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.

Jakojuuriviljelyn vaikutus kasvihuonekurkun (Cucumis sativus L.) kasvuun ja kehitykseen

Kasvit ottavat vettä parhaiten kasteluravinneliuoksesta, jonka ravinnepitoisuus on pieni. Intensiivisessä kasvihuonetuotannossa käytetään silti kastelulannoituksessa usein korkeita ravinnepitoisuuksia ravinnepuutosten ja satotappioiden välttämiseksi. Jakojuuriviljelyssä kasvin juuriston annetaan kasvaa kahteen erilliseen kasvualustaosioon. Tällöin toiselle puolelle annetaan johtokyvyltään väkevää ja toiselle puolelle laimeaa ravinneliuosta. Erityisesti kasvihuonekurkun, joka on herkkä kasvualustan suolaisuuden aiheuttamille vedensaantiongelmille, on todettu hyötyvän tästä tekniikasta, mikä näkyy kasvaneina satoina. Tämän MTT Piikkiössä toteutetun kasvihuonekurkun jakojuuriviljelytutkimuksen tavoitteena oli tarkentaa tekniikkaa erityisesti kasteluliuosten johtokyvyn osalta. Yhtenäisjuuriviljelyn ja perinteisen jakojuuriviljelyn lisäksi kokeessa oli kaksi jakojuuriviljelykäsittelyä, joissa ravinneliuosväkevyyksiä vaihdettiin väliajoin juuriston toimintakyvyn parantamiseksi. Erillisessä osakokeessa tutkittiin erilaisten johtokyky-yhdistelmien vaikutusta kasvihuonekurkun vegetatiiviseen kasvuun maanpäällisten ja -alaisten kasvinosien välillä sekä juurten morfologiaan ja anatomiaan. Tulokset osoittivat, että jakojuuriviljely lisäsi kasvihuonekurkun sadontuottoa jopa 16 %, mutta ei vaikuttanut koko viljelykauden veden tai ravinteiden ottoon. Yhtenäisjuuriviljelyssä muodostui eniten piikkikärkisiä hedelmiä, mikä viittaa vedensaantiongelmiin haihdutustarpeen ollessa suurin. Viljelytekniikalla ei ollut vaikutusta kasvien vegetatiiviseen kasvuun tai kasvuston rakenteeseen. Lehtiruodeista tehdyt nitraatti- ja kaliummittaukset osoittivat, ettei kasteluliuosten ravinnepitoisuuksilla ollut vaikutusta juurten ravinteiden ottoon. Erilaisilla johtokyky-yhdistelmillä oli huomattavampi vaikutus kasvihuonekurkun juurten painoon kuin verson painoon tai varren pituuskasvuun. Lehtiruotianalyysit viittasivat ravinteiden erilaiseen allokointiin eri johtokyky-yhdistelmissä. Korkeiden johtokykyjen aiheuttama osmoottinen stressi johti muutoksiin juurten morfologiassa ja anatomiassa. Tulosten perusteella jakojuuriviljely paransi kehittyvien hedelmien kohdevahvuutta suhteessa muihin kohteisiin vaikuttamatta vegetatiiviseen kasvuun. Kun laimean ja väkevän ravinneliuoksen puolia vaihdettiin, juuristo otti joustavasti vettä ja ravinteita olosuhteiden määräämästä edullisemmasta johtokyvystä, jolloin kasvihuonekurkun viljelyssä saavutettiin merkittävä satoetu. Juuriston jakaminen vaikuttanee kasvien hormoniaineenvaihduntaan ja voi heikentää juuriston kasvua heikentämättä sen toimintakykyä, jolloin yhteyttämistuotteita kohdennetaan tehokkaammin maanpäällisten osien kasvuun.

Magnetorotational instability driven dynamos at low magnetic Prandtl numbers

Numerical simulations of the magnetorotational instability (MRI) with zero initial net flux in a non-stratified isothermal cubic domain are used to demonstrate the importance of magnetic boundary conditions. In fully periodic systems the level of turbulence generated by the MRI strongly decreases as the magnetic Prandtl number (Pm), which is the ratio of kinematic viscosity and magnetic diffusion, is decreased. No MRI or dynamo action below Pm=1 is found, agreeing with earlier investigations. Using vertical field conditions, which allow magnetic helicity fluxes out of the system, the MRI is found to be excited in the range 0.1