15
Ligniini liimaa puissa ja heinissä n Puutuneiden kasvisolujen
seinän yhdiste, ligniini, luo vastakkaiset asetelmat kasvin hyvinvoinnin ja ihmisen intressien välille. Tutkimuksen tavoitteena on soluseinäkomponenttien mahdollisimman monipuolinen, taloudellinen ja ympäristöä säästävä hyödyntäminen. Kasvisolujen tärkeä ominaispiirre on niiden soluseinä, joka muodostuu solukalvon ulkopuolelle. Seinä määrittää solujen koon ja muodon, on osallisena ympäristön signaalien havaitsemisessa ja toimii puolustuksessa tauteja ja tuholaisia vastaan. Soluseinässä on eniten selluloosaa, joka koostuu glukoosisokerista muodostuneista ketjuista. Selluloosassa sokeriketjut niputetaan yhteen säikeiksi, jotka kiertyvät solun elävän osan ympärille antaen sille tukea. Seinässä on myös muita hiilihydraatteja (pektiinejä ja hemiselluloosaa), fenolisia yhdisteitä sekä rakenne- ja entsyymiproteiineja. Elävien kasvisolujen solusei-
nissä on myös paljon vettä, mikä on tärkeää seinän entsyymitoiminnoille. Jotkin kasvisolut tarvitsevat lisätukea seinäänsä. Tällaisia ovat esimerkiksi vettä kuljettavat solut ja kuolleet tukisolut. Niiden soluseinä paksunee ja solut tuottavat soluseinän muiden aineiden sekaan puuainetta, ligniiniä. Ligniinin kertymistä kasvin varteen ja juureen sanotaan puutumiseksi. Ligniini toimii liiman tavoin ja kovettaa kasvin soluseinät mekaanisesti vahvoiksi. Lisäksi veden kuljetus juurista latvaan on tehokasta, kun vettä kuljettavien putkimaisten solujen seinät hylkivät ligniinin ansiosta vettä. Nämä kasvin “vesijohdot” ovat kuolleita soluja, joista on jäljellä vain ligniinipitoinen soluseinä. Soluseinissä on aukkoja, joiden kautta vesi ja ravinteet kulkevat solusta toiseen kohti kasvin latvaa. Metsäpuiden ligniini on hyödyksi ja haitaksi Monivuotiset puut kasvattavat joka vuosi uuden lustokerroksen vettä kuljettavaa puusolukkoa. Tällöin puu kasvaa paksuutta. Ligniiniä on
Rodeo/Jaakko Suvala
Ligniinin edut kasville • varren tukevoittaminen • veden ja ravinteiden kuljetus • parantunut taudinkestävyys Talouden plussat … + työstettävyys + hyvä polttoarvo + bioenergia + jalostetut hyödykkeet, kuten sementin lisäaine, hiekka teiden pölynestoaine, biomuovit, ja vanilliini … ja miinukset - paperintuotannossa - bioetanolin valmistuksessa - maidon ja lihan tuotannossa puussa paljon, noin 20–30% kuivapainosta. Ligniinin ansiosta puuta on helppo työstää esimerkiksi huonekaluiksi: ilman sitä puun selluloosasäikeet irtoaisivat toisistaan helposti ja laudat halkeilisivat. Metsänomistajan kannalta ligniini on eduksi, sillä se suojaa puita lahottajilta. Kasvit eivät pysty pakenemaan lahottajasienten hyökkäyksiä, mutta ligniini estää sien-
PUUTUNUT KASVISOLUN SOLUSEINÄ
ELÄVÄN KASVISOLUN SOLUSEINÄ
selluloosasäie
selluloosasäie
Ligniiniä on puussa 20-30 % kuivapainosta. Se suojaa puuta lahottajilta.
ligniiniä soluseinä
vettä
solukalvo
solulima
kuvitus: Enni Väisänen, Lilia Sarelainen, Arja Santanen ja Mervi Seppänen
Soluseinässä on paljon selluloosasäikeitä. Seinän puutuessa säikeiden välit täyttyvät ligniinillä.
vettä kuljettava johtojänne
kuoren tukisolukko
a
veden kuljetussolukko
b MIKROSKOOPPIKUVAT
TIMOTEISTÄ: LILIAjaSARELAINEN/MERVI Poikkileikkaus a) timotein korresta ja b) kuusen rungosta. Puutunut osa (tukijohtosolukko) SEPPÄNEN on värjätKUUSESTA: ARJA SANTANEN ty punaiseksi. Timotein korsi on täynnä johtojänteitä, joissa vesi kulkee juurista muualle kasviin. Kuusella nuorimmat vuosilustot vastaavat vedenkuljetuksesta, vanhemmat vuosilustot toimivat pelkästään tukitehtävässä.
ten etenemistä puussa. Kasvit jopa muodostavat lisää ligniiniä altistuessaan kasvitaudinaiheuttajille. Ligniinin polttoarvo on lisäksi erittäin hyvä ja ligniinipitoisuutta voikin pitää puun polttoarvon mittarina. Kolikon toisella puolella ovat ligniinin haitat jatkojalostuksessa. Puiden ja rehukasvien hyödyntämisen kannalta ligniini on usein ongelma. Erityisesti paperiteollisuudessa ligniini joudutaan erottelemaan sellusta ja sellu valkaisemaan, koska muuten paperista tulisi ruskeaa. Ligniiniä sisältävät paperit, kuten sanomalehdet, kellastuvat varhain. Tästä meillä kaikilla on havaintoja. Ligniini vähentää rehukasvien sulavuutta Heinäkasvien korren kehityksen loppuvaiheilla jyrkästi nouseva ligniinipitoisuus voidaan havaita korren kovettumisena. Tämä huonontaa rehun sulavuutta merkittävästi, joten tuorerehun korjuu on ajoitettava ajankohtaan, jolloin puutuminen ei ole vielä liian pitkällä. Tällöin esimerkiksi timoteikorren ligniinipitoisuus on n. 2,5–4,5 %. Tutkimuksissa on alettu kiinnittää huomiota mahdollisuuteen alentaa ligniinin määrää rehukasveissa joko perinteisen tai molekulaarisen jalostuksen keinoin. Myös ligniinin kemiallisen koostumuksen muokkaaminen voi parantaa rehujen sulavuutta. Yksi väläytelty idea on lisätä ligniiniin helposti leikkautuvia kohtia, jotka toimisivat tiiviin rakenteen katkaisukohtina helpottaen kasvimateriaalin sulamista tai muuta jatkokäsittelyä. Biopolttoaineiden valmistusmenetelmiä kehitellään Biopolttoaineiden kuten bioetanolin valmistukseen voidaan hyödyntää puiden suurta biomassaa, kotimaista puujätettä ja heinäkasveja, esimerkiksi viljan olkia. Tällöin raaka-aineena toimivat soluseinän selluloosa ja hemiselluloosa. Ligniinin sitoutuminen sokeriyhdisteisiin vaikeuttaa biopolt-
toaineen valmistusta ja tuo siihen huomattavia kustannuksia. Biopolttoaineet ovatkin aiheuttaneet paljon keskustelua hyödyistä ja haitoista. Tällä hetkellä Suomessa valmistetaan bioetanolia teollisuuden biojätteistä. Uusi tutkimus pureutuu ligniinin muodostumiseen Koska ligniini vaikuttaa suuresti raaka-aineen taloudelliseen hyödyntämiseen, sen biosynteesiä, rakennetta ja rakenteen muokkaamista tutkitaan maailmanlaajuisesti, myös Suomessa. Helsingin yliopiston maataloustieteiden laitoksella olemme selvittäneet kuusen ligniinin muodostumiseen liittyviä tekijöitä. MTT:n, Helsingin ja Oulun yliopistojen välisessä uudessa yhteistutkimuksessa selvitetään puolestaan ligniinin muodostumista timoteissä. Saadut tulokset luovat pohjan soveltavalle tutkimukselle. Jalostuksen keinoin pyritään kasvimateriaalin helpompaan hyödyntämiseen paperin tai bioenergian valmistuksessa. Myös nurmirehun sulamista märehtijän ruoansulatuksessa halutaan parantaa ja täten tehostaa rehukasvin sisältämien ravintoaineiden hyväksikäyttöä maidon- ja lihantuotannossa. Koska ligniinin luonnollisia hyötyjä kasville ovat esimerkiksi vedenkuljetus- ja tukisolukkojen vahvistus sekä suoja taudinaiheuttajia vastaan, ligniinin määrän tai pitoisuuden muuntaminen voisi aiheuttaa ongelmia kasvin normaalille kasvukunnolle. Myös tästä syystä perustutkimus on välttämätöntä ennen jalostusta, jossa puututaan ligniinin määrään tai ominaisuuksiin. Anna Kärkönen, MTT ja Helsingin yliopisto, Panu Korhonen, Teresa Pehkonen, Enni Väisänen, Mervi Seppänen ja Teemu Teeri, Helsingin yliopisto, Erkki Joki-Tokola ja Perttu Virkajärvi, MTT ja Hely Häggman, Oulun yliopisto
Lisätietoja: anna.karkonen@mtt.fi, puh. 050 415 6770