The effect of structure on the dilute solution properties of branched polysaccharides studied with SEC and AsFlFFF

Cereal arabinoxylans, guar galactomannans, and dextrans produced by lactic acid bacteria(LAB) are a structurally diverse group of branched polysaccharides with nutritional and industrial functions. In this thesis, the effect of the chemical structure on the dilute solution properties of these polysaccharides was investigated using size-exclusion chromatography(SEC) and asymmetric flow field-flow fractionation (AsFlFFF) with multiple-detection. The chemical structures of arabinoxylans were determined, whereas galactomannan and dextran structures were studied in previous investigations. Characterization of arabinoxylans revealed differences in the chemical structures of cereal arabinoxylans. Although arabinoxylans from wheat, rye, and barley fiber contained similar amounts of arabinose side units, the substitution pattern of arabinoxylans from different cereals varied. Arabinoxylans from barley husks and commercial low-viscosity wheat arabinoxylan contained a lower number of arabinose side units. Structurally different dextrans were obtained from different LAB. The structural effects on the solution properties could be studied in detail by modifying pure wheat and rye arabinoxylans and guar galactomannan with specific enzymes. The solution characterization of arabinoxylans, enzymatically modified galactomannans, and dextrans revealed the presence of aggregates in aqueous polysaccharide solutions. In the case of arabinoxylans and dextrans, the comparison of molar mass data from aqueous and organic SEC analyses was essential in confirming aggregation, which could not be observed only from the peak or molar mass distribution shapes obtained with aqueous SEC. The AsFlFFF analyses gave further evidence of aggregation. Comparison of molar mass and intrinsic viscosity data of unmodified and partially debranched guar galactomannan, on the other hand, revealed the aggregation of native galactomannan. The arabinoxylan and galactomannan samples with low or enzymatically extensively decreased side unit content behaved similarly in aqueous solution: lower molar mass samples stayed in solution but formed large aggregates, whereas the water solubility of the higher-molar-mass samples decreased significantly. Due to the restricted solubility of galactomannans in organic solvents, only aqueous galactomannan solutions were studied. The SEC and AsFlFFF results differed for the wheat arabinoxylan and dextran samples. Column matrix effects and possible differences in the separation parameters are discussed, and a problem related to the non-established relationship between the separation parameters of the two separation techniques is highlighted. This thesis shows that complementary approaches in the solution characterization of chemically heterogeneous polysaccharides are needed to comprehensively investigate macromolecular behavior in solution. These results may also be valuable when characterizing other branched polysaccharides.

Erilaisia analyysimenetelmiä hyödyntämällä luotettavaa tietoa haaroittuneiden polysakkaridien liuosominaisuuksista Arabinoksylaanit, galaktomannaanit ja dekstraanit ovat joko kasvi- tai mikrobiperäisiä polysakkarideja. Viljoissa esiintyvät arabinoksylaanit muodostavat yhdessä beetaglukaanin kanssa pääasiallisen ravintokuidun lähteen ravinnossa. Galaktomannaania saadaan guar-kasvin paloista ja sitä käytetään yleisesti elintarviketeollisuudessa sakeutusaineena (guarkumi E 412). Dekstraanit ovat puolestaan maitohappobakteerien tuottamia eksopolysakkarideja, joilla on paljon sovelluksia. Dekstraaneja käytetään esimerkiksi lisäaineina kosmetiikassa, kliinisissä sovelluksissa plasman laajentajina ja standardiaineina kromatografiassa. Lisäksi dekstraaneja käytetään elintarviketeollisuudessa emulgaattoreina, sakeuttajina ja stabilaattoreina. Näiden jo mainittujen sovellusten lisäksi näitä kaikkia uusiutuvia biopolymeerejä voitaisiin hyödyntää vieläkin tehokkaammin mm. selluloosan ja tärkkelyksen rinnalla, joilla on selkeästi enemmän käyttösovelluksia. Polysakkaridien kemiallinen rakenne ja sekä fysikaaliset ominaisuudet tulee kuitenkin tuntea tarkasti, jotta uusia sovelluksia voidaan kehittää. Tässä työssä tutkittiin polysakkaridien rakenteen vaikutusta niiden liuosominaisuuksiin laimeissa liuoksissa, jolloin voidaan saada tietoa yksittäisten molekyylien ominaisuuksista. Eri viljoista peräisin olevien arabinoksylaanien rakenteet olivat luontaisesti erilaiset. Lisäksi polysakkaridien rakenteita muokattiin spesifisillä entsyymeillä. Haaroittuneiden polysakkaridien liuosominaisuuksien tutkiminen on haastavaa, sillä kemiallisen rakenteen vaihtelu on suurta näytemolekyylien välillä. Lisäksi, suurin osa haaroittuneiden polysakkaridien tutkimuksesta on toistaiseksi keskittynyt amylopektiiniin, joka on tärkkelyksen rakennekomponentti, sekä glykogeeniin. Polymeerien karakterisointi on kehittynyt paljon viime vuosikymmeninä, mutta sovellukset on kehitetty lähinnä synteettisille polymeereille. Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin kokoekskluusiokromatografiaa (SEC) ja asymmetristä poikittaisvirtauskenttävirtausfraktiointia (AsFlFFF). Molemmissa erotusmenetelmissä käytettiin useita detektoreita moolimassan, molekyylikoon, konformaation ja rajaviskositeetin määrittämiseksi kunkin näytteen kokojakaumalle. Kemiallinen rakenne vaikutti tutkittujen polysakkaridien liuosominaisuuksiin. Vaikka arabinoksylaanien ja galaktomannaanien rakenne on samankaltainen, niiden liuoskäyttäytymisessä havaittiin eroja. Dekstraaneissa on myös pidempiä haaroja, toisin kuin arabinoksylaaneissa ja galaktomannaaneissa, jotka hallitsevat molekyylien käyttäytymistä liuoksessa. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että rakenteellisesti heterogeenisten biopolymeerien liuosominaisuuksista voidaan saada luotettavaa tietoa kahta erotusmenetelmää vertaamalla, eri liuottimia hyödyntämällä, sekä eri detektiomenetelmiä yhdistämällä.