Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • 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
A molecular dynamics study of the effect of glycosidic linkage type in the hemicellulose backbone on the molecular chain flexibility
KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Fiber- och polymerteknologi. KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Centra, Wallenberg Wood Science Center.ORCID-id: 0000-0003-0277-2269
KTH, Skolan för bioteknologi (BIO), Glykovetenskap. KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Centra, Wallenberg Wood Science Center. KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Fiber- och polymerteknologi.ORCID-id: 0000-0003-3572-7798
Visa övriga samt affilieringar
2016 (Engelska)Ingår i: The Plant Journal, ISSN 0960-7412, E-ISSN 1365-313XArtikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The macromolecular conformation of the constituent polysaccharides in lignocellulosic biomass influences their supramolecular interactions, and therefore their function in plants and their performance in technical products. The flexibility of glycosidic linkages from the backbone of hemicelluloses was studied by evaluating the conformational freedom of the φ and ψ dihedral angles using molecular dynamic simulations, additionally selected molecules were correlated with experimental data by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Three types of β-(1→4) glycosidic linkages involving the monosaccharides (Glcp, Xylp and Manp) present in the backbone of hemicelluloses were defined. Different di- and tetrasaccharides with combinations of such sugar monomers from hemicelluloses were simulated, and free energy maps of the φ – ψ space and hydrogen-bonding patterns were obtained. The glycosidic linkage between Glc-Glc or Glc-Man (C-type) was the stiffest with mainly one probable conformation; the linkage from Man-Man or Man-Glc (M-type) was similar but with an increased probability for an alternative conformation making it more flexible, and the linkage between two Xyl-units (X-type) was the most flexible with two almost equally populated conformations. Glycosidic linkages of the same type showed essentially the same conformational space in both disaccharides and in the central region of tetrasaccharides. Different probabilities of glycosidic linkage conformations in the backbone of hemicelluloses can be directly estimated from the free energy maps, which to a large degree affect the overall macromolecular conformations of these polymers. The information gained contributes to an increased understanding of the function of hemicelluloses both in the cell wall and in technical products.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
John Wiley & Sons, 2016.
Nyckelord [en]
glucomannan, xylan, xyloglucan, computer simulation, nuclear magnetic resonance spectroscopy
Nationell ämneskategori
Trävetenskap
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-192894DOI: 10.1111/tpj.13259ISI: 000388442100005Scopus ID: 2-s2.0-84987605339OAI: oai:DiVA.org:kth-192894DiVA, id: diva2:972776
Forskningsfinansiär
Knut och Alice Wallenbergs StiftelseVetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20160927

Tillgänglig från: 2016-09-22 Skapad: 2016-09-22 Senast uppdaterad: 2019-01-08Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Wood Hemicelluloses - Fundamental Insights on Biological and Technical Properties
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Wood Hemicelluloses - Fundamental Insights on Biological and Technical Properties
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Hemicelluloses are a group of heterogeneous polysaccharides representing around 30 % of wood where the dominating types are xylans, glucomannans and xyloglucans. Hemicelluloses complex molecular structure makes it difficult to understand the relationship between structure and properties entirely, and their biological role is not yet fully verified. Additionally, hemicelluloses are sensitive to chemical processing and are not utilized to their full potentials for production of value-added products such as materials, additives to food and pharmaceutical products, etc. Increased knowledge regarding their functions is important for the development of both processes and products. The aim with this work has therefore been to increase the fundamental understanding about how the structure and properties of wood hemicelluloses are correlated, and properties such as flexibility, interaction with cellulose, solubility, resistance to chemical-, thermal-, and enzymatic degradation have been explored.

Molecular dynamics (MD) simulations were used to, in detail, study the structures found in wood hemicelluloses. The flexibility was evaluated by comparing the impact of backbone sugars on the conformational space and also the impact of side groups was considered. Based on the conformational space of backbone glycosidic linkages the flexibility order of hemicelluloses in an aqueous environment was determined to be: xylan > glucomannan > xyloglucan. Additionally, the impact of xylan structure on cellulose interaction was evaluated by MD methods.

Hemicelluloses were extracted from birch and spruce, and were used to fabricate different composite hydrogels with bacterial cellulose. These materials were studied with regards to mechanical properties, and it was shown that galactoglucomannans mainly contributed to an increased modulus in compression, whereas the most significant effect from xylan was increased strain under uniaxial tensile testing. Besides, other polysaccharides of similar structure as galactoglucomannans were modified and used as pure, well defined, models. Acetyl groups are naturally occurring decorations of wood hemicelluloses and can also be chemically introduced. Here, mannans with different degrees of acetylation were prepared and the influence of structure on solubility in water and the organic solvent DMSO were evaluated. Furthermore, the structure and water solubility influenced the interaction with cellulose. Acetylation also showed to increase the thermal and biological stability of mannans.

With chemical pulping processes in mind, the degradability of spruce galactoglucomannans in alkaline solution were studied with regards to the structure, and the content of more or less stable structural regions were proposed.

Abstract [sv]

Hemicellulosor är en grupp av heterogena polysackarider som utgör ca 30 % av trä och där de vanligaste typerna är xylaner, glukomannaner och xyloglukaner. Den komplexa strukturen gör det svårt att fullständigt förstå förhållandet mellan struktur och egenskaper, och deras biologiska roll är ännu inte fullständigt kartlagd. Dessutom är hemicellulosor känsliga för kemiska processer och tas inte tillvara på bästa sätt för att tillverka förädlade produkter så som nya material eller användas som additiv till livsmedel och farmaceutiska produkter etc. En ökad kunskap om deras funktion är viktig för utvecklingen av både processer och material. Målet med detta arbete har därför varit att öka den fundamentala förståelsen för hur struktur och egenskaper hos hemicellulosor från trä hänger ihop. Egenskaper så som flexibilitet, interaktion med cellulosa, löslighet, samt kemisk-, termisk- och biologisk stabilitet har utvärderats.

Molekyldynamiska (MD) simuleringar användes för att studera strukturer som återfinns i hemicellulosor på detaljnivå. Flexibiliteten utvärderades med avseende på hur konformationsrymden påverkades av vilka monosackarider som ingick i huvudkedjan, samt påverkan från sidogrupper. Baserat på huvudkedjan bör flexibilitetsordningen för studerade hemicellulosor i vattenlösning vara: xylan > glukomannan > xyloglukan. Dessutom användes MD simuleringar för att analysera hur strukturen hos xylaner påverkar interaktionen med cellulosa.

Hemicellulosor extraherades från björk och gran, och användes för att producera flera olika komposithydrogeler med bakteriell cellulosa. Dessa material studerades bland annat med avseende på de mekaniska egenskaperna och de tydligaste observationerna var att galaktoglukomannan bidrog till en ökad kompressionsmodul, medan xylan framförallt ökade töjbarheten i dragprov. Dessutom modifierades modellpolysackarider med liknande struktur som galaktoglukomannan och användes som extra rena och väldefinierade modellsystem. Acetylgrupper förekommer naturligt som sidogrupper på hemicellulosor och de kan även introduceras via kemisk modifiering. I detta projekt tillverkades mannaner med olika acetyleringsgrad och hur strukturen påverkade lösligheten i vatten och det organiska lösningsmedlet DMSO utvärderades. Det visade sig även att strukturen och lösligheten i vatten påverkade interaktionen med cellulosa. Acetyleringen hade också en positiv effekt på den biologiska och termiska stabiliteten.

Med kemiska massaprocesser i åtanke studerades nedbrytbarheten hos galaktoglukomannaner från gran i alkalisk lösning med avseende på strukturen och förekomsten av mer eller mindre stabila strukturella regioner föreslogs.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2018. s. 82
Serie
TRITA-CBH-FOU ; 2018:63
Nyckelord
hemicellulose, wood, glucomannan, xylan, structure, acetylation, flexibility, solubility, interaction with cellulose, stability., hemicellulosa, trä, glukomannan, xylan, struktur, acetylering, flexibilitet, löslighet, interaktion med cellulosa, stabilitet.
Nationell ämneskategori
Trävetenskap Kemi Pappers-, massa- och fiberteknik Växtbioteknologi
Forskningsämne
Fiber- och polymervetenskap
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-240982 (URN)978-91-7873-068-1 (ISBN)
Disputation
2019-02-01, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse
Anmärkning

QC 20190107

Tillgänglig från: 2019-01-07 Skapad: 2019-01-07 Senast uppdaterad: 2019-01-07Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopusPublished version

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Berglund, JennieVilaplana, FranciscoBergenstråhle-Wohlert, MalinLawoko, MartinHenriksson, GunnarLindström, MikaelWohlert, Jakob
Av organisationen
Fiber- och polymerteknologiWallenberg Wood Science CenterGlykovetenskap
I samma tidskrift
The Plant Journal
Trävetenskap

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 1112 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • 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