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Miscanthus x giganteus Stem Versus Leaf-Derived Lignins Differing in Monolignol Ratio and Linkage
(2019)
As a renewable, Miscanthus offers numerous advantages such as high photosynthesis activity (as a C4 plant) and an exceptional CO2 fixation rate. These properties make Miscanthus very attractive for industrial exploitation, such as lignin generation. In this paper, we present a systematic study analyzing the correlation of the lignin structure with the Miscanthus genotype and plant portion (stem versus leaf). Specifically, the ratio of the three monolignols and corresponding building blocks as well as the linkages formed between the units have been studied. The lignin amount has been determined for M. x giganteus (Gig17, Gig34, Gig35), M. nagara (NagG10), M. sinensis (Sin2), and M. robustus (Rob4) harvested at different time points (September, December, and April). The influence of the Miscanthus genotype and plant component (leaf vs. stem) has been studied to develop corresponding structure-property relationships (i.e., correlations in molecular weight, polydispersity, and decomposition temperature). Lignin isolation was performed using non-catalyzed organosolv pulping and the structure analysis includes compositional analysis, Fourier transform infradred (FTIR), ultraviolet/visible (UV-Vis), hetero-nuclear single quantum correlation nuclear magnetic resonsnce (HSQC-NMR), thermogravimetric analysis (TGA), and pyrolysis gaschromatography/mass spectrometry (GC/MS). Structural differences were found for stem and leaf-derived lignins. Compared to beech wood lignins, Miscanthus lignins possess lower molecular weight and narrow polydispersities (<1.5 Miscanthus vs. >2.5 beech) corresponding to improved homogeneity. In addition to conventional univariate analysis of FTIR spectra, multivariate chemometrics revealed distinct differences for aromatic in-plane deformations of stem versus leaf-derived lignins. These results emphasize the potential of Miscanthus as a low-input resource and a Miscanthus-derived lignin as promising agricultural feedstock.
Cultivation of perennials such as Miscanthus x giganteus Greef et Deuter (Mis) combines the provision of ecosystem services and the generation of additional carbon sources for farming. The potential of Mis based fertilisers, regarding immobilisation of inorganic nitrogen (N) and build-up of soil organic matter (SOM), was tested in a field trial. Therefore, a crop rotation of winter barley (Hordeum vulgare L.), mustard (Sinapis alba L.) as catch crop, sugar beet (Beta vulgaris L.) and winter wheat (Triticum aestivum L.) was set up. The tested treatments were a mixture of Cattle Slurry (CS) and Mis, a mixture of CS and Wheat Straw (CS–WS), Cattle Manure (CM) from Mis shredded bedding, CM from WS shredded bedding, a pure CS, Urea Ammonium Nitrate (UAN) and a treatment without any N applied (NoN). When the carbon-rich fertilisers (both mixtures and manures) were applied to cereals, they led to a slight N immobilisation compared to pure CS, whereas differences were mostly not significant. Furthermore, Mis fertilisers were at least as efficient as WS-based organic fertilisers in inducing a contribution of SOM build-up and in reducing inorganic N before winter and thus preventing N losses, whereas differences were mostly not significant.
As a low-input crop, Miscanthus offers numerous advantages that, in addition to agricultural applications, permits its exploitation for energy, fuel, and material production. Depending on the Miscanthus genotype, season, and harvest time as well as plant component (leaf versus stem), correlations between structure and properties of the corresponding isolated lignins differ. Here, a comparative study is presented between lignins isolated from M. x giganteus, M. sinensis, M. robustus and M. nagara using a catalyst-free organosolv pulping process. The lignins from different plant constituents are also compared regarding their similarities and differences regarding monolignol ratio and important linkages. Results showed that the plant genotype has the weakest influence on monolignol content and interunit linkages. In contrast, structural differences are more significant among lignins of different harvest time and/or season. Analyses were performed using fast and simple methods such as nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Data was assigned to four different linkages (A: β-O-4 linkage, B: phenylcoumaran, C: resinol, D: β-unsaturated ester). In conclusion, A content is particularly high in leaf-derived lignins at just under 70% and significantly lower in stem and mixture lignins at around 60% and almost 65%. The second most common linkage pattern is D in all isolated lignins, the proportion of which is also strongly dependent on the crop portion. Both stem and mixture lignins, have a relatively high share of approximately 20% or more (maximum is M. sinensis Sin2 with over 30%). In the leaf-derived lignins, the proportions are significantly lower on average. Stem samples should be chosen if the highest possible lignin content is desired, specifically from the M. x giganteus genotype, which revealed lignin contents up to 27%. Due to the better frost resistance and higher stem stability, M. nagara offers some advantages compared to M. x giganteus. Miscanthus crops are shown to be very attractive lignocellulose feedstock (LCF) for second generation biorefineries and lignin generation in Europe.
Lignin ist ein aromatisches Biopolymer, das in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt. Es ist hauptsächlich aus drei sogenannten Monolignolen (p-Hydroxyphenyl (H), Guajakol (G) und Syringol (S)) aufgebaut, die über verschiedene Bindungen miteinander verknüpft sein können, und enthält eine Vielzahl an funktionellen Gruppen. Interessant für die Verwendung von Lignin sind dabei insbesondere die vielen phenolischen Hydroxygruppen, die als Ausgangsstoff bei der Synthese neuer Produkte dienen können, daneben aber auch für seine antioxidativen Eigenschaften verantwortlich sind. Da Struktur und Eigenschaften von vielen Faktoren wie Biomasse und Aufschlussprozess abhängen, ist eine detaillierte Charakterisierung der Lignine nötig, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufzuklären und so einen Schritt näher an eine mögliche stoffliche Nutzung zu kommen. Mit dieser Arbeit soll der Einfluss der Biomasse inklusive der verwendeten Partikelgröße sowie des Organosolv-Aufschlussprozesses auf die Monomerzusammensetzung, das Molekulargewicht und die Antioxidanz der isolierten Lignine untersucht werden.
Als Rohstoffe zur Ligningewinnung dienen die drei mehrjährigen lignocellulosereichen Low-Input-Pflanzen Miscanthus x giganteus, Silphium perfoliatum und Paulownia tomentosa, die momentan hauptsächlich zur Energiegewinnung genutzt werden. Im Rahmen der Bioökonomiestrategie der Europäischen Union soll der Schwerpunkt zukünftiger Bioraffinerien jedoch auf eine ganzheitliche Nutzung von Biomassen gelegt und so auch die stoffliche Nutzung fokussiert werden. Zusätzlich zu diesen drei Pflanzen werden auch Organosolv-Lignine aus den in der Literatur bereits gut beschriebenen Biomassen Weizenstroh und Buchenholz isoliert, und zwei Nadelholz-Kraft-Lignine als Vergleich herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art der Biomasse hauptsächlich die Monomerzusammensetzung beeinflusst: Gräser bestehen aus allen drei Monolignolen, Laubhölzer mehrheitlich aus S- und G-Einheiten, während Nadelhölzer nur aus G-Einheiten aufgebaut sind. Die Holzlignine besitzen zudem höhere Molekulargewichte sowie bessere antioxidative Eigenschaften als die Gras- und Krautlignine. Mit der feineren Vermahlung der Biomasse kann die Monomerzusammensetzung beeinflusst werden: der Einsatz kleinerer Partikelgrößen führt zu Ligninen mit einem höheren Gehalt an H-Einheiten, sowohl für Miscanthus als auch für Paulownia. Außerdem kann bei Paulownia die Ausbeute gesteigert und eine Zunahme des Molekulargewichtes beobachtet werden, wenn die kleinste Siebfraktion für den Organosolv-Aufschluss verwendet wird. Einen größeren Einfluss als der Mahlgrad der Biomasse haben die Autohydrolyse sowie der Organosolv-Aufschlussprozess selbst. Die Monomerzusammensetzung ändert sich aufgrund derselben Biomasse zwar kaum, die Bindungstypen zwischen den Monolignolen dagegen schon. Mit höherer Prozessstärke (Zeit, Temperatur, Ethanol-Konzentration) werden Etherbindungen gespalten, was den Anteil an phenolischen Hydroxygruppen und somit die Antioxidanz erhöht. Neben dieser Depolymerisation werden partiell auch Rekondensationsreaktionen beobachtet.
Die erzielten Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Ligninquelle und -gewinnung mit der daraus resultierenden Ligninstruktur und Antioxidanz und bieten damit eine Grundlage für den Wandel von der energetischen hin zu einer nachhaltigen stofflichen Nutzung dieses nachwachsenden Biopolymers. Gerade über die Wahl der Aufschlussparameter können Struktur und Antioxidanz gezielt beeinflusst werden, was in zukünftigen Studien weiter fokussiert werden sollte.