Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Mäntyöljyn tislauksen esikäsittely

Raakamäntyöljy on selluteollisuuden sivutuote. Suopa erotetaan mustalipeästä ja palstoitetaan tuottaen siten raakamäntyöljyä. Raakamäntyöljy tislataan tavanomaisesti viiteen pääjakeeseen: rasvahapot, hartsihapot, mäntyöljytisle, esiöljy ja mäntyöljypiki. Näiden jakeiden lisäksi raakamäntyöljyssä on erityisesti mustalipeästä siihen erottuneita epäpuhtauksia, jotka haittaavat raakamäntyöljyn prosessointia. Epäpuhtauksia ovat orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet, kuten metallit, suolat ja ligniini. Nämä epäpuhtaudet aiheuttavat haitallisia reaktioita prosessissa huonontaen siten lopputuotejakeiden laatua. Tämän lisäksi epäpuhtaudet aiheuttavat saostumia prosessilaitteissa alentaen siten prosessointitehokkuutta. Raakamäntyöljyn esikäsittelyllä tehostetaan tislauksen toimintaa. Työssä esitetään esikäsittelymenetelmistä mm. degumming-menetelmä, laimea happopesu, hiilidioksidikäsittely, valkaisu ja lämpökäsittely. Menetelmien pohjalta valitaan tätä työtä varten yksi menetelmä, jonka pohjalta suunnitellaan kokeellisessa osassa suoritettavat kokeet. Kokeellinen osuus koostuu esikokeista, varsinaisista kokeista ja lisäkokeista. Menetelmän tarkoituksena on saavuttaa epäpuhtauksille 90–95 % reduktioaste. Kokeiden onnistumista tutkitaan analysoimalla alkuperäinen raakamäntyöljy, sekä jokaisen kokeen jälkeen erotetut faasit. Työssä saavutettiin hyvä erotustehokkuus. Alkuperäisen tavoitteen mukaista reduktioastetta ei pystytty määrittämään eri analyysimenetelmien ja niiden analyysituloksissa ilmenneiden eroavaisuuksien vuoksi, mutta lisäkokeiden ansiosta pystyttiin vahvistamaan kyseisen koejärjestelmän optimaalinen poistoaste. Lisäksi työssä havaittiin että esikäsittelytulos on hyvin riippuvainen käsiteltävän raaka-aineen koostumuksesta.

Hemiselluloosien talteenotto paineistetulla kuumavesiuutolla tuotetuista puu-uutteista

Puunjalostusteollisuus keskittyy tällä hetkellä lähinnä sellun ja paperin tuotantoon. Sellun tuotannossa käytetään puun komponenteista vain selluloosa. Puun muita pääkomponentteja ovat hemiselluloosa ja ligniini. Nämä yhdisteet ovat mahdollisia tulevaisuuden biomateriaalien lähtöaineita, mutta tähän mennessä ne on jätetty käyttämättä hyödyksi. Paineistettu kuumavesiuutto on menetelmä, jolla hemiselluloosat ja ligniinit olisi mahdollista erottaa puumateriaalista ennen sellunkeittoa, ja sen jälkeen fraktioida uutteesta erilleen jatkojalostusta varten. Fraktioinnista on tehty tutkimusta monella erilaisella menetelmällä ja eri menetelmiä yhdistelemällä. Tämä kandidaatin työ on kirjallinen työ, jossa käsitellään paineistettua kuumavesiuuttoa, sekä eri yksikköoperaatioita ja niiden mahdollisuuksia hemiselluloosan erotukseen puu-uutteista. Membraanisuodatus on menetelmä, jolla puu-uutteesta saadaan erotettua konsentroitu hemiselluloosafraktio. Membraanisuodatuksessa on kuitenkin puu-uutteiden tapauksessa havaittu ongelmia muun muassa kalvon likaantumisen kanssa. Yhdistämällä muutamia eri yksikköoperaatioita, saadaan parannettua membraanisuodatuksen tehoa, sekä hemiselluloosan puhtautta ja saantoa. Näitä mahdollisia yksikköoperaatioita ovat adsorptio, hapetus, saostus, kromatografiset menetelmät ja neste-nesteuutto.

Elintarvikkeiden antioksidantit sekä antosyaniinien rakenteen vaikutus antioksidanttikapasiteettiin eri mittausmenetelmiä käyttäen

Kirjallisessa osassa tarkastellaan eri antioksidantteja ja niiden toimintamekanismeja, sekä luonnollisten kasviuutteiden mahdollisia käyttökohteita elintarviketeollisuudessa. Lisäksi perehdytään tarkemmin miten eri antosyaniinien rakenne vaikuttaa niiden antioksidanttikapasiteettiin neljällä eri mittausmenetelmällä. Valitut menetelmät ovat DPPH (Radical Scavenging Capacity Assay), ORAC (Oxygen radical absorbance capacity), TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) ja FRAP (The ferric reducing antioxidant power). Luonnollisiin antioksidantteihin kuuluvat C-, E-, ja A-vitamiinit, tietyt mineraalit ja esimerkiksi marjojen sisältämät polyfenoliset yhdisteet. Yleisimpiin synteettisiin antioksidantteihin kuuluvat butyylihydroksianisoli, butyylihydroksitolueeni, tertiäärinen butyylihydrokinoni ja propyyligallaatti. Antosyaniinien rakenteella, erityisesti B-renkaan hydroksyyliryhmillä, on suuri vaikutus antosyaniinien antioksidanttikapasiteettiin. Delfinidiini on yksi yleisimmistä antosyanidiineista ja sen B-renkaassa esiintyy kolme hydroksyyliryhmää. Hydroksyyliryhmiensä ansioista sillä on korkein kapasiteetti DPPH-, FRAP- ja TEAC-menetelmillä mitattuna, mutta kirjallisuuden perusteella ORAC-menetelmällä näin ei ole. Antosyanidiineihin sitoutuva sokeri vaikuttaa kapasiteettiin joko positiivisesti tai negatiivisesti. Sokeriyksiköiden lisääntyminen rakenteessa puolestaan alentaa kapasiteettia kaikilla mittausmenetelmillä. Kokeellisessa osassa tutkittiin eri menetelmillä uutettujen kasvi-, marja-, ja mausteuutteiden antioksidanttikapasiteettia muunneltua TRAP-menetelmää käyttäen (Total Radical-Trapping Antioxidant Parameter). Muunnellulle TRAP-menetelmälle optimoitiin sopivat Trolox-standardilaimennokset, mittausparametrit ja suoritustapa. Korkeimmat antioksidanttikapasiteetit määritettiin mustaherukan marjalle ja lehdelle, männyn petulle, puolukan lehdelle ja mausteneilikan kukalle. Näiden uutteiden korkeat antioksidanttikapasiteetit johtuvat niiden korkeista polyfenolipitoisuuksista, joiden on todettu aikaisemmissakin tutkimuksissa olevan yhteydessä korkeampiin antioksidanttikapasiteetteihin. Mausteneilikan kukalla oli ylivoimaisesti korkein antioksidanttikapasiteetti, jopa 20–100 kertaa korkeampi kuin muilla näytteillä. Mausteneilikan kukka sisältää paljon eugenolia ja fenolisia yhdisteitä. Eugenolin on todettu olevan jopa viisi kertaa aktiivisempi antioksidantti kuin α-tokoferoli. Monille muillekin marjoille, lehdille ja mausteille mitattiin korkeat antioksidanttikapasiteetit.

Macroalgal Defenses Against Herbivory: Causes and Consequences of Intraspecific Variation

In marine benthic communities, herbivores consume a considerable proportion of primary producer biomass and, thus, generate selection for the evolution of resistance traits. According to the theory of plant defenses, resistance traits are costly to produce and, consequently, inducible resistance traits are adaptive in conditions of variable herbivory, while in conditions of constant/strong herbivory constitutive resistance traits are selected for. The evolution of resistance plasticity may be constrained by the costs of resistance or lack of genetic variation in resistance. Furthermore, resource allocation to induced resistance may be affected by higher trophic levels preying on herbivores. I studied the resistance to herbivory of a foundation species, the brown alga Fucus vesiculosus. By using factorial field experiments, I explored the effects of herbivores and fish predators on growth and resistance of the alga in two seasons. I explored genetic variation in and allocation costs of resistance traits as well as their chemical basis and their effects on herbivore performance. Using a field experiment I tested if induced resistance spreads via water-borne cues from one individual to another in relevant ecological conditions. I found that in the northern Baltic Sea F. vesiculosus communities, strength of three trophic interactions strongly vary among seasons. The highly synchronized summer reproduction of herbivores promoted their escape from the top-down control of fish predators in autumn. This resulted into large grazing losses in algal stands. In spring, herbivore densities were low and regulated by fish, which, thus,enhanced algal growth. The resistance of algae to herbivory increased with an increase in constitutive phlorotannin content. Furthermore, individuals adopted induced resistance when grazed and when exposed to water-borne cues originating from grazing of conspecific algae both in the laboratory and in field conditions. Induced resistance was adopted to a lesser extent in the presence of fish predators. The results in this thesis indicate that inducible resistance in F. vesiculosus is an adaptation to varying herbivory in the northern Baltic Sea. The costs of resistance and strong seasonality of herbivory have likely contributed to the evolution of this defense strategy. My findings also show that fish predators have positive cascading effects on F. vesiculosus which arise via reduced herbivory but possibly also through reduced resource allocation to resistance. I further found evidence that the spread of resistance via water-borne cues also occurs in ecologically realistic conditions in natural marine sublittoral. Thus, water-borne induction may enable macroalgae to cope with the strong grazing pressure characteristic of marine benthic communities. The results presented here show that seasonality can have pronounced effects on the biotic interactions in marine benthic communities and thereafter influence the evolution of resistance traits in primary producers.

Motiivit ruokavalintojen taustalla: suomalaisten pikaruoan kuluttajien ruoanvalintamotiivit ja mielenkiinto runsaskuituista hampurilaissämpylää kohtaan

Ruokavalinnat ovat monimutkaisia päätöksiä, joihin vaikuttavat fysiologiset, psykologiset sekä ympäristö- ja tilannesidonnaiset tekijät. Terveellisyystrendi on näkynyt ruokavalinnoissa jo monta vuotta. Siitä huolimatta suomalaisten ruokavalio sisältää liian vähän ravintokuitua. Kirjallisuusosan tavoitteena oli selvittää, mitkä motiivit vaikuttavat kuluttajien ruokavalintoihin, mitä terveysvaikutuksia ravintokuidulla on ja mikä saa aikaan täysjyväleivälle tyypilliset aistittavat ominaisuudet. Kokeellisessa osassa tavoitteena oli tarkastella internetkyselyn avulla pikaruoan kuluttajien ruokaan liittyviä asenteita ja motiiveja sekä tutkia niiden yhteyttä hampurilaissämpylöiden miellyttävyysarvioihin aistinvaraisessa kuluttajatestissä. Ruoanvalintamotiivit voidaan jaotella elintarvikkeen ominaisuuksiin, yksilön ominaisuuksiin ja sosiokulttuuriseen ympäristöön liittyviin motiiveihin. Kuluttajille tärkeimpiä motiiveja ovat aistinvarainen miellyttävyys, hinta, terveellisyys, kätevyys sekä läheisten ihmisten mieltymykset. Ravintokuidun runsas saanti mahdollisesti ehkäisee lihavuutta ja tyypin 2 diabetesta sekä auttaa eräiden ruoansulatuskanavan sairauksien hoidossa. Täysjyväleivän sisältämät viljanjyvän kuoren ja alkion yhdisteet saavat aikaan leivän tiiviin rakenteen, tumman värin ja voimakkaan, karvaan ja viljaisen maun. Internetkyselyyn vastasi 1169 11‒75-vuotiasta Hesburgerin bonusklubin jäsentä (naisia 70 %, miehiä 30 %). Aistinvaraiseen kuluttajatestiin osallistui 71 13‒67-vuotiasta henkilöä (naisia 63 %, miehiä 37 %), joista 59 oli vastannut myös internetkyselyyn. Aistinvaraisessa testissä arvioitiin neljää hampurilaissämpylää, joista yksi oli tuotekehitysasteella oleva runsaskuituinen sämpylä. Internetkyselyssä tärkeimmiksi pikaruoan valintamotiiveiksi osoittautuivat ruoan maku, hinta ja nälkäisyys. Aistinvaraisessa testissä runsaskuituinen sämpylä jakoi arvioijien mielipiteet, mutta enemmistö arvioi voivansa valita sen hampurilaiseen. Runsaskuituinen sämpylä miellytti eniten internetkyselyssä runsaskuituisiin tuotteisiin positiivisesti suhtautuneita arvioijia. Tutkimuksen perusteella pikaruoan kuluttajien keskuudessa on ihmisiä, joille terveellisyys on merkittävä ruoanvalintamotiivi. Pikaruokayritysten haasteena on tunnistaa tämä kuluttajaryhmä ja kehittää sille kohdennettuja tuotteita, joissa yhdistyvät terveellisyys, aistinvarainen miellyttävyys ja kohtuullinen hinta.

Ellagitanniinien rakenteiden kolmiulotteinen karakterisointi

Tämän tutkielman tarkoituksena on käydä läpi ellagitanniinien kolmiulotteisuutta: rakenteiden monimuotoisuutta, kolmiulotteisuuden käsitteitä sekä minkälaisin analyyttisin menetelmin niitä voidaan tutkia. Lisäksi tutkielman kokeellisessa osassa eristettiin ja puhdistettiin polyfenolisia yhdisteitä suomalaisista kasveista sekä määritettiin niiden rakenteet mahdollisimman tarkasti LC–MS-, NMR- ja CD-menetelmillä. Karakterisoidut 22 rakennetta kuuluvat ellagitanniineihin, flavonoideihin tai fenolisiin happoihin, tarkemmin kahvihappojohdannaisiin. Ellagitanniinit ovat rakentuneet keskusyksikön, useimmiten glukopyranoosin, ympärille siten että siihen on liittynyt galloyyliryhmiä, joista ainakin kaksi on sitoutunut toisiinsa hiili–hiili -sidoksen välityksellä: muodostunutta ryhmää kutsutaan heksahydroksidifenoyyliryhmäksi eli HHDP-ryhmäksi. Tähän päivään mennessä on pystytty karakterisoimaan jopa yli 5000 ellagitanniinimolekyylin rakenteet. Niiden runsaslukuinen määrä johtuu mm. niihin liittyneistä erilaisista ryhmistä (kuten galloyyliryhmistä), erilaisista keskusyksiköistä (esim. avoketjuinen vs. rengasrakenteinen glukoosi) sekä niiden ominaisuudesta muodostaa oligomeerisiä rakenteita. Ellagitanniinirakenteiden stereokemiaa voidaan tarkastella mm. näiden tekijöiden kautta. UV- ja massaspektrometrian avulla rakenteet voidaan karakterisoida melko tarkasti, mutta esimerkiksi konfiguraatioiden ja mahdollisten substituenttien paikkojen määrittämiseen käytetään NMR-spektroskopiaa, joka antaa tietoa myös yhdisteen kolmiulotteisesta rakenteesta. Lisäksi yhdisteiden tarkemman rakenteen eli absoluuttisen konfiguraation tarkastelemiseen käytettiin CD-spektroskopiaa. Haasteita polyfenolien tutkimukseen tuovat mm. vain milligrammatasolla kasvista saatavat puhtaat yhdisteet sekä oligomeeriset rakenteet. Tämä lopputyö osoitti, että fenolisten yhdisteiden kokonaisvaltainen karakterisointi on hyvin aikaa vievää ja monimutkaista: täydelliseen lopputulokseen pääsemiseen tarvitaan hyvin monia eri vaiheita kasviuutosta lähtien geelikromatografiseen ja nestekromatografiseen puhdistukseen, sekä useisiin eri rakenneanalytiikan menetelmiin. Kuitenkaan yksinään mikään käytetyistä analyyttisista menetelmistä, kuten LC, MS tai NMR, ei anna tarpeeksi tarkkaa tietoa yhdisteiden rakenteista. Jotta päästäisiin mahdollisimman tarkkojen, jopa absoluuttisten, rakenteiden määrittämiseen, on käytettävä niitä kaikkia yhdessä.

Suomalaisten marjojen fenoliyhdisteet ja niiden stabiilisuus prosessoinnin ja säilytyksen aikana

Suomalaiset marjat sisältävät huomattavia määriä erilaisia fenoliyhdisteitä ja ne ovat siksi erinomaisia fenoliyhdisteiden lähteitä moniin muihin elintarvikkeisiin verrattuna. Fenoliyhdisteet ovat kasveissa syntyviä aineenvaihduntatuotteita, joilla on todettu olevan terveyden kannalta positiivia vaikutuksia. Ne antavat kasvikunnan tuotteille niiden tunnusomaisen värin sekä toimivat suoja-aineina taudinaiheuttajia vastaan. Erityisesti elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuus jalostavat marjoja erilaisiksi lopputuotteiksi. Fenoliyhdisteet tuovat näihin tuotteisiin hyödyllisiä terveysvaikutuksia ja ne voivat toimia niissä myös väripigmentteinä. Fenoliyhdisteet ovat kuitenkin suhteellisen epästabiileja yhdisteitä. On havaittu, että prosessointi- ja säilytystavat vaikuttavat huomattavasti niiden stabiilisuuteen ja hajoamiseen. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää fenoliyhdisteiden stabiilisuuteen vaikuttavia tekijöitä prosessoinnin ja säilytyksen aikana kirjallisuuden pohjalta. Tämän työn tulosten perusteella marjojen prosessointi kannattaa suorittaa mahdollisimman lyhyessä ajassa matalissa lämpötiloissa, sillä monet fenoliyhdisteistä eivät ole pitkään lämpöstabiileja. Säilytys kannattaa tehdä myös matalissa lämpötiloissa; pitkänä säilytysaikana pakastettuna. Korkea pH vaikuttaa usean fenoliyhdisteen hajoamiseen ja se saattaa aiheuttaa tuotteissa värinmuutoksia. Valo, hapen läsnäolo sekä erilaiset muut yhdisteet voivat vaikuttaa heikentävästi fenoliyhdisteiden stabiilisuuteen sekä prosessoinnin että säilytyksen aikana. Fenoliyhdisteiden stabiilisuus on hyvin rakennekohtaista ja siksi prosessoinnin ja säilytyksen tarkkojen vaikutusten yleistäminen kaikkiin fenoliyhdisteisiin on vaikeaa.