Effect of lignin structure on enzymatic hydrolysis of plant residues

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-06-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
128
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 79/2015
Abstract
Biochemical conversion of lignocellulose into high value and energy-intensive products necessitates pretreatments that enhance enzymatic hydrolysis of lignocellulosic carbohydrates. This thesis investigated structural changes in lignin during various analytical and industrially relevant treatments of crop residues. The objective was to elucidate the effect of lignin structure on enzymatic digestibility of cellulose. Fractionation of lignin during sequential alkaline treatments of maize stem was studied using thioacidolysis. The developed fractionation procedure enabled isolation of two structurally distinct lignin-carbohydrate fractions which comprised approximately half of the total lignin. Based on these results, the distribution of lignin structural units within the plant cell walls was identified. The effect of ball milling treatment of maize stem on lignin structure and on enzymatic carbohydrate conversion was assessed. Aryl ether linkages of lignin were not cleaved by the milling which decreased crystallinity and led to high enzymatic digestibility of cellulose. Despite the long duration of the milling only minor hydrolysis of arabinoxylan occurred. This resistance was interpreted to result from interlinkages between lignin and arabinoxylan, as revealed using the isolated lignin-carbohydrate fractions as reference materials. A spectrophotometric method was developed for determination of lignin surface area in solid-state. The method was based on quantitative determination of binding of a cationic dye to acidic hydroxyl groups of lignin in neutral aqueous suspension. About one half of the total acidic hydroxyl groups of wheat straw alkali lignin was accessible to the dye, a phenomenon interpreted as a reflection of the three-dimensional structure of lignin. The effect of increasing autohydrolysis severity on structure of wheat straw lignin was determined. Chemical and chromatographic analyses confirmed that lignin was cleaved during both autohydrolysis and the subsequent high intensity extraction. It was observed that lignin surface area decreased as a function of autohydrolysis severity. An underlying mechanism was proposed to include acid-catalysed hydrolysis of lignin-carbohydrate network which caused densification of lignin. One of the main results of the thesis was the inverse correlation found between lignin surface area and enzymatic digestibility of cellulose. Utilisation of this new information should lead to setting reduction of lignin surface area as an objective of lignocellulose pretreatment processes.

Lignoselluloosan biokemiallinen muuntaminen korkeamman jalostusarvon ja energiatiheyden yhdisteiksi edellyttää esikäsittelyjä, joilla tehostetaan lignoselluloosan hiilihydraattien entsymaattista hydrolyysiä. Väitöskirjassa tutkittiin viljelykasvien korjuutähteiden sisältämän ligniinin muutoksia analyyttisten ja teollisesti merkittävien käsittelyjen vaikutuksesta. Päämääränä oli selvittää ligniinin rakenteen vaikutus selluloosan entsymaattiseen hydrolysoitumiseen. Ligniinin fraktioituminen maissin korren perättäisissä alkalisissa käsittelyissä tutkittiin tioasidolyysillä. Kehitetyllä fraktiointimenetelmällä saatiin erotettua kaksi rakenteeltaan poikkeavaa ligniini-hiilihydraattijaetta, jotka yhdessä vastasivat noin puolta ligniinin kokonaismäärästä. Tulosten perusteella identifioitiin ligniinin rakenneyksiköiden jakautuminen kasvisolukossa. Kuulamyllyjauhatuksella suoritetulla käsittelyllä selvitettiin vaikutukset maissin korren ligniinin rakenteeseen ja hiilihydraattien entsymaattiseen hydrolyysiin. Ilmeni, että ligniinin aryylieetterisidokset eivät pilkkoutuneet jauhatuksessa, joka vähensi selluloosan kiteisyyttä ja kohotti entsymaattista hydrolyysiastetta. Pitkäkestoisesta jauhatuksesta huolimatta arabinoksylaani hydrolysoitui heikosti. Ligniini-hiilihydraattijakeita vertailuaineena käyttäen ilmiön tulkittiin johtuvan arabinoksylaanin ja ligniinin ristisidoksista. Kiinteässä olomuodossa olevan ligniinin pinta-alan määrittämiseen kehitettiin spektrofotometrinen menetelmä, joka perustuu ligniinin happamien hydroksyyliryhmien mittaamiseen kationisen väriaineen adsorptiolla neutraalissa vesisuspensiossa. Vehnän oljesta eristetyn alkaliligniinin happamien hydroksyyliryhmien kokonaismäärästä noin puolet oli väriaineen saavutettavissa, minkä tulkittiin johtuvan ligniinin avaruusrakenteesta. Autohydrolyysin vaikutus vehnän oljen ligniinin rakenteeseen selvitettiin esikäsittelyn severiteetin funtiona. Kemialliset ja kromatografiset analyysit vahvistivat, että ligniini pilkkoutui sekä autohydrolyysin että tämän jälkeisen korkean intensiteetin alkalisen uuton vaikutuksesta. Havaittiin ligniinin pinta-alan pienentyvän autohydolyysin voimakkuuden funktiona sekä esitettiin tämän johtuvan ligniini-hiilihydraattiverkoston happokatalyyttisen hydrolyysin aiheuttamasta ligniinin rakenteen tiivistymisestä. Eräs päätuloksista oli osoitus ligniinin pinta-alan käänteisestä korrelaatiosta selluloosan entsymaattisen hydrolyysiasteen kanssa. Tämän uuden tiedon hyödyntäminen johtanee ligniinin pinta-alan tavoiteltuun pienentämiseen esikäsittelyprosesseissa.
Description
Supervising professor
Laakso, Simo, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
Thesis advisor
Baumberger, Stéphanie, Prof., AgroParisTech, France
Pastinen, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
Keywords
lignin, structure, lignocellulose, cellulose, enzymatic hydrolysis, ligniini, rakenne, lignoselluloosa, selluloosa, entsymaattinen hydrolyysi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Sipponen, M.H., Lapierre, C., Méchin, V., Baumberger, S. Isolation of structurally distinct lignin–carbohydrate fractions from maize stem by sequential alkaline extractions and endoglucanase treatment. Bioresour. Technol. 133 (2013) 522–528. Pre-print version available in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201408212474.
    DOI: 10.1016/j.biortech.2013.01.175 View at publisher
  • [Publication 2]: Sipponen, M.H., Laakso, S., Baumberger, S. Impact of ball milling on maize (Zea mays L.) stem structural components and on enzymatic hydrolysis of carbohydrates. Ind. Crops. Prod. 61 (2014) 130–136. Pre-print version available in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201408212476.
    DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.06.052 View at publisher
  • [Publication 3]: Sipponen, M.H., Pihlajaniemi, V., Littunen, K., Pastinen, O., Laakso, S. Determination of surface-accessible acidic hydroxyls and surface area of lignin by cationic dye adsorption. Bioresour. Technol. 169 (2014) 80–87. Pre-print version available in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201408212475.
    DOI: 10.1016/j.biortech.2014.06.073 View at publisher
  • [Publication 4]: Sipponen, M.H., Pihlajaniemi, V., Sipponen, S., Pastinen, O., Laakso, S. Autohydrolysis and aqueous ammonia extraction of wheat straw: effect of treatment severity on yield and structure of hemicellulose and lignin. RSC Adv. 4 (2014) 23177–23184. Publishers version available in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201408212473.
    DOI: 10.1039/c4ra03236e View at publisher
  • [Publication 5]: Sipponen, M.H., Pihlajaniemi, V., Pastinen, O., Laakso, S. Reduction of surface area of lignin improves enzymatic hydrolysis of cellulose from hydrothermally pretreated wheat straw. RSC Adv. 4 (2014) 36591–36596.
    DOI: 10.1039/c4ra06926a View at publisher
Citation