Cereal production generates large quantities of by-products every year, which still remain underutilized. The hemicellulose fractions from cereal by-products are anticipated to play an important role in tomorrow's sustainable and bio-based circular economy. This thesis addresses the valorization of hemicelluloses from cereal bran into films and hydrogels, starting from their isolation and expanding to the evaluation of material properties and potential use in future applications.

Initial isolation of arabinoxylans (AX) from wheat bran was achieved by a lab-scale subcritical water extraction (SWE) maintaining their functional groups (i.e. ferulic acid) and the effect of prior protein isolation on AX extraction was studied. The protein isolation resulted in a looser structure of wheat bran, which increased the polysaccharide yields in subsequent SWE. The polymeric structure and ferulic acid groups were preserved to a large extent after both protein isolation and SWE. The extracted AX fractions had considerable antioxidant activity, rendering them potential sources for further material development.

Further isolation of larger quantities of wheat bran AX was achieved by pilot scale SWE and alkaline extraction, resulting in feruloylated and non-feruloylated AX fractions, respectively. The film formation and properties of these AXs were investigated in comparison with a wheat endosperm AX. The three AX were also chemically modified by acetylation and applied in films. Higher purity, molecular weight, and degree of substitution of the AX extracts led to better thermal and mechanical properties of their films. The thermal stability of the films was significantly improved after chemical acetylation however, the mechanical performance and permeability properties did not change. Bound ferulic acid in feruloylated AX films was found to have considerably higher antioxidant activity than external incorporation of free ferulic acid.

Hydrogels were produced by enzymatic crosslinking of feruloylated AX from both wheat and corn bran, which show distinct molecular structure and ferulic acid content. For wheat bran AX, hydrogels were obtained by laccase crosslinking and the following regeneration process, and their biochemical and biophysical properties were studied. The rheological properties of feruloylated AX were enhanced by enzymatic crosslinking and further improved by the regeneration, proving that their mechanical strength can be modulated by chemical and physical adjustments. For corn bran AX, crosslinking was applied by laccase and peroxidase to compare the properties of the resulting hydrogels. Laccase formed a more elastic hydrogel network whereas peroxidase crosslinking resulted in hydrogels with larger covalent polymer networks. As a result of these differences between the two enzymes, the hydrogel obtained by peroxidase crosslinking contained larger aggregates with lower clustering strength. The crosslinking was followed by a cell application of the AX hydrogels, where their protective effect against chemically induced oxidative stress was demonstrated. Both corn bran AX hydrogels provided adequate scavenging against reactive oxygen species produced by human colon cells. It was shown that the gelation of wheat bran AX is governed by physical interactions between the xylan backbones of adjacent chains and interactions between larger scale aggregates in addition to the covalent crosslinks. The gelation mechanism of highly substituted corn bran AX was instead hypothesized to proceed by interactions between side chains together with covalent crosslinks. This thesis demonstrated that AX-based hydrogels could find potential use in food and biomedical applications. The outputs of this thesis will contribute to the bioeconomy and sustainable development by valorizing food side fractions into new high-value materials.

Spannmålsproduktion genererar varje år biprodukter i stora mängder som fortfarande är outnyttjade. Hemicellulosor från spannmålbiprodukter förväntas spela en viktig roll i framtidens hållbara och biobaserade cirkulära ekonomi. Denna avhandling omfattar valorisering av hemicellulosor från spannmålskli till filmer och hydrogeler, vilken startar med isolering och utvidgas till utvärdering av materialegenskaper och eventuell användning vid vidare applikationer.

Arabinoxylaner (AX) extraherades initialt genom att använda en subkritisk vattenextraktion (SWE) i laboratorieskala under vilken de funktionella grupperna (ferulsyra) behölls intakta och effekten av tidigare proteinisolering i AX extraktion studerades. Proteinisoleringen resulterade i en lösare struktur hos vetekliet, vilket ökade utbytet av polysackarid i efterföljande SWE. Polymerstrukturen och ferulsyra grupperna bibehölls i stor utsträckning efter både proteinisolering och SWE. De extraherade AX fraktionerna uppvisade avsevärd antioxidantisk aktivitet, vilket gör dem till potentiella källor för ytterligare materialutveckling.

Ytterligare isolering av vetekli AX i större mängder uppnåddes genom pilotskala SWE och alkalisk extraktion, vilket resulterade i feruloylerade och icke-feruloylerade AX-fraktioner. Filmbildningen och egenskaperna hos dessa AX undersöktes och jämföredes med en veteendosperm AX. De tre AX modifierades också kemiskt genom acetylering och applicerades i filmer. Högre renhet, molekylvikt ochsubstitutionsgrad hos AX extrakten ledde till bättre termiska och mekaniska egenskaper hos dessa filmer. Filmernas termiska stabilitet förbättrades avsevärt efter kemisk acetylering, men de mekaniska prestandaoch permeabilitetsegenskaperna förändrades inte. Bunden ferulsyra i AX filmerna uppvisade betydligt högre antioxidantisk aktivitet än extern införlivning av fri ferulsyra.

Hydrogeler producerades genom enzymatisk tvärbindning av feruloylerad AX från både vete och majskli, som båda uppvisar distinkt molekylstruktur och ferulsyrahalt. Hydrogeler producerades från vetekli AX genom lackas tvärbindning och den följande regenereringsprocessen samt deras biokemiska och biofysikaliska egenskaper studerades. De reologiska egenskaperna hos feruloylerad AX förstärktes genom enzymatisk tvärbindning och förbättrades vidare genom regenereringen, vilket bevisar att deras mekaniska hållfasthet kan moduleras genom kemiska och fysiska justeringar. För majskli AX applicerades tvärbindning med lackas och peroxidas för att jämföra egenskaperna hos de resulterande hydrogelerna. Lackas bildade ett mer elastisk hydrogelnätverk medan peroxidas tvärbindning resulterade i hydrogeler med större kovalenta polymernätverk. Som ett resultat av dessa skillnader mellan de två enzymerna uppvisade hydrogelerna från peroxidas tvärbindning större aggregat med lägre klusterstyrka. Tvärbindningen följdes av en cellapplicering av AX hydrogelerna, där deras skyddande effekt mot kemiskt inducerad oxidativ stress påvisades. Båda majskli AX hydrogelerna uppvisade god avlägsningsförmåga gemtemot reaktiva syreföreningar som produceras av humana kolonceller. Det visades att gelningen av vetekli AX styrs av fysikaliska interaktioner mellan xylan skelettet i angränsande AX kedjor och interaktioner mellan aggregat i större skala i tillägg till de kovalenta tvärbindningarna. Geleringsmekanismen för starkt substituerad majskli AX antogs istället gå vidare genom interaktioner mellan sidokedjor tillsammans kovalenta tvärbindningar. Denna avhandling visade att AX-baserade hydrogeler kan hitta potentiell användning inom livsmedel och biomedicinska tillämpningar. Resultatet av denna avhandling kommer att bidra till bioekonomi och hållbar utveckling genom att valorisera livsmedelsfraktioner till nya högvärdiga material.