نقدم هنا، وضع بروتوكول لتنفيذ استخراج الإيثانول من اللجنين من عدة مصادر الكتلة الأحيائية. يتم عرض تأثير شروط استخراج العائد اللجنين ومحتوى β-س-4. ديبوليميريزيشن انتقائية تتم على ليجنينس التي تم الحصول عليها للحصول على منتجات عالية مونومر العطرية.
اللجنين تثمين استراتيجيات عامل رئيسي لتحقيق تنافسية أكثر اقتصاديا بيوريفينيريس استناداً إلى الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه. معظم الإجراءات أنيقة الناشئة للحصول على المنتجات العطرية محددة تعتمد على الركيزة اللجنين على محتوى عال الربط β-س-4 كليفابل سهولة كالموجودة في هيكل اللجنين الأصلية. وهذا يوفر مباراة ملكة جمال lignins التقنية النموذجية التي هي متدهورة جداً وبالتالي انخفاض في روابط β-س-4. ولذلك، غلة الاستخراج، ونوعية اللجنين التي تم الحصول عليها ذات أهمية قصوى للوصول إلى مسارات جديدة في تثمين اللجنين. ويرد في هذه المخطوطة، بروتوكول بسيط للحصول على ليجنينس مع المحتوى العالي من β-س-4 باستخراج الإيثانول معتدل نسبيا التي يمكن تطبيقها على مصادر السليلوز مختلفة. وعلاوة على ذلك، يتم عرض إجراءات التحليل لتحديد نوعية lignins جنبا إلى جنب مع بروتوكول ديبوليميريزيشن غلة محددة الفينولية 2-أريلميثيل-1، 3-ديوكسولانيس، التي يمكن استخدامها لتقييم ليجنينس التي تم الحصول عليها. تدل نتائج عرض الارتباط بين اللجنين جودة وإمكانية ليجنينس أن ديبوليميريزيد إلى المواد الكيميائية العطرية أحادي محدد. وعموما، استخراج وديبوليميريزيشن يوضح مفاضلة بين الغلة استخراج اللجنين والاحتفاظ بهيكل الاثير أريل الأصلي ومن ثم إمكانيات اللجنين لاستخدامها كالركيزة لإنتاج المواد الكيميائية تطبيقات ذات قيمة أعلى.
للصناعة الكيميائية لتصبح مستدامة، ينبغي أن تستخدم المواد الخام المتجددة مثل الكتلة الحيوية الليجنوسليولوزيه كبديل للحالية الأحفوري المهيمنة منها1. ومع ذلك، جعل استخدام هذه المواد الخام قابلة للحياة اقتصاديا، ينبغي التماس تطبيقات عالية القيمة لكافة محتوياته. يمكن أن تحتوي الكتلة الأحيائية الليجنوسليولوزيه حوالي 30% wt من اللجنين هو بيوبوليمير عطرية التي حاليا سوى عدد قليل من الطلبات قد وضعت بعد استخدامه كوقود منخفضة القيمة2. ولذلك، المنهجية تجاه احتمال زيادة قيمة المكونات العطرية ذات الأهمية الرئيسية لضمان نجاح بيوريفينيريس المستقبل.
البحوث التي أجريت مؤخرا قد ركزت تركيزاً شديدا على تطوير منهجيات جديدة للانقسام الانتقائي للربط β-س-4 الأكثر وفرة (الشكل 1a) في اللجنين للحصول على مونومرات العطرية، وعادة الفينولية، محددة3،4 ،،من56. على سبيل المثال، تطبيق الأحماض بين 80 إلى 180 درجة مئوية مئوية فعالة جداً في ناهضة الربط β-س-4 تشكيل ألدهيد وشظايا كيتون7،8. لدينا مجموعات وغيرها أظهرت مؤخرا أن أسيدوليسيس جنبا إلى جنب مع المنهجيات لتحقيق الاستقرار وشظايا رد الفعل مصيدة قوية جداً للحصول على مونومرات الفينولية مع زخارف كيميائية محددة9،10 , 11 , 12-هذه، لا سيما تعويض أسيتال الألدهيدات المتفاعلة مع الكحول للحصول على الفينولية 2-أريلميثيل-1، 3-ديوكسولانيس (أسيتالس) أثبتت قوية بسبب تطبيقه بسيطة نسبيا والإبقاء على طبيعة شديدة فونكتيوناليزيد 13،اللجنين مونومرات (الشكل 1b)14. يتم الحصول على هذه أسيتالس من ديبوليميريزيشن في نسبة تتعلق بتوزيع H، مونومرات ز وق الموجودة في المواد الخام اللجنين الأصل.
حفزت حمض ديبوليميريزيشن، مثل العديد من المنهجيات الأكثر أناقة نمواً معتدلاً نسبيا ولم تهزم أقوى ج-ج السندات التي تحدث في اللجنين15. ومع ذلك، سندات ج-ج تصبح وفيرة خاصة عندما يتم تطبيق شروط تجزئة السليلوز قاسية بسبب تكثيف شظايا رد الفعل صدر من الانقسام أضعف ج-O سندات16،17. فقدان المحتوى β-س-4 من الكتلة الحيوية طريقة معالجة يظهر بوضوح من خلال تحليل مجموعة من التقنية ليجنينس، التي كانت تظهر فقط الاحتفاظ بالروابط β-س-4 يصل إلى 6 كل وحدات العطرية 10018، بينما في السليلوز تتراوح هذه الأرقام من 45 إلى 90 الروابط كل 100 وحدة العطرية تبعاً لمصدر16. فيما يتعلق بشروط استخراج أكثر اعتدالا، يمكن الحصول على ليجنينس مع توزيعات الربط التي تعكس على نحو أفضل اللجنين الطبيعية. ومع ذلك، وهذا يتطلب مفاضلة بين كفاءة الاستخراج ونوعية المواد اللجنين حصل على17. وهذا أيضا له الأسبقية في استخراج أورجانوسولف من اللجنين، وأسلوب شعبية يجزئ اللجنين. العديد من الاختلافات لهذا توجد عملية، مع أساليب توظيف محتوى حمض ودرجات حرارة مختلفة وأوقات استخراج المذيبات. هنا، شدة استخراج أثرا مباشرا على هيكل اللجنين التي تم الحصول عليها، ومن ثم صلاحيتها لمزيد تثمين19،،من2021. على سبيل المثال، قد اللجنين أورجانوسولف إنتاج الإيثانول على أساس عملية السيل، وتعمل لمدة 5 سنوات في نطاق المظاهرة، كمية منخفضة نسبيا من الروابط β-س-4 اليسار كما كان يعمل في درجة حرارة عالية نسبيا لضمان كفاءة ديليجنيفيكيشن في الترتيب للحصول على جودة عالية الكربوهيدرات لإنتاج الإيثانول. ومع ذلك، المذيبات بيولوجي مع القليل من الأثر البيئي مثل الإيثانول المفضل وهكذا أساليب الاستخراج التي تنتج في ليجنينس ذات قيمة أعلى للفائدة. المذيبات الكحولية ذات أهمية خاصة كما هو الحال بالإضافة إلى كونه وسيلة استخراج أنها تتضمن أيضا في هيكل اللجنين، على سبيل المثال، β ‘-O-4 (الشكل 1a)22، جزئيا”تحمي” الهيكل من غير مرغوب فيها الانقسام. يحتمل أن تكون سيكون طريقة مناسبة أولاً للحصول على اللجنين ذات محتوى المرتفع من β-س-4 وفي خطوة متسلسلة لإزالة ما تبقى اللجنين للوصول السيلولوز عالية القيمة.
في هذه المخطوطة، يصف لنا إجراء مستقيمة واستنساخه بدرجة عالية لاستخراج عالية β-س-4 اللجنين باستخراج الإيثانول معتدل. تبعاً لمصدر طاقة الكتلة الأحيائية، وهذا يؤدي إلى كفاءة الاستخراج مرتفعة نسبيا والعائد. وترد الإجراءات المتعلقة بتوصيف اللجنين التي تم الحصول عليها فضلا عن كيفية “ديبروتيكت” β اثيريفيد ‘-O-420. بالإضافة إلى ذلك، يرد على إجراء تقييم لإمكانيات هذه lignins في إجراءات انتقائية ديبوليميريزيشن التي تعتمد على الانقسام الانتقائي للروابط β-س-4. يتم تنفيذ هذا التقييم باستخدام ديبوليميريزيشن تشجعهن تريفلات الحديد الثلاثي حضور جليكول للحصول على 2-أريلميثيل-1، 3-ديوكسولانيس الفينولية23 مما يدل على الارتباط بين محتوى β-س-4 في مادة اللجنين و غلة مونومر21. وتبين النتائج بالتوازن بين كفاءة الاستخراج اللجنين عالية وإمكانات اللجنين التي تم الحصول عليها لأن ديبوليميريزيد إلى مونومرات العطرية محددة.
وتكشف النتائج المستخرجة في ظروف مختلفة ومن مصادر مختلفة من الكتلة الحيوية كيف الظروف المثلى لاستخراج اللجنين ذات محتوى مرتفع نسبيا من الروابط β-س-4 يمكن أن تختلف تبعاً للمصدر. على سبيل المثال، استخراج الجوز في أقسى الظروف (الأسلوب ب) يوفر زيادة بنسبة ثلاثة إضعاف في الغلة مع احتفاظ قريب بمقدار β-س-4 وحدات، بينما الزان والأرز يزيد الغلة لكن هو مصحوبا بانخفاض كبير في كمية β-س-4 وحدات. من ناحية أخرى، للصنوبر، أقسى ظروف استخراج فائدة قليلة جداً في الغلة، ويؤدي أيضا إلى اللجنين مع كمية قليلة جداً من β-س-4 وحدات. وهذا يعني أن عادة شكلاً من أشكال التحسين يجب أن تكون المشاركة الحصول على التوازن الصحيح بين الغلة اللجنين والنوعية في شكل الاحتفاظ بمبلغ β-س-4 وحدات في مادة اللجنين التي تم الحصول عليها.
الزيادة الكبيرة في مث مادة اللجنين التي تم الحصول عليها من أقسى ظروف استخراج يوضح أنه في ظل هذه الظروف الشظايا الكبيرة يمكن استخراجها توفير مردود أعلى. ومع ذلك، في هذه الظروف، تجزئة إضافية يحدث، توفير مواد إضافية بانخفاض الوزن الجزيئي، ومما يزيد في بوليديسبيرسيتي كما يمكن رؤيتها بوضوح في الرسوم البيانية من الجوز (الشكل 5a) والأرز (الشكل 5 د) المؤتمر الشعبي العام في شكل الإشارة في دا ~ 500.
هسقك الرنين المغناطيسي النووي أداة إعلامية هامة تقديم بيانات مقارنة عن نوعية ليجنينس مختلفة. تجدر الإشارة إلى أن في هذا الإجراء هو إجراء تجربة هسقك قياسية، هذا شيء عظيم للحصول على بيانات مقارنة لكن ليست بالضرورة الكمية نظراً للاختلافات في أوقات الاسترخاء. يتم المبالغة في تقدير كمية عالية من الروابط المعروضة لبعض ليجنينس في الجدول 1 . الكمية هسقك تجارب توفير نتائج أفضل ولكن التكلفة إلى حد كبير المزيد من الوقت الرنين المغناطيسي، على الرغم من وجود بدائل29. في تجربتنا، ينبغي تقسيم الأرقام في الجدول 1 بمقدار 1.3 تعكس على نحو أفضل المبلغ الفعلي للوحدات β-س-4 لكل 100 وحدة العطرية.
كما ذكر آنفا، تشير النتائج المبلغ عنها إلى كيفية إيجاد الظروف المثلى يمكن أن تختلف تبعاً للمصدر بغية الحصول على غلة مونومر الحد الأقصى. على سبيل المثال، عندما يتم استخدام الجوز كمواد البدء، أسيتالس إجمالي العائد الزيادات حوالي مرتين إذا كانت ظروف أقسى (الأسلوب ب) تستخدم لاستخراج اللجنين. ولكن هذا يرجع أساسا إلى الاختلاف الكبير في اللجنين استخراج العائد، دون التأثير على محتوى β-س-4. بشكل مختلف، عندما يستخدم الصنوبر شروط استخراج أكثر اعتدالا (الأسلوب A) الأفضل. وفي الواقع، اللجنين استخراج النتائج في غلة مشابهة جداً في حالتين ولكن ظروف أقسى يتسبب ذلك في انخفاض β-س-4 وحدات (خاصة غير اثيريفيد β-س-4 روابط) التي يمكن أن تكون السبب في هذا محصول مونومر منخفضة، كما هو مبين في الفقرة السابقة. ويمكن ملاحظة خسارة كبيرة للروابط غير اثيريفيد β-س-4 كذلك في حالات الزان والأرز إذا طبقت شروط (أسلوب B) لاستخراج الأمر الذي ربما يؤدي إلى انخفاض عائد مونومرات. ومع ذلك، العائد أسيتال عموما لا تختلف كثيرا تبعاً لظروف استخراج. في الواقع، هو ملاحظة زيادة شقين تقريبي في اللجنين استخراج العائد لكل مصادر الكتلة الحيوية التحول من أساليب أ ب الذي يعوض عن انخفاض الغلة مونومر تقريبا من شقين.
The authors have nothing to disclose.
ومولت الأعمال الاتحاد الأوروبي (ماري كوري ITN ‘سوبيكات’ بيتن-GA-2013-607044، وحزب العدالة والتنمية، وكيلو بايت وججدف)، بالإضافة إلى الدعم المالي من “مجلس البحوث الأوروبية”، منسق الإغاثة الطارئة في منحة ابتداء من عام 2015 (كاتاسوس) 638076 (إعلانات وكيلو بايت)، وبرنامج البحوث المواهب مخطط (على) مع رقم المشروع 723.015.005 (كيلو بايت)، الذي يمول جزئيا من “منظمة هولندا” للبحث العلمي (NWO).
Materials | |||
Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
Walnut shells | |||
Pine wood | |||
Cedar wood | |||
Beech wood | |||
Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
Water | Demi water from the internal supply | ||
1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
Autosampler vial crimper | |||
Oil bath | |||
Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
Heating block-4 positions | IKA | ||
Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
Equipment | |||
Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
Hammer mill | Brabender | ||
Micro Hammer mill | Brabender | ||
Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
Rotary evaporator | IKA | ||
250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
GC-FID | Shimadzu | ||
BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
20 ml microwave vials | ??? | ||
Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
SB2 rotator | Stuart | ||
Vortex | Wilten | ||
Processing Software | |||
WinGPC Unichrom | |||
MestReNova |