Każdy kawałek drewna kryje w sobie cichą złożoność – zbudowany z trzech naturalnych związków: celulozy zapewniającej wytrzymałość, hemicelulozy zapewniającej elastyczność i ligniny jako kleju nadającego strukturę drewna. Wśród nich lignina, ciemna i uparta substancja nadająca drewnu sztywność, od dawna traktowana jest jedynie jako odpad przemysłowy. Jednak obecnie uznaje się go za jeden z najpowszechniej występujących i najbardziej obiecujących materiałów organicznych na Ziemi, stanowiący potencjalną odnawialną alternatywę dla chemikaliów na bazie ropy naftowej. W brzozie i innych drzewach liściastych skomplikowana sieć pierścieni aromatycznych i wiązań międzycząsteczkowych ligniny z hemicelulozą sprawia, że ​​jest ona niewiarygodnie mocna i niezwykle trudna do ekstrakcji. Zrozumienie i kontrolowanie tej ukrytej struktury może otworzyć drzwi do przyszłości, w której produkty uboczne tartaków i fabryk papieru staną się podstawą zrównoważonych materiałów – od tworzyw sztucznych po biopaliwa. To właśnie w ramach tego ukrytego potencjału zwykłych trocin brzozowych wyłoniło się nowe podejście, odkrywające, w jaki sposób można dokładnie przepisać skład chemiczny drewna poprzez prostą obróbkę alkaliczną.

Zespół badawczy kierowany przez dr Galię Shulgę z Łotewskiego Państwowego Instytutu Chemii Drewna, w skład którego wchodzą Brigita Neiberte, Valerija Kudrjavceva, dr Anrijs Verovkins, dr Sanita Vitolina, dr Julija Brovkina i Talrits Betkers z tego samego instytutu, wraz z profesorem Artursem Viksną z Uniwersytetu Łotewskiego – odkrył, w jaki sposób prosta obróbka chemiczna może przekształcić brzozę trociny, będące obfitą pozostałością po obróbce drewna, w bardziej wydajne źródło ligniny sodowej, odnawialnego, przyjaznego dla środowiska biopolimeru otrzymywanego z drewna. Ich wspólne badanie opublikowano w recenzowanym czasopiśmie Polymers.

Zespół dr Shulgi badał, jak hydroliza alkaliczna – proces wykorzystujący łagodną zasadę, taką jak wodorotlenek sodu do częściowego rozkładu złożonych materiałów roślinnych – wpływa na trociny brzozowe przed poddaniem ich roztwarzaniu sodowemu – metodzie stosowanej w przemyśle papierniczym do oddzielania ligniny od celulozy bez użycia siarki. Optymalizując ten etap, odkryli, że można wyekstrahować więcej ligniny i celulozy, zużywając mniej środków chemicznych i wytwarzając mniej odpadów. „Zasadowa hydroliza trocin brzozowych doprowadziła do niezwykłego usunięcia hemicelulozy i zmniejszenia jego wytrzymałości mechanicznej” – powiedział dr Shulga, korespondent z badania. Ta wstępna obróbka skutecznie rozluźniła strukturę drewna, dzięki czemu późniejsza ekstrakcja ligniny była bardziej produktywna.

Ich eksperymenty wykazały, że traktowanie trocin brzozowych roztworem wodorotlenku sodu o niskim stężeniu w temperaturze 90 ^oC przez 5 godzin i stosunek wagowy trocin do wody wynoszący 1:20 spowodował znaczną degradację hemicelulozy, naturalnego polimeru, który wiąże celulozę i ligninę w drewnie, bez uszczerbku dla celulozy, materiału włóknistego, który zapewnia drewnu jego wytrzymałość. W wyniku procesu roztwarzania, który nastąpił, uzyskano ogólnie zauważalnie więcej produktu, przy poprawie wydajności zarówno ligniny, jak i celulozy. Autorzy zaobserwowali, że metoda ta nie tylko poprawia wydajność, ale także pozwala uzyskać ligninę o wyraźnym profilu chemicznym. Zdaniem dr Shulgi: „Spadek zawartości grup kwasowych i metoksylowych w składzie chemicznym ligniny sodowej z hydrolizowanych trocin tłumaczono przewagą reakcji polikondensacji w kształtowaniu jej pierwotnej struktury”.

Lignina, często traktowana jako produkt uboczny odpadu w przemyśle celulozowo-papierniczym, jest coraz częściej doceniana ze względu na swój potencjał jako zrównoważonej alternatywy dla polimerów na bazie ropy naftowej, oferującej podobną wytrzymałość i elastyczność, ale pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Zakres jego zastosowań sięga od biokompozytów, które łączą materiały pochodzenia roślinnego z polimerami w celu uzyskania lekkich i mocnych materiałów, po włókna węglowe i emulgatory, które pomagają mieszać substancje, które normalnie się nie mieszają, takie jak olej i woda. Analiza badania wykazała, że ​​lignina sodowa otrzymana z hydrolizowanych trocin wykazywała bardziej skondensowaną strukturę molekularną, co oznacza, że ​​jej cząsteczki są ściślej upakowane, co znajduje odzwierciedlenie w niższej zawartości reaktywnych grup chemicznych, ale wyższej hydrofobowości, czyli wodoodporności. Właściwości te zwiększają jego działanie jako naturalnego środka powierzchniowo czynnego, co czyni go cennym do stosowania w emulgatorach, dyspergatorach i stabilizatorach.

Porównując próbki ligniny z trocin nietraktowanych i poddanych obróbce, zespół zaobserwował wyraźne różnice w danych widmowych w zakresie UV i podczerwieni, czyli technik wykorzystujących światło do wykrywania określonych wiązań i struktur chemicznych. Lignina z hydrolizowanych trocin wykazywała mniejszą liczbę wolnych grup hydroksylowych i metoksylowych, co sugeruje gęstszą i bardziej powiązaną strukturę molekularną. Uważa się, że ta zmiana strukturalna jest wynikiem polikondensacji, procesu chemicznego, w którym mniejsze cząsteczki łączą się ze sobą, tworząc większe, bardziej złożone struktury podczas przetwarzania alkalicznego.

W roztworach wodnych dr Shulga odkryła, że ​​cząsteczki ligniny wykazywały zachowanie samoorganizujące się, co oznaczało, że w naturalny sposób układały się w uporządkowane wzory. Układy te obejmowały nanocząstki, czyli niezwykle małe cząstki mierzone w miliardowych częściach metra, oraz struktury koloidalne, czyli nieco większe skupiska, które pozostają zawieszone w cieczy. Lignina sodowa z trocin poddanych obróbce utworzyła większe cząstki koloidalne i wykazywała zwiększoną aktywność powierzchniową na granicy faz powietrze-woda, co sugeruje potencjalne zastosowanie przemysłowe w preparatach wymagających zachowania podobnego do środka powierzchniowo czynnego. „Wyższą aktywność powierzchniową na granicy faz powietrze-woda ligniny sodowej ekstrahowanej z hydrolizowanych trocin… przypisano głównie niższej zawartości grup kwasowych w jej składzie chemicznym, co przesuwa równowagę hydrofilowo-hydrofobową jej struktury w kierunku hydrofobowości” – wyjaśnia dr Shulga.

Badanie dr Shulgi potwierdza także koncepcję komplementarności strukturalnej w agregacji ligniny – zasadę opisującą, w jaki sposób tylko określone kształty molekularne i cechy powierzchni pasują do siebie, tworząc uporządkowane nadbudówki. Ten wgląd w organizację ligniny w nanoskali może mieć wpływ na projektowanie nanomateriałów pochodzenia biologicznego, czyli zaawansowanych materiałów opracowanych na poziomie molekularnym do stosowania w powłokach, opakowaniach, a nawet medycynie. W miarę jak roztwory ligniny zmieniają środowisko ze środowiska zasadowego na kwaśne, zespół zaobserwował przegrupowania cząstek, co sugeruje dynamiczny proces reorganizacji potwierdzający ten model.

Integrując te ustalenia, zespół dr Shulgi stworzył podstawy do przekształcania pozostałości lignocelulozowych, które odnoszą się do materiałów roślinnych składających się z ligniny, celulozy i hemicelulozy, takich jak trociny, w wysokiej jakości materiały zielone. Sugerują, że taką ligninę sodową można zastosować w systemach dostarczania leków, w których nanocząsteczki przenoszą lek bezpośrednio do miejsc docelowych, lub mogą służyć jako dodatki do polimerów wzmacniające tworzywa sztuczne i poprawiające efektywność środowiskową. Prace te przyczyniają się do zrównoważonej biorafinacji, oferując sposób na efektywne wykorzystanie drewna odpadowego przy jednoczesnym zmniejszeniu zanieczyszczenia środowiska związanego ze składowaniem ligniny.

Zastanawiając się nad szerszym znaczeniem swojej pracy, dr Shulga podkreśliła, że ​​niewielkie zmiany chemiczne mogą otworzyć nowe możliwości dla materiałów odnawialnych i że to odkrycie pokazuje, jak coś tak powszechnego jak trociny można przekształcić w cenny, ekologiczny zasób. Odkrycie to stanowi ważny krok w kierunku postrzegania obróbki drewna nie jako gospodarki odpadami, ale jako innowacji w zakresie zasobów, co udowadnia, że ​​nawet wyrzucone trociny mogą stanowić plan czystszej i bardziej zrównoważonej przyszłości.

Odniesienie do czasopisma

Shulga, G., Neiberte, B., Kudrjavceva, V., Verovkins, A., Viksna, A., Vitolina, S., Brovkina, J. i Betkers, T. „Wpływ hydrolizy trocin brzozowych na charakterystykę chemiczną, agregację i aktywność powierzchniową ekstrahowanej ligniny sodowej.” Polimery, 2025. DOI: https://doi.org/10.3390/polym17111455