które zostały w przybliżeniu oszacowane na podstawie wydajności cukrów ulegających hydrolizie. Zawartość ksylanu i glukomannanu w pirolizowanym drewnie obliczono mnożąc odpowiednią zawartość w drewnie wyjściowym przez stopień odzysku metyloksylozydu i metylomannozydu uzyskanego w wyniku metanolizy. Zawartość celulozy określono na podstawie wydajności glukozy uzyskanej w wyniku hydrolizy, odejmując wydajność glukomannanu, przy założeniu, że reaktywność jednostek glukozy i mannozy w glukomannanie jest podobna. Chociaż krzywe TG/DTG pojawiają się w nieco wyższych temperaturach niż degradacja polisacharydów drewna, porównanie zestawu danych jest przydatne do przyporządkowania krzywych TG/DTG.

Profile termograwimetryczne (TG)/różnicowe TG przedstawiające odzysk celulozy, ksylanu i glukomannanu z: a cedru japońskiego i b buka japońskiego (tylko glukoza pochodząca z celulozy była liczona w celu określenia wydajności glukozy)

W krzywej DTG buka wyraźnie obserwuje się ramię wraz z pikiem, podczas gdy krzywa DTG cedru wykazuje tylko jeden szeroki pik. Wcześniej sądzono, że taka różnica wynika z większej reaktywności ksylanu, który jest bardziej obfity w drewnie liściastym. Obecne badania wyjaśniają jednak, że glukomannan w buku jest znacznie bardziej reaktywny niż ksylan, co sugeruje, że ramię w bukowej krzywej DTG nie jest związane z reaktywnością hemicelulozy.

W przeciwieństwie do tego, zachowanie degradacyjne celulozy jest różne dla drewna cedrowego i bukowego. Celuloza w buku jest stabilna do temperatury ~ 320 °C, gdzie ksylan i glukomannan prawie ulegają degradacji. Tak więc, termiczna degradacja celulozy zachodzi niezależnie od degradacji hemicelulozy w ścianie komórkowej drewna bukowego. Odwrotnie, celuloza w drewnie cedrowym zazwyczaj ulega degradacji wraz z degradacją ksylanu i glukomannanu. W konsekwencji, jak wskazano na Rys. 6, nakładające się zakresy temperatur dla degradacji celulozy i hemiceluloz w drewnie cedrowym prowadzą do jednego szerokiego piku DTG.

Wpływ ultrastruktury ściany komórkowej

Estryfikacja z ligniną może częściowo tłumaczyć nieefektywną aktywność katalityczną 4-O-MeGlcA w ścianie komórkowej drewna. W ścianach komórkowych drewna miękkiego i twardego stwierdzono występowanie trzech rodzajów połączeń kompleksu lignina-węglowodany (LCC): Cγ-estru z 4-O-MeGlcA, eteru benzylowego i glikozydu fenylowego (ryc. 7). Tworzenie się estrów powoduje, że część cząsteczek 4-O-MeGlcA staje się nieaktywna jako katalizatory kwasowo-zasadowe dla hemiceluloz i celulozy. Chociaż stopień estryfikacji nie jest obecnie jasny, sugeruje się istnienie wolnych grup 4-O-MeGlcA w ścianie komórkowej drewna w oparciu o zdolność wymiany kationów i rozmieszczenie kationów metali alkalicznych i ziem alkalicznych w ścianach komórkowych. Odpowiednio, niektóre z cząsteczek 4-O-MeGlcA w ścianie komórkowej są nieskuteczne, nawet bez tworzenia wiązań estrowych z ligniną.

Trzy typy wiązań kompleksowych lignina-węglowodany

Grupy acetylowe są przyłączone do ksylanu u buka i glukomannanu u cedru, chociaż wyizolowane hemicelulozy na Rys. 5 nie zawierają grup acetylowych. Takie grupy acetylowe mogą wpływać na reaktywność ksylanu i glukomannanu w ścianach komórkowych drewna. Nie byłoby to jednak istotne, ponieważ ksylany w obu lasach wykazywały podobną reaktywność.

Xylan i glukomannan są zwykle zaangażowane w tworzenie wiązań LCC z ligniną , wskazując, że hemiceluloza i lignina istnieją w pobliżu poprzez tworzenie wiązań chemicznych. Te struktury w matrycy ściany komórkowej drewna mogą ograniczać mobilność cząsteczek 4-O-MeGlcA, chociaż ta hipoteza wymaga potwierdzenia w dalszych badaniach matrycy ściany komórkowej drewna i reaktywności pirolitycznej. Większa reaktywność glukomannanu w drewnie bukowym może być wyjaśniona tą hipotezą; glukomannan występuje w pobliżu 4-O-MeGlcA w ścianie komórkowej drewna bukowego, podczas gdy atak 4-O-MeGlcA na łańcuch główny ksylozy w ksylanie nie jest możliwy. Wyniki te będą miały istotne znaczenie dla anatomów drewna, jak również dla badaczy w dziedzinie pirolizy.

Reaktywność pirolityczna celulozy jest wewnętrznie uwarunkowana jej krystaliczną naturą. Cząsteczki tworzące nanokrystality (dziesiątki nm w przekroju poprzecznym) są stabilne, a zatem degradacja termiczna inicjowana jest od cząsteczek powierzchniowych. Przed rozkładem występuje „okres indukcji”, w którym obserwuje się aktywację celulozy, co doprowadziło do powstania pojęcia „aktywnej celulozy”. Sugeruje się również rolę końca redukującego podczas aktywacji celulozy dla termicznego odbarwienia i zachowania utraty wagi. Tak więc, powierzchnia krystalitów celulozy oraz interfejs hemiceluloza-lignina odgrywa ważną rolę w określaniu reaktywności celulozy, jak pokazano na Rys. 8, co sugeruje, że jest ona różna dla drewna cedrowego i bukowego. Degradacja hemicelulozy może aktywować molekuły powierzchniowe celulozy cedru, jednak nie obserwuje się tego w przypadku buka.

Rola matrycy hemiceluloza-lignina i interfejsu powierzchni mikrofibryli celulozy dla reaktywności celulozy podczas pirolizy, co powinno być różne dla drewna cedru japońskiego i buka japońskiego

Zestawienie celulozy i hemiceluloz w ścianach komórkowych drewna cieszy się dużym zainteresowaniem w dziedzinie anatomii drewna, a różne układy są proponowane dla ścian komórkowych drewna miękkiego i twardego, jak pokazano na Rys. 9. Opisano silne wiązanie glukomannanu z celulozą w ścianach komórkowych drewna miękkiego. Na podstawie wyników dynamicznej analizy mechanicznej ze spektrometrią FT-IR, Åkerholm i Salmén donieśli o ścisłym połączeniu celulozy i glukomannanu we włóknach drewna świerka norweskiego (Picea abies), chociaż ksylan nie wykazywał mechanicznej interakcji z celulozą. Kumagai i Endo wykorzystali mikrobalans kwarcowy do badania działania celulazy podczas enzymatycznej hydrolizy nanowłókien lignocelulozowych przygotowanych z cedru japońskiego (miękkie drewno) i eukaliptusa (twarde drewno). W raporcie stwierdzono, że celuloza jest pokryta glukomannanem w cedrze japońskim, ponieważ usunięcie glukomannanu przez mannanazę było konieczne, aby celulaza mogła związać się z celulozą. Uważa się, że ksylan i lignina istnieją pomiędzy celulozą pokrytą glukomannanem w drewnie miękkim (Rys. 9a) .

Schematyczny widok proponowanych układów ścian komórkowych celulozy, hemicelulozy i ligniny dla drewna miękkiego i twardego

Odwrotnie, w przypadku ścian komórkowych drewna twardego, Dammström przedstawił dane z dynamicznej analizy FT-IR osiki (Populus tremula), sugerujące, że ksylan jest silnie związany z celulozą, a nie z glukomannanem w przypadku drewna miękkiego. Asocjacja ksylanu z celulozą jest również wykorzystywana do wyjaśnienia helikoidalnego układu mikrofibryli celulozy; ujemnie naładowane cząsteczki 4-O-MeGlcA w ksylanie przyczepione do powierzchni mikrofibryli celulozy pomagają utrzymać przestrzeń pomiędzy mikrofibrylami dając mezofazę cholesteryczną. Istnieją jednak kontrowersje, ponieważ ksylan w roztworze tworzy potrójną konformację śruby helikalnej, co utrudnia łączenie się ksylanu z celulozą o konformacji podwójnej. Simmons i wsp. przedstawili wyraźne dowody na wiązanie się ksylanu z celulozą za pomocą NMR w stanie stałym; ksylan wykazujący w roztworze konformację potrójnej śruby spiralnej spłaszcza się do postaci podwójnej śruby helikoidalnej, co pozwala mu na bliskie związanie się z celulozą. Obserwacje te są również poparte obliczeniami teoretycznymi. Powyższe informacje wskazują, że ksylan wiąże się z mikrofibrylami celulozy zamiast z glukomannanem w ścianach komórkowych drewna twardego, jak pokazano na Rys. 9b.

Reaktywność celulozy w drewnie cedrowym i bukowym może być kształtowana w różny sposób przez różnice w montażu, chociaż wyjaśnienie szczegółowych mechanizmów jak dotąd nie jest w pełni zrozumiałe. Dlatego też konieczne są dalsze informacje dotyczące anatomii drewna.

.