Abstract Lignins have polyphenolic structures, making them candidates to replace phenols and polyphenols in polymers. Lignins are highly recalcitrant, making their refining challenging, requiring harsh temperatures and pressures. Lignins could be partially modified under milder conditions for their use in biopolymers. The main purpose of this research was to upgrade Indulin AT, a kraft pine lignin, to enhance its properties. The first part of this thesis dealt with formic acid aided pressurized hot water extraction (FAPHWE) of hemicelluloses from birch hardwood as the first step in separating the components of a lignocellulosic feedstock (LCF). More than half of the hemicelluloses were extracted as hydrolysis products, while keeping the cellulose hydrolysis products in the extract under 5% and the lignin under 3%. In the second part of this work, a method to determine the amount of phenolic hydroxyl groups (OHph) in lignins was assessed. The Δε IDUS method was found to be useful for comparing the OHph of pine kraft and birch milox lignins, albeit not as precise as carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C-NMR). The third part of this thesis explored the tuning of the molar mass (MM) and OHph of Indulin AT by aqueous ethanol fractionation. The results showed that a higher water content favored the extraction of fractions with low MM and low OHph. A high ethanol content favored the extraction of fractions with medium MM and high OHph. A 50–60 wt% ethanol content allowed for near complete solubilization of Indulin AT, which could be beneficial for a single-phase chemical reaction. The fourth part of this research dealt with the depolymerization of Indulin AT in an ethanol-water solvent with formic acid as hydrogen donor. The properties of interest were MM, polydispersity (PDI), OHph, and formaldehyde uptake capability (FUC). The results of the reaction were affected predominantly by temperature. Higher temperatures led to lower MM and PDI, and higher OHph and FUC. The results of this thesis suggest that, in a biorefinery, the first step before delignification of an LCF could be FAPHWE. It was found that the properties of Indulin AT (OHph, FUC, and MM) could be enhanced by chemical depolymerization and physical fractionation. Modified lignins with higher OHph and FUC could be utilized in biopolymer applications such as phenolic resins and polyurethanes. / Tiivistelmä Ligniini on rakenteeltaan polyfenoli, mikä tekee siitä mahdollisen fenolien korvaajan polyfenolien valmistuksessa. Ligniinin rakenne on hyvin kestävä, mikä tekee sen jalostuksesta haastavaa vaatien usein korkean lämpötilan ja paineen käyttöä. Tästä huolimatta ligniiniä voidaan tietyssä määrin muokata miedommissa olosuhteissa, mikä lisää sen käyttökelpoisuutta biopolymeerien raaka-aineena. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli jalostaa Indulin AT -kraft ligniiniä siten, että sen ominaisuudet paranevat. Aluksi väitöstyössä tarkasteltiin puun hemiselluloosan muurahaishappokatalysoidun kuumavesiuutton soveltuvuutta lignoselluloosaraaka-aineiden fraktioinnin ensimmäiseksi vaiheeksi. Yli puolet hemiselluloosasta voitiin uuttaa monosakkarideiksi samalla, kun selluloosasta uuttui alle 5 % ja ligniinistä alle 3 %. Seuraavaksi arvioitiin fenolisten hydroksyyliryhmien määritysmenetelmää. Δε IDUS metodin havaittiin olevan hyödyllinen ainakin sulfaattimenetelmän havupuuligniinien ja Milox-prosessin koivuligniininäytteiden vertailussa, vaikkakaan se ei ole yhtä tarkka kuin ydinmagneettiseen resonanssispektroskopiaan (NMR) perustuva analyysi. Tämän jälkeen tutkittiin mahdollisuuksia tuottaa etanoli-vesiliuosfraktioinnilla jakeita, joissa ligniinillä on haluttu molekyylikoko ja fenolisten hydroksyyliryhmien pitoisuus. Tulokset näyttivät, että korkea vesipitoisuus suosii pienen molekyylikoon ja matalan OHph -pitoisuuden sisältäviä jakeiden uuttumista. Korkea etanolipitoisuus suosii keskikokoisen molekyylikoon jaetta, jossa ligniinillä on korkea OHph -pitoisuus. 50–60 m-% etanolipitoisuudessa Indulin AT liukenee lähes täydellisesti, mikä voi olla edullista kemiallisten reaktioiden toteuttamiseen yhdessä faasissa. Lopuksi tutkimuksessa tarkasteltiin ligniinin osittaista depolymerisointia etanoli-vesiliottimessa muurahaishapon toimiessa vetylähteenä. Tarkasteltavat tuotteen ominaisuudet olivat molekyylikoko, polydispersiteetti, fenolisten hydroksyyliryhmien määrä ja formaldehydin sitomiskapasiteetti. Lämpötilan havaittiin olevan merkittävin depolymerisointireaktioon vaikuttava tekijä. Korkea lämpötila johtaa pienempään molekyylikokoon ja kapeampaan molekyylikokojakaumaan sekä suurempaan hydroksyyliryhmien määrään ja formaldehydin sitomiskykyyn. Tämän työn tulokset viittaavat siihen, että hemiselluloosan vesiuutto happamissa olosuhteissa voi olla biojalostamon ensimmäinen vaihe, ennen delignifiointia. Lisäksi havaittiin, että ligniinin ominaisuuksia voidaan muokata kemiallisella depolymerisoinnilla ja fysikaalisella fraktioinnilla. Korkeamman hydroksyyliryhmäpitoisuuden ja formaldehydin sitomiskyvyn muokattuja ligniinejä voidaan hyödyntää biopolymeerisovellutuksissa, kuten fenolisissa hartseissa ja polyuretaaneissa.

Abstract Lignocellulosic biomass, such as wood or agricultural residues, is a resource widely available for use in chemical production. In a lignocellulosic feedstock biorefinery, the major parts of biomass, cellulose, hemicellulose and lignin, are converted to valuable chemicals, materials and energy. Furfural production is one option for the use of the pentose sugars available in hemicellulose, and the process could be integrated with the pulp or cellulosic ethanol industry. In the past, furfural production catalysed by organic acids has been in industrial use, but no detailed studies about the kinetics exist. However, the use of organic acid would prevent the waste problems linked to the mineral acids widely used in the furfural industry. In this thesis, furfural formation in formic acid media was studied. The major part of this work concerns the kinetics of xylose dehydration into furfural and further furfural degradation. Based on the results of this thesis and a literature review, adequate prediction of furfural yield in the conditions used can be achieved using a simple kinetic model, including three reactions: 1) Xylose dehydration into furfural, 2) Furfural degradation, and 3) Xylose degradation to products other than furfural. Moreover, it was shown that the overall order of the furfural degradation reaction, usually modelled as a first order reaction, changes with acidity (H+-concentration). Suggestions for a possible reaction mechanism have been made based on the results. In the last part of this thesis, furfural formation in the presence of kraft lignin (Indulin AT) was considered. Sulphuric acid was used as a baseline for formic acid. It was shown that the lignin has an acid-neutralising capacity, but the higher pH did not explain all the changes in the xylose conversion and the furfural yield. Thus, it is highly likely the lignin inhibits the formation of furfural. Altogether, the effects were smaller in formic acid than in sulphuric acid. This thesis confirms the fact that formic acid is an effective catalyst for furfural production. The focus of the thesis was on the reaction kinetics, and the results can be used in conceptual process design. Moreover, the results emphasise the importance of including acidity explicitly in the kinetic model and monitoring acidity changes when real process streams are used. / Tiivistelmä Lignoselluloosaa, kuten puita tai maanviljelyn jäännösmateriaaleja, on laajasti saatavilla kemiallisen tuotannon raaka-aineeksi. Biojalostamossa lignoselluloosan pääjakeet, selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini, muutetaan arvokkaiksi kemikaaleiksi, materiaaleiksi ja energiaksi. Furfuraalin tuotanto on yksi vaihtoehto hemiselluloosan sisältämien pentoosien hyödyntämiseksi. Furfuraaliprosessi voidaan yhdistää sellun tai bioetanolin tuotantoon, ja orgaanisia happoja käyttämällä voitaisiin välttää mineraalihappoihin liittyvät jäteongelmat furfuraalin tuotannossa. Tämän väitöskirjan aiheena on muurahaishappokatalysoitu furfuraalin muodostuminen ksyloosista. Pääpaino on reaktiokinetiikassa, ja työssä on kehitetty kineettinen malli ksyloosin dehydraatiolle furfuraaliksi ja sitä seuraaville furfuraalin sivureaktioille. Tehdyn tutkimuksen ja kirjallisuusselvityksen perusteella yksinkertainen kolmen reaktion malli antaa riittävän tarkan ennustuksen furfuraalisaannoista käytetyissä olosuhteissa. Reaktiot ovat 1) ksyloosin dehydraatio sekä 2) furfuraalin ja 3) ksyloosin reaktiot sivutuotteiksi. Lisäksi huomattiin, että reaktion, jossa syntyy furfuraalin häviämistuotteita, reaktioaste on riippuvainen happamuudesta (H+-konsentraatio). Työssä onkin ehdotettu mahdollisia reaktiomekanismeja furfuraalin sivureaktioille. Työn viimeisessä osassa tutkittiin ligniinin vaikutusta furfuraalin muodos¬tu¬miseen. Vertailukohtana muurahaishapolle käytettiin rikkihappoa. Tutkimuksessa selvisi, että käytetty ligniini, Indulin AT, huononsi furfuraalisaantoa. Suurin osa vaikutuksesta johtui ligniinin neutralointikapasiteetista, jolloin reaktioliuoksen happamuus laski, mutta mahdollisia sivureaktioita ei voitu sulkea pois. Kaiken kaikkiaan vaikutukset olivat pienempiä muurahaishapolla kuin rikkihapolla. Tämä väitöskirjatutkimus osoitti, että muurahaishappo katalysoi furfuraalin tuotantoa tehokkaasti. Tutkimuksessa muodostettiin reaktiokineettinen malli, jota voidaan käyttää käsitteellisessä prosessisuunnittelussa. Tulosten perusteella on tärkeää huomioida reaktioliuoksen happamuus kinetiikassa ja tarkkailla happamuuden muutoksia käytettäessä prosessisivuvirtoja.

Abstract The efforts to improve forest trees could be accelerated by means of genetic engineering. Thus, the performance and effects of genetically modified (GM) trees have been investigated in numerous studies, which have generally concluded that GM trees have similar effects on environment and/or other organisms as do conventionally bred trees. In the present study, GM silver birch (Betula pendula Roth) and hybrid aspen (Populus tremula L. × tremuloides Michx.) lines were utilized to study the influence of transgenes to the transcription of related endogenous genes and to the production of soluble phenolic compounds in relation to ectomycorrhizal symbiosis or herbivory. The GM silver birch lines had altered lignin composition, whereas the hybrid aspen lines produced the hemoglobin of Vitreoscilla sp. (VHb). The Pt4CL1a lines were generated using biolistic transformation and monitored under greenhouse conditions for three growing seasons. The Pt4CL1a and PtCOMT silver birch lines, with altered lignin syringyl/guaiacyl ratio, had also reduced transcript levels of endogenous genes, Bp4CL1 and BpCOMT, respectively. This indicates that these members of the 4CL and COMT multigene families are likely to contribute to the monolignol biosynthesis pathway of silver birch. No unintended effects were detected in the PtCOMT or Pt4CL1a lines in relation to ECM symbiosis or performance of insect larvae. Moreover, in soluble phenolic compounds, alterations were found mainly in cinnamic acid derivatives, a group of compounds involved in the biosynthesis of monolignols. In addition, the responses of the studied hybrid aspen lines that were exposed to herbivory for 24 hours were found to be comparable. Furthermore, the proportional weight gain of lepidopteran larvae was alike when fed with leaves of the VHb and non-transgenic hybrid aspen lines. Taken together, no unintended changes were found in the GM silver birch lines with altered lignin composition or in the VHb hybrid aspen lines. However, it is acknowledged that these short-term studies that were conducted under controlled conditions have certain limitations. / Tiivistelmä Puiden ominaisuuksia on mahdollista muuttaa geenitekniikkaa käyttämällä huomattavasti perinteistä jalostusta nopeammin. Geneettisen muuntamisen vaikutuksia puiden ominaisuuksiin ja vuorovaikutussuhteisiin on selvitetty useissa tutkimuksissa geenitekniikkaan liitettyjen riskien arvioimiseksi. Muunnettuja kohdeominaisuuksiaan lukuun ottamatta geneettisesti muunnettujen (GM) puiden ei ole yleisesti ottaen tutkimuksissa havaittu eroavan ympäristövaikutuksiltaan perinteisellä jalostuksella tuotetuista puista. Tässä työssä tutkittiin siirrettyjen geenien vaikutuksia GM-rauduskoivun (Betula pendula Roth) sekä hybridihaavan (Populus tremula L. × tremuloides Michx.) endogeenisten geenituotteiden ja liukoisten fenoliyhdisteiden määriin. Lisäksi työssä tarkasteltiin ligniinirakenteeltaan muunnettujen rauduskoivulinjojen ektomykorritsasymbioosia sekä ligniinimuunnettujen ja Vitreoscilla sp. -bakteerin hemoglobiinia (VHb) tuottavien hybridihaapalinjojen lehtien laatua perhostoukkien ravintona. Biolistisella geeninsiirrolla tuotetuista Amerikan haavan 4-kumaraattikoentsyymi A-ligaasi -geeniä (Pt4CL1) ilmentävistä rauduskoivulinjoista yhdessä havaittiin ligniinin syringyyli- ja guaiasyyliyksikköjen suhteessa muutos. Havaittu muutos aiheutui todennäköisesti koivun Bp4CL1-geenituotteiden määrän vähenemisestä. Myös kaffeaatti/5-hydroksylaatti O-metyylitransferaasi -geeniä (PtCOMT) ilmentävissä, ligniinirakenteeltaan muunnetuissa rauduskoivulinjoissa havaittiin endogeenisen BpCOMT-geenin tuotteiden määrän väheneminen. Tulokset viittaavat siihen, että Bp4CL1- ja BpCOMT-geenien tuottamat entsyymit toimivat rauduskoivun monolignolien biosynteesissä. Ligniiniominaisuuksiltaan muunnettujen rauduskoivujen liukoisista fenoliyhdisteistä todettiin muutoksia ensisijaisesti kanelihappojohdannaisissa, jotka liittyvät läheisesti monolignolien biosynteesireittiin. Ektomykorritsasymbioosissa tai perhostoukkien kasvunopeudessa ei havaittu kasvien geneettisestä muuntamisesta johtuvia eroja. Merkitseviä eroja ei todettu myöskään hybridihaapalinjojen herbivoria-vasteissa. On kuitenkin otettava huomioon, että kaikki tutkimuksen kokeet suoritettiin kasvihuoneissa käyttäen vasta juveniilivaiheessa olevia kasveja. Jotta abioottisten ja bioottisten ympäristötekijöiden sekä GM-puiden vuorovaikutusta olisi mahdollista arvioida kokonaisvaltaisesti, puita pitäisi tutkia pitkäaikaisissa kenttäkokeissa.

Abstract The SOM in boreal forests contains non-living heterogeneous components resulting from microbial and chemical transformations of organic debris from plant litter. The major components in the plant biomass all decompose at different rates and therefore, contribute variably to the stable storages of soil C. The aims of the current thesis were 1) to explore how climate, soil fertility and initial litter quality affect the decomposition rate of litter, 2) to study how the different carbon fractions found in the plant litter relate to the quality and quantity of SOM in forest soils, 3) to determine whether the recalcitrant fraction of litter is derived from lignin and other polyphenols or from lipophilic compounds and carbohydrates, and 4) to determine whether the litter originating from different plant growth forms affects SOM formation in a similar way. The study was conducted in six north boreal and six south boreal study sites, half of which were mesic and half were sub-xeric. The overall initial litter quality and decomposition rate of carbon fractions did not differ between the two fertility levels and climate regimes. Litter with high initial water-soluble extractives (WSE) and nitrogen (N) decomposed at a faster rate than litter with lower initial WSE and N concentration irrespective of the soil fertility or climate conditions. Although decomposition rate varies among litter types, decomposition rate cannot explain differences in SOM quality or quantity between the northern and southern boreal forests. The organic matter accumulation and relative proportion of acid-insoluble residue (AIR) in SOM was higher in south boreal sites both in sub-xeric and mesic sites. Detailed characterization of the AIR fraction using pyrolysis-GC demonstrated that in the litter layer the concentration of AIR contains lignin and other insoluble polyphenols, but in the F and H layers, lignin-derived and chemically modified polyphenolics and decomposition products of resin acids. Although the concentration of the AIR fraction varies among litter types, its composition varied very little among the litter types, and between a sub-xeric and a mesic site. The results of this study suggest that the differences in plant community structure and quantitative differences in the litter input by various growth forms has more impact on OM accumulation than decomposition conditions in coniferous soils. / Tiivistelmä Metsämaan orgaaninen aines koostuu eriasteisesti hajonneesta karikkeesta sekä pitkälle maatuneesta, hajottajien muokkaamasta humuksesta. Tutkimuksessa selvitettiin 1) kuinka ilmasto, maaperän ravinteisuus ja karikkeen kemialliset ominaisuudet vaikuttavat karikkeen hajoamisnopeuteen, 2) kuinka kasvien sisältämät erilaiset hiilifraktiot vaikuttavat maaperän orgaanisen aineen laatuun ja määrään, 3) millaiset hiiliyhdisteet muodostavat vaikeimmin hajoavan hiilifraktion karikkeessa ja pidemmälle maatuneessa orgaanisessa aineessa ja 4) onko erilaisten kasvien vaikutus orgaanisen aineksen muodostumiseen samanlainen kuusikoissa ja männiköissä pohjois- ja eteläboreaalisella havumetsävyöhykkeellä. Tutkimuksessa havaittiin, että karikkeen maatumisnopeudessa ei ollut eroja pohjois- ja eteläboreaalisella kasvuvyöhykkeellä eikä kuusikoiden ja männiköiden väillä. Karike, joka sisälsi runsaasti vesiliukoisia yhdisteitä ja typpeä maatui nopeammin kuin vähän vesiliukoisia yhdisteitä tai typpeä sisältävä karike. Karikkeen maatumisnopeus ei kuitenkaan kyennyt selittämään eroja pidemmälle maatuneen orgaanisen aineksen määrässä ja laadussa pohjois- ja eteläboreaalisella kasvuvyöhykkeellä. Orgaanisen aineksen määrä oli suurempi eteläboreaalisella kasvuvyöhykkeellä verrattuna pohjoisboreaaliseen. Lisäksi vaikeasti hajoavia hiiliyhdisteitä (AIR-fraktio) kertyi eteläboreaaliseen metsämaahan enemmän kuin pohjoiseen. Karikekerroksessa ligniini ja polyfenolit muodostivat suuren osan AIR-fraktiosta. Maatumisen edetessä AIR-fraktion muodostavat lähinnä ligniinin hajoamisesta peräisin olevat ja muut modifioituneet polyfenolit sekä pihkahappojen hajoamistuotteet. Vaikka AIR-fraktion konsentraatio vaihteli kariketyypeittäin, sen kemiallinen koostumus oli hyvin samanlainen karikelajista riippumatta. Tutkimuksen perusteella vallitseva kasvillisuus ja sen tuottaman karikkeen määrä ja laatu vaikuttavat enemmän metsämaahan kertyvän orgaanisen aineen määrään kuin maatumisolosuhteet.