• No results found

Structural Modifications of Lignosulphonates

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Structural Modifications of Lignosulphonates"

Copied!
64
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

                 

Structural Modifications of 

Lignosulphonates  

 

Dimitri Areskogh 

 

Doctoral Thesis    Royal Institute of Technology  School of Chemical Science and Engineering  Department of Fibre & Polymer Technology  Division of Wood Chemistry and Pulp Technology  Stockholm 2011 

(2)

                                        AKADEMISK AVHANDLING  Som med tillstånd av Kungliga Tekniska Högskolan framläggs till offentlig granskning för  avläggande av teknologie doktorsexamen, fredagen den 13 maj 2011 kl. 10.00 i sal D3,  Lindstedsvägen 3, KTH, Stockholm. Avhandlingen försvaras på engelska.    Fakultetsopponent: Prof. Arthur J Ragauskas  Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA      © Dimitri Areskogh  Stockholm 2011    TRITA‐CHE Report 2011:26  ISSN 1654‐1081  ISBN 978‐91‐7415‐923‐3 

(3)

   

“Reading is the basics for all learning.”    —Presidential candidate George W. Bush,  Reston, Virginia, March 28, 2000

(4)

   

Abstract

Lignosulphonates are by‐products from the sulphite pulping process for the manufacture of  specialty dissolving pulps and paper. During the liberation of the cellulose, the lignin is  fractionated and solubilised through covalent addition of sulphonic acid groups at various  positions in the structure. The formed sulphonated lignin, lignosulphonate is then further  isolated and refined.  The amphiphilic nature of lignosulphonates has enabled them to be used as additives to various  suspensions to improve their dispersion and stability. The by far largest utilisation of  lignosulphonates is as dispersants in concrete. Here, lignosulphonates act by dispersing cement  particles to prevent flocculation, un‐even particle distribution and reduced strength  development. The dispersion is achieved through steric and electrostatic repulsion of the cement  particles by the lignosulphonate polymer. This behaviour is intimately linked with the overall  size and amount of charged groups in the dispersing polymer. Traditional modifications of  lignosulphonates have been limited to removal of sugars, filtration and fractionation. These  modifications are not sufficient for utilisation of lignosulphonates in high‐strength concrete. Here  synthetic dispersants and superplasticisers are used which are considerably more efficient even  at low dosages. To compete with these, additional modifications of lignosulphonates are likely to  be necessary. The molecular weight and functional group composition have been identified and  described as the most interesting parameters that can be modified.  Currently, no suitable method exists to increase the molecular weight of lignosulphonates.  Oxidation by the natural radical initiating enzyme laccase is an interesting tool to achieve such  modifications. In this thesis several aspects of the mechanism through which this enzyme reacts  with lignin and lignosulphonate structures have been elucidated through model compound  studies. Further studies showed that laccase alone was a highly efficient tool for increasing the  molecular weight of commercial lignosulphonates at low dosages and in short incubation times.  Immobilisation of the laccase to a solid support to enable re‐utilisation was also investigated.   Modification of functional group composition of lignosulphonates was achieved through  ozonolysis and the Fenton’s reagent, a mixture of hydrogen peroxide and iron(II)acetate.  Introduction of charged carboxylic groups was achieved through opening of the benzyl rings of  lignosulphonates. It was found that a two‐stage process consisting of laccase oxidation followed  by ozonolysis was an efficient technique to create a polymer enriched with carboxylic acid  groups with a sufficient molecular size.  Oxidation by the Fenton’s reagent was shown to yield similar modifications as the combined  laccase/ozonolysis treatment albeit with less pronounced results but with a large level of control  through variation of a number of reaction parameters. The Fenton’s reagent can therefore be an  interesting alternative to the aforementioned two‐stage treatment.   These modifications are interesting for large‐scale applications not only because of their  simplicity in terms of reaction parameters but also because of the ubiquity of the used enzyme  and the chemicals in the pulp and paper industry.   

(5)

   

Sammanfattning

Lignosulfonater är bi‐produkter från sulfitprocessen som används för framställning av ren  dissolvingmassa för vidare produktion av regenererad cellulosa. Under denna process löses  ligninet upp i kokvätskan genom introduktion av sulfonsyragrupper, vilket medför att ligninet  blir vattenlösligt och kan därför separeras från massan.   Den amfifatiska strukturen hos lignosulfonaterna som innehåller både hydrofila och hydrofoba  grupper har gett lignosulfonaterna unika egenskaper. Lignosulfonater används idag som  dispergeringsmedel för olika typer av suspensioner för att förbättra deras dispersion och  stabilitet. Det överlägset största användningsområdet av lignosulfonater är som  dispergeringsmedel för betongtillverkning. Här används lignosulfonaterna för att dispergera  cementpartiklarna för att ge betongen bra flyt och undvika partikelaggregation. Denna  dispersion sker främst genom sterisk och elektrostatisk repulsion av de laddade  cementpartiklarna. Dessa två fenomen är intimt förknippade med storleken och laddningen hos  den dispergerande polymeren. De traditionella modifieringarna av lignosulfonater har varit  begränsade till eliminering av socker, filtrering och fraktionering. I högstyrke‐betong ställs andra  krav på dispersion vilket medför att man använder syntetiska dispergeringsmedel med väldigt  specifika egenskaper vilka är avsevärt effektivare. För att konkurrera med dessa, är ytterligare  modifieringar av lignosulfonater nödvändiga.  Molekylvikten och andelen laddade grupper har  därför identifierats som de två mest lämpliga egenskaperna för modifiering av lignosulfonater.  För tillfället finns det inga metoder för att öka molekylvikten hos lignosulfonater. En intressant  metod är polymerisering genom enzymatisk oxidering med hjälp av det radikal‐initierande  enzymet lackas. I denna avhandling har flera aspekter av reaktionsmekanismen hos detta enzym  undersökts och kartlagts via studier med modellkomponenter. Oxidation av tekniska  lignosulfonater visade att detta enzym är mycket kapabelt till att öka molekylvikten markant  även vid låga doseringar. Tekniker för att tillåta återanvändning av enzymet genom  immobilisering till en support har undersökts.   Modifiering av mängden laddade grupper hos lignosulfonater skedde genom ozonering och  reaktion med Fentons reagens, en blandning av väteperoxid och järn(II)acetat. Laddade  karboxylgrupper visade sig bildas genom reaktioner där bensylgrupper i lignosulfonaterna bröts  upp. En kombination av oxidation med lackas följt av ozonering visade sig vara en mycket  intressant tvåstegsmodifiering vilket gav upphov till en högmolekylär polymer berikad med  laddade karboxylgrupper.  Oxidering med Fentons reagens visade sig ge liknande resultat som en kombinerad lackas och  ozonbehandling med märkbart lägre effektivitet men dock med en större grad av kontroll. Detta  reagens skulle kunna vara ett intressant alternativ till den ovan nämnda tvåstegsmodifieringen.  Dessa modifieringar är intressanta för storskalig användning då dessa är bör vara lätta att  implementera men också eftersom både enzymet och kemikalierna är väl bekanta för pappers‐  och massaindustrin.   

(6)

   

List of Publications

This thesis is based on the following papers:  I. Oxidative polymerisation of models for phenolic lignin end‐groups by laccase  Areskogh, D.; Li, J.; Nousiainen, P.; Gellerstedt, G;, Sipilä, J. and Henriksson, G.  Holzforschung, 2009, 64, 21–34.    II. Sulfonation of phenolic end groups in lignin directs laccase‐initiated reactions  towards cross‐linking.  Areskogh, D,; Li, J.; Nousiainen, P.; Gellerstedt, G.; Sipilä, J. and Henriksson, G.  Industrial Biotechnology 2010, 6, 50‐59.    III. Investigation of the Molecular Weight Increase of Commercial Lignosulfonates  by Laccase Catalysis.  Areskogh, D.; Li, J.; Gellerstedt, G. and Henriksson, G.    Biomacromolecules, 2010, 11, 904–910.    IV. Structural modification of commercial lignosulphonates through laccase  catalysis and ozonolysis.  Areskogh, D.; Li, J.; Gellerstedt, G. and Henriksson, G.    Industrial Crops and Products 2010, 32, 458‐466.    V. Immobilisation of laccase for polymerisation of commercial lignosulphonates.  Areskogh, D. and Henriksson, G.    Process Biochemistry 2011, 46, 1071‐1075    VI. Fenton’s reaction: a simple and versatile method to structurally modify  commercial lignosulphonates.  Areskogh, D. and Henriksson, G.    Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2011, 26, 90‐98   

 

Author’s Contribution 

Paper I‐VI: Principal author. Formulated research strategies with Prof. Gunnar Henriksson.    

 

(7)

   

Abbreviations

In alphabetical order:  C3A  Calcium aluminate, (CaO)3Al2O3.  C2S  Dicalcium silicate, (CaO)2SiO2  C3S  Tricalcium silicate, (CaO)3SiO2 

C‐S‐H  Calcium silicate tetrahydrate (CaO)3(SiO2)2∙4∙H2O   

ECF  Elemental Free Chlorine 

FT‐IR  Fourier Transform Infrared Spectroscopy 

GC/MS  Gas Chromatography/Mass Spectrometry 

Gypsum  Calcium sulphate dihydrate, CaSO2⋅2∙(H2O) 

HSQC‐NMR  Heteronuclear Single Quantum Coherence Nuclear Magnetic Resonance  LCC  Lignin‐carbohydrate complex  LMS  Laccase‐mediatory system  MALDI‐TOF MS  Matrix‐Assisted Laser Desorption/Ionisation Time‐of‐Flight Mass  Spectrometry  Me‐  Methyl group, CH3‐ 

MeO‐  Methoxy group, CH3O‐ 

MtL  Myceliophthora thermophila laccase  SEC  Size Exclusion Chromatography  TCF  Totally Chlorine Free  TvL  Trametes villosa laccase       

(8)

   

Table of Contents

  I  Introduction ... 1  I.1  Aim ... 2  II  Background ... 3  II.1  Structure and Chemistry of Lignin ... 3  II.2  Lignosulphonates ... 4  II.2.1  Production and Structural Properties ... 4  II.2.2  Utilisation ... 6  II.2.3  Concrete Admixtures ... 6  II.2.4  Specialty Markets ... 10  II.2.5  Modified lignosulphonates ... 10  II.3  Laccase ... 11  II.3.1  A Blue Multi‐Copper Oxidase ... 11  II.4  Structure and Catalytic Properties ... 11  II.5  Occurrence and Role in Nature ... 13  II.6  The laccase‐mediator system ... 14  II.7  Applications ... 15  II.7.1  Laccase in the pulp and paper industry ... 16  II.7.2  Laccase in the textile industry ... 16  II.7.3  Laccase in alternative applications ... 17  III  Experimental ... 18  III.1  Materials ... 18  III.1.1  Enzymes ... 18  III.1.2  Lignosulphonates ... 18  IV  Results and Discussion ... 19  IV.1  Model compound studies of the laccase reaction mechanism (Paper I & II) ... 19  IV.1.1  The 1‐position ... 20 

IV.1.2  The Cα position ... 23 

IV.1.3  Conclusions from the model compound studies ... 25 

Laccase oxidation of lignosulphonates (Paper III) ... 26 

(9)

    IV.1.5  The influence of the enzyme ... 29  IV.2  Structural modifications of lignosulphonates through laccase oxidation and ozonolysis  (Paper IV) ... 31  IV.2.1  Laccase oxidation of DP401 and DP795 ... 31  IV.2.2  Ozonolysis of DP401 and DP795 after laccase oxidation ... 32  IV.3  Immobilisation of TvL (Paper V) ... 35  IV.3.1  Oxidation of DP851 by immobilised TvL ... 36  IV.3.2  Lignosulphonate adsorption ... 38  IV.3.3  Deactivation of the immobilised TvL ... 39  IV.4  Lignosulphonate structural modification by the Fenton’s reagent (Paper VI) ... 40  IV.4.1  Fenton’s reagent at acidic pH ... 41  IV.4.2  Which cation does what? ... 43  IV.4.3  Fenton’s reagent at alkaline pH ... 43  IV.4.4  The effect of lignosulphonate concentration ... 44  IV.4.5  The effect of hydrogen peroxide concentration ... 45  V  Conclusions and Further Perspectives ... 47  VI  Acknowledgements ... 49  VII  References ... 50  VIII Errata‐list ... 55     

(10)

1   

I

Introduction 

The industrial utilisation of cellulose for papermaking from lignocellulosic plants has in many  ways transformed the role of lignin from a necessity in nature to a reject in the industry. Not only  is lignin one of the most abundant biopolymers on Earth, second only to cellulose and possibly  chitin 1, it is also a bafflingly complex plant constituent of wood. While the other major wood  constituent, cellulose occupies a prominent place as a valued industrial product, lignin has been  reduced to an obscure role as a low‐quality fuel or chemical.  The reborn realisation in the pulp and paper industry that wood can be used for a variety of  products besides paper and fuel has led to the adoption of the biorefinery concept, where the  biomass feedstock is processed into a spectrum of products such as fuel, chemicals, materials and  energy through sustainable processes. 

T

his concept is nothing new to the petroleum industry  which has been producing fuels, power and chemical products from petroleum for the last two  centuries 2.    Ironically, the idea of maximising the utilisation of the wood feedstock was exploited already in  1898 by Simonsen in his efforts to convert sawdust to ethanol 3. Over the decades, this knowledge  was however forgotten, but the concept of a biorefinery experienced a rebirth some 30 years ago  and it is emerging today as a future model of operation for the pulp and paper industry to  expand its business into new fields. The National Renewable Energy Laboratory (NREL), a  facility of the U.S. Department of Energy for research and development in renewable energy and  energy efficiency, states that “to maximize the value generated from a heterogeneous feedstock,  refineries make use of all component fractions, producing a variety of co‐products in the process  … and also has tremendous potential to benefit society” 4 The role of lignin in a biorefinery is yet to be defined, but it is clear that is essential to exploit its  value. Although the use of lignin as a replacement or complement to fossil fuels makes sense in a  traditional paper mill, the concept of a biorefinery is likely to change this. An excellent example  of this is the water‐soluble lignosulphonates, a by‐product from the sulphite pulping process.  Their unique properties have led to utilisation of lignosulphonates in a variety of fields as  additives or binders and as a precursor for further chemical processing.   Due to the limited quality and performance, lignosulphonates have faced significant competition  from synthetic plasticisers as concrete additives. Traditional modifications of lignosulphonates to  improve their performance have been limited to filtration and fractionation to obtain  lignosulphonates in more specific molecular weight ranges. Although sufficient to give moderate  improvements in performance, the improvements are not enough to compete with their synthetic  equivalents as concrete dispersing additives. Other modifications are likely to be necessary.    No methods suitable for industrial integration to increase the average molecular weight of  lignosulphonates exist to date. To achieve such an increase, it might be interesting to utilise  biotechnical tools such as enzymes. One particular group appear promising, the natural radical‐

(11)

2    initiating laccases. The recent rapid advancements in heterologous expression and production  have solved the problem of the low availability of the enzyme for industrial applications. What  remains to be solved is how laccases can be applied on lignosulphonates and what benefits are to  be gained. 

I.1 Aim  

The goal of this work described in this thesis is to investigate the various modifications of  lignosulphonates achieved by laccase and conventional bleaching chemicals. Several aspects of  laccase oxidation of lignosulphonates are explored through studies with model compounds and  experiments with lignosulphonates. The main targets for modification are the average molecular  weight and functional group composition. The proposed modifications of technical  lignosulphonates are potentially important for improving their performance as additives to  concrete and also for expanding their industrial utilisation.     

(12)

3   

II Background 

II.1 Structure and Chemistry of Lignin 

Lignin is next to cellulose the most abundant biopolymer on Earth, manifesting its presence on all  corners of the planet Earth, on land as well as sea 5. Fortification of the cell wall by lignin is  considered to be the key innovation in the evolution of terrestrial plants from their aquatic  ancestors nearly half a billion years ago. The heterogeneous and highly complex aromatic  polymer loosely termed “lignin” encrusts cellulose microfibrils and other components in the cell  wall preventing collapse and lending biomechanical support to the cell wall and allowing plants  to overcome gravity and rise above the ground. The widespread colonisation of terrestrial eco‐ regions by plants with lignified cell walls is excellent evidence of the success of such a design.  No exact primary chemical and structure of lignin currently exists. In a broader sense, lignin can  be described as an aromatic polymer of methoxylated phenylpropanoid units linked to each other  through carbon‐carbon and and ether bonds. Several models of lignins have been proposed over  the years 6‐9. The fact that only models and no actual structural determination of lignin in situ are  available indicates not only the complexity of lignin but also the lack of methods to extract lignin  in its’ native form. With current techniques, only fragments can be extracted and this means that  the current knowledge of lignin can be considered at best fragmental. Attempts at obtaining the  full picture of the structure of lignin have so far yielded only a determination of spruce secondary  wall with Raman spectroscopy 8. The lignin polymer is optically inactive 10 although it contains  several chiral centres and is generally considered to be branched to facilitate cross‐linking to  other cell wall components to form lignin‐carbohydrate complexes (LCCs)11,12. The LCCs serve as  anchoring points where the carbohydrates and lignin are covalently bonded to each other and are  important for the unique physical properties that wood exhibits as a natural composite material.  The lignin polymer is synthesized by the polymerisation mainly of three different cinnamyl  alcohols; p‐coumaryl, coniferyl and sinapyl alcohol. These lignin monomers, monolignols, are  produced within the wood cell and exported to the cell wall where they are polymerised. The  monolignols are the product of the phenylpropanoid pathway starting from the amino acid  phenylalanine. The end product of the monolignol polymerisation is the lignin polymer (Scheme  1). The hydroxylation and methylation reactions in the  phenylpropanoid pathway ultimately  determine which monolignols is formed because the three lignols differ only in the number of  methoxyl groups.   

(13)

4    OH N H2 O phenylalanine O H OH p-coumaryl alcohol O H OH OMe coniferyl alcohol sinapyl alcohol O H OH OMe MeO O O H MeO OH OH O O OMe OH O H OH O O H O Lignin O H O CH3 OH O MeO OH O O OH O OMe MeO O MeO OH O MeO O H OH Lignin OH OMe O H O H OMe OH   Scheme 1: Phenylpropanoid pathway for lignin biosynthesis in vascular plants.   

II.2 Lignosulphonates  

II.2.1 Production and Structural Properties 

Lignosulphonates are by‐products of the sulphite pulping process for the manufacture of  specialty dissolving pulps and paper. The wood chips are digested with acidic calcium bisulphite  for 6‐10 hours at 100‐130 °C in a batch‐wise cooking process. During this process, the native  lignin is broken down through the degradation of the randomly distributed ether bonds  throughout the structure 13. The fragments are solubilised in the cooking liquor through covalent  addition of sulphonic acid groups at various positions in the lignin structure (Figure 1).  The  sulphonic acid groups are stabilised by the presence of calcium ions.  After the competition of the cooking stage, the insoluble cellulose is separated from the  solubilised lignin by filtration. Further processing of the cooking liquor involves precipitation of  the sulphonated lignin through the addition of excess calcium hydroxide (Howard process), the  evaporation of water and residual sulphite (in the form of sulphur dioxide) and dilution with  fresh water followed by ultrafiltration to remove low‐molecular‐weight fractions and sugar  monomers. The purified calcium lignosulphonate is pH‐adjusted to a specific pH and evaporated  to a dry matter content suitable for spray drying and packaging (Scheme 2).    Scheme 2: Simplified flow chart of lignosulphonate production from spent cooking liquor from the sulphite  process. 

Spent cooking liquor

Ca(OH)2 pH adjustment Precipitation (Howard process) Ultrafiltration pH adjustment Dilution Evaporation Evaporation Spray drying

(14)

5    The co‐existence of the hydrophilic sulphite groups and hydrophobic aromatic structures provide  lignosulphonates with unique amphiphilic properties. The overall structure of a lignosulphonate  is not known. Several models have been proposed over the years suggesting that lignosulphonate  behaves as a coiled or expanded polyelectrolyte at either high or low concentration 14. These  polyelectrolytes are likely to associate in solution and the high‐molecular weight fractions are  more branched than the low‐molecular weight ones.   O H MeO S Ca+ O S O Ca2+ O O MeO O H OH OMe O H S O O -O OMe O -O Ca 2+ LS LS O Ca2+ OH OH S O -O O O H MeO O H OMe S O O O -O MeO LS Ca2+ S O Ca2+ Ca2+ O O O O MeO OH OH OMe O H S O O -O OMe OH OMe O H OH OMe S O O O -S O O -O -O Ca2+ LS OH O LS OH O LS OH   Figure 1: Tentative calcium lignosulphonate structure. The sulphonic acid groups are stabilised by calcium  ions. Residual lignosulphonate chains are denoted as LS.    This model has been expanded to describe lignosulphonates as  micelle‐type microgels 15 with a  non‐charged core consisting of  cross‐linked aromatic chains with all the charged groups  relocated to or near the surface to facilitate interactions with the aqueous surroundings (Figure  2A) . These particles are likely to exist in solution as irregularly shaped in a wide range of sizes 15.   This model has been further elaborated  and supported with high‐resolution microscopic  imagery 16‐19. An expansion of this model was proposed following the discovery of a monolayer  formation of various lignins when spread on a liquid surface 20 and the sandwich‐like  arrangement of lignins in the secondary cell wall of wood cells 21. The earlier model of a spherical  micelle was revised to a flat disc‐like molecule to better conform to these findings 22. No efforts to  relate this new structure to the well‐known behaviour of lignosulphonates in solution have been  made to date. Additional studies of lignosulphonates under electric fields displayed a  conformational change from a compact sphere to a non‐free unwinding coil 23.   A recent investigation suggests that lignosulphonates are randomly branched cross‐linked  polyelectrolytes 24 (Figure 2B). According to this suggestion, lignosulphonates consist of a long  continuous chain acting as a backbone with short side chains. The side chains are possibly further  branched and may be reconnected to the backbone forming closed loops 24. The breaking of ether  bonds that occurs during the cooking stage due to acidic hydrolysis and the subsequent 

(15)

6

introduction of sulphonate groups to the structure is assumed to occur at positions that form the short side chains.

Figure 2: Proposed lignosulphonate structural models as globular micellar-type microgels 15 (A), randomly branched polyelectrolytes 24 (B) and ellipsoidal flat particles 25 (C).

It is therefore assumed that the longer backbone is more hydrophobic while side-chains are hydrophilic due to the presence of covalently linked sulphonate groups. This model was based on scaling analysis that showed how the intrinsic viscosity changed with molecular weight, something which is not valid for the microgel model where the gel increases in size but more or less keeps its overall shape with no change in intrinsic viscosity. A randomly branched

polyelectrolyte will change from a spherical to an elongated shape as the molecular weight is increases with subsequent changes in intrinsic viscosity. Recent small angle X-ray scattering and rheological studies of lignosulphonates in aqueous solutions have shown that low-molecular-weight lignosulphonates form ellipsoidal compact and flat particles 25 (Figure 2C).

II.2.2 Utilisation

The annual global production of lignosulphonates amounted to 1.8 million metric tonnes in 2005 26, but this accounts for less than 2% of all the lignin produced in the pulp and paper industry. The by far largest utilisation of lignosulphonates worldwide which accounts for as much as 90% of the worldwide production is as concrete admixtures 27 and for energy production during the pulping process 28.

II.2.3 Concrete Admixtures

Chemical admixtures have been used in concrete formation throughout the history of

construction. As early as several hundred years B.C., Roman masons added blood and eggs to cement and water pastes to improve their mixing 29. The modern cement formula, Portland cement, was formulated during the mid-1800’s.

(16)

7    Despite the use of cement since the industrial revolution in the early 1800’s, the mechanism of the  cement setting when mixed with water is still only partially understood. This process involves a  series of complicated hydration and crystallisation reactions where the cement particles are  interlocked and form a strong water‐insoluble binder.   The actual benefits of admixtures in concrete in modern times were unintentionally discovered in  the United States after the Second World War in two separate events. One event tells of a leaking  bearing that released heavy oil into a grinding mill where concrete was produced. This resulted  in the discovery of air‐entraining compounds 29. The second event tells of an employee at the  Department of Transportation who had the idea of colouring the concrete in the black central  lane of a three‐lane‐highway so that the drivers would notice when they were switching lanes.  The Department of Transportation contractor chose, after a recommendation by a sub‐contractor,  to use a lignosulphonate‐based dispersant to improve dispersion of the Carbon Black, the  colouring agent used to obtain the distinct black colour. After several years it was observed that  the state of the central lane on this particular three‐way highway was significantly better than  that of the two outer lanes 30. Microscopic studies of the concrete revealed evenly distributed air‐ bubbles throughout the concrete which provided the concrete with greatly improved durability  against freezing and thawing. Further studies revealed that lignosulphonates also reduced the  tendency of the cement particles to flocculate without any further addition of water.  

The most important components of Portland cement are calcium silicates C2S and C3S and  calcium aluminates C3A. They comprise over 80% of the total content of Portland cement and are  essential for the strength development in the formed concrete. Both silicates react with water  during the hydration process to form calcium hydroxide and calcium silicate hydrate gel, C‐S‐H.  These three components play an instrumental role during the initial steps of Portland cement  hydration further setting and strength development. This process can be broken down to five  steps 31 1. Initial mixing (0‐10 min). The cement particles enter into solution and hydration reactions  with C2S, C3S, C3A and water start, as a result of which C‐S‐H is formed:    If the rapid C3A hydration reactions are allowed to proceed unhindered, setting occurs  too quickly and the formed concrete is not able to develop strength. Therefore, gypsum is  added to the Portland cement composition to slow down the C3A hydration.  2. Dormant period (10 min – 3 h). The hydration reactions are significantly slowed down.  Flocculation of unhydrated silicates occurs at this stage.  3. Initial setting (3h – 9h). The hydration reactions are rapidly started again as silicates start  to precipitate. 

C2S: 2 (CaO)2(SiO2) + 5 H2O → (CaO)3(SiO2)2 · 4 H2O + Ca(OH)2 C3S: 2 (CaO)3(SiO2) + 7 H2O → (CaO)3(SiO2)2 · 4 H2O + 3 Ca(OH)2

(17)

8    4. Hardening. (9h – 15h) Most of the hydrate gel formation occurs in this highly exothermic  stage which in turn accelerates further hydration reactions.  5. Slowdown (15h – 2 days). The hydration proceeds more slowly due to the extensive  covering of the cement particles by the hydrate gel which hinders water from  penetratating the calcium hydrate silica gel to reach unhydrated parts of the particles.  When the water can no longer reach unhydrated areas or when it is consumed, the  hydration stops.   Water plays a crucial role in concrete preparation; it provides the cement mixture with certain  rheological properties and takes part in hydration. Cement particles with their surface charges  are highly prone to flocculation when in contact with a polar solvent such as water. Flocculation  is detrimental not only for the uniformity of the cement mixture but also for the hydration  process which begins as soon as the mixture comes into contact with water. The formation of  flocculation aggregates entraps certain amounts of water which become unavailable to lubricate  and ensure a flowability of the mixture. To achieve a certain workability of the concrete mixture,  more water must be added than is necessary to achieve full hydration of the cement particles 31.   When the excess water that does not participate in the hydration evaporates, porous cavities are  formed within the paste and these lead to weakening of the mechanical properties and durability  of the concrete. The addition of plasticisers and water‐reducing agents is therefore crucial.   Approximately 50% of the lignosulphonates produced worldwide are used as concrete  admixtures. Here lignosulphonates serve several purposes; they achieve workability of the  concrete mixture through dispersion of concrete particles, they reduce amount of water necessary  to achieve a certain workability of the mixture to improve the strength of the set concrete and  they accelerate or retard the setting and they entrain air in the concrete.  Lignosulphonates actively participate in the hydration of the cement minerals in Portland cement  by irreversible adsorption to and incorporation into the calcium silicate hydrate gels 32,33. The  adsorption retards the C2S, C3S and C3A hydration 34. The initial setting phase can thus be  significantly prolonged. Retardation of the C3S and C3S hydration is very pronounced even at  low lignosulphonate concentrations. C3A hydration is highly important as this process is rapid  and it significantly affects the early hydration and setting of the cement. In the final stage of  hydration, lignosulphonates are incorporated into the structure of the calcium silicate hydrate gel  and are thus removed from the solution 34.  As a consequence of the lignosulphonate adsorption to the cement particle surfaces, steric and  electrostatic repulsion between the individual particles occurs. Steric repulsion prevents particle  flocculation by forcing the particles apart. The electrostatic repulsion is being achieved through  presence of charged groups in the lignosulphonate structure (Figure 3). This mode of action of  dispersants was first described by Uchikawa et al. 35 and has been generally accepted.   Using lignosulphonates, concrete with a compressive strength of 40‐50 MPa can be produced 36 With the rapidly increasing demands of high‐strength concrete with a compressive strength of  100 MPa and above (during the construction of The Petronas Towers in Kuala Lumpur 120 MPa 

(18)

9

silica fume concrete was used 37), lignosulphonates are being displaced by expensive synthetic dispersants and water-reducing agents which achieve significantly greater water reduction and compression strength while maintaining low levels of air entrainment and high workability of the concrete.

The entrainment of air and excessive retardation are two problems limiting the increase of dosage lignosulphonate in a cement mixture. Current-generation lignosulphonates differ significantly in their purity and sugar content to minimise the unwanted reactions in concrete and to allow for further water reduction 38.

Figure 3: Cement particle flocculation and entrapment of water within the floc. Steric and electrostatic repulsion of the particles is achieved through rearrangement of the charged additive in relation to the cement

particle surface charges. The individual cement particles are pushed apart and the integrity of the floc is compromised resulting in liberation of the entrapped water.

The synthetic equivalents, the so-called superplasticisers, are based mainly on two groups of non-renewable petrochemicals. Some examples of the most utilised superplasticisers are

polymelamine formaldehyde sulphite (PMS), β-naphthalene sulphonic acid formaldehyde (BNS) and methacrylic acid–methacrylate ω-methoxypolyethylenglycol 39 (Figure 4).

Figure

formaldehyde and (3) methacrylic acid–methacrylate ω-methoxypolyethylenglycol superplasticisers. The ratio of monomeric composition of (3) is indicated by a, b and c.

The high efficiency of superplasticisers is attributed to the large amount of charged groups, up to 0.4 per available position, 31 and their tailored molecular weight, which increases the repulsive forces by ensuring that there is a constant surplus of charged groups present on the

superplasticiser molecule, despite the number of active sites on the cement particle 40-42. Synthetic superplasticisers allow a water reduction of up to 40% and are far superior to lignosulphonates, which allow only a 15% reduction 43. The difference in efficacy between superplasticisers and

Entrapped water HO3S C H3 H 1 2 3 n NH N NH O N N C H3 CH3 N H SO3H n COOH C H3 O O O SO3H CH3 CH3 CH3 CH3 C H3 c a b n

(19)

10    lignosulphonates, new standards and a constant production of new‐generation superplasticisers  has resulted in a decrease in the use of lignosulphonates 44 The ability of lignosulphonates to function as plasticisers, dispersing agents or surfactants is  intimately linked with their molecular weight of the lignosulphonate and the presence of charged  groups within the macromolecule. An increase in molecular weight and purity of the  lignosulphonate enhances the plasticising effect as well as reducing the viscosity of the concrete  45. High molecular weight lignosulphonates are highly efficient in this sense, even at very low  dosages. These lignosulphonates could be a potential plasticising admixture for self‐compacting  concrete 45, a form of concrete that does not require vibration for placing and compaction, but is  able to flow under its own weight, completely filling formworks and achieving full compaction 46

II.2.4 Specialty Markets 

The use of lignosulphonates as a precursor for the production of chemicals has had only limited  success. The conversion of lignosulphonates to vanillin is presently still the most successful  process of  this kind, despite the fact that it was discovered as early as 1874 47. This process was a  prerequisite for introducing vanillin as a bulk ingredient in the food industry but, in comparison  with the amount of lignosulphonates produced by the pulping industry and considering the  global demand for vanilla, the production of vanillin from lignosulphonates accounts for a far too  small market to be able to absorb the vast amount of produced lignosulphonates 48. The current  synthetic production of vanillin from guaiacol is more than sufficient to saturate the existing  markets.  The dispersing and binding properties of lignosulphonates have been explored in various fields  such as animal food pellet formation, gypsum board production, pigment dispersion, complexing  agents, sludge containers, scale‐inhibitors in wastewater treatment, emulsion stabilisers in oil  drilling muds and expanders in lead acid batteries 27

II.2.5 Modified lignosulphonates 

The modification of lignosulphonates has traditionally been limited to the purification,  ultrafiltration and sugar removal performed during the production. The structural similarities to  conventional lignins extracted during Kraft pulping clearly suggest that the traditional bleaching  chemicals used in a modern pulp mill can be employed to achieve various modifications in terms  of molecular size and functional group composition. The toolbox of bleaching chemicals and the  understanding of their mechanisms on lignin structures is extensive and relatively well  understood, and this permits specific modifications should they be employed on  lignosulphonates. Significantly fewer enzymatic tools are available for lignin modification due to  the nature of the lignin itself. The most promising is the oxidoreductive radical‐initiating enzyme  laccase. 

(20)

11   

II.3 Laccase  

II.3.1 A Blue Multi‐Copper Oxidase 

The laccase belongs to the group of oxidoreductases, the first class of enzymes in the enzyme  classification system (E.C. 1). Strictly defined, oxidoreductases are capable of performing electron  transfer from a donor to an acceptor. Further classification of oxidoreductases divides this class  into sub‐groups based on the donor and the acceptor. Laccase is found in the group of  oxidoreductases active on diphenols and similar substrates (E.C. 1.10), utilising oxygen as  electron acceptor (E.C. 1.10.3). The members of the oxidoreductases share one unique feature;  they all belong to the group of multi‐copper oxidases with several centres where copper atoms  are stabilised 49 Copper is one of the most widespread transition metals in nature. The rich abundance in nature  is intimately linked to its oxidation/reduction potential and the key role which  oxidation/reduction reactions play in nature. Due to the high toxicity, even at a very low  concentration, elaborate stabilisation of copper is required for it to reside in living organisms.  It  is the presence of copper and the interplay between the Cu(I) and Cu(II) oxidation states that  allows the organisms in which it resides to perform complicated oxidation and reduction  reactions.   Multi‐copper oxidases contain two mono‐nuclear centres (type‐1 and ‐2, containing one copper  ion) and one di‐nuclear centre (type‐3, containing two copper ions), each having unique  spectroscopic features. The type‐1 centre shows high absorption in the visible region (giving the  enzyme a distinct blue colour when in solution), type‐2 centre has undetectable absorption and  the type‐3 centre with its pair of copper ions coordinated anti‐ferromagnetically shows strong  absorption in the near‐ultraviolet region 50.   Multi‐copper oxidases are found in all three life domains, prokaryotes, eukaryotes and archae. In  plants and fungi, they are involved in lignin formation and degradation and in yeast and  mammals with iron metabolism 51.  

II.4 Structure and Catalytic Properties 

The majority of fungal laccases are monomeric, dimeric or tetrameric glycosylated protein  complexes. Glycosylation is believed to play an important role during its secretion, susceptibility  towards degradation and thermal stability 52. Besides glycosylation, laccases contain covalently  linked carbohydrate units (ranging from 10‐45% of the total molecular mass) which are assumed  to contribute to the conformational stability  by protecting them from proteolysis and  deactivation by radicals 53,54. The overall molecular weight of laccases varies from 50 to 100 kDa.    Several three‐dimensional crystal structures of different fungal laccases have been determined 55‐ 60. They all show a striking structural homology but with some minor differences in loop  organisation and in the appearance of the substrate‐binding pocket. The overall three‐

(21)

12

dimensional structure of a laccase consists of three consecutively connected cupredoxin-like domains twisted in a tight globule (Figure 5A). The copper ion binding site T1 is located in the third domain and the T2/T3 site is located between the first and third domains (Figure 5B). This site contains amino acid ligands from both domains 61. Structural sequence comparison of more than 100 laccases identified four conservative regions which are specific to all laccases containing a cysteine and ten histidine residues 62 (Figure 5C). Together they form a compartment in which copper ions are located.

Multiple isoforms of the same laccase are known to be secreted by several white-rot fungi 63,64. These can differ significantly in stability, optimal pH and temperature and substrate affinity. They are encoded by gene families and can be either constitutively expressed or induced by external factors 65,66.

Laccases have been shown to have remarkably low substrate specificity and large differences in range of oxidised substrates can be found in different laccases. These enzymes are all capable of oxidising of wide array of organic and inorganic substrates, including polyphenols, various substituted phenols and aromatic amines.

Figure 5: (A) Ribbon diagram of Trametes hirsuta laccase determined by X-ray chrystallography at 1.8 Å resolution 61 with the three-domain organisation and copper ions clearly distinguishable. (B) The active site

consisting of four copper ion sites (T1 through T4) is located between the domains. (C) The four copper ions are stabilised almost excusively by adjacent histidine residues.

The active site of laccases consists of three copper ion sites designated type-1, -2 and 3 (T1 through T3). The type 2 and 3 sites forms a type 2/3 (T2/T3) cluster. The four copper ions located in these sites are consequently designated Cu T1 through Cu T4. A two-site ping-pong bi-bi reaction mechanism for laccase has been proposed 67. The reaction begins with the oxidation of substrate by the Cu T1 which accepts one electron from the substrate and transfers it to the T2/T3 cluster where dioxygen binds. Upon binding to the T2/T3 cluster, dioxygen accepts the electrons from T1 and is reduced to two molecules of water. This reduction requires four electrons which mean that four one-electron transfers have to be made from the T1 site (Figure 6). The

extraordinary ability of laccase to reduce oxygen to water without the formation of radicals or anions is unusual in biological systems.

C) B) A) T4 Cu T3 Cu T2 Cu T1 Cu N HN His 395 N N H N NH N NH N N H N NH N N H N NH N N H N N H O H T3 Cu SH T1 Cu T2 Cu T4 Cu His 458 His 454 Cys 453 His 452 His 400 His 111 His 398 His 64 His 66 His 109 H

(22)

13      Figure 6: Schematic representation of the laccase reaction mechanism. In order to complete the full reduction  of one molecule of dioxygen to water, four substrate molecules are oxidised.    The key to laccase activity is the redox potential of the T1, T2/T3 copper sites. The potential of T1  site has been determined for a large number of laccases to be within 400‐800 mV 68. The potentials  for T2 and T3 sites are less investigated and are so far known only for plant laccase from Rhus  vernicifera (390 mV and 460 mV for T2 and T3 respectively) and fungal laccase from Trametes  hirsuta (400 mV for T2) 69,70. Based on the potential of the T1 site, laccases are divided into low‐,  medium‐ and high‐redox potential enzymes. 

II.5 Occurrence and Role in Nature 

The first known isolation of laccase was performed by Yoshida in 1883 from the sap of the  lacquer tree Rhus vernicifera 71. He was able to isolate a thermolabile compound with what he  referred to as diastatic properties which consumed oxygen when it was mixed with urushiol.  He  drew the conclusion that this diastase‐like compound was responsible for the lacquer drying  process that occurs naturally. More than a decade later, the name “laccase” was coined by  Bertrand who isolated and purified this compound from the sap of the lacquer tree 72 and also for  the first time demonstrated their presence in fungi 73 . He also introduced the concept of  metalloenzymes by erroneously claiming that this newly discovered laccase contained  manganese, a conclusion he drew from the large abundance of manganese in the sap itself. It was  however later shown that laccase in fact contained copper 74,75 Laccases are widely distributed among terrestrial life forms such as plants and fungi. While their  role in fungi has been extensively studied and is still a topic under discussion, laccases in plants  have been less studied. It is well known that in lacquer trees grown in Eastern Asia laccase is  involved in various defence mechanisms as a response to physical injury to the bark of the tree. A  white sap (lacquer) is excreted which is oxidised when in contact with oxygen with the  subsequent polymerisation of the phenols in the sap so that a highly resistant protective structure  is formed. Laccase has been isolated not only from trees such as sycamore and loblolly pine 76 but  also from a variety of vegetables and fruits 77 and green shoots of tea 78.   4 x T3 Cu(II) H2O T1 Cu(II) T2 Cu(II) T4 Cu (II) T3 Cu(I) T1 Cu(I) T2 Cu(I) T4 Cu (I) OH OH Lignin OMe OH O Lignin OMe 4 x O2

(23)

14    In the fungi kingdom, laccases are present in all seven phylums. The enzyme has been attributed  a role in a variety of cellular processes including delignification, sporulation, plant pathogenesis,  pigment production and fruit‐body ripening 79. The most widely studied laccases originate from  the white‐rot basidiomycetes which are highly efficient lignin degraders.  It is due to their  abundant presence in the white‐rot fungi that laccases traditionally have been regarded as an  important participant in the lignin‐degradation process.  Numerous studies of wood decay have  identified other enzymes that participate in the delignification process. Among these are lignin  peroxidases and manganese peroxidases, responsible for oxidation of both phenolic and non‐ penolic units, glucose oxidase and glyoxal oxidases for H2O2 production and cellobiose‐quinone  oxidoreductase for quinine reduction and hydroxyl radical generation 80. It has been  demonstrated that there is no unique mechanism for lignin degradation and that the setup of the  required enzymatic tools differs greatly between various microorganisms.   Laccases have also been associated with lignin biosynthesis participating as an oxidant of  monolignols, a role traditionally reserved solely for peroxidases81‐83. This theory was first  proposed by Freudenberg et al. 83 who saw that laccase was able to oxidise lignin monomers to  form dimers of similar structure to those produced through the chemical degradation of lignins.  Their theory was abandoned when no successful detection of laccases in plant tissues was  achieved.  Later investigations were however able to reignite this discussion when it was  demonstrated that laccase alone could polymerise monolignins in the complete absence of  peroxidases 84. It was also suggested that laccases were involved in the very early stage of lignin  biosynthesis and that peroxidases were involved at later stages 84. The investigation of lignin  biosynthesis (extensively reviewed by Lewis et al. 85) has provided indirect evidence of the  involvement of a variety of peroxidases, laccases and other oxidases, suggesting that such a  complex reaction as lignin biosynthesis cannot simply involve one specific group of oxidases.  This question remains open and is still being widely discussed. Although many enzymes are able  to oxidise monolignols in vitro, no unequivocal proof of the involvement of any specific group of  oxidases in lignin biosynthesis in vivo has been presented through loss‐of‐fuction experiments in  transgenic trees 86.    Laccases active on lignin have been reported to be mostly extracellular, although the occurrence  of intracellular laccases in white‐rot fungi has been demonstrated 87,88. Froehler and Ericsson also  proposed a role for the intracellular as a precursor to the extracellular laccase with little or no  difference between them other than their location in the cell 87.  

II.6 The laccase‐mediator system 

The heterogeneity and complexity of lignin together with the low redox potential of laccases  allow them, in contrast to other lignolytic enzymes, to oxidise only those phenolic units in lignin   which have an ionisation potential within the range of the T1 site 89,90. To explain how laccase is  still able to be active on such a complex polymer, the laccase mediator theory was developed.  Earlier it was believed that laccase was involved only in lignin degradation by oxidising phenolic  end groups in lignin to phenoxy radicals with subsequent linkage breakage. In later experiments, 

(24)

15    the presence of low‐molecular‐weight co‐substrates, the degradation of non‐phenolic structures  was observed 63. The term mediator was soon coined to describe the role of these co‐substrates.  Their significantly higher oxidation potential (>900 mV) was shown to be essential for expanding  the activity of laccase on non‐phenolic substrates. Since the first experiment where ABTS,  diammonium salt of 2,2ʹ‐azinebis(3‐ethylbenzothiazoline‐6‐sulfonic acid) was demonstrated to  enhance the enzymatic ability of laccase 63, the number of compounds that can be converted by  laccase has increased significantly. Over the years, a large number of synthetic and naturally  occurring mediators have been proposed and successfully tried with laccase. Consequently, the  role of laccase in nature has also been expanded or revised 63,91 A laccase mediator participates in a cyclic reaction with laccase (Figure 7) where a high‐potential  mediator intermediate is formed through laccase oxidation. This intermediate participates in non‐ enzymatic reactions with other substrates not accessible to or oxidisable by laccase alone. Upon  oxidising the substrate, the mediator returns to its reduced state, thus closing the cycle 92. This  cycle should, ideally, be repeated a number of times before the mediator is degraded. It should be  noted that the chemistry by which laccase reacts with the mediator is significantly different to the  mediator‐substrate chemistry. The misconception that the redox potential of the laccase increases  when a mediator is used is thus not valid 93   Figure 7: The laccase mediator cycle as first proposed by  Bourbonnais 63   In‐depth studies of a number of mediators such as ABTS 94,95 various N‐O‐ and N‐OH‐containing  mediators such as HBT (1‐hydroxybenzotriazole), violuric acid, N‐hydroxyacetanilide and  various polyoxymetals (such as [SiW11V1O40]5–)92,96‐98 show that no compounds currently fit the  criteria of an ideal mediator. All the proposed compounds either exhibit low stability during the  enzymatic activation or show no or very low ability to regenerate and thus participate in a series  of cycles. Despite the recent findings that a few compounds are actually able to participate in a  substantial amount of cycles 99,100 it appears that a true laccase redox mediator is yet to be  discovered.  

II.7 Applications 

The potential of laccase as an industrial biocatalyst appears to be significant. Laccase is one of the  few oxidoreductive enzymes that do not require expensive co‐factors other than dioxygen and  recent developments in heterologous expression have enabled the large‐scale production of the  enzyme. Consequently, the enzyme has found its way into a number of industrial processes  including paper processing, the prevention of wine decolouration, bioremediation and textile dye  oxidation. Extensive research into the laccase‐mediator system has resulted in a massive effort to  find technical and industrial applications for such systems.   H2O O2 Laccaseox Laccase Mediator ox Mediator Substrateox Substrate

(25)

16   

II.7.1 Laccase in the pulp and paper industry 

Lignocellulose is a natural substrate for laccase and, provided that mediators are used, laccases  have the potential for breaking non‐phenolic units in lignin without disrupting the integrity of  the cellulose which is closely linked to lignin in native wood 11. This is particularly interesting in  the pulp and paper industry. The enormous global production volumes of this industry means  that even a minor improvement achieved by a LMS process step would have huge implications.  The current industrial preparation of pulp and paper, the Kraft and sulphite processes relies on  the separation and degradation of lignin from cellulose through cooking and bleaching with  conventional chemicals. While the recovery and reuse of the chemicals in the cooking stage is  practised, the negative environmental impact of the bleaching stage is well documented.  Although recent developments have yielded significantly less detrimental processes with the  abolition of elemental chlorine in the early 1990’s and the development of the ECF and TCF  bleaching processes there appears still to be a need to develop new methods based on laccase.    Extensive studies have been performed to develop and evaluate LMS for Kraft pulp bleaching 101‐ 103. The results appear promising and they have already found practical application in the  Lignozym© process 104. The use of LMS with flax pulps has also been explored with successful  results 105,  displaying the versatility of these systems.   There is however one major obstacle for the successful implementation of LMS in a modern  paper mill; the mediator. There is, to date, no readily available and cheap mediator that performs  several oxidation cycles. In addition, large quantities of mediator are required to achieve a  bleaching performance comparable to that of conventional chemical processes. For instance, the  Lignozym© process 104  requires a mediator amount of up to 2% of the dry weight of the pulp. In  a normal Kraft mill producing 1 000 ‐ 3 000 tonnes of pulp per day, a daily mediator consumption  of 60 tonnes is required. Considering the significant cost of the enzyme and the mediator as well  as the minimal environmental footprint of a modern pulp mill, the incentive to replace  conventional bleaching chemicals with a LMS process step is low. Despite more than two decades  of research and development of a LMS bleaching stage there has as yet been no commercial  adaptation of this process on an industrial scale.  The ability of laccase to form reactive radical species on lignin end groups can also be utilised for  fibre modification. It has been successfully demonstrated that laccase facilitates adhesion of fibres  during the manufacturing of wood composite materials such as fibreboards 106,107 Functionalisation of lignocellulotic fibres by grafting various phenolic acid derivatives onto Kraft  pulp fibres is an another possibility use for laccase 108,109.  Although promising, these are areas of  laccase utilisation that have not yet reached industrial levels.  

II.7.2 Laccase in the textile industry 

The textile industry consumes large volumes of water and chemicals for textile processing. Each  year, more than 700 000 tonnes of dyestuff are produced 110 which are resistant to a variety of  chemicals making them difficult to decolourise and detoxify. Current ways of treating dye waste 

(26)

17    water are ineffective and expensive 111 making them an ideal target for processes based on laccase  oxidation which have been demonstrated to be very capable of degrading dyes of various  structures 112,113. Utilisation of laccase in the textile industry is an expanding field and covers not  only effluent treatment but also textile bleaching and dye synthesis 114. In 1996, Novozymes  (Bægsverd, Denmark) launched the first laccase preparation to be used in the fabric industry  under the name DeniLite®. This preparation utilises a redox mediator (phenothiazine‐ propionate). The product was followed by the laccase‐mediator formulation under the trade  name Zylite® (Zytex Pvt. Ltd., Mumbai, India). Both formulations are used for the removal of  indigo from denim jeans clothing.  

II.7.3 Laccase in alternative applications 

In addition to the previously discussed industrial applications, laccase is of interest in a variety of  fields and applications. In the food industry, laccase can be used for drink clarification and as  biosensor for the monitoring of phenol formation 115. In the baking industry, laccase is interesting  for its ability to cross‐link biopolymers in various doughs 116. Other highly interesting  applications of laccases are in nanobiotechnology for electroimmunoassay sensors 117, organic  synthesis 118 , biofuel production 117 and keratinous fibre dying 119

(27)

18

III Experimental

Detailed description of the materials, methods and analytical apparatus is given in the related papers.

III.1 Materials

III.1.1 Enzymes

Two laccases provided by Novozymes (Bagsværd, Denmark) were used in all the experiments. The laccases, denoted as NS51002 and NS51003, originated from Trametes villosa (TvL) and

Myceliophthora thermophila (MtL) respectively. The two enzymes had different temperature and

pH optima as well as redox potentials E0 (50°C, pH 5, E0 780 mV for TvL, 40°C, pH 7.5, E0 480 mV

for MtL.

III.1.2 Lignosulphonates

Four lignosulphonate salts supplied by Borregaard LignoTech (Sarpsborg, Norway) were used in all the experiments. The salts were characterised by the supplier by standard methods (Table 1). The lignosulphonates were used without further purification.

Table 1: Characteristics of the lignosulfonate salts used in laccase oxidation experiments described in Papers III-VI.

Salt Raw Material Process Counter-ion Mw(Da) Phenolic content (%) Organic sulphur (%)

DP398 Softwood Filtered Ca2+ 28 400 1.9 5.7

DP399 Softwood Ion exchanged Ultrafiltered Na+ 46 500 2.1 6.2

DP400 Softwood Desulphonated Ultrafiltered

Oxidised Na

+ 9 000 1.9 3

DP401 Hardwood Heat treated Filtered Ca2+ 5 900 1.4 4.7

The lignosulphonate DP398 was provided from different batches and was thus also denoted DP795 and DP851.

(28)

19   

IV Results and Discussion 

IV.1 Model compound studies of the laccase reaction mechanism (Paper I & 

II) 

The reaction mechanism of laccase has been extensively studied over the years both in lignin  degradation 104,120‐124 and in biosynthesis 83‐85. Model compound studies of laccases have  demonstrated the efficacy of the laccase‐mediator systems with an array of mediators, both  natural and synthetic. These experiments were however aimed to understand and expand the  degradative aspects of laccase activity, and the potential of laccase for polymerisation has  attracted significantly less attention. Experiments with mediators such as ABTS 125, polyoxalates  126, ferulic acid 127, HBT 128 and also in the absence of mediators 129‐132 have clearly demonstrated  that laccase is a highly potent tool for the polymerisation of phenol containing compounds.  To elucidate the polymerisation mechanisms of laccase in the present work, a number of lignin  end‐group compounds were subjected to oxidation by two laccases, TvL and MtL (Figure 8). The  oxidation experiments were conducted under the optimal conditions for the respective enzymes  in Tris‐buffer under constant oxygen saturation. The products were analysed with a variety of  mass spectrometric and spectroscopic tools.  OMe OH OH MeO OMe OH OH MeO OMe OH OH Me MeO OMe OH Me 1 Vanillyl alcohol (4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol) 2 Syringyl alcohol (4-hydroxy-3,5-dimethoxybenzyl alcohol) 3 -methylsyringyl alcohol (4-(1-hydroxyethyl)-2,6-dimethoxy phenol) 4 4-methyl syringol (4-methyl-2,6-dimethoxy phenol) OMe OMe MeO OH OMe OH O MeO OMe OMe Me 5 Vanillin (4-hydroxy-3-methoxy benzaldehyde) 6 3,4,5-trimethoxybenzyl alcohol 7 1,2,3-trimethoxy-5-methyl benzene 1 2 3 4 5 6   OMe OH SO3H 8

Vanillyl sulfonic acid (4-hydroxy-3-methoxyphenyl-methanesulfonic acid) OMe OH SO3H Me OMe OH SO3H

MeO MeO OMe

OH

SO3H

Me

9 Syringyl sulfonic acid (4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl

- methanesulfonic acid)

10

-Methylvanillyl sulfonic acid (1-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)

ethanesulfonic acid)

11

-Methylsyringyl sulfonic acid (1-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl) ethanesulfonic acid)   1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6    Figure 8: Model compounds oxidised by MtL and TvL in Papers I and II. The nomenclature is as follows; the  aromatic carbons in the benzyl ring are numbered clockwise from 1 to 6 starting with the carbon to which the  side‐chain is attached. The side‐chain carbons are denoted with greek letters α, β and γ. To distinguish atoms  on a secondary monolignol, an index ‘ (prime) is added. 

(29)

20    The end groups in lignin occupy several interesting positions which to varying degrees affect the  coupling pattern when they are subjected to oxidation reactions by laccases. The traditional  understanding of the polymerisation mechanism of laccase can be summarised in three steps:  oxidation of a phenolic substrate through one‐electron abstraction, generation of a resonance‐ stabilised phenoxy radical, and thereafter a spontaneous, non‐enzyme catalysed coupling and  rearrangement. The phenoxy radical formed in the first step is characterised by a relatively long  life‐time and stability due to the delocalisation of the unpaired electron to various positions along  the benzylic ring and side‐groups. As a consequence, the phenoxy radical can participate in a  variety of reactions depending on the position of the unpaired electron.  The generally low redox potential of laccases limits their action to phenolic substrates. This was  evident as neither of the two laccases TvL and MtL was able to alone oxidise the non‐phenolic  trimethoxy benzyl alcohol 6. Although the laccase‐mediator system (LMS) has been  demonstrated to be a highly efficient tool for oxidation of non‐phenolic lignin units 63,91, the  chemistry of those reactions is not within the scope of this thesis and has not been investigated.  It  should however be noted that the mechanisms of the LMS are significantly different from those  of laccase alone. Whereas laccase oxidation relies on the abstraction of phenolic hydrogen, the  LMS is able to react with more inert hydrogens such as Hα and Hβ. 

IV.1.1 The 1‐position

Laccase oxidation of vanillyl alcohol 1 enables the unpaired electron to delocalise to 4‐OH, 5, 1  and 3‐positions in the benzyl ring (Scheme 3). Subsequent radical‐radical coupling is thus  expected to occur between these positions. GC/MS analysis revealed the formation of 4‐O‐5’ and  5‐5’ coupling products.    OMe OH OH MeO O H OH 5-5 dimer OMe OH OH OMe OH O 4-O-5' dimer Laccase O2 OMe OH OH 1 2 3 4 5 6  OMe O OH C H OMe O OH C OMe O OH C OMe O OH 1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 5 6  1 2 3 4 1 + 2 2 + 2   Scheme 3: Delocalisation of the unpaired electron and proposed reaction mechanism for 4‐O‐5’ and 5‐5’  dimerisation of vanillyl alcohol when oxidised by MtL and TvL. The various resonance forms of the oxidised  vanillyl alcohol are labelled 1 through 4.   

References

Related documents

In mitochondria there are two types of AAA protease complexes, which differ in their topology in the inner membrane; there are i-AAA proteases that are active in

[r]

the substituents, the electronic structure around surface Ni sites has been explicitly modulated and the OER activity has been systematically regulated, i.e., the introduction

(B) Blood cell counts, platelets and polymorphonucleocytes (PMN), complement factor (C) 3a and coagulation parameters, and TAT after 60 min of perifusion in the loop model,

Biochemical and functional properties of mammalian bone alkaline phosphatase isoforms during osteogenesis.. Cecilia

Similarities and differences between the two replicative DNA polymerases, DNA polymerase δ and DNA polymerase ε (Paper IV) To study DNA synthesis activity and processivity of

Electrochemical water oxidation by Copper peptide complexes: molecular catalysts on gold electrode surface Quentin Daniel, Ram B4. Ambre, Lei Wang, Peili Zhang, Hong Chen,

Three common metal oxide crystal structures: (a) rock-salt structure,(b) ... Oxidation and reduction exchanging atoms [20]... Interfacial reactions and transport processes for