여기, 우리는 여러 바이오 매스 소스 로부터 리그 닌의 에탄올 추출 수행 하는 프로토콜을 제시. 리그 닌 수율 및 β-O-4 콘텐츠 추출 조건의 효과 표시 됩니다. 선택적인 depolymerization 높은 방향족 모노 머 제품을 얻은 lignins에 수행 됩니다.
리그 닌 어 전략 lignocellulosic 바이오 매스에 따라 경제적으로 경쟁 biorefineries 달성 하기 위한 핵심 요소 이다. 특정 아로마 제품을 신흥 우아한 절차의 대부분으로 네이티브 리그 닌 구조에 쉽게 쪼갤 β-O-4 결합의 높은 콘텐츠는 리그 닌 기판에 의존 한다. 이 매우 저하 되 고 따라서 β-O-4 연계에 낮은 전형적인 기술 lignins 미스 매치 제공 한다. 따라서, 획득된 리그 닌의 품질과 추출 수율 매우 중요 새로운 리그 닌 어 경로 액세스할 수 있습니다. 이 원고는 간단한 프로토콜 다른 lignocellulose 원본에 적용할 수 있는 상대적으로 가벼운 에탄올 추출 제시한 lignins 높은 β-O-4 콘텐츠를. 또한, 분석 절차는 lignins의 품질을 결정 하는 특정 페 놀 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes, 획득된 lignins 평가 하는 데 사용할 수를 생성 하는 depolymerization 프로토콜 함께 제공 됩니다. 제시 결과 리그 닌 품질 및 lignins 특정 단위체 향기로운 화학 제품으로 depolymerized에 대 한 가능성 사이의 링크를 보여 줍니다. 전반적으로, 추출 및 depolymerization 절충 한 리그 닌 추출 수율 및 네이티브 aryl 에테르 구조 보존 하 고 따라서 대 한 화학 물질의 생산을 위한 기질으로 사용 하는 리그 닌의 잠재력을 보여줍니다. 값이 더 높은 응용 프로그램입니다.
지속 될 화학 산업에 대 한 현재 지배적인 화석 들1에 안으로 lignocellulosic 바이오 매스 등 재생 재료를 사용 해야 합니다. 그러나, 같은 원료의 사용을 경제적으로 가능한, 고부가가치 응용 프로그램의 모든 내용에 대 한 발견 되어야 한다. Lignocellulosic 바이오 매스는 현재 몇 가지 응용 프로그램만 개발 되었습니다 낮은 값 연료2로 그것의 사용 저쪽 향기로운 biopolymer는 리그 닌의 약 30 wt %를 포함할 수 있습니다. 따라서, 잠재적으로 증가 값 향기로운 구성 요소 향해 방법론 미래 biorefineries의 성공을 보장 하기 위해 주요 관심입니다.
최근 연구를 특정 아로마, 일반적으로 페 놀, 단위체3,4 리그 닌에서 가장 풍부한 β-O-4 링크 (그림 1a)의 선택적 분열에 대 한 새로운 방법론의 개발에 무 겁 게 집중 했다 ,,56. 예를 들어 180 ° C에 80 ° C 사이 산의 응용 프로그램 알데하이드를 형성 하는 β-O-4 결합을 고착에 매우 효과적 이며 케 톤 조각7,8. 우리의 그룹 및 다른 최근 보여준 acidolysis 결합 안정화 방법론 및 트랩 반응 파편은 특정 화학 모티브9,10 페 놀 단위체를 매우 강력한 , 11 , 12. 이들의 특히 알콜 페 놀 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes (acetals)를 가진 반응 알 데히드의 아 세 탈 트래핑 입증 강력한 상대 간단한 응용 프로그램 및 높은 기능성된 자연의 보존 리그 닌 단위체 (그림 1b)13,14의. 이 acetals G, S 단위체 상위 리그 닌 원료에 존재는 H의 분포에 관한 비율에 depolymerization에서 얻을 수 있습니다.
산 촉매 depolymerization, 가장 우아한 방법론의 많은 개발, 상대적으로 온화 하 고 리그 닌15에서 발생 하는 더 강한 C C 유대를 쪼개 하지 않습니다 처럼. 그러나, C-C 채권 될 가혹한 lignocellulose 분류 조건 반응 파편 약한 C O 채권16,17의 분열에서 발표의 응축으로 인해 적용 될 때 특히 풍부한. 메서드를 처리 하는 바이오 매스 로부터 β-O-4 콘텐츠 손실 다양 한 기술적 분석에 의해 명확 하 게 증명 됩니다만 100 향기로운 단위18당 최대 6 β-O-4 결합을 유지 하는 것을 보였다, lignins 동안 lignocellulose에서 이러한 숫자 범위 소스16에 따라 아로마 100 단위 당 90 연계에 45. 온화한 추출 조건에 선반, lignins는 더 나은 자연적인 리그 닌을 반영 하는 연계 배포판으로 얻을 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고,이 추출 효율과 획득된 리그 닌 소재17의 질 사이 교환을 요구 한다. 이것 또한 순위가 리그 닌의 organosolv 추출에는 리그 닌 충분치를 인기 있는 방법입니다. 다른 온도, 산 성 콘텐츠, 추출 시간 및 용 매를 사용 하는 방법으로이 프로세스 존재의 많은 유사. 여기, 추출 심각도 획득된 리그 닌 구조와 따라서 더 어19,,2021에 대 한 적합성에 직접적인 충격이 있다. 예를 들어 organosolv 리그 닌 데모 규모, 5 년 동안 운영 기반 에탄올 Alcell 프로세스에 의해 생성 했다 β-O-4 연계에 효율적인 delignification를 보장 하기 위해 상대적으로 높은 온도에서 운영 했다 왼쪽의 상대적으로 낮은 금액 바이오 에탄올 생산을 위한 고품질 탄수화물을 주문. 그럼에도 불구 하 고, 에탄올 같은 작은 환경에 미치는 영향으로 유기 용 매는 선호 되며 따라서 높은 가치의 lignins 결과 추출 방법의. 알콜 용 매는 추가 되 고 그들은 또한 예를 들어 리그 닌 구조에 통합 추출 매체에서 특정 관심의 β’-O-4 (그림 1a)22, 분할 “보호” 구조에서 원치 않는 분열입니다. 적당 한 방법은 잠재적으로 것입니다 먼저 리그 닌 높은 β-O-4 콘텐츠와 높은 값 셀에 액세스 하는 리그 닌의 나머지를 제거 하는 순차적 단계를.
이 원고에서 우리는 가벼운 에탄올 추출에 의해 높은 β-O-4 리그 닌의 추출에 대 한 정직 하 고 매우 재현 절차를 설명합니다. 바이오 매스 소스에 따라이 상대적으로 높은 추출 효율으로 이어질 수 있으며 항복. 획득된 리그 닌의 특성에 대 한 절차는 “deprotect” etherified β를 방법 제공 ‘-O-420. 또한, 평가 절차는 β-O-4 연계의 선택적 분열에 의존 하는 선택적 depolymerization 절차에서 이러한 lignins의 잠재력에 대 한 제공 됩니다. 이 평가 리그 닌 자료에서 β-O-4 콘텐츠 사이의 링크를 보여 주는 페 놀 2-arylmethyl-1, 3-dioxolanes23 를 에틸렌 글리콜의 존재 iron(III) triflate 촉매 depolymerization를 사용 하 여 수행 되 고 단량체는21를 생성합니다. 결과 높은 리그 닌 추출 효율과 특정 아로마 단위체를 depolymerized 수 획득된 리그 닌의 잠재력 사이 균형을 보여.
다른 조건에서 기사에서와 다른 바이오 매스 소스 로부터 결과 공개 β-O-4 결합의 상대적으로 높은 콘텐츠로 리그 닌 추출에 대 한 최적의 조건을 어떻게 소스에 따라 다를 수 있습니다. 가혹한 조건 (메서드 B)에서 호두 추출 동안 너도 밤나무와 삼나무 수확량 증가 하지만 β-O-4 단위, 양의 근처 유지와 수확량에 3 배 증가 제공 하는 예를 들어 β-O-4의 금액에 상당한 드롭 함께 단위입니다. 다른 한편으로, 소나무에 대 한 엄격한 추출 조건 항복에서 아주 작은 혜택을 제공 하 고 또한 β-O-4의 매우 낮은 금액으로는 리그 닌 이어질. 이 일반적으로 어떤 형태의 최적화 획득된 리그 닌 자료에서 리그 닌 수율과 β-O-4 단위의 금액의 보존의 형태로 품질 사이의 올바른 균형을 참여 하는 것을 의미 합니다.
엄격한 추출 조건에서 얻은 lignin 소재의 Mw 에 있는 큰 증가 이러한 조건 하에서 큰 조각을 추출 될 수 있다 더 높은 수익률을 제공 하는 방법을 보여 줍니다. 그러나, 이러한 조건에서 추가 조각화 발생, 추가 낮은 분자량 자료를 제공 하 고 볼 수 있는 명확 하 게 호두 (그림 5a)과 삼나무 (그림 5 d)의 GPC 그래프에 따라서는 증가할수록 증가 ~ 500 다에 신호의 형태.
HSQC NMR 다른 lignins의 품질에 비교 데이터를 제공 하는 중요 한 유익한 도구입니다. 그는 표준 HSQC 실험 수행이 절차에서는이 훌륭한 비교 데이터를 얻기 위해 이지만 반드시 휴식 시간 차이로 인해 양적은 주목 한다. 표 1 에 몇 가지 lignins 표시 관계의 높은 금액을과 대 평가. 양적 HSQC 실험 더 나은 결과 제공 하지만 훨씬 더 많은 NMR 시간, 대안 존재29비용. 우리의 경험에서는, 더 나은 100 향기로운 단위 당 β-O-4의 실제 금액을 반영 하는 1.3 배 표 1 에 번호를 구분 해야 한다.
앞서 언급 했 듯이, 보고 결과 어떻게 최대 모노 머 수율을 얻기 위해 소스에 따라 달라질 수 있습니다 최적의 조건을 찾는 지적. 예를 들어, 호두 시작 물자로 사용 하는 경우 전반적으로 총 acetals 항복 증가 약 두 번 더 가혹한 조건 (메서드 B) 리그 닌 추출에 대 한 고용 하는 경우. 그러나,이 β-O-4 콘텐츠를 영향을 주지 않고 리그 닌 추출 수율에 큰 차이 때문입니다. 다르게, 소나무는 온화한 추출 조건 (A 방법)는 바람직합니다. 사실, 두 가지 경우만 가혹한 조건에 매우 비슷한 수율에 리그 닌 추출 결과 이전 단락에서 설명한 것 처럼 β-O-4 단위 (특히 비 etherified β-O-4 결합) 같은 낮은 모노 머 수율에 대 한 이유가 있을 수 있습니다 드롭 발생할. Etherified 비 β-O-4 결합의 중요 한 손실을 관찰할 수 있습니다 뿐만 아니라 너도 밤나무과 삼나무의 경우에 조건 (메서드 B) 가능성이 낮은 단위체 수율에 이르게 추출에 적용 되는 경우. 그러나, 전반적인 아 세 탈 항복 추출 조건에 따라 그 정도 다 하지 않습니다. 사실, 리그 닌 추출 수율에 대략 2 배 증가 모두 바이오 매스 소스 B를 모노 머 수율의 약 두 배 감소에 대 한 보상 방법 A에서에서 전환에 대 한 관찰 됩니다.
The authors have nothing to disclose.
작업 (광고 및 KB) 유럽 연구 위원회, ERC 시작 그랜트 2015 (CatASus) 638076에서에서 재정 지원 및 연구 프로그램 재능 (마리 퀴리 ITN ‘SuBiCat’ PITN-가-2013-607044 PJD, KB, JGdV), 유럽 연합에 의해 투자 되었다 프로젝트 번호 723.015.005 (KB), 과학 연구 (NWO) 네덜란드 조직에 의해 분할 융자 되는 체계 (돌아가기).
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 |