Purified lignin for demanding applications

Diplomityön tarkoituksena oli puhdistaa kraft ligniiniä. Raaka-aineena käytettiin pääasiassa Lignoboost -menetelmän kaltaisella menetelmällä havupuu- mustalipeästä saostettua ligniiniä. Diplomityön ensimmäisenä tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voidaan poistaa kraft ligniinistä tuhkaa. Työssä raaka-aineena käytetyn saostetun ligniinin tuhkapitoisuus oli noin 3 %. Tarkoituksena oli saada laskettua tuhkapitoisuutta uudelleenlieton, suodatuksen ja pesun avulla. Työn toisena tavoitteena oli hiilihydraattien poisto kraft ligniinistä. Hiilihydraatit, pääosin hemiselluloosaa, ovat kiinnittyneet ligniiniin vahvoin kovalenttisin sidoksin. Aiempien kokemusten perusteella hemiselluloosat eivät irtoa ligniinistä vesipesun yhteydessä, vaan niiden irrottaminen vaatii onnistuakseen happo-, entsyymi- tai mikrobikäsittelyn, mikäli halutaan säilyttää ligniinin rakenne muuttumattomana. Tässä työssä käytetyt kraft ligniinin puhdistusmenetelmät olivat lietto, happohydrolyysi ja entsymaattinen hydrolyysi, joista kumpikin sisälsi ligniinin uudelleenlieton, suodatuksen ja muodostuneen kakun pesun vedellä.

Biomass fractionation

The objective of this master's thesis was to develop a process to increase the value of residual fungal biomass as an animal feed. The increase in value is achieved by enriching the protein content in the biomass and potentially isolating other valuable fractions for productisation. In the literature part of this thesis the composition of fungal biomass and fungal cell wall and the factors affecting them during cultivation are presented. The possible processing options are also presented and evaluated. The soy protein and single cell protein product manufacturing processes are used as examples due to the lack of fungal biomass fractionation processes found in published literature. The second part of this thesis was performed by making laboratory experiments on the developed process, which consisted of acid hydrolysis with subsequent ethanol extraction. Chitin was precipitated from the acid hydrolysate filtrate. The experiments were conducted with three different hydrolysis temperatures and three different acid concentrations. The optimal hydrolysis conditions were 60 °C with 10 %-vol acid concentration. Optimal conditions in hydrolysis resulted in 30 % increase in protein content in the final biomass. The conceptual process was modelled to scale of 10 000 t/a biomass feed. The mass and energy balances were based on the laboratory experiments. Economic calculations were performed to determine the maximal capital expense while achieving 10 % internal rate of return for the investment. For the basic case the capital expense threshold was 25.8 M€. Four optional cases and parameter sensitivity analysis were performed to determine the effects of changes in the process. The chitin sales had the greatest impact of the individual parameters.

Application of capillary electrophoretic methods for determining carbohydrates and aliphatic carboxylic acids formed during wood processing

Knowledge of the behaviour of cellulose, hemicelluloses, and lignin during wood and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes. Determination of monosaccharide composition gives information about the structural polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides. This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood. Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE) the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions. Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection. The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates, including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation, except dilution, is required. A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis.

Hapatettuihin maitotuotteisiin lisätyn sokerin vaikutus tuotteiden kariogeenisyyteen

Terveellisyys ja runsasproteiinisuus ovat tämän hetken ruokavaliotrendejä. Hapatetut maitotuotteet, kuten rahkat ja jogurtit, ovat proteiinipitoisia ja ne mielletään usein terveellisiksi elintarvikkeiksi. Viime vuosina maitotuotteiden kulutus on kasvanut ja markkinoille on tullut useita hapatettuja maitotuotteita, joista osassa proteiinipitoisuus on tavallista korkeampi. Tuotteissa on kuitenkin sokeria vaihtelevia määriä. Tuotteiden sokeripitoisuus on hammas- ja yleisterveyden kannalta merkittävä seikka, joka kuitenkin voi jäädä huomioimatta kuluttajalta. Sokeri eri muodoissa aiheuttaa hampaiden reikiintymistä, mutta maitotuotteiden kohdalla on myös huomioitava niiden sisältämät reikiintymiseltä suojaavat tekijät. Tässä syventävien opintojen työssä on tehty kirjallisuuskatsaus ja tuotevertailu. Kirjallisuuskatsauksessa on perehdytty sokereiden ja karieksen yhteyteen sekä hiilihydraattien ja erityisesti sokerien saantiin ruokavaliossa. Kirjallisuuslähteinä on käytetty pääasiassa katsausartikkeleita, ravitsemussuosituksia sekä karieksen hallinnan käypä hoito -suositusta. Tuotevertailussa on vertailtu keväällä 2014 ruokakaupoissa myynnissä olleiden hapatettujen maitotuotteiden sokeripitoisuuksia. Tuotteet on jaoteltu seitsemään eri kategoriaan, joista yksi on lapsille suunnatut tuotteet. Sokerinsaannin ja karieksen yhteys nyky-yhteiskunnassa ei ole kovin selvä. Lisäksi tärkkelyksen kariogeenisyys vaihtelee sen mukaan, missä muodossa sitä saadaan ravinnosta. Sekä sokereiden että tärkkelyksen kohdalla saantimäärä ja saantitiheys ovat merkityksellisiä karieksen synnyn suhteen. Maitotuotteissa on kariekselta suojaavia mineraaleja, mutta jos tuote sisältää lisättyjä sokereita, niiden ei voida katsoa olevan hyväksi hammasterveydelle. Lastentuotteissa ja viileissä on tuotevertailun perusteella eniten lisättyä sokeria. Maustamattomat tuotteet, joissa on vain maidon sisältämää laktoosia, sen sijaan lienevät karieksen suhteen turvallisia. Myös intensiivimakeuttajilla makeutetut tuotteet, jotka eivät sisällä esimerkiksi hedelmistä peräisin olevia sokereita, ovat parempi vaihtoehto kuin sokerilla makeutetut tuotteet.

Antosyaniinit ja aterianjälkeinen aineenvaihdunta

Marjojen ja hedelmien luontaisilla sinisillä ja punaisilla antosyaniiniväriaineilla on aterianjälkeiselle aineenvaihdunnalle edullisia ominaisuuksia. Antosyaniinit liittyvät esimerkiksi aterianjälkeiseen plasman glukoosi-, insuliini-, rasva- ja tulehdusmerkkiainepitoisuuksien alenemiseen, glukoosinsietokyvyn kasvamiseen ja insuliiniresistenssin vähenemiseen. Vaikutusmekanismeiksi on ehdotettu useita biokemiallisia reaktioita. Antosyaniinit ovat antioksidatiivisia, ja ne lisäävät elimistön antioksidatiivisten entsyymien aktiivisuutta. Ne vaikuttavat hiilihydraattien ja rasvojen aineenvaihduntaan liittyvien entsyymien toimintaan sekä inhiboivat monosakkaridien imeytymistä ja AMP-kinaaseja. Kokeellisessa osassa tutkittiin tummansinisestä Synkeä Sakari -perunalajikkeesta valmistetun höyrykypsennetyn survoksen vaikutusta aterianjälkeiseen glykemiaan ja insulinemiaan verrattuna keltaisesta perunasta valmistettuun survokseen ja mustikkakiisseliin. Tutkimushenkilöt (n=13) nauttivat yksöissokotetussa vaihtovuorotutkimuksessa antosyaniini- ja tärkkelyspitoisuuksien suhteen vakioidun aterian satunnaistetussa järjestyksessä. Aterian jälkeen heiltä kerättiin plasma- ja virtsanäytteitä tietyin väliajoin. Tutkimusaterioiden antosyaniinien, fenolisten happojen, flavonoliglykosidien, vapaiden sokereiden ja orgaanisten happojen tunnistamisessa käytettiin kromatografisia, massaspektrometrisiä ja spektrofotometrisiä menetelmiä. Antosyaniinien ja niiden aineenvaihduntatuotteiden aterianjälkeistä kertymistä virtsaan aloitettiin tutkia kehittämällä näytteiden esikäsittely- ja UHPLC-ESI-MS/MS -menetelmiä. Sininen perunasurvos aiheutti pienemmän glykemiakuorman kuin mustikkakiisseli ja pienemmän insuliinikuorman kuin keltainen perunasurvos tai mustikkakiisseli. Glukoosi- ja insuliinipitoisuuksissa havaittiin merkitseviä eroja 20 ja 40 minuuttia aterian jälkeen. Tutkimus antaa viitteitä siitä, että antosyaniinipitoiset perunalajikkeet ovat glykeemisiltä ominaisuuksiltaan keltaisia perunoita edullisempia. Tämä on merkittävää, koska perunat ovat tärkeä osa suomalaista ruokavaliota ja toistuvat korkeat aterianjälkeiset veren glukoosi- ja insuliinipitoisuudet ovat yhteydessä elintasosairauksiin.