Entsymaattisen hydrolyysin vaikutuksista mikrokiteisen selluloosan rakenteeseen

Cellulose can be used as a renewable raw material for energy production. The utilization requires degradation of cellulose into glucose, which can be done with the aid of enzymatic hydrolysis. In this thesis, various x-ray methods were used to characterize sub-micrometer changes in microcrystalline cellulose during enzymatic hydrolysis to clarify the process and factors slowering it. The methods included wide-angle x-ray scattering (WAXS), small-angle x-ray scattering (SAXS) and x-ray microtomography. In addition, the samples were studied with transmission electron microscopy (TEM). The studied samples were hydrolyzed by enzymes of the Trichoderma reesei species for 6, 24, and 75 hours, which corresponded to 31 %, 58 %, and 68 % degrees of hydrolysis, respectively. Freeze-dried hydrolysis residues were measured with WAXS, SAXS and microtomography, whereas some of them were re-wetted for the wet SAXS and TEM measurements. The microtomography measurements showed a clear decrease in particle size in scale of tens of micrometers. In all the TEM pictures similar cylindrical and partly ramified structures were observed, independent of the hydrolysis time. The SAXS results were ambiguous and partly imprecise, but showed a change in the structure of wet samples in scale of 10-30 nm. According to the WAXS results, the degrees of crystallinity and the crystal sizes remained the same. The gained results support the assuption, that the cellulosic particles are hydrolyzed mostly on their surface, since the enzymes are unable to penetrate into the nanopores of wet cellulose. The hydrolysis therefore proceeds quickly in easily accessible particles and leaves the unaccesible particles almost untouched. The structural changes observed in the SAXS measurements might correspond to slight loosening of the microfibril aggregates, which was seen only in the wet samples because of their different pore structure.

Selluloosaa voidaan käyttää energiatuotannon uusiutuvana raaka-aineena. Hyötykäyttö vaatii selluloosan hajottamista glukoosiksi, mikä voidaan tehdä entsyymien katalysoimien hydrolyysireaktioiden avulla. Tässä työssä tutkittiin entsyymien vaikutusta mikrokiteisen selluloosan mikrometritasoa pienempiin rakenteisiin. Samalla yritettiin selvittää hydrolyysin kulkua ja syitä sen vähittäiseen hidastumiseen. Tutkimuksessa käytettiin ensisijaisesti röntgenfysiikan menetelmiä, laajakulmasirontaa (WAXS) ja pienkulmasirontaa (SAXS) sekä röntgenmikrotomografiaa. Näiden lisäksi näytteitä tutkittiin läpäisyelektronimikroskoopilla (TEM). Työssä tutkittuja näytteitä oli hydrolysoitu Trichoderma reesei -lajin entsyymeillä 6, 24 ja 75 tuntia, jolloin ne vastasivat hydrolyysiasteita 31 %, 58 % ja 68 %. Pakastekuivatut hydrolyysin jäännökset mitattiin WAXS:lla, SAXS:lla ja mikrotomografialla, minkä lisäksi osa näytteistä kasteltiin uudelleen SAXS- ja TEM-mittauksia varten. Tuloksissa korostuivat tutkimusmenetelmien erot. Mikrotomografiakuvissa näkyi selvä partikkelikoon pienentyminen kymmenien mikrometrien kokoluokassa. Kaikkien näytteiden TEM-kuvissa havaittiin hydrolyysiajasta riippumatta samantapaisia sylinterimäisiä ja osittain haaroittuneita rakenteita. SAXS-tuloksia oli vaikea tulkita ja ne olivat osittain epätarkkoja, mutta märkien näytteiden rakenteessa nähtiin kuitenkin muutos 10-30 nm:n kokoluokassa. WAXS-tulosten perusteella kiteisyysasteet ja kidekoot eivät muuttuneet. Työssä saadut tulokset tukevat käsitystä, jonka mukaan selluloosapartikkelit hydrolysoituvat lähinnä pinnaltaan, koska entsyymit eivät pääse tunkeutumaan märän selluloosan nanohuokosiin. Hydrolyysi etenee nopeasti helppopääsyisissä partikkeleissa ja jättää vaikeapääsyisemmät lähes koskemattomiksi. SAXS-mittauksissa havaitut rakenteelliset muutokset voisivat viitata mikrofibrilliaggregaattien lievään löyhentymiseen. Tämä havaittiin ainoastaan märissä näytteissä, koska niiden huokosrakenne poikkesi kuivista näytteistä.