Lignocellulose udgør 75-98 % af alle grønne planter og er i kraft heraf det mest udbredte biologiske materiale på Jorden! Lignocellulose omfatter de tre makromolekyler cellulose, hemicellulose og lignin, som i plantens cellevæg danner en tæt kemisk struktur og gør væggen stiv og modstandsdygtig over for mikrobielle og kemiske angreb. Cellulosen og hemicellulosen betragtes ofte sammen under betegnelsen holocellulosen. De væsentligste forskelle i sammensætningen af plante-biomasser ligger i fordelingen af cellulose-, hemicellulose- og ligninindholdet. I det følgende anvendes nogle kemiske betegnelser, som eventuelt kan virke fremmede for dig, men forsøg blot at læse teksten alligevel. Dernæst kan din lærer hjælpe med at angive hvilke ting, der er mindre væsentlige at forstå.

 

 

Cellulose udgør 35-40 % af halmstrå (Mosier et al. 2005) og er en lineær polymer bestående af β-1,4’-glycosidforbundne D-glukose-monomerer. Cellulose er som stivelse et kulhydrat, nemlig et polysakkarid bestående af et meget stort antal af monosakkaridet glukose. I modsætning til stivelse er cellulose svært at nedbryde til glukose (se næste afsnit). Glukose er et vigtigt monosakkarid og bruges af næsten alle levende organismer fra mikroorganismer til mennesket som brændstof. Molekylet består af grundstofferne carbon, hydrogen og oxygen, og har den kemiske formel C₆H₁₂O₆. Molekylet findes i tre mulige konfigurationer eller indstillinger, nemlig lineært åbnet samt som to ringformer (kaldet α- og β-D-glukose defineret efter hvordan 1-OH gruppen vender) mellem hvilke der eksisterer en dynamisk ligevægt kaldet mutarotation. Glukose er en hexose, idet molekylet har seks carbonatomer, og dannes, som tidligere omtalt, i fotosyntetiserende planter ved CO₂-fiksering.

 

Figur 7: Skematisk opbygning af et cellulosemolekyle. De enkelte glukosemonomerer er i β-D konfiguration. Den højre ende kaldes den reducerende ende (ved carbonatom nummer 1), mens den venstre ende kaldes den ikke-reducerende ende (ved carbonatom nummer 4). (Modificeret fra (Ingram 2006)).

 

Disse lange kæder af monosakkarider holdes sammen parallelt af såkaldte protonbroer og van der Waals kræfter i en tæt ordnet struktur (krystallinsk cellulose); en mindre del er dog uordnet (amorf cellulose, jf. Figur 11).

Hemicellulosen udgør 20-30 % af halmstrået og består af forgrenede og lineære hetero-polysakkarider af D-xylose, D-mannose, D-galaktose, D-glukose, L-arabinose, 4-O-methyl-glukuron-, D-galakturon- og D-glukuronsyre. Disse polysakkarider er meget kortere end i cellulose. D (dextrorotatory, højredrejet) og L (leverorotatory, venstredrejet) er betegnelser, som angiver stereokemisk konfiguration i et molekyle med såkaldte chirale centre. Hvis du kigger i en biokemi bog, vil du kunne læse mere præcist, hvad dette betyder. Det vigtigste monosakkarid i hemicellulose er pentosen (5 carbonatomer) xylose, som danner polymeren xylan. Desuden indgår typisk en væsentlig del arabinose, som også er en pentose.  

 

Lignin står for de sidste ca. 20-25 % af halmstrå og er en vand-uopløselig amorf blandings-polymer af phenylpropan enheder samt flere substituerede alkoholer. I modsætning til cellulose og hemicellulose består lignin altså ikke af kulhydrater. De forskellige molekylære enheder er knyttet sammen af bl.a. carbon-carbon- og aryl-ester-bindinger, og danner flere typer bindinger til polysakkariderne i hemicellulose (Colberg 1988). Nedenfor kan du se et eksempel på den kemiske opbygning af lignin. Denne komplekse rumlige sammensætning betyder, at lignin kun meget vanskeligt kan hydrolyseres og dermed nedbrydes. I plantecellevæggen fungerer lignin som uigennemtrængelig strukturel støtte og beskyttelse mod oxidation og mikrobielle angreb (Nielsen, Ahring & Angelidaki 1993, Pérez et al. 2002). En beskrivelse af lignin er desuden givet i artiklen Fra halm til alkohol.

 

 

Som Figur 8 nedenfor antyder, danner lignin og hemicellulose (hhv. grå og grøn i fjerde punkt af figuren) en tætforbundet struktur, som holdes sammen af xylan, ferulsyre og esterbindinger (Malherbe, Cloete 2002). Strukturen kan siges at indkapsle cellulose-polymeren, som danner fibre i cellevæggen. Det er denne stærkt ordnede og lukkede struktur, af den sværtnedbrydelige lignin omkring holocellulosen, der vanskeliggør nedbrydningen af lignocellulose. 

 

Figur 8: Sammensætning af en plantes cellevæg. Halmens strå består af fine stængler, hvis vægge igen består af stadig finere fibre, jo mere man forstørrer. Punkt fire illustrerer den meget tætpakkede strukturelle opbygning af lignocellulose med cellulose (gul), hemicellulose (grøn) og lignin (grå). På molekylært niveau (punkt 5) sidder de lange kæder af glukose, hvilke danner såkaldte mikrofibriller.

 

LÆS MERE

Biomasse

Information om biomasse fra det amerikanske National Renewable Energy Laboratory

 

Grafik omkring alt fra enzymer til halm:  Link 1 og Link 2

På disse to sider findes virkelig gode billeder og flot grafik om alt fra cellulase-enzymer, energiafgrøder og forbehandling af biomasse til elektron-mikrografier af behandlet lignocellulose – alt sammen med bioethanol for øje. De er udarbejdet af U.S. Department of Energy, Office of Science, og er et besøg værd.

 

Gensplejsning og bioethanol bør gå hånd i hånd

Planteforsker Birger Lindberg Møller forsker i brugen af cassavaplanten. Denne er en rodplante, som i roden oplagrer stivelse ligesom kartofler. Da stivelse er langt lettere at nedbryde end cellulose endsige lignocellulose er dette et interessant substrat for bioethanol produktion. Super landbrugsplanter på hidtil ubeplantede arealer; en fremtidsudsigt?