Peltobiomassojen ligniini- ja hiilihydraattimääritykset

Peltobiomassojen lignoselluloosapitoisuudet määrittävät niiden biojalostusmahdollisuuksia. LAB-ammattikorkeakoulussa määritettiin vehnän, oljen, ruokohelven, pajun sekä kauran kuoren ligniini- ja hiilihydraattikoostumuksia.

Kirjoittajat: Mervi Pulkkinen & Eliisa Punttila

LAB-ammattikorkeakoulun analyysilaboratoriossa määritettiin biohiilen raaka-aineena tutkittujen peltobiomassojen ligniini- ja hiilihydraattipitoisuuksia. Määritykset tehtiin LABin ja VTT:n yhteisessä, vuoden 2024 lopussa päättyneessä BioCarbonValue-hankkeessa, jota rahoitti Business Finland. Analysoitavat raaka-aineet olivat vehnän olki, ruokohelpi, paju sekä elintarviketeollisuuden sivuvirtana syntyvä kauran kuori, joista hankkeessa tehtiin myös hiiltokokeita VTT:n toimesta. Kaikki raaka-aineet olivat peräisin Päijät-Hämeen alueelta.

Analyyseissä oli mukana kaksi erilaista pajuerää, joiden alkuperä on avattu aiemmassa artikkelissa Ruokamo & Punttila (2024). Ensimmäinen pajuerä oli huoneenlämmössä kuivatettua pajua. Toinen pajuerä jakaantui kahteen raaka-aineeseen: vastakaadettuun pajuun ja siitä korkeapainepuristimella mekaanisesti kuivattuun pajuun. Samalla analysoitiin hankkeessa toteutetun vehnän oljen vanhennuskokeen eri olkityypit, mutta tulokset tästä kokeesta raportoidaan toisessa julkaisussa.

Määrityksissä sovelletut standardit ja käytetyt menetelmät

Jokaisesta raaka-aineesta tehtiin kokoomanäyte, joka jauhettiin sopivaan raekokoon. Vehnän oljen ja ensimmäisen pajuerän kokoomanäytteet hiennonnettiin LABin omalla vasaramyllyllä, jonka jälkeen näytteiden raekoko oli 2–4 mm. Ruokohelven, kauran kuoren ja toisen pajuerän (vastakaadettu paju ja korkeapainepuristimella mekaanisesti kuivattu paju) kokoomanäytteet jauhettiin 5R REFINERY -hankkeen (5R REFINERY) järjestämän tutkimusvierailun puitteissa TU Wienin laboratoriossa, jonka jälkeen näytteiden raekoko oli 2 mm.

Jauhetuista näytteistä poistettiin ensimmäiseksi uuteaineet asetoniuutolla käyttäen Soxhlet-uuttomenetelmää. Asetoniuutto tehtiin soveltaen TAPPI-standardeja T 280 pm-99 (TAPPI 1999) ja T 204 cm-17 (TAPPI 2017). Tämän jälkeen tehtiin kuiva-aine- ja hehkutusjäännösmääritykset sekä uuteaineellisille että uuteaineettomille näytteille soveltaen standardia SFS 3008 (SFS 3008 2000).

Ligniini- ja hiilihydraattimääritykset aloitettiin tekemällä uuteainevapaille näytteille happohydrolyysi rikkihappoliuoksella (72 %), jonka lopputuloksena saatiin kaksi faasia: kiinteä happoon liukenematon ligniini (Klason ligniini) ja neste, joka sisältää happoon liukenevan ligniinin ja hiilihydraatit. Näytteiden ligniinimääritykset tehtiin soveltaen TAPPI-standardia T 222 om-88 (TAPPI 1988) ja TAPPI/ANSI-standardia T 222 om-21 (TAPPI/ANSI 2021). Happoon liukenematon ligniini määritettiin gravimetrisesti ja happoon liukeneva ligniini UV-spektrofotometrisesti (205 nm). Näytteiden hiilihydraattimääritykset tehtiin soveltaen TAPPI-standardia T 249 cm-00 (TAPPI 2000). Hiilihydraatit määritettiin GC-MS-laitteella (kaasukromatografi-massaspektrometri), minkä takia happohydrolyysistä saadun nesteen pH säädettiin lähelle arvoa 4 pH-mittarin ja heikosti emäksisen anioninvaihtohartsin avulla. Tämän jälkeen vesi haihdutettiin pois, saatu kuiva jäännös liuotettiin pyridiiniin ja lopuksi näyte silyloitiin GC-MS-ajoa varten. Kuiva-aine- ja hehkutusjäännösmäärityksissä sekä ligniini- ja hiilihydraattimäärityksissä tehtiin jokaisesta raaka-aineesta kolme rinnakkaista määritystä. Tässä julkaisussa esitetyt tulokset ovat näiden rinnakkaismääritysten keskiarvoja.

Kuva 1. Hiilihydraattimääritys tehtiin GC-MS-laitteella (Kuva: Oona Rouhiainen 2024)

Raaka-aineiden ligniini- ja hiilihydraattipitoisuudet

LAB-ammattikorkeakoulussa määritetyt raaka-aineiden ligniinipitoisuudet on esitetty kuviossa 1. sekä taulukossa 1. Eniten ligniiniä oli pajussa (26,3–29,9 %) ja vehnän oljessa (25,9 %), ja vähiten kauran kuoressa (23,2 %). Erot eivät kuitenkaan olleet suuria raaka-aineiden välillä.

Kuvio 1. Uuteainevapaista raaka-aineista määritetyt ligniinipitoisuudet

Raaka-aineista määritettyjen hiilihydraattien pitoisuuksia on havainnollistettu kuviossa 2. ja niistä lasketut selluloosa- ja hemiselluloosapitoisuudet on listattu taulukossa 1.

Kuvio 2. Uuteainevapaista raaka-aineista määritetyt hiilihydraattipitoisuudet

Taulukko 1. Uuteainevapaista raaka-aineista määritetyt ligniini-, selluloosa- ja hemiselluloosapitoisuudet (osuus kuiva-aineesta, %)

Raaka-aine	Ligniini	Selluloosa	Hemiselluloosa	Yht.
Vehnän olki	25.9	14.8	19.3	59.9
Ruokohelpi	24.8	27.4	18.1	70.3
Kauran kuori	23.2	23.3	42.2	88.7
Paju, erä 1	28	30.1	9.5	67.6
Paju, erä 2	29.9	8	11	48.9
Paju, erä 2 puristettu	26.3	25	15.7	67.1

Ksyloosipitoisuus oli suurin kauran kuorella (37,2 %). Juuri korkean ksyloosipitoisuuden vuoksi kauran kuorta voidaan hyödyntää ksylitolin valmistuksessa (Vähänen 2021). Kauran kuorella oli myös korkein hemiselluloosapitoisuus (42,2 %), ja korkein yhteenlaskettu lignoselluloosapitoisuus (88,7 %). Seuraavaksi suurin lignoselluloosapitoisuus oli ruokohelvellä (70,3 %).

Selluloosapitoisuudet olivat suurimpia ensimmäisellä pajuerällä (30,1 %) sekä ruokohelvellä (27,4 %), ja pienin toisella pajuerällä. Pajuerien väliset erot selluloosapitoisuuksissa selittyvät glukoosipitoisuuksien eroilla. On mahdollista, että mekaaninen kuivaus on toiminut esikäsittelymenetelmän tavoin vastaavasti kuin keittäminen, jolloin happohydrolyysissä on pilkkoutunut enemmän glukoosia. Puristus näyttäisi myös nostavan pajun hemiselluloosapitoisuutta, kun etenkin ksyloosin pitoisuus näytti määrityksissä kasvaneen.

Johtopäätökset

Taulukkoon 2. on koottu esimerkkejä kirjallisuudesta löytyneistä lukuarvoista. Määritysten tuottamien tulosten ja kirjallisuudesta poimittujen lukuarvojen perusteella on jonkin verran eroa, mutta erojen taustalla voi olla monia syitä. Peltobiomassojen tapauksessa raaka-aineiden kemiallinen koostumus voi vaihdella suurestikin johtuen esimerkiksi lajikkeesta, kasvupaikasta tai -olosuhteista, ja lisäksi oman vaikutuksensa tuovat raaka-aineiden säilytysolosuhteet sekä käytettävät menetelmät esikäsittelyille ja määrityksille.

Taulukko 2. Kirjallisuudessa esitettyjä arvoja tutkittujen raaka-aineiden lignoselluloosapitoisuuksille

Raaka-aine	Ligniini, %	Selluloosa, %	Hemiselluloosa, %	Lähde
Vehnän olki	20	37	23–30	Paavilainen et al 1996
Ruokohelpi	14	34	22	Theander 1991, Paavilainen et al 1996 mukaan
Kauran kuori	25	23	35	Schmitz, Karlsson & Adlercreutz 2020
Paju, puuosa	17–24	Yht. 60–79		Liimatainen 2022
Paju, kuoriosa	24–32	Yht. 44–58		Liimatainen 2022

Ligniini- ja hiilihydraattituloksiin vaikuttavia epävarmuustekijöitä olivat mm. tutkittujen raaka-ainenäytteiden laatu ja heterogeenisuus. Vehnän olkinäyte sisälsi varsiosan lehtineen ja tähkäosan jyvineen, jolloin saadut lignoselluloosapitoisuudet eivät kuvaa pelkän varsiosan eli ”oljen” tuloksia. Ruokohelven näytteenä oli pyöröpaali, josta otettiin osanäyte määrityksiä varten. Tämä osanäyte sisälsi ruokohelven lisäksi epäpuhtautena rikkakasveja, mitkä voivat vaikuttaa lignoselluloosapitoisuuksiin. Pajunäytteet (1. ja 2. erä) sisälsivät sekä puuosan että kuoriosan, jolloin lignoselluloosapitoisuudet olivat näiden osien summa. Kauran kuorinäyte sisälsi pääosin kauran kuoria ja jonkin verran kauran jyviä, mitkä voivat vaikuttaa lignoselluloosapitoisuuksiin.

Ligniinin ja hiilihydraattien määritysmenetelmiin liittyviä epävarmuustekijöitä olivat mm. happohydrolyysin, pH:n säätämisen ja silyloinnin onnistuminen. Näitä epävarmuustekijöitä pienennettiin rinnakkaisilla määrityksillä. Hiilihydraattien GC-MS-määrityksessä käytettiin ulkoista kalibrointia ja laadunvarmistusstandardeja. Käytetyt kalibrointi- ja laadunvarmistusstandardit silyloitiin samalla tavalla kuin tutkitut näytteet. Koska detektorina oli massaspektrometri, raaka-ainenäytteiden suuret ksyloosi- ja glukoosipitoisuudet vaativat näytteiden laimentamista detektorin saturoitumisen ehkäisemiseksi. Tähän liittyviä epävarmuustekijöitä olivat mm. pipetointitarkkuus ja oikean laimennussuhteen löytäminen.

Lähteet

Liimatainen, J. 2022. Pajun kemialliset ominaisuudet ja niihin perustuva käyttö. Teoksessa: Viherä-Aarnio, A., Jyske, T. & Beuker, E. (toim.). Pajut biokiertotaloudessa: Materiaaleja, arvoaineita, ympäristöhyötyjä. Helsinki: Luonnonvara-keskus. Luonnonvara- ja biotalouden tutkimus 11/2022. 71. Viitattu 24.1.2025. Saatavissa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-380-368-8

Paavilainen, L., Tulppala, J., Varhimo, A., Ranua, M. & Pere, J. 1996. Agrokuidun tuotanto ja käyttö Suomessa, tutkimuksen loppuraportti, IV osa: ruokohelpisulfaattimassa hienopaperin raaka-aineena. Maatalouden tutkimuskeskuksen julkaisuja. Sarja A. Nro 6. Viitattu 24.1.2025. Saatavissa http://urn.fi/URN:ISBN:951-729-491-3

Ruokamo, K. & Punttila, E. 2024. Pajun esikäsittelymenetelmien testausta. LAB Pro. Viitattu 10.12.2024. Saatavissa https://www.labopen.fi/lab-pro/pajun-esikasittelymenetelmien-testausta/

Schmitz, E., Karlsson, E. N. & Adlercreutz, P. 2020. Warming weather changes the chemical composition of oat hulls. Plant Biology, 22: 1086–1091. Viitattu 24.1.2025. Saatavissa https://doi.org/10.1111/plb.13171

SFS 3008. 2000. Veden, lietteen ja sedimentin kuiva-aineen ja hehkutusjäännöksen määritys. 2. painos. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto.

TAPPI/ANSI. 2021. T 222 om-21 Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Revised 1988, Reaffirmed 1998, Revised 2002, Reaffirmed 2006–2021. Peachtree Corners, GA, US: TAPPI Standards Department.

TAPPI. 2017. T 204 cm-17 Solvent extractives of wood and pulp. Revised 2007, Reaffirmed 2017. Peachtree Corners, GA, US: TAPPI Standards Department.

TAPPI. 1988. T 222 om-88 Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Official Test Method 1983, Revised 1988. Peachtree Corners, GA, US: TAPPI Standards Department.

TAPPI. 2000. T 249 cm-00 Carbohydrate composition of extractive-free wood and wood pulp by gas-liquid chromatography. Classical Method 1985, Reaffirmed 2000. Peachtree Corners, GA, US: TAPPI Standards Department.

TAPPI. 1999. T 280 pm-99 Acetone extractives of wood and pulp. Provisional Method 1999. Peachtree Corners, GA, US: TAPPI Standards Department.

Vähänen, H. 2021. Fazerin voitokas innovaatio: ksylitolia kauran kuorista. Viitattu 24.1.2025. Saatavissa https://www.kemiamedia.fi/fazerin-voitokas-innovaatio-ksylitolia-kauran-kuorista/

5R REFINERY. 5R REFINERY -yhteishanke. Viitattu 28.3.2025. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/5r-refinery

Kirjoittajat

Mervi Pulkkinen työskentelee laboratoriovastaavana LAB-ammattikorkeakoulun Teknologia-yksikön opetus- ja analyysilaboratorioissa sekä toimi BioCarbonValue-hankkeessa asiantuntijana

Eliisa Punttila työskentelee TKI-asiantuntijana LAB-ammattikorkeakoulun Teknologia-yksikössä ja toimi BioCarbonValue-hankkeen projektipäällikkönä

Artikkelikuva: Happoon liukeneva ligniini määritettiin UV-spektrofotometrillä (Kuva: Oona Rouhiainen 2024)