Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., 2006. / Härtill 4 uppsatser.

Filmes de Langmuir e Langmuir-Blodgett (LB) de ligninas extraídas do bagaço de cana-de-açúcar, via processo organossolve, foram fabricados. As isotermas de pressão revelaram uma área para a seção média da lignina em torno de 100 &#197 para a monocamada condensada, enquanto a modelagem a partir dos espectros elipsométricos indicou uma espessura por camada de cerca 60 &#197 para os filmes LB. Porém a deposição não se mostrou homogênea sobre toda a superfície do substrato como observado pelas medidas de microscopia de força atômica (AFM), de forma que filmes mais homogêneos foram obtidos a partir de uma solução mista de Iignina com estearato de cádmio. A área por molécula, calculada com base no número de moléculas de ácido esteárico sobre a subfase, aumenta com a quantidade de lignina na solução mista, indicando a presença de ambos os componentes também na monocamada. Os espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) mostraram que tanto a lignina quanto o estearato de cádmio são transferidos e os espectros de ultravioleta visível (UV-vis) indicaram que esta deposição é homogênea até a 20&#170 camada. Os difratogramas de raios-X e as medidas de AFM mostram que a deposição de lignina e estearato de cádmio ocorre em domínios separados. As medidas de AFM revelaram ainda um aumento da rugosidade do filme com o aumento do número de camadas depositadas e com a maior irregularidade do substrato utilizado. Vale destacar que os filmes de lignina pura mostraram-se mais homogêneos que os filmes mistos, apesar da maior estabilidade destes sobre a subfase. A uniformidade macroscópica dos filmes LB foram confirmadas por medidas de potencial de superfície. Um estudo comparativo de filmes de Langmuir de ligninas extraídas por diferentes processos e de diferentes fontes (madeira mole, madeira dura e cana-de- açúcar) foi realizado. Destacou-se a importância dos grupos funcionais nas medidas de pressão e potencial de superfície, sendo que a área molecular média mostrou-se aumentar com a massa molar das ligninas em questão. A observação de uma inversão nos valores do potencial de superfície para filmes LB de lignina de cana e de pinus abriu caminho para uma investigação mais detalhada dos fatores que contribuem para o potencial de superfície dos filmes LB. Além da Iignina, filmes LB de polianilina e estearato de cádmio também foram estudados. Os resultados revelaram que os valores do potencial de superfície para estes filmes podem ser melhor compreendidos levando-se em consideração modelos teóricos que tratam tanto da contribuição dipolar das moléculas que constituem o filme como da contribuição da interface filme/substrato, a qual geralmente é negativa e se dá pela injeção de cargas. No caso dos filmes LB de estearato de cádmio o potencial é positivo para um número ímpar de camadas e negativo para um número par / Langmuir monolayers and Langmuir-Blodgett (LB) films were produced from lignins extracted from sugar cane bagasse, via the organosolv process The surface pressure isotherms revealed an area per molecule of 100 &#197 for a condensed monolayer, and the modelling of ellipsometric data led to a thickness of 60 &#197 per layer for the LB films. The latter were not homogeneous, as demonstrated by atomic force microscopy (AFM) studies, and therefore mixed monolayers of Iignin and cadmium stearate were transferred with the aim of achieving more homogeneous films. The area per molecule, based on the number of stearic acid molecules on the airlwater interface, increased with the lignin contents in the mixed monolayers, thus confirming the presence of both components in the Langmuir monolayer. Fourier transform infra-red (FTIR) spectroscopy of LB films indicated that cadmium stearate as well as lignin were transferred onto the substrate. An equal amount of material was transferred in each deposition step, as demonstrated by the linear increase in UV-vis absorbance with the number of deposited layers up to the 20&#170 layer. Lignin and cadmium stearate are transferred in separate domains, which was indicated in X-ray diffraction measurements and AFM images. The latter also reveal that the roughness increases with the number of layers and may depend upon the substrate. Interestingly, films of pure lignin were more homogeneous than mixed films with cadmium searate, in spite of the higher stability and transterability of the mixed monolayers. Surface potential measurements showed a unitorm profile when the probe was scanned across an LB film, which may be taken as demonstration of uniformity at least at the macroscopic levei, though the film comprises domains and is usually rough for a molecular film. A comparative study was made ot monolayer characteristics for lignins obtained trom different sources and using different extracting procedures. The importance of functional groups was highlighted in these measurements, in which the area per molecule increased with the molecular weight ot the material. The observation that LB films from pinus and sugar cane bagasse exhibit surface potentials ot inverted sign has prompted us to investigate the possible contributions to such surface potentials. In addition to Iignins, in this study cadmium stearate and polyaniline LB films were also used. The overall conclusion was that the surface potential depends on the dipole moment of the monolayer-torming molecules, but is also affected substantially by the contribution from the substrate/film interface. The latter arises from charge injection from the electrode and is generally negative. For simple cadmium stearate LB films, the surface potential is positive for an odd number of layers, but negative for even numbers, since the dipole contribution is cancelled out

Les lignines ne sont pas suffisamment considérées dans les procédés de bioraffinerie. Pourtant, elles sont une source abondante de synthons aromatiques, et éléments essentiels de la rentabilité de transformation des lignocelluloses. A ce jour, les perspectives de production de synthons à partir des lignines se heurtent aux réactions de condensations des lignines, limitant leurs conversions en produits de faibles masses. Cette étude nous a permis de cerner les conditions propices à l’hydrolyse et/ou aux condensations grâce à l’étude de différentes lignines modèles soumises aux conditions d’acidolyse. D’une part, les conditions propices à l’hydrolyse des liaisons -O-4 sont l’utilisation d’une catalyse homogène (HCl), pour des températures comprises entre 120 et 140°C et une acidité de l’ordre de 0.05 M. A l’inverse, l’emploi d’une catalyse hétérogène (Montmorillonite K10) est peu efficace car elle doit s’affranchir des phénomènes d’adsorption du substrat tout en lui permettant d’accéder à ses sites actifs. D’autre part, les réactions de condensation secondaires sont exacerbées par l’emploi de l’argile de Montmorillonite, mais aussi par l’augmentation de l’acidité et de la température, elles mêmes nécessaires pour une bonne hydrolyse. La substitution de l’alcool coniférylique par le coniféraldéhyde permet de minimiser ces condensations secondaires du fait de sa forte stabilité dans les conditions d’acidolyse. Toutefois, l’incorporation de ce type de précurseur dans les lignines provoque une diminution de la fréquence des liaisons -O-4. Cette réduction du potentiel d’hydrolyse des lignines est compensée par l’exacerbation des réactions de rétroaldolisation. Pour les condensations primaires, l’acidolyse des lignines pures -O-4 nous permet d’affirmer que celles-ci, constantes face à l’augmentation de la concentration en acide et en nucléophiles aromatiques, seraient plutôt de type intramoléculaire. / Lignins are not sufficiently considered in the biorefinery processes. However, they are a rich source of aromatic building blocks, and essential elements of lignocellulose processing viability. Although the production prospects of building blocks from lignins exist, their strong affinities for condensation reactions limit the conversion into low molecular weight products. This study allowed us to identify hydrolysis or condensation suitable conditions by studying different models lignins subjected to acidolysis conditions. On the one hand, suitable conditions for the -O-4 bonds hydrolysis are the use of homogeneous catalysis (HCl), for temperatures and HCl concentration ranged from 120 to 140 ° C and from 0.05 M to 0.1M. In contrast, the use of heterogeneous catalysis (Montmorillonite K10) is inefficient because it has to overcome the substrate adsorption and allow an access to its active sites. On the other hand, secondary condensation reactions are exacerbated by the use of Montmorillonite clay, but also by acidity and temperature increases, themselves necessary for an efficient hydrolysis.The substitution of coniferyl alcohol by coniferaldehyde minimizes these condensation reactions due to its high stability in acid conditions. However, the incorporation of this precursor in lignin leads to a decrease of -O-4 bond frequency. This reduction of lignin hydrolysis potential is compensated for the exacerbation of retroaldolisation reactions. About primary condensations, pure -O-4 lignins acidolysis allows us to claim that this kind of reactions, unchanged at the hand of acid or aromatic nuclei concentration increase, are intramolecular.

La lignine représente 25% de la biomasse des végétaux terrestre. Sa quantité et sa qualité sont variables au sein des populations naturelles et sont devenues des cibles de l’amélioration génétique des eucalyptus. L’identification des polymorphismes génétiques impliqués dans la variation de ces caractères permettrait de disposer d’outils de diagnostic moléculaire pour une sélection précoce des meilleurs géniteurs et ainsi contribuer à l’augmentation des gains génétiques par unité de temps. Dans ce travail de thèse nous avons décrit la variabilité nucléotidique de gènes impliqués dans la biosynthèse des lignines, ainsi que la part de la variation génétique de ces deux caractères chez trois espèces d’Eucalyptus. En intégrant ces deux niveaux de variabilité au sein de plans de croisement factoriels, nous avons identifié des polymorphismes associés à la variation des caractères. Ces travaux posent les bases de la sélection assistée par marqueurs chez l’eucalyptus. / Lignins represent 25% of plant biomass on earth. Lignins quantity and quality vary within natural populations and have become major targets for genetic improvement of eucalyptus. Identifying genetic polymorphisms involved in the variation of these traits could provide molecular tools for early selection of plus trees and contribute to increase genetic gains expected by time units. In this thesis work, we described the nucleotide diversity of genes involved in lignin biosynthesis and the genetic part of the variation of lignins quantity and quality in three eucalyptus species. Integrating these two levels of variation in a factorial matting design, we identified Single Nucleotide Polymorphisms statistically associated to the variation of lignin quality. This work paves the way to marker assisted selection in eucalyptus.

Sulfated low molecular weight lignins (LMWLs), CDSO3 and FDSO3, designed recently as macromolecular mimetics of heparin, were found to exhibit potent anticoagulant activity. Small molecules based on the same scaffold, SBD and SBT, showed promising thrombin inhibition. We were able to address the mechanism of the inhibition using Michaelis-Menten kinetics. All the molecules were found to be allosterically impairing thrombin activity using either noncompetitive or uncompetitive mechanism. Absence of competition with hirugen, an exosite 1 ligand, and competition with polymeric heparin points to exosite 2 as the site of interaction for these inhibitors. Yet mixed competition results with other exosite 2 ligands indicated that the molecules utilize different sub-sites within exosite 2 for interaction. Site-directed mutagenesis was used to pin point the key residues important for inhibition. All of all positively charged exosite 2 residues were mutated one at a time to alanine to abolish its charge. The data showed that Arg93 and Arg175 are the major residues involved in CDSO3 binding. FDSO3 showed a progressively greater defect in inhibition with double point mutations, the triple mutant Arg93,97,101Ala displayed a 50 fold drop in inhibition. A single mutant, Arg173Ala, displayed 22-fold reduction in IC50 of SBD, while Arg233Ala was the only mutation that impaired SBT inhibition. This proves the fact that inspite of the structural similarity between the two polymers and the two small molecules, thtey do not share the same binding space in exosite 2. To understand the types of interactions involved in thrombin interaction with the polymers, we resorted to salt-dependence studies. This showed that CDSO3 had fewer ionic contacts with thrombin, with most of its binding energy derived from non-ionic interactions. FDSO3 on the other hand had a balanced contribution of ionic and non-ionic forces. Thermodynamic studies showed that both polymers have a positive ΔCp of binding, which proves the involvement of electrostatic forces and signals the burial of the polar residues on thrombin exosite 2. These molecules offer a rare chance to study thrombin allostery. Little is known about the interplay between exosite 2, active site and sodium binding site. The allosteric nature of inhibition indicated that, for the first time, a link is proven to exist between exosite 2 and the active site that could be used to inhibit the enzyme. The presence of sodium was found to enhance the binding of FDSO3 at exosite 2, which establish the energetic coupling between exosite 2 and sodium binding site. The results identify novel binding sub-sites within exosite 2 that are energetically coupled to thrombin’s catalytic function and linked to the sodium binding site. The design of high affinity small molecules based on LMWLs scaffold presents major opportunities for developing clinically relevant, allosteric modulators of thrombin.

Considerando a grande quantidade de resíduos sólidos, como a palha e o bagaço de cana, gerados devido às atividades agrícolas, procurou-se desenvolver um projeto que utilize esses resíduos para obtenção de produtos com maior valor agregado, visando atender às expectativas em termos econômicos e ambientais. O bagaço da cana é um resíduo gerado em grandes proporções no Brasil. O Estado de São Paulo instituiu uma lei que proíbe a prática da queimada, para fins de colheita, pelo fato de causar sérios problemas ambientais e danos à saúde da população das cidades produtoras de cana, tornando a palha mais um resíduo em abundância. O bagaço e agora a palha da cana são queimados em caldeiras para a geração de energia nas próprias usinas de açúcar e álcool. Os excedentes deste processo podem ser utilizados para a obtenção de produtos de maior valor agregado, desde polpas celulósicas bem como a produção de ligninas que podem ser utilizadas em resinas para fabricação de aglomerados. Para o uso integral da biomassa lignocelulósica é necessário fazer a separação de seus constituintes majoritários: celulose, hemicelulose e lignina. Neste trabalho, os processos de separação utilizados foram a polpação etanol-água e a técnica de explosão a vapor tendo a palha e o bagaço da cana como materiais de partida. As ligninas obtidas pelo processo etanol-água foram oxidadas em meio ácido sob condições diferentes para determinar as cinéticas da oxidação e as energias de ativação destas ligninas. Ligninas oxidadas apresentam fortes propriedades quelantes e podem ser aplicadas no tratamento de efluentes para remoção de metais pesados. A oxidação foi realizada em meio ácido acético utilizando o sitema catalítico Co/Mn/Br à 50, 80 e 115°C por 5 h. A energia de ativação calculada para as ligninas de bagaço e de palha apresentaram um valor de 23,4 kJ/mol e 34,2 kJ/mol, respectivamente, indicando que a lignina de palha é mais reticulada. O estudo cinético da oxidação foi avaliado por UV-Visível. Espectros de infravermelho de várias amostras de ligninas oxidadas foram submetidas à Analise por Componentes Principais (PCA). Os resultados mostraram suaves modificações na estrutura da lignina após a reação de oxidação. A lignina obtida pela técnica de explosão a vapor foi testada em resinas para fabricação de aglomerados, juntamente com resinas à base de farinha de soja e de tanino. Foram ainda fabricadas resinas utilizando o glioxal em substituição do formaldeído, que é um material tóxico. Lignina glioxilada foi adicionada à resina de farinha de soja glioxilada em substituição das resinas PF ou de isocianato (pMDI), visando uma maior utilização de material natural na resina. As formulações que continham 70 ou 80% de material natural apresentaram resultados dentro dos padrões exigidos. As resinas com 70% de material natural podem ser utilizadas em menor porporção na madeira e também podem ser utilizados tempos de prensagem menores, que são industrialmente significativos. A melhor formulação encontrada foi utilizando farinha de soja pré-cozida glioxilada (SG) com a adição de tanino e pMDI, onde as proporções de material foram SG/T/pMDI 54/16/30 (m/m) . / Considering the large amount of agricultural residues, such as straw and sugarcane bagasse, generated due to agricultural activities, we sought to develop a project that proposes the use of these residues to obtain products with higher value, to acchieve expectations in terms of cost and environment. Bagasse from sugarcane is a by-product generated in large proportions in Brazil. São Paulo State introduced a law which prohibits the practice of burning for harvesting because of causing serious environmental problems and damage to the health of the population of cities close to cane producers, making straw an other abundant residue. Sugarcane bagasse and straw are burned in boilers for generation of energy in sugar and alcohol industries. However, excess of those by-products could be used to obtain products with higher value, as cellulosic pulps with applications in cardboard packing and the application in resins for the manufacture of particleboard. For the integral use of the vegetable biomass it is necessary separate the major components: cellulose, hemicellulose and lignin, and for this purpose ethanol-water pulping and steam explosion process were used, with the sugarcane bagasse and straw. Lignins obtained by ethanol-water pulping were oxidized in acidic medium under different conditions to study kinetics of the oxidation and calculate the activation energies of these lignins. Oxidized lignins presents very strong chelating properties and could be applied in effluents treatments for heavy metals removal. The oxidation of lignins were performed using acetic acid and Co/Mn/Br catalytical system at 50, 80 and 115°C for 5 h. Activation energy (Ea) was calculated for lignins from sugarcane bagasse and straw and presented Ea of 34.4 kJ.mol-1 and 23.3 kJ.mol-1, respectively, indicating higher crosslinked formation for straw. A kinetic study of the oxidation was evaluated by UV/Visible. FTIR spectra of various samples of oxidized lignins were submitted to Principal Component Analysis (PCA). The results showed slight structure modifications in lignins after oxidation reaction. Lignin obtained by the steam explosion process was tested in resins for the manufacture of particleboards, together with resin-based soy flour and tannin. Resins were manufactured to substitute formaldehyde (a toxic material) with glyoxal. Glyoxalated lignins were added to glyoxalated soy flour in place of PF resins or the isocyanate (pMDI), aiming greater use of natural materials in resins. Adhesive resin formulations in which the total content of natural material is either 70 or 80% of the total resin solids content gave good results. The resins comprising 70% by weight of natural material can be used in a much lower proportion on wood chips and can afford pressing times fast enough to be significant under industrial panel pressing conditions. The best formulation of all the ones tried was the one based on glyoxalated precooked soy flour (SG), to which a condensed tannin was added in water solution and pMDI, where the proportions of the components SG/T/pMDI was 54/16/30 by weight.

Considerando a grande quantidade de resíduos sólidos, como a palha e o bagaço de cana, gerados devido às atividades agrícolas, procurou-se desenvolver um projeto que utilize esses resíduos para obtenção de produtos com maior valor agregado, visando atender às expectativas em termos econômicos e ambientais. O bagaço da cana é um resíduo gerado em grandes proporções no Brasil. O Estado de São Paulo instituiu uma lei que proíbe a prática da queimada, para fins de colheita, pelo fato de causar sérios problemas ambientais e danos à saúde da população das cidades produtoras de cana, tornando a palha mais um resíduo em abundância. O bagaço e agora a palha da cana são queimados em caldeiras para a geração de energia nas próprias usinas de açúcar e álcool. Os excedentes deste processo podem ser utilizados para a obtenção de produtos de maior valor agregado, desde polpas celulósicas bem como a produção de ligninas que podem ser utilizadas em resinas para fabricação de aglomerados. Para o uso integral da biomassa lignocelulósica é necessário fazer a separação de seus constituintes majoritários: celulose, hemicelulose e lignina. Neste trabalho, os processos de separação utilizados foram a polpação etanol-água e a técnica de explosão a vapor tendo a palha e o bagaço da cana como materiais de partida. As ligninas obtidas pelo processo etanol-água foram oxidadas em meio ácido sob condições diferentes para determinar as cinéticas da oxidação e as energias de ativação destas ligninas. Ligninas oxidadas apresentam fortes propriedades quelantes e podem ser aplicadas no tratamento de efluentes para remoção de metais pesados. A oxidação foi realizada em meio ácido acético utilizando o sitema catalítico Co/Mn/Br à 50, 80 e 115°C por 5 h. A energia de ativação calculada para as ligninas de bagaço e de palha apresentaram um valor de 23,4 kJ/mol e 34,2 kJ/mol, respectivamente, indicando que a lignina de palha é mais reticulada. O estudo cinético da oxidação foi avaliado por UV-Visível. Espectros de infravermelho de várias amostras de ligninas oxidadas foram submetidas à Analise por Componentes Principais (PCA). Os resultados mostraram suaves modificações na estrutura da lignina após a reação de oxidação. A lignina obtida pela técnica de explosão a vapor foi testada em resinas para fabricação de aglomerados, juntamente com resinas à base de farinha de soja e de tanino. Foram ainda fabricadas resinas utilizando o glioxal em substituição do formaldeído, que é um material tóxico. Lignina glioxilada foi adicionada à resina de farinha de soja glioxilada em substituição das resinas PF ou de isocianato (pMDI), visando uma maior utilização de material natural na resina. As formulações que continham 70 ou 80% de material natural apresentaram resultados dentro dos padrões exigidos. As resinas com 70% de material natural podem ser utilizadas em menor porporção na madeira e também podem ser utilizados tempos de prensagem menores, que são industrialmente significativos. A melhor formulação encontrada foi utilizando farinha de soja pré-cozida glioxilada (SG) com a adição de tanino e pMDI, onde as proporções de material foram SG/T/pMDI 54/16/30 (m/m) . / Considering the large amount of agricultural residues, such as straw and sugarcane bagasse, generated due to agricultural activities, we sought to develop a project that proposes the use of these residues to obtain products with higher value, to acchieve expectations in terms of cost and environment. Bagasse from sugarcane is a by-product generated in large proportions in Brazil. São Paulo State introduced a law which prohibits the practice of burning for harvesting because of causing serious environmental problems and damage to the health of the population of cities close to cane producers, making straw an other abundant residue. Sugarcane bagasse and straw are burned in boilers for generation of energy in sugar and alcohol industries. However, excess of those by-products could be used to obtain products with higher value, as cellulosic pulps with applications in cardboard packing and the application in resins for the manufacture of particleboard. For the integral use of the vegetable biomass it is necessary separate the major components: cellulose, hemicellulose and lignin, and for this purpose ethanol-water pulping and steam explosion process were used, with the sugarcane bagasse and straw. Lignins obtained by ethanol-water pulping were oxidized in acidic medium under different conditions to study kinetics of the oxidation and calculate the activation energies of these lignins. Oxidized lignins presents very strong chelating properties and could be applied in effluents treatments for heavy metals removal. The oxidation of lignins were performed using acetic acid and Co/Mn/Br catalytical system at 50, 80 and 115°C for 5 h. Activation energy (Ea) was calculated for lignins from sugarcane bagasse and straw and presented Ea of 34.4 kJ.mol-1 and 23.3 kJ.mol-1, respectively, indicating higher crosslinked formation for straw. A kinetic study of the oxidation was evaluated by UV/Visible. FTIR spectra of various samples of oxidized lignins were submitted to Principal Component Analysis (PCA). The results showed slight structure modifications in lignins after oxidation reaction. Lignin obtained by the steam explosion process was tested in resins for the manufacture of particleboards, together with resin-based soy flour and tannin. Resins were manufactured to substitute formaldehyde (a toxic material) with glyoxal. Glyoxalated lignins were added to glyoxalated soy flour in place of PF resins or the isocyanate (pMDI), aiming greater use of natural materials in resins. Adhesive resin formulations in which the total content of natural material is either 70 or 80% of the total resin solids content gave good results. The resins comprising 70% by weight of natural material can be used in a much lower proportion on wood chips and can afford pressing times fast enough to be significant under industrial panel pressing conditions. The best formulation of all the ones tried was the one based on glyoxalated precooked soy flour (SG), to which a condensed tannin was added in water solution and pMDI, where the proportions of the components SG/T/pMDI was 54/16/30 by weight.

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