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Biology

Analyse de la composition globale de la paroi cellulaire végétale (biomasse lignocellulosique) Partie II: Glucides

Published: March 12, 2010 doi: 10.3791/1837

Summary

La biomasse végétale est une grande neutralité carbone ressource renouvelable qui pourraient être utilisés pour la production de biocarburants. La biomasse végétale est principalement constitué de parois cellulaires, un matériau composite de structure complexe appelée lignocellulosiques. Nous décrivons ici un protocole pour une analyse complète du contenu et la composition des glucides mur dérivés.

Abstract

La nécessité pour les énergies renouvelables, neutres en carbone, et durable des matières premières pour l'industrie et la société est devenue l'une des questions les plus pressantes pour le 21e siècle. Cela a ravivé l'intérêt dans l'utilisation des produits végétaux comme matières premières industrielles pour la production de carburants liquides pour les transports

Protocol

1. Paroi cellulaire d'isolation

  1. moudre environ 60-70mg d'air ou de gel de matériel végétal séché à 5,5 mm en acier inoxydable boules dans un tube de 2 ml Sarstedt bouchon à vis en utilisant un retschmill (1 min, 25 Hz). Une alternative, l'utilisation d'un meulage à haut débit et la distribution de robots appelés iWall est décrite dans la Partie I 3.
  2. retirer les billes d'acier avant de poursuivre la procédure d'isolement de la paroi cellulaire
    Le protocole détaillé de la préparation du matériau de paroi cellulaire est indiqué dans la Partie I 3. Pour être complet ici les étapes écrites du protocole.
  3. ajoutez 1,5 ml d'éthanol aqueux à 70%, et le vortex soigneusement
  4. centrifuger à 10000 rpm pendant 10 min pour sédimenter le résidu insoluble dans l'alcool
  5. Aspirer ou décanter le surnageant
  6. ajouter 1,5 ml de solution de chloroforme / méthanol (1:1 v / v) au résidu et secouer le tube soigneusement de remettre en suspension le culot
  7. centrifuger à 10000 rpm pendant 10 min et aspirer ou décanter le surnageant
  8. Resuspendre le culot dans 500 ul d'acétone
  9. évaporer le solvant avec un courant d'air à 35 ° C à sec
    Si nécessaire échantillons séchés peuvent être stockés à température ambiante jusqu'au traitement ultérieur.
  10. Pour lancer la suppression de l'amidon de l'échantillon re-suspendre le culot dans 1,5 ml d'une 5,0 à 0,1 M d'acétate de sodium tampon de pH.
  11. Boucher les tubes Sarstedt et de la chaleur pendant 20 min. à 80 ° C dans un bloc de chauffage.
  12. refroidir la suspension sur la glace
  13. ajouter les agents suivants au culot: 35 pl d'azide de sodium 0,01% (NaN 3), 35 Amylase ul (50 μg/1mL H 2 O; à partir d'espèces de Bacillus, SIGMA), 17 pullulanase ul (18,7 unités provenant du Bacillus acidopullulyticus; SIGMA) . Boucher le tube et le vortex soigneusement.
  14. La suspension est incubée pendant la nuit à 37 ° C dans le shaker. Orienter les tubes horizontalement aides meilleur mélange.
  15. suspension de la chaleur à 100 ° C pendant 10 min dans un bloc de chauffage à mettre fin à la digestion.
  16. centrifugeuse (10 000 rpm, 10 min) et éliminer le surnageant contenant de l'amidon solubilisé
  17. laver le culot restant à trois reprises en ajoutant 1,5 ml d'eau, vortex, centriguation, et la décantation des eaux de lavage.
  18. Resuspendre le culot dans 500 ul d'acétone
  19. évaporer le solvant avec un courant d'air à 35 ° C jusqu'à sec. Il peut être nécessaire aussi de briser la matière dans le tube avec une spatule pour un meilleur séchage.
    La matière sèche présente paroi cellulaire isolée (lignocellulosiques). Si nécessaire échantillons séchés peuvent être stockés à température ambiante jusqu'au traitement ultérieur.

2. Composition de la matrice de polysaccharides

Cette méthode est essentiellement une modification de la méthode publiée par Albersheim 1.

  1. Pour déterminer la composition en monosaccharides du matériau du mur pèsent de 2 mg de matériau de paroi cellulaire dans des tubes de 2ml Starstedt à la main ou dans un mode utilisant la highthroughput iWall, un robot robotique de broyage et de pesage.
  2. Ajouter 20 uL d'une solution d'inositol (5mg/ml) comme standard interne. Pour un échantillon de 2 mg paroi cellulaire, nous recommandons d'ajouter 100 ug.
  3. rincez parois du tube avec 250 ul d'acétone pour recueillir le matériau du mur de cellules sur le fond du tube et évaporer l'acétone très doux sous flux d'air.
  4. Pour l'hydrolyse acide faible ajouter 250 ul d'acide trifluoroacétique 2M (TFA) à chaque échantillon. Ajouter TFA avec soin pour s'assurer qu'aucun matériel est éclaboussé de monter sur les parois du tube.
  5. Fermer hermétiquement et laisser incuber pendant 90 min à 121 ° C dans un bloc de chauffage.
  6. refroidir les blocs de chauffage et d'échantillons sur la glace.
  7. centrifuger les tubes à 10000 rpm pendant 10 min.
  8. transférer 100 ul du surnageant acides contenant le polysaccharide matrice dérivée monosaccharide à une flacons en verre bouchon à vis en veillant à ne pas déranger le matériel de granules. Le culot peut être utilisé pour le dosage de la cellulose cristalline ci-dessous (voir 3.)
  9. l'évaporation de l'AGT dans le tube de verre sous un léger courant d'air dans un dispositif d'évaporation.
  10. Ajouter 300 pl 2-propanol, vortex et s'évapore à 25 ° C (répéter pour un total de trois fois)
  11. La première étape de la procédure de dérivatisation acétate d'alditol est de réaliser une réduction des monosaccharides à leur alditols correspondants. A cet effet, ajouter 200 ul d'une solution de borohydrure de sodium pour chaque échantillon séché. Préparer une solution fraîche chaque fois en utilisant 10 mg de borohydrure de sodium par 1 ml d'hydroxyde d'ammonium 1M.
  12. laissez flacon en verre à température ambiante pendant 1,5 heures
  13. neutraliser la solution par addition de 150 ul d'acide acétique glacial
  14. vortex et s'évapore à 25 ° C.
  15. Ajouter 250 pi de vortex acide acétique / méthanol (1:9, v / v) et évaporer à 25 ˚ C
  16. Ajouter 250 ul de méthanol, et évaporer sous flux d'air (répéter pour un total de trois fois)
  17. Pour l'acétylation des alditols, ajouter 50 ul d'anhydride acétique et 50 pi de pyridine, vortex et incuber pendant 20 min à 121 ° C dans un bloc de chauffage.
  18. les échantillons au frais dans le bloc vers le bas avec de la glace tout en attente pour diminuer température à la température ambiante environ.
  19. évaporer l'réactifs sous un léger courant d'air à température ambiante. Soyez prudent: les acétates d'alditols sont très volatils.
  20. Ajouter 200 pi de toluène et évaporer sous air (x3)
  21. Dans les étapes finales des acétates d'alditols sont extraites. D'abord, ajouter 500 ul d'acétate d'éthyle et agiter légèrement.
  22. ajouter 2 ml d'eau, des tubes à bouchon et le vortex.
  23. Centrifuger les tubes à 2000 rpm pendant 5 min pour obtenir claires couches distinctes (acétate d'éthyle sur le dessus, de l'eau sur le fond)
  24. pipette 50 ul de la couche d'acétate d'éthyle en GC / MS flacons avec des inserts.
  25. diluer en ajoutant 100 ul d'acétone pour le GC-flacon et le bouchon. Le volume d'échantillon et les volumes de dilution peut être ajusté pour éviter de surcharger le GC / MS si la concentration de l'échantillon est trop élevé.
    Le GC-flacon peut être conservé à 4 ° C, si l'analyse par GC / MS n'a pas de procéder immédiatement
  26. Les échantillons sont injectés dans un GC qui est équipé d'un MS quadripolaire, mais un détecteur à ionisation de flamme est également approprié. Une Supelco SP-2380 (30mm x 0.25mm x 0,25 um d'épaisseur du film) colonne est utilisée avec un retard 4min solvant et un débit de 1.5ml/min. Échantillons injectés sont soumis au programme de température suivant: maintenir initiale à 160 ° C pendant 2 min, un 20 ° C / min rampe à 200 ° C et maintenir pendant 5 min, une rampe de 20 ° C min / à 245 ° C et maintenir 12 min; pic à 270 ° C et maintenir pendant 5 min avant de refroidir à la température initiale de 160 ° C 2,26) Peaks sont identifiées par les profils de masse et / ou temps de rétention des normes.. Les monosaccharides sont quantifiés en fonction des courbes standard.

3. Teneur en cellulose cristalline

Cette méthode est essentiellement décrite par Updegraf 8. Il ya un certain nombre de matériaux de départ pour cette procédure: Isolé matériau de paroi cellulaire (voir 1) ou matériau du mur qui a déjà été traité avec 2M TFA (voir 2.8) soit le culot restant immédiatement après le traitement à l'acide (voir 2.8) ou un TFA granulés, qui a été lavé avec 2-propanol et séché.

  1. Ajouter à la pastille TFA dans la vis en verre tube bouché 1 ml de réactif Updegraff (Acide acétique: acide nitrique: l'eau, 8:01:02 v / v).
  2. Tube de Cap serré, vortex, et la chaleur dans un bloc chauffant à 100 ° C pendant 30 min. En conséquence de ce traitement que la cellulose cristalline reste insoluble dans le culot.
  3. Refroidir les échantillons dans le bloc sur la glace à la température ambiante ou froide
  4. Centrifuger les échantillons à 10000 rpm pendant 15 min
  5. Rejeter le surnageant veillant à ce que le culot n'est pas perturbé et aucun matériau de la pastille est enlevée. A cet effet, laisser environ. 150 ul de surnageant dans le tube.
  6. ajoutez 1,5 ml d'eau, agitez, centrifugeuse, et éliminer le surnageant comme ci-dessus
  7. répétez la procédure de lavage 3 fois supplémentaires en utilisant 1,5 ml d'acétone
  8. Air culot sec très doucement avec de l'air, ou laisser sécher sur le banc durant la nuit
  9. le culot (cellulose cristalline) est maintenant complètement hydrolysé en glucose par ce qu'on appelle une hydrolyse Saeman. A cet effet, ajouter 175 ul d'acide sulfurique 72% dans le tube Sarstedt
  10. incuber à température ambiante pendant 30 min, vortex et incuber pendant 15 min
  11. Ajouter 825 ul d'eau et des tourbillons
  12. centrifuger les échantillons à 10000 rpm pendant 5 min. Il pourrait y avoir matière brune insolubles, la lignine, restant dans le tube.
  13. La teneur en glucose du surnageant est dosé en utilisant le dosage colorimétrique anthrone. Ce dosage est effectué dans une plaque de polystyrène 96 puits de microtitration.
  14. Pour la courbe standard utilisent un stock de glucose 1mg/ml (stocké à 0 ° C) et de créer dupliquer 0, 2, 4, 6, 8 et 10 ug par pipetage normes 0, 2, 4, 6, 8, et 10 ul dans le puits approprié séparé. Remplir chaque ul ainsi jusqu'à 100 à l'eau.
  15. Ajouter 10 ul de chaque échantillon et surnageant 90 ml d'eau dans des cellules séparées mais sur la plaque de microtitration même que la norme.
  16. Ajouter 200 ul de réactif Anthrone fraîchement préparé (Anthrone dissous dans l'acide sulfurique concentré, 2 mg anthrone / ml d'acide sulfurique)
  17. de chaleur à plaques pendant 30 min à 80 ° C dans un four (dissipateur thermique en aluminium). Échantillons contenant du glucose détourner de jaune en bleu-vert.
  18. laissez la plaque refroidir à température ambiante et agiter vigoureusement.
  19. Lire l'absorption de la plaque à 625 mm en utilisant un lecteur de microplaque.
  20. Le glucose (et donc la teneur en cellulose cristalline) est calculé en fonction de l'absorbance par rapport à la courbe standard établie sur la même plaque.

4. Les résultats représentatifs

Un exemple d'une analyse de mur est présenté dans la Figure 2. Dans ce cas, le peuplier tige (bois) a été analysée par les différentes procédures décrites dans la section du protocole. La matrice de POla composition lysaccharide est soulignée par un chromatogramme par exemple identifier le sucre présent dans les typiques parois des cellules végétales, le fucose, le rhamnose, le xylose, l'arabinose, le galactose, le mannose et le glucose (et l'inositol standard interne). La principale composante hémicellulosiques de peuplier est xylane comme en témoigne le contenu du xylose élevé. Toutefois, l'abondance de ces sucres peuvent varier en fonction de la matière première used4. Le glucose dans cette analyse est dérivé de la xyloglucane hémicellulose et la cellulose amorphe. Grâce à l'analyse des données peut être présenté comme mol% ou matériau du mur ug / mg (ou poids sec). Le contenu de la cellulose cristalline est auto-explicatif, on peut s'attendre à des valeurs comprises entre 20-50% de la muraille du poids sec. Sur la base des résultats présentés ici et dans la composition I3 partie lignocellulosique en bois de peuplier est de 21% de lignine, hémicelluloses 30% et 41% de cellulose cristalline. Le reste serait en cendres.

Figure 1
Figure 1:. Parois cellulaires Aperçu de l'analyse lignocellulosique (lignocellulosiques) sont isolées de matières végétales brutes séchées. Le matériau du mur est alors pondérée en aliquots et subdivisé pour les dosages différents. Composition de polysaccharide Matrix est établi après le traitement de la matière du mur avec un acide faible (2M TFA), dérivatisation les monosaccharides résultant solubilisé à leurs acétates d'alditols, et l'analyse par GC-MS. Le résidu du traitement acide faible est lavé avec le réactif Updegraff dits ne laissant que la cellulose crystlline insolubles derrière. La cellulose est solubilisée par l'acide sulfurique et quantifiée par un dosage colorimétrique pour déterminer la teneur en glucose. En parallèle, le contenu et la composition de la lignine peut être déterminée comme décrit dans la Partie I 3.

Figure 2
Figure 2:. Copeaux de bois complète l'analyse lignocellulosiques à partir du bois de peuplier (Populus tremoloides) ont été soumis au protocole décrit.
En haut à gauche: la composition de polysaccharide matrice; Fuc fucose; Rha rhamnose; Ara arabinose; Xyl xylose; Homme mannose; Gal galactose, glucose Glc; inositol standard interne.

Discussion

Les méthodes décrites permettent une évaluation quantitative rapide de la composition de la biomasse végétale lignocellulosique. La méthode permet la détermination de la composition des matériaux tels le sucre, y compris la composition des polysaccharides matrice de savoir les hémicelluloses, la teneur en cellulose cristalline. Le débit des différentes méthodes analytiques par personne varie. En utilisant les protocoles décrits ici, 20 échantillons peuvent être traités pour des compositions de polysaccharides de la matrice et 30 pour le contenu de la cellulose cristalline. En raison de la nature quantitative des récoltes de données optimale les matières premières, de la variété ou des génotypes peut être évaluée en fonction de leur aptitude à la production de biocarburants.

Acknowledgments

Nous sommes reconnaissants à Matthieu Robert Weatherhead pour un excellent service technique et John Ralph, Université du Wisconsin pour de précieux conseils, discussions, et l'échantillon de bois de peuplier. Ce travail a été financé par les sciences chimiques, sciences de la terre et les sciences biologiques, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, Bureau de la science, US Department of Energy (prix non. DE-FG02-91ER20021) et par le US Department of Energy (DOE) des Grands Lacs Bioenergy Research Center (DOE BER Bureau de la science-DE-FC02 07ER64494).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Trifluoroacetic acid Sigma-Aldrich T6508
myo-Inositol Sigma-Aldrich I5125
Sodium Borohydride Sigma-Aldrich 213462
Pyridine JT Baker 3348-01
Acetic Anhydride Sigma-Aldrich 320102
Spectromax Plus 384 Molecular Devices Plus384
GC-MS Agilent Technologies 7890A GC/5975C MSD
5.5mm Stainless Steel Balls Salem Ball Company (N/A)
96 well plate heat spreader Biocision Coolsink 96F
Retsch Mill Qiagen TissueLyser II
Heating block Techne Dri-block DB-3D
Sample concentrator Techne FSC400D

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References

  1. Albersheim, P. A method for the analysis of sugars in plant cell wall polysaccharides by gas-liquid chromatography. Carbohydr. Res. 5, 340-340 (1967).
  2. Carroll, A., Somerville, C. Cellulosic Biofuels. Annu Rev Plant Biol. 60, 165-165 (2009).
  3. Foster, C. E., Martin, T., Pauly, M. Comprehensive compositional analysis of Plant Cell Walls (Lignocellulosic biomass), Part I: Lignin. Journal of Visualized Experiments. , (2010).
  4. Pauly, M., Keegstra, K. Cell-wall carbohydrates and their modification as a resource for biofuels. Plant J. 54 (4), 559-559 (2008).
  5. Somerville, C. Toward a systems approach to understanding plant-cell walls. Science. 306 (5705), 2206-2206 (2004).
  6. Teeri, T. T., Brumer, H. Discovery, characterisation and applications of enzymes from the wood-forming tissues of poplar: Glycosyl transferases and xyloglucan endotransglycosylases. Biocatalysis and Biotransformation. 21, 173-173 (2003).
  7. UPDEGRAF, D. M. SEMIMICRO DETERMINATION OF CELLULOSE IN BIOLOGICAL MATERIALS. Anal. Biochem. 32 (3), 420-420 (1969).

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Biologie végétale numéro 37 les parois cellulaires polysaccharides cellulose hémicellulose composition en sucres GC-MS
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Foster, C. E., Martin, T. M., Pauly, More

Foster, C. E., Martin, T. M., Pauly, M. Comprehensive Compositional Analysis of Plant Cell Walls (Lignocellulosic biomass) Part II: Carbohydrates. J. Vis. Exp. (37), e1837, doi:10.3791/1837 (2010).

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