Investigation of Modified Cellulose and Starch via Hydrolysis and Mass Spectrometry

Abstract

Starches and celluloses can be chemically modified in order to affect their physiochemical properties. Modification of these carbohydrate polymers entails derivatising their free hydroxyl groups with functional groups. Which properties are obtained depends on the nature of the functional groups as well as on how they are distributed throughout the polymeric structure of the carbohydrate. Unfortunately, the correlation between the distribution of modifications and the obtained properties is not fully understood. In order to facilitate the investigation of this correlation, new analytical tools are needed.



Starch and cellulose are too large to be analysed by most conventional analysis techniques. In this thesis this problem was remedied by using hydrolysis (either acid hydrolysis or enzymatic hydrolysis) to form smaller molecules that are more easily analysed. The hydrolysates were then analysed by ESI-MS. LC-MS, HPAEC-PAD, SEC-RI and reducing-end determination were employed as well. Four modified polysaccharides were investigated: two modified starches (hydroxypropylated amylopectin potato starch and cationic amylopectin potato starch) and two modified celluloses (carboxymethyl cellulose and methyl cellulose). The information obtained on the hydrolysates could be utilised both in understanding the distribution of modifications in investigated compounds and in understanding of the function of the employed enzymes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stärkelse och cellulosa är naturligt förekommande polymerer av glukos. Dessa polymerer har varit viktiga resurser för människan genom historien. Stärkelse är en viktig näringskälla som det finns rikligt av i sädessorter och potatis. Cellulosa är en viktig komponent i byggmaterial (t.ex. trä), textilier (t.ex. bomullsfibrer), och papper. Stärkelse används dessutom som basråvar inom industriproduktion bland annat för tillverkning av färg och läkemedel. Även om naturliga former av stärkelse och cellulosa har stora användningsområden så behöver deras egenskaper ofta förbättras för att bättre passa i industriell produktion. Förbättringar åstadkommes genom att låta polymererna genomgå kemiskt modifikation. Kemisk modikation innebär att man ”hänger på” kemiska grupper som ger polymeren de egenskaper som man vill den ska. Stärkelse modifieras för att få bättre gelbildande egenskaper och för att öka dess förmåga att klara stora temperaturväxlingar utan att brytas ned. Cellulosa är olösligt i vatten (och de flesta andra lösningsmedel). När cellulosa modifieras brukar det vara för att göra den vattenlöslig. Vilka egenskaper en modifierad stärkelse eller cellolusa får beror på vilka kemiska grupper man väljer att ”hänga på” och hur dessa grupper födelas längs polymerkedjan. Tyvärr, vet man för lite om sambandet mellan fördelningen av dessa grupper och vilka egenskaper de ger. För att kunna undersöka detta samband behövs bättre analytiska tekniker. Arbetet som presenteras i denna avhandlingen har syftat till att utveckla analytiska strategier som kan användas för att ta reda på hur dessa grupper fördelas.



Eftersom modifierad stärkelse och cellulosa är mycket stora polymerer kan det vara fördelaktigt att ”klippa sönder” dem för analys. Detta kan åstadkommas på två sätt. Antingen kan man låta en syra depolymerisera dem eller så kan man använda enzymer. Enzymer är biologiska molekyler som katalyserar eller ”påskyndar” särskilda kemiska reaktioner. Stärkelse- och cellulosanedbrytande enzymer kan alltså användas för att ”klippa sönder” dessa molekyler. Fördelen med att använda enzymer är att de är selektiva, det vill säga att de ”klipper” på ett förutsägbart sätt. Den analytiska teknik som främst har använts i detta arbete är masspektrometri (MS), vilket kan sägas vara ett sätt att väga molekyler. MS är ett kraftfullt analytiskt verktyg. Tillsammans med kunskap om den allmänna kemiska uppbyggnaden kan massan (vikten) hos en molekyl ge utförlig information om dess struktur. Dessutom, kan man via MS slå sönder molekyler och undersöka de fragment blir kvar. Denna teknik, som kallas tandem masspektrometri (MS2), har förmågan att ge detaljerad information om molekylers uppbyggnad. Vid analys av modifierad stärkelse och cellulosa är denna strukturinformation mycket användbar därför att man kan utnyttja informationen för att förstå födelningen av de kemsika grupperna.



Den analytiska strategin som har tillämpats är som följer: Modifierad stärkelse eller cellulosa ”klipps” ned till analyserbara enheter, molekylerna som bildas vid nedbrytningen undersöks med masspektrometri och slutgiltigen så används den informationen man får fram för att undersöka den urspungliga molkylen. När man använder enzymer för att ”klippa ned” polymererna kan de informationen man får även användas för att förstå enzymen.

• author: Cohen, Arieh
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Kenne, Lennart
• organization: Division of Occupational and Environmental Medicine, Lund University
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: ESI-MS, Polysaccharides, Hydrolysis, Cellulases, Starch Hydrolases, Enzymatic Degradation, Enzymes, Substituent Distribution, Modified Cellulose, Mass Spectrometry, Modified Starch, Analytical chemistry, Analytisk kemi, HPAEC-PAD
• pages: 200 pages
• defense location: Sal B, Chemisrty Building
• defense date: 2003-10-31 10:15:00
• ISBN: 91-7422-035-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I) An automated system for carbohydrate analysis based on microdialysis, high-performance anion exchange chromatography, electrochemical detection and mass spectrometryTorto N, Cohen A, Gorton L, Laurell T, and van der Hoeven RAMLaboratory robotics and automation 10 (1998) 361-367 Article: II) High-performance anion-exchange chromatography-electrospray mass spectrometry for investigation of the substituent distribution in hydroxypropylated potato amylopectin starchRichardson S, Cohen A, Gorton LJournal of chromatography A, 917 (2001) 111-121 Article: III) Enzyme-aided investigation of the substituent distribution in cationic potato amylopectin starchRichardson S, Nilsson G, Cohen A, Momcilovic D, Brinkmalm G and Gorton LAnalytical chemistry, in press Article: IV) Liquid chromatography-mass spectrometry analysis of enzyme degraded carboxymethyl cellulose for investigation of enzyme selectivity and substituent patternCohen A, Schagerlöf H, Nilsson C, Melander C, Tjerneld F, and Gorton LSubmitted to Journal of Chromatgraphy A Article: V) Characterization of a commercial methyl cellulose using partial hydrolysis and electrospray ionization mass spectrometryCohen A, Nilsson C, Schagerlöf H, Tjerneld F and Gorton LSubmitted to Analytical chemistry The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004), Division of Occupational and Environmental Medicine (013078001)
• id: 3eeff764-51dd-4ac0-8b50-82ee66ed3bce (old id 466278)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:23:13
• date last changed: 2018-11-21 21:10:39