Ionic liquid mediated biomass deconstruction: from analysis challenges to fermentable sugars

Ionic liquids, ILs, have recently been studied with accelerating interest to be used for a deconstruction/fractionation, dissolution or pretreatment processing method of lignocellulosic biomass. ILs are usually utilized combined with heat. Regarding lignocellulosic recalcitrance toward fractionation and IL utilization, most of the studies concern IL utilization in the biomass fermentation process prior to the enzymatic hydrolysis step. It has been demonstrated that IL-pretreatment gives more efficient hydrolysis of the biomass polysaccharides than enzymatic hydrolysis alone. Both cellulose (especially cellulose) and lignin are very resistant towards fractionation and even dissolution methods. As an example, it can be mentioned that softwood, hardwood and grass-type plant species have different types of lignin structures leading to the fact that softwood lignin (guaiacyl lignin dominates) is the most difficult to solubilize or chemically disrupt. In addition to the known conventional biomass processing methods, several ILs have also been found to efficiently dissolve either cellulose and/or wood samples – different ILs are suitable for different purposes. An IL treatment of wood usually results in non-fibrous pulp, where lignin is not efficiently separated and wood components are selectively precipitated, as cellulose is not soluble or degradable in ionic liquids under mild conditions. Nevertheless, new ILs capable of rather good fractionation performance have recently emerged. The capability of the IL to dissolve or deconstruct wood or cellulose depends on several factors, (e.g. sample origin, the particle size of the biomass, mechanical treatments as pulverization, initial biomassto-IL ratio, water content of the biomass, possible impurities of IL, reaction conditions, temperature etc). The aim of this study was to obtain (fermentable) saccharides and other valuable chemicals from wood by a combined heat and IL-treatment. Thermal treatments alone contribute to the degradation of polysaccharides (e.g. 150 °C alone is said to cause the degradation of polysaccharides), thus temperatures below that should be used, if the research interest lies on the IL effectiveness. On the other hand, the efficiency of the IL-treatment can also be enhanced to combine other treatment methods, (e.g. microwave heating). The samples of spruce, pine and birch sawdust were treated with either 1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, Emim Cl, or 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate, Emim Ac, (or with ionized water for comparison) at various temperatures (where focus was between 80 and 120 °C). The samples were withdrawn at fixed time intervals (the main interest treatment time area lied between 0 and 100 hours). Double experiments were executed. The selected mono- and disaccharides, as well as their known degradation products, 5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF, and furfural were analyzed with capillary electrophoresis, CE, and high-performance liquid chromatography, HPLC. Initially, even GC and GC-MS were utilized. Galactose, glucose, mannose and xylose were the main monosaccharides that were present in the wood samples exposed to ILs at elevated temperatures; in addition, furfural and 5-HMF were detected; moreover, the quantitative amount of the two latter ones were naturally increasing in line with the heating time or the IL:wood ratio.

UHPLC-epäpuhtausmenetelmän kehittäminen ja validointi inhalaatiovalmisteelle

Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää menetelmä, jolla voidaan seurata inhalaatiovalmisteen sisältämiä epäpuhtauksia. Menetelmä kehitetään erittäin korkean suorituskyvyn kromatografialaitteistolle (Ultra High Performance Liquid Chromatography, UHPLC) jo olemassa olevan HPLC-epäpuhtausmenetelmän pohjalta. Uusi menetelmä kehitetään analyysiajan lyhentämiseksi ja erotuksen resoluution parantamiseksi. Työn kirjallisuusosa esittelee lyhyesti inhalaatiovalmisteet sekä nestekromatografian perusteet. Korkean erotuskyvyn nestekromatografia ja analysoinnin apuna käytettävät parametrit selvitetään laskukaavoineen. Kirjallisuusosa keskittyy epäpuhtausmenetelmän kehittämisen kulkuun ja menetelmän validoinnissa suoritettaviin kokeisiin. Soveltavassa osassa Orion Oyj:n kehitteillä olevalle kahden vaikuttavan aineen inhalaatiovalmisteelle kehitetään UHPLC-epäpuhtausmenetelmä kirjallisuusosiossa esitellyn menetelmäkehitysrungon pohjalta. Menetelmäkehityksen kulku ja analyysin olosuhteiden valinta esitellään pääpiirteittäin, jonka jälkeen kehitetty menetelmä validoidaan sille tehdyn validointisuunnitelman mukaisesti. Kehitetystä UHPLC-epäpuhtausmenetelmästä saatiin 16 minuuttia lyhyempi kuin vastaava HPLC-epäpuhtausmenetelmä. Myös analyysin resoluutio parantui merkittävästi. Toistuvien injektioiden jälkeen kromatogrammissa esiintyi kuitenkin häntimistä, joka johti merkittävään resoluution heikkenemiseen. Häntimisen syyksi epäiltiin toisen vaikuttavan aineen kiinnittymistä kolonnimateriaaliin, mutta sen estämiseksi ehdotetut toimenpiteet eivät sopineet kehitettyyn menetelmään.

Understanding the bioactivity of plant tannins: developments in analysis methods and structure-activity studies

Tannins, typically segregated into two major groups, the hydrolyzable tannins (HTs) and the proanthocyanidins (PAs), are plant polyphenolic secondary metabolites found throughout the plant kingdom. On one hand, tannins may cause harmful nutritional effects on herbivores, for example insects, and hence they work as plants’ defense against plant-eating animals. On the other hand, they may affect positively some herbivores, such as mammals, for example by their antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory or anticarcinogenic activities. This thesis focuses on understanding the bioactivity of plant tannins, their anthelmintic properties and the tools used for the qualitative and quantitative analysis of this endless source of structural diversity. The first part of the experimental work focused on the development of ultra-high performance liquid chromatography−tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) based methods for the rapid fingerprint analysis of bioactive polyphenols, especially tannins. In the second part of the experimental work the in vitro activity of isolated and purified HTs and their hydrolysis product, gallic acid, was tested against egg hatching and larval motility of two larval developmental stages, L1 and L2, of a common ruminant gastrointestinal parasite, Haemonchus contortus. The results indicated clear relationships between the HT structure and the anthelmintic activity. The activity of the studied compounds depended on many structural features, including size, functional groups present in the structure, and the structural rigidness. To further understand tannin bioactivity on a molecular level, the interaction between bovine serum albumin (BSA), and seven HTs and epigallocatechin gallate was examined. The objective was to define the effect of pH on the formation on tannin–protein complexes and to evaluate the stability of the formed complexes by gel electrophoresis and MALDI-TOF-MS. The results indicated that more basic pH values had a stabilizing effect on the tannin–protein complexes and that the tannin oxidative activity was directly linked with their tendency to form covalently stabilized complexes with BSA at increased pH.

Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits. The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first in vitro tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the in vivo animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first in vitro study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this in vitro polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second in vitro study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.

Marjojen antosyaanien erottaminen ja väkevöinti

Antosyaanit ovat luonnossa esiintyvien flavonoidien suurin ryhmä. Niitä on tunnistettu yli 600 erilaista, mutta kuitenkin vain kuusi on luonnossa yleisesti esiintyviä. Eniten antosyaaneja on tummissa marjoissa kuten mustikassa, marja-aroniassa sekä variksenmarjassa. Antosyaaneilla on havaittu monia positiivisiaterveysvaikutuksia kuten antioksidatiivisia, antikarsinogeenisia, sekä antimikrobiaalisia vaikutuksia. Tässä työssä tutkittiin marjojen antosyaanien talteenottoa uuttamalla sekä niiden väkevöintiä. Tavoitteena oli saada mahdollisimman korkea antosyaanien saanto ja hyvä säilyvyys. Antosyaanien analysointi tehtiin nestekromatografisesti käyttäen ODS-2 kolonnia sekä nopeampaa spektrofotometristä pH-eromenetelmää. Tulokset laskettiin syanidiini-3-glukosidina. Antosyaanien väkevöintiä tutkittiin käyttäen erityyppisiä polymeerisiä makrohuokoisia adsorptiohartseja. Väkevöintiä kokeiltiin myös erottamalla epäpuhtauksia antosyaaniuutteesta sekä esikäsittelemällä puristejäännös eri olosuhteissa ennen antosyaanien uuttoa. Kuiva antosyaaniuute sisälsi ennen väkevöintiä noin 50 mg/g antosyaaneja ja väkevöinnin jälkeen yli 300 mg/g. Antosyaanien säilyvyyttä tutkittiin eri lämpötiloissa sekä kuivana että uutteena. Riippumatta säilytysolosuhteista kuivan puhdistetun antosyaanin havaittiin säilyvän hyvin.

Chromatographic analysis of lignans supplemented in foods

Fytoestrogeenit ovat kasvimateriaalista peräisin olevia yhdisteitä, joilla on ihmisen estrogeeni-hormonin kaltaista aktiivisuutta. Fytoestrogeenit voidaan jakaa kolmeen pääryhmään, joista yksi merkittävä ryhmä on lignaanit. Lignaaneilla on todettu olevan antioxidatiivisia, antiviraalisia ja antibakteriaalisia ominaisuuksia. Niillä on todettu olevan myös positiivisia vaikutuksia hormoniperäisten syöpien ehkäisyssä. Näiden ominaisuuksien vuoksi lignaaneja pyritään hyödyntämään esimerkiksi aktiivisina ainesosina funktionaalisissa elintarvikkeissa. Tässä työssä tutkittiin lignaanin, hydroksimatairesinolin (HMRlignanTM) kemiallisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta eri ruoka-aineisiin. Työn tarkoituksena oli selvittää ruoka-aineisiin lisätyn hydroksimatairesinolin kemiallista pysyvyyttä erilaisissa säilytys- ja prosessointioloissa sekä tutkia lignaanin liukoisuutta erilaisiin liuottimiin. Hydroksimatairesinolin analysoimiseksi ruoka-aineista käytettiin korkean erotuskyvyn omaavaa nestekromatografista menetelmää. Menetelmä validoitiin ennen varsinaista analysointia ICH-ohjeiston mukaisesti. Validoinnissa tutkittiin kromatografiamenetelmän spesifisyys, lineaarisuus, tarkkuus, oikeellisuus sekä detektointi- ja määritysrajat tutkittavalle lignaanille. Käytetty menetelmä soveltui hyvin lignaanin analysoimiseen ruoka-aineista. Hydroksimatairesinolin vesiliukoisuuden todettiin olevan noin 1 mg/ml. Tutkimukset osoittivat hydroksimatairesinolin olevan stabiili alle 50ºC:en lämpötiloissa. Korkeammissa lämpötiloissa hydroksimatairesinoli oli stabiili jauhemuodossa lisättynä.

Päällystetyn graafisen kartongin hajuominaisuudet

Diplomityön tavoitteena oli selvittää elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin potentiaalinen hajun aiheuttaja. Lisäksi tavoitteena oli vähentää päällystetyn tasakoosteisen (SBS) kolmikerroskartongin hajutasoa keskittyen päällystyspastakomponentteihin sekä massaosaston jälkeen annosteltaviin kemikaaleihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin eri kartonkilajeja, päällystyspastoja ja sen sisältämiä komponentteja, pääpainon ollessa kuitenkin kartongin hajuominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden selvittämisessä. Lisäksi luotiin katsaus kartonkien aistinvaraisiin ja instrumentaalisiin määritysmenetelmiin. Instrumentaalisista määritysmenetelmistä käsiteltiin headspace –kaasukromatografia (HSGC) sekä korkeanerotuskyvyn nestekromatografia yhdistettynä massaspektrometriin (HPLC/MS). Kokeellisen osan alussa kartoitettiin päällystyskemikaalien sekä liima- ja retentioaineiden haihtuvat yhdisteet HSGC- ja HPLC/MS –tekniikoiden avulla. Kaasukromatografisesti analysoidut kokonaishaihtuvien tasot eivät poikenneet normaaleista tasoista, joten jouduttiin siirtymään HPLC/MS –menetelmään. HPLC/MS –tekniikalla on päästy tutkimaan herkästi haihtuvien typpiyhdisteiden amiinipitoisuuksia. Kemikaalimittausten perusteella vaihdettiin potentiaaliset hajua aiheuttavat kemikaalit, kovete ja synteettinen paksuntaja, markkinoilla oleviin vaihtoehtoisiin kemikaaleihin ja suoritettiin pilot -koeajo sekä tehdasmittakaavaiset koeajot. Työssä perehdyttiin myös varastoinnin aiheuttamiin vaikutuksiin eri kartonkilaatujen aistinvaraisissa ominaisuuksissa. Päällystyspastan kemikaaleista suuren hajukuorman aiheuttavat kovete, dispergointiaine, päällystyspigmentit ja lateksit sekä synteettinen paksuntaja. Kovetteen annostelumäärä päällystyspastoihin on alhainen, mutta sen sisältämä ammoniakkipitoisuus on kuitenkin huomattavan suuri. Kovete ohjaakin lopputuotteen ammoniakkipitoisuutta. Merkittävän metyyliamiinikuorman sisältää dispergointiaine. Sen vaikutus lopputuotteeseen voidaan olettaa vähäiseksi johtuen kemikaalin pienestä määrästä pastassa. Päällystyspigmenttien ja lateksien korkea metyyliamiinikuorma voi puolestaan aiheuttaa lopputuotteeseen huomattavan hajukuorman johtuen niiden suurista annostelumääristä. Eri synteettisille paksuntajille tehtyjen tutkimusten mukaan niiden hajukuormat olivat hyvin samankaltaisia ja vaikutus lopputuotteen kokonaishajutasoon jäi pieneksi. Aistinvaraisesti tarkasteltuna eri kartonkilaaduille saadaan eri hajutasoja. Elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin hajutasot olivat korkeita muihin kartonkilaatuihin nähden niin tuoreena kuin varastoinnin jälkeen. Erityisesti tuoreen kartonkinäytteen metyyliamiinipitoisuus ylitti hajukynnyksen. Käytetty lateksi, kovete ja synteettinen paksuntaja näyttävät muodostavan niin tiiviin hajua koteloivan päällystekerroksen kartongin pinnalle, että hajua vapautuu pitkällä aikavälillä. Myös varastointi tiiviinä pakkauksena estää amiinien haihtumisen. Tutkimusten mukaan ammoniakkivapaalla PZC –kovetteella saadaan alennettua graafisen kartongin ammoniakkikuormaa huomattavasti. Tämä on vaikuttamassa myös lopputuotteen hajutasoon, jota on mahdollisuus alentaa käyttämällä ammoniakkivapaata kovetetta.

High Throughput Purification of Combinatorial Libraries by Preparative LC/MS

Viime vuosien nopea kehitys on kiihdyttänyt uusien lääkkeiden kehittämisprosessia. Kombinatorinen kemia on tehnyt mahdolliseksi syntetisoida suuria kokoelmia rakenteeltaan toisistaan poikkeavia molekyylejä, nk. kombinatorisia kirjastoja, biologista seulontaa varten. Siinä molekyylien rakenteeseen liittyvä aktiivisuus tutkitaan useilla erilaisilla biologisilla testeillä mahdollisten "osumien" löytämiseksi, joista osasta saatetaan myöhemmin kehittää uusia lääkeaineita. Jotta biologisten tutkimusten tulokset olisivat luotettavia, on syntetisoitujen komponenttien oltava mahdollisimman puhtaita. Tämän vuoksi tarvitaan HTP-puhdistusta korkealaatuisten komponenttien ja luotettavan biologisen tiedon takaamiseksi. Jatkuvasti kasvavat tuotantovaatimukset ovat johtaneet näiden puhdistustekniikoiden automatisointiin ja rinnakkaistamiseen. Preparatiivinen LC/MS soveltuu kombinatoristen kirjastojen nopeaan ja tehokkaaseen puhdistamiseen. Monet tekijät, esimerkiksi erotuskolonnin ominaisuudet sekä virtausgradientti, vaikuttavat preparatiivisen LC/MS puhdistusprosessin tehokkuuteen. Nämä parametrit on optimoitava parhaan tuloksen saamiseksi. Tässä työssä tutkittiin emäksisiä komponentteja erilaisissa virtausolosuhteissa. Menetelmä kombinatoristen kirjastojen puhtaustason määrittämiseksi LC/MS-puhdistuksen jälkeen optimoitiin ja määritettiin puhtaus joillekin komponenteille eri kirjastoista ennen puhdistusta.

Brown algal phlorotannins: Improving and applying chemical methods

Phlorotannins are the least studied group of tannins and are found only in brown algae. Hitherto the roles of phlorotannins, e.g. in plant-herbivore interactions, have been studied by quantifying the total contents of the soluble phlorotannins with a variety of methods. Little attention has been given to either quantitative variation in cell-wall-bound and exuded phlorotannins or to qualitative variation in individual compounds. A quantification procedure was developed to measure the amount of cell-wall-bound phlorotannins. The quantification of soluble phlorotannins was adjusted for both large- and small-scale samples and used to estimate the amounts of exuded phlorotannins using bladder wrack (Fucus vesiculosus) as a model species. In addition, separation of individual soluble phlorotannins to produce a phlorotannin profile from the phenolic crude extract was achieved by high-performance liquid chromatography (HPLC). Along with these methodological studies, attention was focused on the factors in the procedure which generated variation in the yield of phlorotannins. The objective was to enhance the efficiency of the sample preparation procedure. To resolve the problem of rapid oxidation of phlorotannins in HPLC analyses, ascorbic acid was added to the extractant. The widely used colourimetric method was found to produce a variation in the yield that was dependent upon the pH and concentration of the sample. Using these developed, adjusted and modified methods, the phenotypic plasticity of phlorotannins was studied with respect to nutrient availability and herbivory. An increase in nutrients decreased the total amount of soluble phlorotannins but did not affect the cell-wall-bound phlorotannins, the exudation of phlorotannins or the phlorotannin profile achieved with HPLC. The presence of the snail Thedoxus fluviatilis on the thallus induced production of soluble phlorotannins, and grazing by the herbivorous isopod Idotea baltica increased the exudation of phlorotannins. To study whether the among-population variations in phlorotannin contents arise from the genetic divergence or from the plastic response of algae, or both, algae from separate populations were reared in a common garden. Genetic variation among local populations was found in both the phlorotannin profile and the content of total phlorotannins. Phlorotannins were also genetically variable within populations. This suggests that local algal populations have diverged in their contents of phlorotannins, and that they may respond to natural selection and evolve both quantitatively and qualitatively.

Antitromboottisten lääkeaineiden enantiomeerien kromatografinen fraktiointi

Suuri osa käytössä olevista lääkeaineista on kiraalisia yhdisteitä. Lääkevalmisteet sisältävät yhdisteen enantiomeerien ominaisuuksista riippuen joko yksittäistä enantiomeeria tai näiden seosta. Antitromboottisiin eli veren hyytymistä estäviin lääkeaineisiin kuuluvat varfariini ja rivaroksabaani ovat kiraalisia yhdisteitä, joiden enantiomeerien ominaisuudet poikkeavat antitromboottisen vaikutuksen voimakkuuden suhteen. Varfariinia käytetään kliinisesti enantiomeeriensa raseemisena seoksena, kun taas rivaroksabaani on käytössä lääkevalmisteena puhtaana S-enantiomeerinaan. Lääkeaineen enantiomeerien erottaminen toisistaan on tärkeää esimerkiksi enantiomeerien puhdistamiseksi, lääkevalmisteen oikean koostumuksen varmistamiseksi tai yksittäisten enantiomeerien käyttäytymisen arvioimiseksi elimistössä. Tässä kirjallisuustyössä käsiteltiin nestekromatografian käyttöä antitromboottisiin lääkeaineisiin kuuluvien antikoagulanttien enantiomeerien fraktioinnissa. Kirjallisuudesta saadun tiedon perusteella arvioitiin, millä erotusmateriaaleilla ja millaisissa koeolosuhteissa varfariinin sekä rivaroksabaanin enantiomeerit tulisi erottaa toisistaan. Varfariinin enantiomeerien erotukseen parhaiten sopivaksi erotusmateriaaliksi todettiin kirjallisuuden perusteella kiraalinen vankomysiinipohjainen stationaarifaasi (Chirobiotic V) metanolin, etikkahapon ja veden seoksen toimiessa eluenttina. Eluentin virtausnopeudella 0,3 mL/min ja pienellä injektiotilavuudella varfariinin enantiomeerit saatiin erottumaan täydellisesti ja nopeasti toisistaan. Kirjallisuuden perusteella rivaroksabaanin enantiomeerien erotuksessa erotusmateriaalina toimii parhaiten kiraalinen selluloosapohjainen stationaarifaasi (Chiralcel OD-RH), kun eluenttina käytetään n-heksaanin ja isopropanolin seosta virtausnopeudella 1 mL/min. Varfariinin ja rivaroksabaanin enantiomeerien fraktiointiin parhaiten sopivia menetelmiä voidaan käyttää eri tilanteissa, kuten lääkevalmisteiden laadunvarmistuksessa tai enantiomeerien erotuksessa niiden synteesin jälkeen.