Ligniinin entsymaattinen hyödyntäminen

Abstract

Ligniini on kolmanneksi yleisin biopolymeeri selluloosan ja hemiselluloosan jälkeen. Sitä esiintyy puiden ja kasvien soluseinissä. Ligniini muun muassa suojaa kasvia patogeeneilta ja tukee kasvin rakennetta. Ligniiniä saadaan hyötykäytettäväksi enimmäkseen metsä- ja puuteollisuuden sivuvirroista.

Ligniinin haarautunut ja vaihteleva rakenne sekä reaktioiden hallitsemattomuus teollisuudessa ovat hidastaneet sen jatkojalostamista. Niinpä ligniiniä on enimmäkseen poltettu energiaksi. Kestävä kehitys ja ilmastonmuutoksen hidastaminen ajavat biojalostamoja vastuullisempaan kokonaisvaltaiseen biomassan hyödyntämiseen. Ligniinin ominaisuuksien kuten antioksidanttisuuden, antimikrobisuuden ja hydrofobisuuden vuoksi ligniinin sovelluksia on muun muassa lääke- ja elintarviketeollisuudessa ja maataloudessa. Muokattua ligniiniä voidaan hyödyntää esimerkiksi säilöntäaineena lääkkeissä ja elintarvikkeissa sekä maatalouden lannoitteiden ja torjunta-aineiden kuljetusjärjestelmissä säätelemässä kemikaalien liukenemismäärää. Ligniiniä muokataan entsymaattisesti myös biopolttoaineiksi ja -materiaaleiksi.

Ligniinin käsittelyssä käytetään sähkökemiallisia-, kemiallisia- ja biologisia menetelmiä. Biologisessa menetelmässä eli entsymaattisessa hyödyntämisessä osallisena ovat korkean hapetus-pelkistyspotentiaalin omaavat sieni- ja bakteeriperäiset entsyymit. Etenkin oksidoreduktaasit kuten lakkaasit ja ligniiniperoksidaasit ovat erityisen tehokkaita ligniinin muokkaajia. Biologiset menetelmät kuluttavat muita menetelmiä vähemmän energiaa ja puuttuvien toksisten kemikaalien vuoksi ne ovat siten myös ympäristöystävällisimpiä. Tässä tutkielmassa käsitellään ligniinin entsymaattista hyödyntämistä erityisesti lakkaasien katalysoimissa reaktioissa.

Ligniinin muokkaamisessa käytetään apuna usein syväeutektisia liuottimia (engl. deep eutectic solvents, DES), ionisia nesteitä (engl. ionic liquids, IL) ja lakkaasimediaattoreita. Jotta ligniiniä voitaisiin hyödyntää tehokkaammin näiden liuottimien kanssa ja siten mahdollisesti laajentaa sen käyttöä teollisuudessa, on entsyymejä muokattava. Entsyymien suunnittelu perustuu esimerkiksi rationaalisuunnitteluun ja suunnattuun evoluutioon. Suunnittelun kohteena voivat olla entsyymin pintavaraus tai substraatin sitoutumiskohta. Rationaalisella suunnittelulla voidaan myös suunnitella entsyymejä tiettyä käyttötarkoitusta varten.

Entsyymien lämmönsietokyvyn nostamiseen, aktiivisuuden sovittamiseen ja ligniinin biokatalyysin tarkempaan hallintaan tarvitaan lisää tutkimuksia ja tehokkaita ratkaisuja. Entsyymisuunnittelun, lakkaasimediaattoreiden ja erilaisten liuottimien kuten ionisten nesteiden (IL) ja syväeutektisten liuottimien (DES) avulla ligniinin entsymaattinen hyödyntäminen saattaa tulevaisuudessa saavuttaa merkittävän aseman eri alojen sovelluksissa.