Ligniini ja sen analytiikka

Abstract

Ligniini on luonnon polymeeri, jota esiintyy kaikissa maalla elävissä kasveissa. Ligniini on osa kasvin biomassaa, lignoselluloosaa, joka koostuu ligniinin lisäksi selluloosasta ja hemiselluloosasta. Ligniinin toimii kasveissa sidosaineena sitoutumalla kovalenttisilla sidoksilla selluloosaan ja hemiselluloosaan. Ligniini parantaa kasvin mekaanista vahvuutta. Lisäksi se osallistuu kasvin veden kuljetukseen sekä suojaa kasvia taudeilta ja loisilta. Lignoselluloosaa käytetään paljon paperiteollisuudessa, jossa sivutuotteena syntyy runsaasti ligniiniä. Valtaosa syntyvästä ligniinistä poltetaan energian tuottamiseksi ja vain pieni osa hyödynnetään arvokkaiden kemikaalien, kuten vanilliinin, raaka-aineena. Ligniinin laajamittaisempi hyödyntäminen edellyttää ligniinin erottamista ja suuren biomolekyylin rakenteen ja ominaisuuksien tuntemista.

Ligniini on kolmiulotteinen fenolinen polymeeri, joka koostuu pääasiassa kolmesta monomeerista: p-kumaryylialkoholista, koniferyylialkoholista ja sinapyylialkoholista. Nämä monomeerit sitoutuvat toisiinsa erilaisilla eetteri- tai hiili-hiili-sidoksilla. Ligniini polymeroituu satunnaisesti, eikä monomeereissä tai niiden välisissä sidoksissa esiinny säännöllisyyttä. Juuri epäsäännöllisyys ja molekyylin suuri koko tekevät ligniinin analysoinnista haastavaa. Lisäksi ligniinin erotus lignoselluloosasta erilaisilla prosesseilla ennen analyysointia aiheuttavat usein muutoksia ligniinin rakenteeseen ja molekyylikokoon.

Ligniinin analysointiin on käytetty useita eri tekniikoita, joilla kullakin on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Tässä tutkielmassa perehdytään IR- ja NMR-spektroskopian, neste- ja kaasukromatografian ja massaspektrometrian hyödyntämiseen ligniinin analytiikassa. Tekniikoiden soveltuvuuden lisäksi käsitellään niiden antamaa tietoa ligniinin rakenteesta ja eri erotusmenetelmillä erotettujen ligniinien välisistä eroista.