SLUTRAPPORTERING AV PROJEKTET 745/13/ BIOBASERAD UTSÄDESPELLETERING.

Transkript

1 SLUTRAPPORTERING AV PROJEKTET 745/13/ BIOBASERAD UTSÄDESPELLETERING. SÖKANDEN Eva Johansson, SLU, Växtens produktkvalitet, Institutionen för växtförädling I samarbete med Kenneth Fredlund, Syngenta Seeds Ali Hafeez Malik, Syngenta Seeds HYPOTES FÖR PROJEKTET Biobaserad utsädespelletering kan bidra med väl så mycket kvalitet både i termer av teknisk kvalitet, dvs en rund och lagom stark pellet, men också i form av grobarhet och tidig utveckling av groddplanta som konventionell utsädespelletering. INLEDNING I en biobaserade ekonomi förväntas petroleumoljan och liknande byggstenar inom kemi- och materialindustrin att bytas ut mot förnyelsebara råvaror. För olika typer av material är proteiner från växter bra byggstenar eftersom dessa proteiner har förmåga att binda till varandra och på så sätt bilda polymerer. När proteinerna binder till varandra och bildar polymerer erhålls material med egenskaper liknande många av de petroleumbaserade materialen som vi använder idag. Forskargruppen för Växtens produktkvalitet har under senare år arbetat med ett antal projekt gällande möjligheter att framställa olika typer av material från växtproteiner Beroende på vilken typ av proteiner som används, hur dessa proteiner behandlas, både genom upphettning, med tryck och energi, samt vilka tillsatser som används påverkas materialets beskaffenhet, kvalitet, struktur och användbarhet. Inom gruppen och i samarbete med olika partners har vi kunnat framställa material som är plastliknande med PVC liknande egenskaper 15, skum som kan användas för att isolera hus 16-18, bestrykning till papper 19, samt lim för trälamineringar 20. Inom dagens utsädeshantering, speciellt för bet- och hortikulturella utsäden, är det vanligt att utsädet pelleteras före sådd. Den huvudsakliga anledningen till detta är ett behov av jämnstora och runda utsädesfrön för en enkel hantering i utsädesmaskinerna vid sådd. Det är också vanligt att olika formuleringar tillsätts vid pelleteringen som kan bidra till skydd mot sjukdomsangrepp, (dvs man tillsätter pesticider), eller närings-/tillväxtfrämjande medel. Vid pelletering av utsäde används också oftast någon typ av petroleum baserad polymer i formuleringarna för en tillfredställande sammanhållning och lagom stark pellet. I ett framtida biobaserat samhälle skulle det därmed vara önskvärt med en pelletering av utsäde som är biobaserad. Det här sökta projektet syftar därför till att ta fram lämpliga biobaserade formuleringar för pelletering av utsäde där formuleringarna bygger på växtproteiner. Syftet är 1) att undersöka möjligheterna att använda växtproteiner för pelletering av utsäde, 2) att undersöka hur formuleringar som bygger på växtproteiner kan se ut för att generera jämförbar kvalitet med

2 dagens formuleringar, och 3) att undersöka inverkan på groning och tidig tillväxt hos utsädet från olika formuleringar. GENOMFÖRANDE Projektet är planerat i samarbete med Kenneth Fredlund och Ali Hafeez Malik på Syngenta Seeds AB. Projektet är tänkt som ett pilotprojekt där möjligheter att använda växtproteiner för biobaserad pelletering av utsäde ska utvärderas. I detta samarbete kommer SLU och forskargruppen för Växtens produktkvalitet att stå för kunskap och framtagande av olika lämpliga växtproteiner och förbehandling av dessa proteiner på olika sätt för att erhålla formuleringar där proteinerna polymeriserar på lämpligt sätt. Olika typer av proteiner kommer att kombineras på olika sätt och olika behandlingar och tillsatser samt blandningar av olika komponenter kommer att tas fram, testas och utvärderas. Vidare kommer polymeriseringen av proteinerna att utvärderas framför allt med HPLC men eventuellt också med SAXS/WAXS på Maxlab i Lund. Beträffande HPLC metoderna som kommer att användas, så finns väletablerade metoder i gruppen på SLU i Alnarp. Goda kontakter och samarbete finns också etablerat med Maxlab i Lund. Syngentas del i samarbetet består av att praktiskt utföra pelleteringen av utsädet i de formuleringar som vi väljer att testa. Vidare kommer Syngenta att utvärdera kvaliteten hos det pelleterade utsädet både i teknisk och biologisk bemärkelse. Syngenta har väletablerade metoder, i fält och labb, för de ovan nämnda experimenten. De växtproteiner som i första hand kommer att vara aktuella att testa är vete-, raps-, potatis- och oljeväxtproteiner av olika slag och i olika kombinationer. Proteinerna kommer eventuellt att testas tillsammans med olika typer av fibrer såsom trämjöl, finfördelade hampafibrer, eller med andra biobaserade material såsom t.ex. PHB eller stärkelse. Utsädet som framför allt kommer att utvärderas ur pelleteringssyfte är sockerbetor. RESULTAT OCH DISKUSSION Möjlighet att använda växtproteiner för pelletering av utsäde Inom projektet har ett antal olika försök gjorts. Inledningsvis gjorde vi ett försök där sockerbetsutsädet pelleterades med vete gluten (WG), potatis protein (PP), hydrolyserad vetegluten (HWG) och gliadiner från vete (G). Generellt sett ansågs dessa inledande försök vara positiva då samtliga protein formuleringar genererade pelleterat utsäde som visuellt såg tillfredställande ut (Fig 1). Figur 1. Sockerbetsutsäde som är pelleterat med biobaserat material.

3 Även de inledande försöken gällande groning av fröna vid normala förhållanden och vid delvis ökad vattenhalt visade på tillfredställande resultat liksom hastigheten som fröna grodde vid samt överlevnaden. Tester av styrkan hos pelleten visade dock att den biobaserade pelleteringen ledde till avsevärt mycket lägre styrka hos pelleten i förhållande till den standard pellet som man använder sig av idag. Syngenta önskar en styrka hos pelleten som påminner om den för standarden (Fig 2) och detta uppvisade ingen av de biobaserade formuleringar som testades i de inledande försöken Destr3 Dam3 Undam3 Destr12 Dam12 Undam STANDARD WG 4.5 PP 4.1 HWG 4.7 STANDARD HAND MIXED Figur 2. Resultat från tester av styrka hos standard pelleterat utsäde och biobaserad pelleterat utsäde. Generellt sett ansågs dock detta inledande försök som mycket positivt då vi erhöll pelleterat utsäde och med bra groning och överlevnad hos utsädet, vilket inte alla tidigare test pelleteringar har resulterat i. Hur ska formuleringar som bygger på växtproteiner se ut för att generera jämförbar kvalitet med dagens formuleringar? För att försöka framställa biobaserade formuleringar för utsädespelletering av jämförbar kvalitet med dagens formuleringar gjordes i huvudsak två försök. I det första försöket utgick vi från de proteinformuleringar som vi utvärderat i det inledande försöket och utvärderade hur olika proteinkoncentrationer i pelleten påverkade styrkan hos pelleten. Därefter gjorde vi ytterligare ett försök där vi utvärderade hur en kombination av biobaserad formulering med standard formulering påverkade styrkan hos pelleten. Resultaten från dessa försök visade att styrkan hos pelleten inte påverkades i positiv bemärkelse av förändringar i proteinkoncentration i pelleten, dvs vi lyckades inte få fram någon pellet med tillfredställande styrka oavsett vilken av de fyra ursprungliga protein formuleringarna vi använde och inte heller beroende på vilken koncentration av protein vi använde oss av (Fig 3).

4 100 Destr3 90 Dam3 80 Undam3 70 Destr Dam12 40 Undam Figur 3. Resultat av utvärdering av olika proteinformuleringar i olika koncentrationer för styrka hos pellet av sockerbetsutsäde pelleterat med biobaserade formuleringar. Resultaten från försöken där de biobaserade formuleringarna blandades med standard formuleringen visade på viss möjlighet att uppnå liknande pellet styrka med dessa kombinationer som med standard formuleringen bara. Dem bästa formuleringen av dessa försök bestod av 5% WG och 2% standard formulering i pelletten (Fig 4) Destr3 Dam3 Undam3 Destr12 Dam12 Undam12 Figur 4. Resultat av utvärdering av kombinationer av proteinformuleringar med standardformuleringar gällande styrkan hos pelleten. Resultaten visade alltså tydligt att de biobaserade formuleringarna behöver kombineras med standard formuleringar för att tillfredställande styrka ska erhållas hos pelleten. Bara biobaserade formuleringar av den typ som vi utvärderat visade samtliga på för låg styrka i pelleten för att dessa ska kunna användas i kommerciellt syfte. Inverkan på groning och tidig tillväxt hos utsädet från olika formuleringar Utvärderingen av olika koncentrationer av de proteinformuleringar som nämnts ovan visade i huvudsak på en bra groning och tidig tillväxt hos sockerbetsutsädet. Vid de högsta koncentrationerna av gliadiner (12%) kunde svarta rotspetsar noteras. Bra groning och tidig

5 tillväxt kunde också noteras för samtliga kombinationer av biobaserade formuleringar med standard formuleringar. Utöver analyserna av groning och tidig tillväxt hos utsädet (4 och 7 dagar) gjordes två växthusförsök för att undersöka hur tillväxten och plantutvecklingen hos sockerbetor som blivit pelleterade med biobaserade utsädespelleterings formuleringar. I det första av dessa försök pelleterades utsädet med de ovan angivna formuleringarna. Detta växthusförsök gav mycket intressanta resultat som påvisade en ökad och annorlunda tillväxt (på olika sätt) hos utsädet som pelleterats med PP, HWG och G. Exempel på olikheter i tillväxt från försök 1 visas i fig 5). Därför upprepades detta försök en gång till och liknande men inte alls lika tydliga resultat erhölls. Därför gjordes ytterligare ett försök med olika biobaserade pelleteringar och i detta försök togs dels nya modifierade versioner av de biobaserade formuleringarna fram. Samtliga byggde på de ovan angivna proteinbaserna men proteinerna modifierades på olika sätt och dessutom kombinerades dessa formuleringar med standard formuleringen för att få tillräcklig styrka på pelletarna. Tillväxten och utvecklingen av plantorna påverkades av dessa olika kombinationer på olika sätt. Generellt kan sägas at vi fick intressanta och i flera fall på olika sätt positiva resultat. Resultaten indikerar att biobaserad utsädespelletering skulle kunna användas för att påverka tillväxthastighet och utveckling hos sockerbetor men fortfarande är det oklart hur och på vilket sätt. Ytterligare undersökningar krävs för en bättre förståelse av dessa processer innan biobaserad utsädespelletering kan användas i kommerciellt syfte.

6 Figure 5. Rottillväxt i sockerbeta pelleterad med biobaserad formulering och med standard formulering. SAMMANFATTNING Visuellt tillfredställande pelletar erhölls vid biobaserad utsädespelletering av sockerbetsutsäde. Enbart biobaserade formuleringar genererade inte tillräcklig styrka hos pelleten utan en kombination av de biobaserade formuleringarna och standard formuleringarna krävdes för tillräcklig styrka hos pelleten. Enbart biobaserade formuleringar eller en kombination av formuleringarna resulterade i tillfredställande tidig tillväxt och utveckling av den unga sockerbetsplantan. De biobaserade formuleringarna, både i sig själva och i kombination med standardformuleringen verkade påverka plantans utveckling och tillväxt vid växthusförsök på ett intressant och positivt sätt vilket leder till ett behov av fortsatta undersökningar för att förstå formuleringarnas inverkan på plantans fysiologiska utveckling. BUDGET OCH KOSTNADER Totala kostnaden för projektet beräknades till kr, där Syngenta Förväntades bidra med halva kostanden i form av arbetsinsats när de dels pelleterar utsäde och dels utvärderar resultaten av pelleteringen. Halva kostnaden förväntades bestå av kostnader på SLU förknippade med framtagandet och utvärderingen av de biobaserade formuleringarna som testas vid pelleteringen. Kostnader inom projektet Lön Bill Newson, SLU, 8% 2 år, för framtagning av formuleringar, analyser av proteiner, möten, planering, diskussion etc = kr

7 Lön Faiza Rasheed, SLU, 5% 0,5 år, för deltagande i möten, analyser av proteiner etc = kr Lön Ramune Kuktaite, SLU, 3% 2 år, för deltagande i möten, analyser, planering, diskussioner etc = kr Lön Eva Johansson, SLU, 2% 2 år, för deltagande i möten, planering, diskussioner etc = kr Kemikalier och labutrustning för framtagande av olika formuleringar = kr SUMMA för SLU = kr Kostnader på Syngenta för pelletering av utsäde samt analyser av pelletstyrka och utsädesutveckling = kr De erhållna medlen är alltså förbrukade REFERENSER 1. Gällstedt M, Matozzi A, Johansson E, Hedenqvist MS (2004) Transport and tensile properties of compression-molded wheat gluten films. Biomacromolecules 5: Ullsten NH, Gällstedt M, Johansson E, Gräslund A, Hedenqvist MS (2006) Enlarged processing window of plasticized wheat gluten using salisylic acid. Biomacromolecules 7: Olabarrieta, I., Cho, S-W., Gällstedt, M., Sarasua, J.R., Johansson, E., Hedenqvist, M.S. (2006) Aging properties of films of plasticized vital wheat gluten cast from acidic and basic solutions. Biomacromolecules 7: Ullsten NH, Gällstedt M, Cho SW, Spencer G, Johansson E, Hedenqvist MS (2009) Properties of extruded vital wheat gluten sheets with sodium hydroxide and salicylic acid. Biomacromolecules 10: Wretfors C, Cho S-W, Hedenqvist M, Marttila S, Nimmermark S, Johansson E (2009) Use of industrial hemp fibres to reinforce wheat gluten plastics. J Polymer Environ 17: Wretfors C, Cho S-W, Kuktaite R, Hedenqvist MS, Marttila S, Nimmermark S, Johansson E (2010) Effects of fiber blending and diamines on wheat gluten materials reinforced with hemp fiber. J Mater Sci 45: Blomfeldt TOJ, Olsson RT, Menon M, Plackett D, Johansson E, Hedenqvist MS (2010) Novel foams based on freeze-dried renewable vital wheat gluten. Macromol Mater Engineering 295: Cho S-W, Gällstedt M, Johansson E, Hedenqvist MS (2011) Injection-molded nanocomposites and materials based on wheat gluten. Int J Biol Macromol. 48: Kuktaite R, Plivelic TS, Cerenius Y, Hedenqvist MS, Gällstedt M, Marttila S, Ignell R, Popineau Y, Tranquet O, Shewry PR, Johansson E (2011) Structure and morphology of wheat gluten films: from polymeric protein aggregates towards superstructure arrangements. Biomacromol 12: Kuktaite R, Plivelic TS, Türe H, Hedenqvist MS, Gällstedt M, Marttila S, Johansson E (2012) Changes in the hierarchical protein polymer structure: urea and temperature effects on wheat gluten films. RSC Advances 2: Johansson E, Spencer GM, Bettini E, Cho S-W, Marttila S, Kuktaite R, Gällstedt M, Hedenqvist MS (2012) Bio-based materials production from bio-diesel residuals of rapeseed. ISRN Materials Science 2012:ID , 6 pages. Doi: /2012/ Newson WR, Kuktaite R, Hedenqvist MS, Gällstedt M, Johansson E (2013) Oilseed meal based plastics from plasticized, hot pressed Crambe abyssinica and Brassica carinata residuals. J Am Oil Chem Soc. 90: Johansson E, Malik AH, Hussain A, Rasheed F, Newson WR, Plivelic T, Hedenqvist MS, Gällstedt M, Kuktaite R (2013) Wheat gluten polymer structures: The impact of genotype, environment and processing on their functionality in various applications. Cereal Chem. 90:367

8 14. Rombouts I, Lagrain B, Delcour JA, Türe H, Hedenqvist MS, Johansson E, Kuktaite R (2013) Crosslinks in wheat gluten films with hexagonal close-packed protein structures. Ind Crops Prod. (accepted) 15. Ullsten NH, Gällstedt M, Spencer G, Johansson E, Marttila S, Ignell R, Hedenqvist MS (2010) Extruded wheat gluten as a barrier material. Polym from Renew Resourc 1: Blomfeldt TOJ, Kuktaite R, Johansson E, Hedenqvist MS (2011) Mechanical Properties and Network Structure of Wheat Gluten Foams. Biomacromol 12: Blomfeldt TOJ, Nilsson F, Holgate T, Xu J, Johansson E, Hedenqvist M (2012) Thermal conductivity and combustion properties of wheat gluten. ACS Appl Mater Interfaces 4: Blomfeldt T, Kuktaite R, Plivelic TS, Rasheed F, Johansson E, Hedenqvist MS (2012) Novel freeze-dried foams from glutenin- and gliadin-rich fractions. RSC Advances 2: Türe H, Gällstedt M, Johansson E, Hedenqvist M (2013) Wheat-gluten/montmorillonite clay multilayer-coated paperboards with high barrier properties. Ind Crops Prod 51: Nordqvist P, Johansson E, Khabbaz F, Malmström E (2013) Characterization of hydrolyzed or heat treated wheat gluten by SE-HPLC and 13C-NMR: correlation with wood bonding performance. Ind Crops Prod 51:51-61.