Szám: SK_000009_H
Szerző: Košíková, Božena ; Zákutná, Libuša ; Joniak, Dušan ; Baxa, Pavol ; Holota, Juraj
Cikk címe: A gőzölés feltételeinek hatása a lignocellulóz anyag hatékony hasznosítására
Kiadvány neve: Drevársky Výskum, 1988. évfolyam, 118. kötet, 15 – 39. oldal, Štátny drevársky výskumný ústav (ŠDVU), ALFA, Bratislava 1989.
Lásd az eredeti cikket:
http://library.envifor.eu:8282/greenstone/collect/PDF/SK_000009.pdf
Kulcs szavak: gőzölés, a faanyag hidrotermikus kezelése, fibrilláris struktúra, lignocellulóz anyag, lignin-poliszacharid komplex
Az eredeti rezümé nem lektorált fordítása:
A lignocellulóz alapanyagra épülő térfogat-energetikai takarmány gazdaságos előállítása magába foglalja annak oly módon történő kezelését, hogy maximális mértékben növekedjék az enzimatikus elérhetősége, minimalizálják a szacharid (szénhidrát)-veszteségeket, és melléktermékként nagy legyen a ligninkihozatal. A közölt kritériumoknak megfelelő potenciális technikák közül az autohidrolízis és explóziós rendszer jöhet számításba. A lignocellulóz anyag nem megfelelő enzimatikus hidrolizálhatósága fő okának a lignin jelenlétét tekintik. Korábbi munkáink alapján azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a bükk faforgácsnak az enzimekkel történő enzimatikus hidrolizálhatósága magas hőmérsékleten és és a lignin komponens meghagyása mellet a gőzölés folyamata során növekszik. Ennek az a magyarázata, hogy morfológiai változások következnek be, és a faanyag hemicellulóz összetevőjéből felszabaduló szerves savak lebontják a lignin-poliszacharid komplexet. A morfológiai változások során az aprítékban mikrokapilláris pórusos rendszer alakul ki és a másodlagos sejtfal rétegeiben lévő poliszacharidok hozzáférhetővé válnak az enzimatikus hidrolízis folyamata számára. E dolgozatnak az volt a célja, hogy megállapítsuk, milyen mértékben befolyásolja a savas-lúgos katalizátoroknak a gőzölés folyamata során történő hozzáadása a bükk faanyag ultrastruktúráját és annak hozzáférhetőségét (akadálymentességét) az enzimatikus hidrolízis során.
A hosszanti és keresztirányú metszetek mikroszkópos felvételei (raszterező elektronmikroszkóp), valamint az ultravékony keresztirányú metszetek mikroszkópos felvételei (transzmissziós elektronmikroszkóp) azt mutatják, hogy a gőzölés a vizsgált minták porózusságát eltérő mértékben növeli, attól függően, hogy milyen katalizátort alkalmaztak, miközben előzetesen nem távolították el a lignin komponenset. A lignocellulóz anyagnak az enzimatikus hidrolízissel szembeni fokozott elérhetőségét tapasztalták (a ligninösszetevő megtartása mellett) a rezgőnyár faanyagának robbantott próbatestei esetében is. Az elektronmikroszkóppal végzett felvételekből látszik, hogy a bükk faanyag hidrotermikus kezelése során keletkezett pórusok (pórus rendszer) lehetővé teszik, hogy az enzim megtámadja az ötödik rostréteg belső cellulóz felületét, a sejtfal S2 rétegét, valamint pedig a sejtüregből intézzen támadást a másodlagos sejtfal S2 rétege ellen. A gőzölt anyagban jelenlévő lignin nem akadályozza meg, hogy az enzimek a sejtfal belső rétegeibe kerüljenek. Sósav jelenlétében gőzölt minták esetében a mintadarabok alakváltozásai kisebb mértékűek voltak, mint az I jelzésű minta esetében. Ebből kisebb elérhetőségre következtethetünk az enzimatikus hidrolízis folyamata során. Ilyen reakciófeltételek mellett a másodlagos sejtfal S2 jelzésű rétegében az elektron mikroszkópos vizsgálat során megfigyelt alaktalan képződmény valószínűleg a megmaradt ligninváz volt.
A bükk apríték esetében karbamid hozzáadásával történő gőzölés során bekövetkező sejtüreg-zsugorodás ellensúlyozza az enzimnek a sejtüreg felőli oldalról történő támadását. A keletkezett repedések helyén az enzim csak az összetett középső lamella felől juthat be. Ez kisebb mértékű enzimbehatolást eredményez, mint ami az I. és IV. minta esetben tapasztalható. A másodlagos sejtfal S2 rétegének és a zsugorodott sejtüreg megfigyelt teljessége alapján elmondhatjuk, hogy az I. mintával összehasonlítva, hogy a karbamid hozzáadása esetén kisebb az enzimatikus hidrolízissel szembeni elérhetőség (akadálymentesség), de nagyobb, mint a sósav alkalmazásakor, ami összhangban van a nyert értékekkel. A karbamidtól eltérően a nátrium hidroxid hozzáadása nem csökkenti a sejtüreg nagyságát, hanem a másodlagos sejtfal S2 rétegének erős duzzadása elősegíti az elsődleges fal, az 5. réteg és az összetett középső lamella degradációját (lebomlását). A gőzölés során megfigyelt morfológiai változások a vizsgált anyag fokozottabb elérhetőséget váltják ki., ami jól látható az enzimatikus hidrolízis után készült elektronmikroszkópos felvételeken. Az ultrastruktúra változásai igen jól korrelálnak az enzimatikus hidrolizálhatóság meghatározott értékeivel. Azoknál a mintáknál, melyek esetében az elektronmikroszkópos vizsgálat során az ultrastruktúra nagyobb mértékű károsodását és nagyobb mértékű porózusságot állapított meg, ezek esetében az enzimatikus hidrolízis során nagyobb az oldott hányad és legnagyobb a lebonthatóság is. Az említett minták esetében a gőzölés során történő sósav és karbamid hozzáadagolás nem okoz olyan nagymértékű alakváltozásokat a rostok sejtfalaiban. A savas gőzölési eljárások esetében jelentős mértékben sérülnek a sejtüreg felőli sejtek, különösképp a másodlagos sejtfal rétegében. E minták esetében a raszterező mikroszkópos vizsgálattal azt állapították meg, hogy a felületi metszetek esetében a rostok felületére lignin csapódott ki. A savas környezetben gőzölt minták esetében az enzimatikus hidrolízis során nagy jelentősége van a celluláznak. Ezt dokumentálják a felületi metszetek elektron mikroszkóppal készített felvételei, ahol a rostok felületén a lignin gömb alakú (szférikus) részecskék formájában jelentik meg. A IV. minta enzimatikus feldolgozása során tapasztalt fokozott elérhetősége az észter-lignin-szacharid kötések megszűnésének a következménye, miután a gőzölés során nátrium hidroxidot alkalmaztunk. A gőzölés mindhárom változata.
A gőzölt bükk faforgács vizes kivonatainak kromatográfiai elemzése azt mutatja, hogy jelen vannak az oligomér és monomér szacharid összetevők, míg a gőzöletlen fa vizes kivonataiban csak a monomér sacharid összetevők találhatók. Az I. és III. minta vizes kivonatainak savas hidrolízise során a glükóz, a manóz és a xilóz aránya 1 : 3 : 20 volt. Sósav hozzáadásával végzett vizsgálat során a hexóz és a pentóz aránya 1 : 1 volt, ami azt mutatja, hogy a gőzölés során a cellulóz összetevő degradálódott. A nátrium hidroxid hozzáadásával végzett gőzöléskor a lignin-xilán észterkötésének megszűnése elsősorban a xilánok oldódását okozza, amire a 100 : 1 -hez xilóz-hexóz arány utal. Amennyiben az egy percig tartó gőzölés során 1%-os kénsavat alkalmaznak, ez az egész minta nagymértékű karbonizálását okozza, aminek következtében a kimutatott extrahált ligninmennyiség nincs korrelációban a kimutatott alacsony mértékű enzimatikus hozzáférhetőséggel. Az enzimatikus hidrolízist valószínűleg negatív mértékben befolyásolja a mintában lévő degradációs termékek, a sacharidok és a lignin jelenléte. A karbamid alkalmazása során tapasztalt csökkentett mértékű acetonlignin-kivonat arra utal, hogy a gőzölés folyamata során a faanyag lignin-poliszacharid komplexumának mindkét összetevője stabilizálódik. Vizes közegben a hő hatására a karbamid elbomlik, miközben ammónia keletkezik, amely bizonyos mértékig semlegesítheti a keletkező szerves savakat, miáltal csökken a lignin-lignin és a lignin-szacharid kötések szolvolízisének a mértéke. Ilyen módon magyarázható, hogy kisebb az acetonnal extrahált izolált lignintartalom. A kiextrahált lignin mennyisége valamennyi minta esetében korrelációban van (jól megfelel) a kimutatott lebonthatósággal, kivéve azokat a mintákat, melyeket 1%-os kénsav jelenlétében gőzöltek.
1. táblázat
A gőzölt bükk faforgács jellemzői (kiindulási anyag %-a)
1. ábra
A gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája
A, B – a fasejtek ultravékony keresztirányú metszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
19. oldal
C – a farostok keresztirányú felszíni metszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
D – A bélsugarak (fonalak) felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
2. ábra
A gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája az enzimek hatása után
A,B – a gőzölt faanyag enzimek által lebontott sejtjeinek ultravékony keresztmetszete
Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
oldal:
C – a gőzölt faanyag enzim által lebontott rostjainak keresztirányú felületi metszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
D – a gőzölt faanyag enzim által lebontott (károsított) felülete, ahol megfigyelhetjük az enzimatikusan felszabadult lignin jellemző göbszerű részecskéit. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
3. ábra
1%-os sósav hozzáadásával gőzölt bükk faanyag ultrastruktúrája
A – a fasejtek ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
oldal:
B – a farostok keresztirányú felületi metszete. Raszteres elektronmikroszkópos felvétel
C – a farostok felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
4. ábra
1%-os sósav hozzáadásával gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája az enzimek hatása után
A, B, C – a gőzölt faanyag enzimatikusan lebontott sejtjeinek ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
26. oldal
D – a gőzölt faanyag enzimatikusan lebontott rostjainak felületi keresztmetszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel.
E – a gőzölt faanyag enzimatikusan lebontott rostjainak felülete, ahol láthatóak a felszabadult lignin jellemző gömbszerű részecskéi. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
5. ábra
2,5%-os karbamid hozzáadásával gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája
A,B – a fasejtek ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel.
28. oldal
C – a farostok keresztirányú felületi metszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
D – a farostok felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
6. ábra
2,5%-os karbamid hozzáadásával gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája az enzimek hatása után
A – az enzimatikusan lebontott gőzölt bükk faanyag ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel.
B – az enzimatikusan lebontott farostok felületi keresztmetszete. Rasztesres elektronmikroszkópos felvétel
1.oldal
C – az enzimatikusan lebontott gőzölt farostok felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
7. ábra
0,25%-os nátrium hidroxid hozzáadásával gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrára
A – a fasejtek ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
1.oldal
B – a farostok keresztirányú felületi metszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel.
C – a farostok felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
8. ábra
0,25%-os nátrium hidroxid hozzáadásával gőzölt bükk faforgács ultrastruktúrája az enzimek hatása után
A – a gőzölt faanyag enzimatikusan lebontott sejtjeinek ultravékony keresztmetszete. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel
B – a gőzölt faanyag enzimatikusan megbontott rostjainak keresztirányú felületi metszete. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel
C – a gőzölt faanyag enzimatikusan megbontott rostjainak felülete. Hosszmetszet. Raszterező elektronmikroszkópos felvétel.
9. ábra
Vázlat: a lignin extrahálása a gőzölt bükk faforgácsból
10. ábra
A bükk faforgács rostjainak felülete enzimatikus hidrolízis és acetonnal történt extrahálás után