Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Differences in extractability under subcritical water reveal interconnected hemicellulose and lignin recalcitrance in birch hardwoods
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Kemi, Glykovetenskap. AlbaNova University Centre.
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Fiber- och polymerteknologi. KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Centra, Wallenberg Wood Science Center.ORCID-id: 0000-0003-4266-0720
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Fiber- och polymerteknologi. KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Centra, Wallenberg Wood Science Center.ORCID-id: 0000-0002-8614-6291
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Kemi, Glykovetenskap. KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Centra, Wallenberg Wood Science Center.ORCID-id: 0000-0003-3572-7798
2018 (Engelska)Ingår i: Green Chemistry, ISSN 1463-9262, E-ISSN 1463-9270Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Hardwoods constitute an essential renewable resource for the production of platform chemicals and bio-based materials. A method for the sequential extraction of hemicelluloses and lignin from hardwoods is proposed using subcritical water in buffered conditions without prior delignification. This allows the cascade isolation of mannan, xylan and lignin-carbohydrate complexes based on their extractability and recalcitrance in birch lignocellulose. The time evolution of the extraction was monitored in terms of composition, oligomeric mass profiling and sequencing of the hemicelluloses, and molecular structure of the lignin and lignin-carbohydrate complexes (LCCs) by heteronuclear single quantum coherence nuclear magnetic resonance (2D HSQC NMR). The minor mannan and pectin populations are easily extractable at short times (<5 min), whereas the major glucuronoxylan (GX) becomes enriched at moderate extraction times. Longer extraction times results in major hydrolysis exhibiting GX fractions with tighter glucuronation spacing and lignin enrichment. The pattern of acetylation and glucuronation in GX is correlated with extractability and with connectivity with lignin through LCCs. This interconnected molecular heterogeneity of hemicelluloses and lignin has important implications for their supramolecular assembly and therefore determines the recalcitrance of hardwood lignocellulosic biomass.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Royal Society of Chemistry, 2018.
Nationell ämneskategori
Trävetenskap
Forskningsämne
Fiber- och polymervetenskap
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-226948DOI: 10.1039/C8GC00385HISI: 000434313100016Scopus ID: 2-s2.0-85048032938OAI: oai:DiVA.org:kth-226948DiVA, id: diva2:1202673
Forskningsfinansiär
Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse
Anmärkning

QC 20180509

Tillgänglig från: 2018-04-29 Skapad: 2018-04-29 Senast uppdaterad: 2018-06-27Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Fundamental Aspects of Lignin Carbohydrate Complexes (LCC): Mechanisms, Recalcitrance and Material concepts
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Fundamental Aspects of Lignin Carbohydrate Complexes (LCC): Mechanisms, Recalcitrance and Material concepts
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Covalent bonds between lignin and carbohydrates, forming a matrix referred to as lignin carbohydrate complexes (LCC), remain one of the most controversial topics in wood chemistry. A key issue is whether they are formed during chemical and mechanical pretreatments of the compact wood structure or actually present in wood prior to isolation. A fundamental understanding of their origin and reactivity is vital to unravel their role in wood formation and recalcitrance. Recalcitrance, specifically, has affected the successful development of effective and clean fractionation of wood polymers.

To address the above-mentioned concerns, we have developed a novel mild universal and quantitative fractionation protocol of LCC that, when combined with robust spectroscopic analytical tools, including a variety of NMR techniques, GC MS and SEC, reveals deeper insights into the molecular structure of LCC.

This method was applied to both hardwood and softwood LCCs and revealed interesting findings on molecular-level regulatory mechanism for lignin carbohydrate (LC) bond formation such as the role of acetylation in hemicelluloses. Moreover, the role of LC bonds on recalcitrance during subcritical water extraction was unveiled.

Bio-mimicking in vitro lignin polymerization was adopted to investigate whether LC bonds are native or formed during isolation from wood. For the first time, direct evidence lending support that they are formed in wood cells was demonstrated, thus corroborating the mechanisms suggested in the literature.  

Furthermore, based on the overall LCC study, we suggest a sequence for how LC bonds may form in vitro.

Finally, of special interest to material science, the unveiled LC bond formation mechanism inspired a green, biomimetic, one-pot synthesis of functionalized lignin starting from monomeric components. Excellent selectivity of functionalization is reported and production of lignin-based recyclable materials, based on the premise of this functionalization philosophy, is discussed.

Abstract [sv]

Existensen av kovalenta bindningar mellan lignin och kolhydrater, som bildar en matris som kallas ligninkolhydratkomplex (LCC), förblir ett av de mest kontroversiella ämnena inom träkemi. En viktig fråga är om de bildas under isolering eller faktiskt finns närvarande i trä före isolering (där isolering innefattar kemiska och mekaniska förbehandlingar av den kompakta trästrukturen). Djupare insikter om deras ursprung och reaktivitet är avgörande för att utröna deras roll i träbildning och deras bidrag till extraktionssvårighet. Lignins bidrag till extraktionssvårighet är av särskilt intresse, då den länge hämmat den framgångsrika utvecklingen av effektiv och ren fraktionering av träpolymerer.För att ta itu med ovan nämnda problem har vi utvecklat ett nytt, milt, universellt och kvantitativt fraktioneringsprotokoll av LCC som i kombination med robusta spektroskopiska analysverktyg (vilka innefattar ett flertal NMR-tekniker samt GC MS och SEC) ger djupare insikt om LCCs molekylära struktur. Detta protokoll applicerades på både barr- och lövved och ledde till intressanta upptäckter beträffande de molekylära regler-mekanismerna för bildandet av lignin-kolhydrat-bindningar (LC). Dessa upptäckter berörde även vikten av hemicellulosors acetylering. Vidare presenterades hur LC-bindningar bidrar till extractionssvårighet under subkritisk vattenutvinning.Biomimetisk in vitro-ligninpolymerisation användes för att vidare undersöka huruvida LC-bindningar finns närvarande innan isolering av trä eller bildas under denna. I denna avhandling har för första gången direkta bevis till stöd för att de bildas nativt i träceller presenterats. Detta korroborerar tidigare mekanismer som föreslagits i litteraturen. Vidare erhölls djupare insikter på molekylär nivå för att föreslår en sekvens för hur LC-bindningar bildas in vitro.Slutligen, av särskilt intresse för materialvetenskap, inspirerade den framtagna LC-bindningsmedelsmekanismen en grön, biomimetisk enstegssyntes av funktionaliserat lignin utgående från monomera komponenter. Utmärkt funktionaliseringsselektivitet uppvisades och en produktion av ligninbaserade återvinningsbara material baserade på denna funktionaliseringsfilosofi diskuteras.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. s. 95
Serie
TRITA-CBH-FOU ; 2018:18
Nyckelord
Lignin Carbohydrates Complexes; Phenyl Glycosides; Benzyl Ethers; Benzyl and γ-esters; Universal Mild Quantitative fractionation; LCC mechanism formation, Extracellular lignin; Dehydogenation polymer; Autohydrolysis; Recalcitrance; Acetylation role; HSQC, HMBC, HSQC-TOCSY, 13C, 31P NMR, Thioacidolysis-GC; SEC; Green, Biomimetic, One-pot-lignin functionalization; Lignin platform material.
Nationell ämneskategori
Trävetenskap
Forskningsämne
Fiber- och polymervetenskap
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-227865 (URN)978-91-7729-771-0 (ISBN)
Disputation
2018-06-11, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20180514

Tillgänglig från: 2018-05-14 Skapad: 2018-05-14 Senast uppdaterad: 2019-05-15Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(10008 kB)76 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 10008 kBChecksumma SHA-512
e5bc2ca7a54134a7547527580281249f12424d27337a4962d078f3542eae0732e3278a255c73415c01c700c7d4332460b31a23172532bed391a2b9b39f851a9d
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Martinez-Abad, AntonioGiummarella, NicolaLawoko, MartinVilaplana, Francisco

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Martinez-Abad, AntonioGiummarella, NicolaLawoko, MartinVilaplana, Francisco
Av organisationen
GlykovetenskapFiber- och polymerteknologiWallenberg Wood Science Center
I samma tidskrift
Green Chemistry
Trävetenskap

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 76 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 588 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf