Číslo: SK_000009
Autor: Košíková, Božena ; Zákutná, Libuša ; Joniak, Dušan ; Baxa, Pavol ; Holota, Juraj
Názov: Vplyv podmienok parenia na efektívne využitie lignocelulózového materiálu
Názov publikácie: Drevársky Výskum, ročník 1988, zväzok 118, str.15 – 39, Štátny drevársky výskumný ústav (ŠDVU), ALFA, Bratislava 1989.
Pozrite si celý článok:
http://library.envifor.eu:8282/greenstone/collect/PDF/SK_000009.pdf
Kľúčové slová: parenie, hydrotermická úprava dreva, fibrilárna štruktúra, ligninocelulózový materiál, lignínovo- polysacharidový komplex
Abstract:
Ekonomická výroba objemovo-energetického krmiva na báze lignocelulózového materiálu zahŕňa jeho úpravu takým spôsobom, aby sa maximálne zvýšila enzymatická akcesibilita, minimalizovali sa straty sacharidov a získal sa vysoký výťažok lignínu ako vedľajší produkt. Jednou z potencionálnych techník, ktorá spĺňa uvedené kritériá je autohydrolýza a explózny systém. Prítomnosť lignínu sa považuje za hlavnú príčinu nedostatočnej hydrolyzovateľnosti lignocelulózového materiálu. Z našich predchádzajúcich prác vyplýva, že enzymatická hydrolyzovateľnosť bukových pilín enzýmami sa zvyšuje v procese parenia pri vysokej teplote bez odstránenia lignínovej zložky v dôsledku morfologických zmien a štiepenia lignínovo polysacharidového komplexu organickými kyselinami, uvoľnenými z hemicelulózovej zložky dreva. Pri morfologických zmenách sa v štiepkach vytvára mikrokapilárny pórovitý systém a sprístupňujú sa polysacharidy vrstvy sekundárnej bunkovej steny pre enzymatickú hydrolýzu. Cieľom tejto práce bolo posúdiť, do akej miery prídavok acidobázických katalyzátorov v procese parenia ovplyvňuje ultraštruktúru bukového dreva a jeho akcesibilitu pri enzymatickej hydrolýze.
Z mikroskopických snímok priečnych a pozdĺžnych povrchových rezov (rastrovacia elektrónová mikroskopia) a ultratenkých priečnych rezov (transmisná elektrónová mikroskopia) vyplýva, že parenie zvyšuje pórovitosť série študovaných vzoriek do rozličnej miery v závislosti od typu katalyzátora, bez predchádzajúceho odstránenia lignínovej zložky. Zvýšená akcesibilita lignocelulózového materiálu proti enzymatickej hydrolýze bez odstránenia lignínovej zložky bola pozorovaná tiež v prípade osikového explodovaného dreva. Pórovitý systém, vzniknutý v procese hydrotermickej úpravy bukového dreva, ktorý je názorný z výsledkov elektrónovej mikroskopie umožňuje atak enzýmu do vnútorného celulózového povrchu vlákien z vrstvy 5, do vrstvy S2 bunkovej steny, ako aj z lúmenu bunky do vrstvy S2 sekundárnej bunkovej steny. Lignín prítomný v parenom materiáli neblokuje prístupnosť enzýmov do vnútorných vrstiev bunkovej steny. Morfologické zmeny vzorky parenej v prítomnosti kyseliny chlorovodíkovej sú menej výrazné v porovnaní so vzorkou I, z čoho možno usudzovať na nižšiu akcesibilitu v procese enzymatickej hydrolýzy. Elektrónovou mikroskopiou pozorované amorfné útvary v mieste S2 vrstvy sekundárnej bunkovej steny za týchto reakčných podmienok reprezentuje pravdepodobne zostávajúci lignínový skelet. Zúženie lúmenu bunky pozorované v procese parenia bukových štiepok s prídavkom močoviny eliminuje atak enzýmu zo strany lúmenu bunky. Prístup enzýmov je iba zo strany zloženej strednej lamely v miestach vzniknutých trhlín, dôsledkom čoho je zníženie enzymatickej prístupnosti v porovnaní so vzorkami I a IV. Na základe pozorovanej celistvosti vrstvy S2 sekundárnej bunkovej steny a zúženého lúmenu bunky v porovnaní so vzorkou I možno predpokladať, že prídavok močoviny zapríčiňuje nižšiu akcesibilitu proti enzymatickej hydrolýze, ale vyššiu ako v prípade použitia kyseliny chlorovodíkovej, čo je v súlade so stanovenými hodnotami. Na rozdiel od močoviny, prídavok hydroxidu sodného nezapríčiňuje zúženie lúmenu bunky, ale silné napučanie hlavne vrstvy S2 sekundárnej bunkovej steny spôsobuje degradáciu primárnej steny, vrstvy 5, a zloženej strednej lamely. Pozorované morfologické zmeny v procese parenia indikujú zvýšenú akcesibilitu študovaného materiálu, ktorá je názorná z elektrónmikroskopických snímkov po enzymatickej hydrolýze. Zmeny ultraštruktúry sú vo veľmi dobrej korelácii so stanovenou enzymatickou hydrolyzovateľnosťou. Vzorky, pri ktorých elektrónová mikroskopia potvrdila väčšie narušenie ultraštruktúry a vysoký stupeň pórovitosti materiálu, majú aj vyšší rozpustný podiel pri enzymatickej hydrolýze, aj najvyššiu stráviteľnosť. Prídavok kyseliny chlorovodíkovej a močoviny v procese parenia nespôsobujú také rozsiahle morfologické zmeny bunkovej steny vlákien ako v prípade spomínaných vzoriek. Pri kyslých spôsoboch parenia je veľmi významné narušenie bunkovej steny zo strany lúmenu bunky, hlavne vrstvy sekundárnej bunkovej steny. Pri týchto vzorkách sa pozoroval v rastrovacom elektrónovom mikroskope na povrchových rezoch vyzrážaný lignín na povrchu vlákien. Efektívny účinok celulázy pri enzymatickej hydrolýze na bunkový systém v prípade vzoriek parených v kyslom prostredí (dokumentujú elektrónmikroskopické obrázky povrchových rezov, kde je možné pozorovať na povrchu vlákien enzymaticky uvoľnený lignín vo forme sférických častíc. Zvýšená akcesibilita pri enzymatickom spracovaní vzorky IV je pravdepodobne dôsledkom štiepenia esterovej lignínovo- -sacharidovej väzby prídavkom hydroxidu sodného v procese parenia. Všetky tri modifikácie parenia.
Chromatografická analýza vodných extraktov parených bukových pilín poukazuje na prítomnosť oligomérnych a monomérnych sacharidických zložiek, kým vo vodnom extrakte nepáreného dreva sa monomérne zložky nevyskytovali. Po kyslej hydrolýze vodných extraktov vzoriek I a III pomer glukózy, manózy a xylózy bol približne 1:3:20. V prípade použitia prídavku kyseliny chlorovodíkovej bol stanovený pomer hexóz ku pentózam 1:1, čo poukazuje na degradáciu celulózovej zložky v procese parenia. Prítomnosť hydroxidu sodného pri parení pravdepodobne v dôsledku štiepenia esterovej väzby lignín-xylán zapríčiňuje hlavne rozpúšťanie xylánov, čo indikuje stanovený pomer xylózy ku hexóze 100:1. Použitie 1 % kyseliny chlorovodíkovej v procese parenia počas jednej minutý spôsobuje vysoký stupeň karbonizácie celej vzorky, v dôsledku čoho stanovené množstvo extrahovaného lignínu nekoreluje so stanovenou nízkou enzymatickou akcesibilitou. Enzymatická hydrolýza je pravdepodobne negatívne ovplyvnená tiež prítomnosťou degradačných produktov sacharidov a lignínu vo vzorke. Znížený výťažok acetónového lignínu v prípade použitia močoviny poukazuje na to, že v procese parenia sa stabilizujú obidve zložky lignínovo-polysacharidového komplexu dreva. Pôsobením tepla vo vodnom prostredí nastáva rozklad močoviny za vzniku amoniaku, ktorý môže do určitej miery neutralizovať vznikajúce organické kyseliny, čím sa znižuje rozsah solvolýzy lignínovo- lignínových a lignínovo-sacharidových väzieb. Týmto spôsobom možno vysvetliť aj nižší obsah lignínu izolovaného extrakciou acetónom. Množstvo vyextrahovaného lignínu koreluje so stanovenou stráviteľnosťou v prípade všetkých vzoriek okrem vzorky parenej v prítomnosti 1% kyseliny chlorovodíkovej.
Záverom je, že pri hydrotermickej úprave bukových pilín pri teplote 200 °C v prítomnosti vody nastávajú zmeny ultraštruktúry bunkovej steny vlákien za vzniku pórovitého systému vysokého stupňa, ktorý umožňuje veľmi efektívne pôsobenie enzýmu. Atak postupuje z vrstvy 5, do vrstvy S2 sekundárnej bunkovej steny, dôsledkom čoho je silné napučanie S2 vrstvy a vytváranie lamelárnej až fibrilárnej štruktúry. Súčasne možno pozorovať aj atak z lúmenu bunky do sekundárnej bunkovej steny. 2. Prídavok 1 % kyseliny chlorovodíkovej v procese parenia ovplyvňuje morfológiu všetkých vrstiev bunkovej steny vlákien, ale nespôsobuje výrazné zvýšenie stupňa pórovitosti študovaného materiálu, a tým ani zvýšenie enzymatickej akcesibility v porovnaní s hydrotermicky upraveným lignocelulozovym materiálom. Relatívne vysoká enzymatická hydrolyzovateľnosť v prípade prídavku hydroxidu sodného súvisí s vysokým stupňom napučania S2 vrstvy a uvoľnením medzifibrilárnych celulózových väzieb, ako aj štiepením esterových lignínovo-xylánových väzieb. Prídavok močoviny stabilizuje obidve zložky lignínovo- polysacharidového komplexu a eliminuje atak enzýmu zo strany lumenu bunky. Hydrotermická úprava série študovaných vzoriek za použitých podmienok umožňuje jednoduchú izoláciu lignínovej zložky vo vysokých výťažkoch v dôsledku depolymerizačných zmien lignínovej makromolekuly v procese parenia. Pozorované zmeny morfologickej štruktúry v poradí I > IV> III > II veľmi dobre korelujú (okrem vzorky II) s enzymatickou hydrolyzovatelnostou. Stanovené hodnoty stráviteľnosti sú v dobrej korelácii s množstvom lignínu izolovaného extrakciou acetónom.