Summary
טיפול מקדים מבוסס אוטקטי עמוק בסיוע מיקרוגל הוא תהליך ירוק, מהיר ויעיל לשברים ליגנוקלוסיים והתאוששות ליגנין בטוהר גבוה.
Abstract
טיפול מקדים הוא עדיין הצעד היקר ביותר בתהליכי ביו-ריטריזנציה ליגנוקלוסיים. זה חייב להיעשות חסכוני על ידי מזעור דרישות כימיות, כמו גם צריכת חשמל וחום ועל ידי שימוש בממסים ידידותיים לסביבה. ממיסים אוטקטיים עמוקים (DESS) הם ממיסים מרכזיים, ירוקים וזולים בביו-ריינסרים בני קיימא. הם תערובות שקופות המאופיינות בנקודות הקפאה נמוכות הנובעות מתורם אג"ח מימן אחד לפחות ומקבל קשר מימן אחד. למרות DESs הם ממיסים מבטיחים, יש צורך לשלב אותם עם טכנולוגיית חימום כלכלית, כגון הקרנת מיקרוגל, לרווחיות תחרותית. הקרנת מיקרוגל היא אסטרטגיה מבטיחה לקצר את זמן החימום ולהגביר את השבר כי זה יכול להגיע במהירות לטמפרטורה המתאימה. מטרת המחקר הייתה לפתח שיטה חד-שלבית ומהירה לשבר ביומסה ומיצוי ליגנין באמצעות ממס זול ומתכלה.
במחקר זה, טיפול קדם DES בסיוע מיקרוגל נערך במשך 60 s ב 800 W, באמצעות שלושה סוגים של DESS. תערובות DES הוכנו באופן קל מ כולין כלוריד (ChCl) ושלושה תורמי אג"ח מימן (HBDs): חומצה מונוקרבוקסילית (חומצה לקטית), חומצה דיקרבוקסילית (חומצה אוקסלית) ואאוריאה. טיפול מקדים זה שימש לשבר ביומסה והתאוששות ליגנין משאריות ימיות (עלי פוסידוניה ואגאגרופילי), תוצרי לוואי של מזון אגרי (קליפות שקדים ופומאס זית), שאריות יער (אצטרובלים) ועשבים ליגנוקלוליים רב שנתיים(Stipa tenacissima). ניתוחים נוספים נערכו כדי לקבוע את התשואה, טוהר, התפלגות משקל מולקולרי של ליגנין התאושש. בנוסף, ההשפעה של DESS על הקבוצות הפונקציונליות הכימיות של ליגנין שחולץ נקבעה על ידי ספקטרוסקופיית אינפרא אדום (FTIR) של פורייה. התוצאות מצביעות על כך שתערובת החומצה ChCl-אוקסלית מעניקה את טוהר הליגנין הגבוה ביותר ואת התשואה הנמוכה ביותר. המחקר הנוכחי מראה כי תהליך DES-מיקרוגל הוא טכנולוגיה אולטרה מהיר, יעיל, ועלות תחרותי עבור שבר ביומסה lignocellulosic.
Introduction
תהליכי ביורפינריה בני קיימא משלבים עיבוד ביומסה, השבר למולקולות מעניינות והמרתם למוצרים בעלי ערך מוסף1. בדור השני של הביו-זיקוק, טיפול מקדים נחשב חיוני לשבר ביומסה למרכיביו העיקריים2. שיטות מסורתיות לטיפול מקדים תוך שימוש באסטרטגיות כימיות, פיזיות או ביולוגיות יושמו באופן נרחב3. עם זאת, טיפול מקדים כזה נחשב הצעד היקר ביותר ב biorefining ויש לו חסרונות אחרים כגון זמן עיבוד ארוך, חום גבוה וצריכת חשמל, וזיהומים ממס4. לאחרונה, DESS, אשר המאפיינים דומים לאלה של נוזלים יוניים3, הופיעו כמו ממיסים ירוקים בשל יתרונות כגון מתכלה, ידידותיות לסביבה, קלות סינתזה, והתאוששות לאחר טיפול5.
DESs הם תערובות של HBD אחד לפחות, כגון חומצה לקטית, חומצה מאלית, או חומצה אוקסלית, ומקבל קשר מימן (HBA) כגון בטאין או כולין כלוריד (ChCl)6. אינטראקציות HBA-HBD מאפשרות מנגנון קטליטי המאפשר מחשוף של קשרים כימיים, דבר הגורם לשבר ביומסה והפרדת ליגנין. חוקרים רבים דיווחו על טיפול מראש מבוסס DES של feedstocks ליגנוקלוסי כגון ChCl-גליצרול על קלח תירס stover7,8, ChCl-אוריאה, וחומצה ChCl-אוקסלית על קש חיטה9, חומצה ChCl-לקטית על נסורת אקליפטוס 10, וחומצה ChCl-אצטית11 ו ChCl-אתילן גליקול עלעץ 11. כדי לשפר את יעילות DES, יש לשלב את הטיפול המקדים עם טיפול במיקרוגל כדי להאיץ את שבר ביומסה5. חוקרים רבים דיווחו על טיפול מקדים משולב כזה (DES ומיקרוגל) שלעץ 8 ושל stover תירס, switchgrass, ו Miscanthus 5 , אשר מספקתובנהחדשה לתוך היכולת של DESS עבור שבר ליגנוקלוסי מיצוי ליגנין בצעד קל אחד על פני תקופה קצרה.
ליגנין הוא מקרומולקולה פנולית המוערכת כחומר גלם לייצור ביופולימרים ומציגה חלופה לייצור כימיקלים כגון מונומרים ארומטיים ואוליגומרים12. בנוסף, ליגנין יש נוגד חמצון ופעילויות ספיגה אולטרה סגול13. מספר מחקרים דיווחו על יישומי ליגנין במוצרי קוסמטיקה14,15. שילובה במוצרי קרם הגנה מסחריים שיפר את גורם ההגנה מפני השמש (SPF) של המוצר מ- SPF 15 ל- SPF 30 עם תוספת של 2 wt % ליגנין בלבד ועד SPF 50 בתוספת של 10 wt % ליגנין16. מאמר זה מתאר גישה אולטרה-מהיר עבור מחשוף ליגנין-פחמימות, בסיוע משולב DES-מיקרוגל pretreatment של ביומסות ים תיכוניות. ביומסות אלה מורכבות מתוצרי לוואי של מזון אגרי, במיוחד פומס זית וקליפות שקדים. ביומסות אחרות שנחקרו היו אלה ממוצא ימי (עלי פוסידוניה ו aegagropile) ואלה שמקורם ביער (אצטרובלים ועשבי בר). המוקד של מחקר זה היה לבדוק ממיסים ירוקים בעלות נמוכה כדי להעריך את ההשפעות של טיפול משולב זה על שבר feedstock, כדי לחקור את השפעתה על טוהר ליגנין ותשואה, וללמוד את השפעותיו על משקולות מולקולריות וקבוצות תפקודיות כימיות ב lignin שחולצו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת ביומסות
- ייבוש ביומסה
- מניחים את עלי Posidonia וכדורי aegagropile(Posidonia oceanica),שנקטפו מחופי הים התיכון, בתנור ב 40 מעלות צלזיוס במשך 72 שעות.
- מניחים את קליפות השקדים (Prunus dulcis), המופקות מתעשיות המזון, ואת פומס זית(Olea europaea L.),המתקבל מטחנות שמן זית, בתנור ב 40 מעלות צלזיוס למשך 72 שעות.
- מניחים את האצטרובלים(Pinus halepensis),שנאספו מיער, ועלי אלפא(Stipa tenacissima),שנאספו מדרום אגן הים התיכון, בתנור ב 40 מעלות צלזיוס במשך 72 שעות.
הערה: אם הביומסה מכילה חול, יש לשטוף אותה במים מזוקקים לפני שהיא מוכנסת לתנור. הביומסות מוצגות באיור 1A-F.
- שחיקת ביומסה
- מניחים 20 גרם של כל ביומסה חותך פטיש מצויד מסננת 1 מ"מ. לאסוף את האבקה וכתוצאה מכך 0.25 L beaker ולהאכיל אותו חותך פטיש מצויד מסננת 0.5 מ"מ. לאסוף את האבקה ב 0.25 L הכף.
2. מיצוי ליגנין אולטרה מהיר בסיוע מיקרוגל
- הכנת ממס אוקטקטי עמוק (DES)
- הכן DES1 (חומצה אוקסלית ChCl) ביחס טוחן של 1:1 על ידי ערבוב 174 גרם של ChCl עם 126 גרם של חומצה אוקסלית dihydrate בבקבוק 500 מ"ל עגול למטה וממיס אותם באמבטיה ב 70 °C (70 °F) במשך 4 שעות עד נוזל הומוגני ושקוף נוצר.
- הכן DES2 (חומצה לקטית ChCl) ביחס טוחן של 1:1 על ידי ערבוב 174 גרם של ChCl עם 90 גרם של חומצה לקטית בבקבוק 500 מ"ל עגול התחתון וממיס אותם באמבטיה ב 70 מעלות צלזיוס במשך 4 שעות עד נוזל הומוגני ושקוף נוצר.
- הכן DES3 (ChCl-urea) ביחס טוחן של 1:12 על ידי ערבוב 174 גרם של ChCl עם 120 גרם של אוריאה בבקבוקון עגול 500 מ"ל למטה וממיס אותם באמבטיה ב 70 מעלות צלזיוס במשך 4 שעות עד נוזל הומוגני ושקוף נוצר.
הערה: מערבבים תערובות אלה ברציפות עם בר ערבוב ב 500 סל"ד.
- טיפול משולב במיקרוגל-DES
- מניחים 5 גרם של ההזנה במיקרוגל בכור פוליטרפלואורותילן סגור. הוסיפו 50 מ"ל של DES, והניחו פס ערבוב במדגם. סגרו את מיכל המיקרוגל עם מכסה מתאים וחברו את מכסה הטמפרטורה.
- מניחים את מיכל המיקרוגל על קצה הפטיפון, ומבטיחים שהוא נסער כל הזמן. הגדר את עוצמת המיקרוגל ב- 800 W למשך דקה. בעזרת כפפות מתאימות מוציאים את המיכל מהמיקרוגל ומניחים לתערובת להתקרר. חזור על טיפול זה באמצעות שלוש DESs עבור כל מדגם ביומסה.
הערה: בדוק וודא כי בדיקת הטמפרטורה ממוקמת כראוי, ואת מיכל המיקרוגל יש טמפרטורה הומוגנית.
- בידוד ליגנין
- הכן פתרון נוגד תרסיס הומוגני על ידי ערבוב אתנול:מים ביחס של 50:50 (v:v). הוסף 50 מ"ל של פתרון antisolvent כדי feedstock מטופלים, למקם את התערובת במיכל צנטריפוגה (250 מ"ל), וצנטריפוגה במשך 5 דקות ב 3,000 × גרם.
- לאחר צנטריפוגה, לסנן את supernatant (שבר עשיר lignin) באמצעות כור היתוך מסנן זכוכית (נקבוביות 4, 10-16 מיקרומטר, קוטר 10 מ"מ). לשטוף את שאריות תאית הנותרים שנאספו לאחר צנטריפוגה עם 25 מ"ל של פתרון antisolvent.
- צנטריפוגה ב 3,000 × גרם במשך 5 דקות לאחר כל לשטוף. חוזר שוטף 4x, ולאסוף ולסנן את הכביסה דרך כור ההיתוך מסנן זכוכית (נקבוביות N 4, 10-16 מיקרומטר, קוטר 10 מ"מ).
- הוסף את השבר העשיר בignin מסונן משלב 2.3.2 לשטיפות מסוננות משלב 2.3.3 בבקבוקון תחתון עגול של 500 מ"ל. לאדות אתנול באמצעות מאייד סיבובי ב 50 מעלות צלזיוס ו 110 mbar.
- מוסיפים 150 מ"ל של מים שעברו דה-יון למשקאות חריפים מרוכזים (שבר עשיר במינין), ומזרזים את הלינין על ידי צנטריפוגה. לאסוף ליגנין כמו גלולה, ולשטוף אותו עם 25 מ"ל של מים מזוקקים; חזור על הכביסה 4x. Lyophilize ליגנין, או לייבש אותו בתנור ב 40 מעלות צלזיוס.
הערה: במידת הצורך, לשטוף ליגנין >4x כדי להסיר את המלחים מן הממיסים. - השתמש בנוסחה הבאה כדי לקבוע את התשואה:
הערה: מיצוי ליגנין בוצע גם עם שני DESs אחרים: כולין כלוריד + resorcinol ו כולין כלוריד + חומצה בוטירית ב 1 דקות. עם זאת, כמויות של ליגנין התאושש באמצעות DESs אלה היו קטנים מאוד (ובלתי הפיך) לעומת הסכומים שהושגו באמצעות שלושת DESs האחרים.
3. קביעת טוהר של ליגנין שחולץ על ידי קלסון
- הכנה לדוגמה לקלסון הידרוליזה
- מניחים את כור ההיתוך מסנן (נקבוביות 4, קוטר 4.5 מ"מ) בתנור עמום ב 550 מעלות צלזיוס עבור 4 שעות (2 h רמפה, מ 25 מעלות צלזיוס). מוציאים את כור ההיתוך כשהתנור מתקרר ל-150 מעלות צלזיוס, מניחים אותו במייבש כדי להתקרר, ומשקלם.
- מוסיפים כ-30 מ"ג ליגנין לצינור זכוכית בורוסיליקט (ראו טבלת החומרים),ושימו לב למשקל המדגם. מוסיפים 1 מ"ל של 72% חומצה גופרתית (H2SO4)לדגימה, מניחים את המדגם באמבטיה של 30 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות, ומערבבים כל 10 דקות על ידי מערבולת.
- מוציאים את הדגימה, מעבירים אותה לבקבוק זכוכית של 100 מ"ל ומוסיפים 28 מ"ל מים מזוקקים כדי לדלל את החומצה לריכוז של 4%. מניחים את בקבוק הזכוכית במובלעת אוטומטית ב 121 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות. הסר את בקבוק הזכוכית, ולאפשר לו להתקרר.
- ניתוח של ליגנין מסיס בחומצה
- לסנן את הידרוליסטים באמצעות כור היתוך תחת ואקום. לאסוף את כל המוצקים בבקבוק זכוכית המכיל מים deionized. לשטוף את כור ההיתוך עם 50 מ"ל של מים deionized.
- יבש את כור ההיתוך המכיל את המוצקים על ידי הצבתו בתנור ב 105 מעלות צלזיוס במשך 16 שעות. מוציאים את כור ההיתוך מהתנור, מניחים אותו במייבש ומאפשרים לו להתקרר. שקל את הדגימה.
- מניחים את כור ההיתוך בתנור עמום ב 550 מעלות צלזיוס עבור 4 שעות (2 h רמפה). מוציאים אותו ומניחים במייבש. שקל את הדגימה.
- השתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את אחוז השאריות מסיסות חומצה (AIR):
WCSA: משקל כור ההיתוך + מדגם לאחר הסרתם מהתנור
WC: משקל כור ההיתוך
WCSMF: משקל כור ההיתוך לאחר הסרתו מתנור עמום
ODW: משקל יבש בתנור של המדגם
- ניתוח של ליגנין מסיס בחומצה
- למדוד את ספיגת הסינון המתקבל בשלב 3.2.1 עם ספקטרופוטומטר ב 205 ננומטר באמצעות קוובט קוורץ. השתמש במים מזוקקים כריקים.
- השתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את אחוז השאריות מסיסות בחומצה (ASL):
הערה: הספיגה צריכה להיות בין 0.2 ל-0.7. לדלל את המדגם במידת הצורך.
UVabs: ספיגה ב 205 ננומטר
אורך פתיל: נתיב אור של תא המדידה (בס"מ)
ε: ספיגת ביומסה באורך גל מסוים
4. תוכן חנקן ליגנין שחולץ
- הכנת פתרון אלקלי
- בבקבוק נפחי של 2.5 ליטר, שוקלים 1 ק"ג נתרן הידרוקסידי (NaOH) ומוסיפים מים שעברו דה-אוניזציה עד לסימן. מניחים מוט מגנטי בבקבוקון, ומערבבים עד שה-NaOH מתמוסס לחלוטין.
- הכנת פתרון חומצה גופרתית
- קח 0.1 N H2SO4 (ראה את תוכן החומרים)בבקבוק 5 L נפחי, להוסיף מים deionized עד סימן 5 L, למקם מוט מגנטי, ומערבבים עד התוכן להתמוסס.
- הכנת פתרון קבלה
- בבקבוקון נפחי 5 L, להמיס 100 גרם של H3BO3 (חומצה בורית) במים deionized, ולהעלות את עוצמת הקול לסימן.
- שוקלים 100 מ"ג של ירוק ברומוקרסול בבקבוק נפחי של 100 מ"ל, ומוסיפים מתנול טכני עד לסימן.
- שוקלים 100 מ"ג של אדום מתיל בבקבוק נפחי של 100 מ"ל, ומוסיפים מתנול טכני עד לסימן.
- יוצקים את 5 L של H3BO3 פתרון משלב 4.3.1, 100 מ"ל של פתרון ירוק bromocresol משלב 4.3.2, 70 מ"ל של הפתרון אדום מתיל משלב 4.3.3, ו 5 L של מים deionized לתוך מיכל. לנער את הפתרון המקבל היטב במשך 30 דקות.
הערה: הצבע הסופי של הפתרון חייב להיות ירוק. אם הצבע אינו ירוק, להוסיף 50 מ"ל של 1 N NaOH פתרון.
- הכנה לדוגמה
- בצינור Kjeldahl, מקום 100 מ"ג של ליגנין שקל על נייר ללא חנקן, להוסיף טבליה של Kjeldhal (1.5 גרם אשלגן גופרתי (K2SO4) + 0.045 גרם נחושת סולפט pentahydrate (CuSO4.5H2O) + 0.045 גרם טיטניום דו חמצני (TiO2)), ולהוסיף 7.2 מ"ל של מרוכז H2SO4.
הערה: השתמש בארבעה צינורות עם נייר ללא חנקן בלבד (ללא הדגימות) כתעלות ריקות.
- בצינור Kjeldahl, מקום 100 מ"ג של ליגנין שקל על נייר ללא חנקן, להוסיף טבליה של Kjeldhal (1.5 גרם אשלגן גופרתי (K2SO4) + 0.045 גרם נחושת סולפט pentahydrate (CuSO4.5H2O) + 0.045 גרם טיטניום דו חמצני (TiO2)), ולהוסיף 7.2 מ"ל של מרוכז H2SO4.
- עיכול לדוגמה
- הפעל את התרמוסטט על המעכל 1 שעות מראש ב 360 מעלות צלזיוס.
- מניחים את צינורות הדגימה על מתלה, מניחים את ארבעת הצינורות הריקים בארבע פינות המדף, וממלאים את החורים (אם בכלל) של המדף בצינורות ריקים.
- מניחים את המדף בעיכול שחומם מראש, מכסים את מערכת היניקה ופותחים את משאבת המים.
הערה: יש להקפיד להימנע מאדים; להגדיל את זרימת המים אם אדים מופיעים. - לאחר 2 שעות, לכבות את החימום, להסיר את הדגימות, ומניחים אותם על תמיכה מתכת. אפשר למתלה להתקרר במשך כ-40 דקות כשמערכת היניקה מופעלת.
- הליך זיקוק Kjeldhal
- תדליק את מזקקת קיידל. אפשר הפעלה של בדיקות עצמיות עד להופעת הקטע הנבחר על המסך. עבור למצב ידני, הכנס צינור ריק וסגור את דלת ההזזה.
- לטהר את burette titrant (0.02 N H2SO4) (להרים את המכסה) על ידי לחיצה עליו בחלק התחתון והחלק העליון מספר פעמים, ולחסל בועות אוויר מן הצינורות על ידי סחיטת הצינור של H2SO4 בקבוק. סגור את מכסה המנוע.
- לטהר את H3BO3 קבלת פתרון 3x.
- מוסיפים מים 3x, ולעבור קיטור פעיל (10 דקות). עבור לתוכנית הניתוח Kjeldahl 1. הזן בלאנקו באמצעות החצים ברמת קו התוצאה.
- הכנס את הצינור. התחל עם ארבעת החסרים וחשב את הממוצעים שלהם. הזן את הערך בשורה בלאנקו.
הערה: לאחר הצינור מוכנס, המכשיר באופן אוטומטי ברציפות מוסיף 30 מ"ל של H2O, 30 מ"ל של H3BO3, ו 40 מ"ל של 10 N NaOH. - עבור ל- mL של רודן בשורת התוצאה. הכנס את הצינור, וציין את כמות H2SO4 בשימוש.
הערה: כדי לבדוק את מזקקת Kjeldahl, שקול כי 50 מ"ג גליצרין תואמים 18.60% ± 5% של % N. בסוף כל טיטרציה, המכשיר מתרוקן ומנקה את הצינור באופן אוטומטי. - חשב את האחוז של N.
V s.a : נפח של חומצה גופרתית
T s.a : 0.02 N H2SO4
S: מסה לדוגמה
5. תכולת אפר במינין שחולץ
- יבש את כור ההיתוך הקרמי במשך שעה ב 105 מעלות צלזיוס. השאירו אותם להתקרר במתייבש.
- שוקל כור היתוך, ושים לב למספרו. מוסיפים כ 1 גרם של אבקת המדגם. מניחים את כור ההיתוך בתנור עמום עם התוכנית הבאה: רמפה 2 שעות עד 575 מעלות צלזיוס; רמה של 4 שעות ב 575 מעלות צלזיוס.
- אפשר לתנור להתקרר עד 100 מעלות צלזיוס. מוציאים את כור ההיתוך, מניחים אותם במתייבש, ומשקללים אותם.
6. תכולת פחמימות
- הכנת נתרן בורוחידריד (NaBH4) /פתרון דימתילסולפוקסיד (DMSO)
- מניחים 2 גרם של NaBH4 בבקבוק נפחי של 100 מ"ל, וממלאים לסימן עם DMSO. מחממים עד 100 מעלות צלזיוס באמבטיה של ראש העיר, ומערבבים את הפתרון עד להמסה מוחלטת.
- הכנת פתרון MIX
- מניחים 20 מ"ג כל אחד xylose, arabinose, rhamnose, גלוקוז, גלקטוז, מנוז, ו 2-deoxyglucose בבקבוק נפחי 100 מ"ל, ולמלא עד לסימן של 100 מ"ל עם מים deionized.
- הידרוליזה של המדגם
- שוקלים דגימה של 50 מ"ג של ליגנין בצינור זכוכית בורוסיליקט, מוסיפים 3 מ"ל של 1 M H2SO4, ומחממים את התערובת במשך 3 שעות ב 100 מעלות צלזיוס.
- מצננים את הדגימה, מוסיפים 1 מ"ל של אמוניום הידרוקסיד 15 מ' (NH4OH), ובדקו את רמת ה-pH כדי לוודא שהיא נייטרלית או אלקליין. הוסף בדיוק 1 מ"ל של תקן פנימי (2-deoxyglucose) לכל מדגם.
הערה: 2-deoxyglucose הוסיף כסטנדרט פנימי מאפשר לכמת את הכמות של כל מנה נוכח המדגם.
- הפחתה ואצטילציה של מונו-סכרידים לאצטט אלדיטול
- קח 400 μL של הפתרון משלב 6.3.2, ומניחים אותו בצינורות מיוחדים. קח 400 μL של פתרון MIX הבקרה, ומניחים אותו בצינורות מיוחדים.
הערה: השימוש בתמיסת MIX מקל על חישוב גורמי תגובה (RFs) ואחוזים חד-סכרידים. - הוסף 2 מ"ל של פתרון NaBH4/DMSO שהוכן בסעיף 6.1. סגור את הצינור, ודגר במשך 90 דקות ב 40 מעלות צלזיוס באמבט מים. מוציאים את הצינור מאמבט המים ומוסיפים 0.6 מ"ל של חומצה אצטית קרחונית.
הערה: מכיוון שזו תגובה אקסותרמית, יופיעו בועות ועשן. - יש להוסיף כ-0.4 מ"ל של מתילימידזול אחד וכ-4 מ"ל של אנהידריד אצטי. לאחר 15 דקות, להוסיף 10 מ"ל של מים מזוקקים, מגניב, ולהוסיף ~ 3 מ"ל של dichloromethane (CH2Cl2).
- לאחר 2 שעות לפחות, לאסוף ~ 1 מ"ל של השלב התחתון (אורגני), ולהזריק אותו לתוך כרומטוגרף גז מצויד בעמודה נימי גלאי יינון להבה, HP1-מתילסילוקסן (30 מטר (אורך) x 320 מיקרומטר (קוטר פנימי), 0.25 מיקרומטר (עובי הסרט)). נתח את הנתונים.
- השתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את פקטור התגובה (RF).
מ.פ: ממוצע השטח של פסגת המונו-סכריד בתמיסת MIX
M a. h של 2 - גלוקוז deoxy: מסה של 2-deoxyglucose לאחר הידרוליזה
2dg. p: ממוצע השטח של שיא 2-deoxyglucose בתמיסת MIX
M a. h של המונו-סכריד: המסה של המונו-סכריד לאחר הידרוליזה
הערה: תיקון Anhydro הוא 0.8 עבור rhamnose, 0.88 עבור arabinose ו xylose, ו 0.9 עבור מנוז, גלוקוז, וגלקטוז. מסה לאחר הידרוליזה = תיקון anhydro x מסה (g) של monosaccharide המשמש בתמיסת MIX. - השתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את מסת המונו-סכריד.
AP. M: אזור שיא מונו-סכריד במדגם המנותח
M. IS: מסה של תקן פנימי הוסיף; כאן, C SI = 1 מ"ג / מ"ל
AP.2: אזור שיא של 2-deoxyglucose במדגם
RF: גורם תגובה - חשב את האחוז של כל מונו-סכריד באמצעות הנוסחה הבאה.
- קח 400 μL של הפתרון משלב 6.3.2, ומניחים אותו בצינורות מיוחדים. קח 400 μL של פתרון MIX הבקרה, ומניחים אותו בצינורות מיוחדים.
7. פונקציות כימיות ליגנין שחולצו (פורייה-טרנספורמציה אינפרא אדום)
- כדי לזהות את הקבוצות הפונקציונליות הכימיות במינין שחולץ, השתמש בספקטרומטר FT-IR המצויד במודול רפלקטיביות כוללת מוחלש (ATR). פתח את תוכנת הספקטרוסקופיה, והתאם את הפרמטרים: רזולוציה 4 ס"מ-1, זמן סריקה לדוגמה 32, זמן סריקת רקע 16, שמירת נתונים מ 4000 עד 400 ס"מ-1, שידור ספקטרום התוצאות.
- אל תוסיף דגימה; הקש על רקע ערוץ יחיד. עכשיו למקם 1 מ"ג של המדגם על הגביש, ולחץ על מדגם ערוץ אחד. לעבד את הספקטרום המתקבל.
8. משקל מולקולרי של ליגנין מופק (כרומטוגרפיה חדירת ג'ל)
- הכינו פתרון של דימתילפורממיד (DMF) עם ליתיום כלוריד (LiCl) של 0.5%. קח 5 גרם של LiCl בבקבוק נפחי 1 L, להוסיף DMF עד לקו מד, ומערבבים את התוכן עד נוזל הומוגני מתקבל.
- ממיסים 3 מ"ג של דגימת ליגינין ב 3 מ"ל של DMF עם 0.5% LiCl. צנטריפוגה בצינור צנטריפוגה של 10 מ"ל, והפרדת השבר המסיס לבקבוקון.
- להמיס 3 מ"ג של פוליסטירן רגיל 1 kDa, 2 kDa, 3 kDa, 10 kDa, 20 kDa, ו 30 kDa בתמיסה של DMF עם 0.5% LiCl. צנטריפוגה בצינורות זכוכית בורוסיליקט 10 מ"ל, ולהעביר את השבר מסיס בקבוקון.
- הכינו מערכת כרומטוגרפיה נוזלית אולטרה סגולה (UV) בעלת ביצועים גבוהים.
- פתח את מערכת הנתונים, ובדוק את גלאי UV.
- לטהר את המערכת עם מים מזוקקים. התקן את הוכנה באלונט (DMF עם 0.5% LiCl). פתח את שסתום הטיהור, ולטהר את הקו עם קצב זרימה של 1 מ"ל / דקה במשך 15 דקות. לעצור את הזרימה ולסגור את שסתום הטיהור.
- הגדר את קצב הזרימה ל 1 מ"ל / דקה במשך 10 דקות כדי לנקות את המסלול האלגנטי לגלאי. עצור את קצב הזרימה.
- התקן את העמודה שלפניה מופיעה עמודת מגן (עיין בטבלת החומרים). הפעל את דוד העמודה ב 45 °C (60 °F), להפעיל את גלאי UV, ולהגדיר את קצב הזרימה בהדרגה עד קצב זרימה של 0.6 מ"ל / דקה הוא הגיע.
- להזריק 30 μL של כל מדגם במשך 40 דקות באורך גל של 270 ננומטר. עבד את הנתונים שהתקבלו וחשב את התפלגות המסה באמצעות שורת הכיול.
- חשב את המשקל המולקולרי הממוצע (Mn), המשקל המולקולרי הממוצע במשקל (Mw) ומדד הפולידיספרסיטי (PDI).
Mi: משקל מולקולרי של שרשרת
Ni: מספר שרשראות למשקל מולקולרי זה
9. טיפול בנתונים וניתוחים סטטיסטיים
- בצע את כל הניסויים האנליטיים בטריפל ובטא את התוצאות כאחוז מחומר יבש.
- בצע ניתוח חד-כיווני של שונות (ANOVA) והשווה את האמצעים באמצעות מבחן ההשוואה המרובות של Tukey.
- בצע ניתוח רכיב ראשי (PCA).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 2A-C מתארים את תפוקת החילוץ של הינין מששת המזון, המוצגת באיור 1A-F, לאחר טיפול מקדים משולב במיקרוגל DES. התוצאות מראות כי תפוקת הליגנין שהושגה עם DES1 (חומצה אוקסלית ChCl)(איור 2A)הייתה נמוכה מהתפוקות שהושגו עם DES2 (חומצה לקטית ChCl) ו- DES3 (ChCl-urea) (איור 2B, C). בנוסף, תפוקות הינין מאצטרובלים (PC) ופומאס זיתים (OP) היו גבוהות יותר ב-32.31% וב-26.04% לטיפול ב-DES1 וב-48.72% וב-43.76 ל-DES3, בהתאמה. תשואת ליגנין מעלי אלפא (A) הייתה גבוהה משמעותית מהתשואות של כל הלגינינים האחרים שחולצו עם DES2. איור 3A-C מראה כי טוהר ליגנין עלה על 70% עבור שלושת הטיפולים המקדמים של הביומסות, למעט טיפול מקדים DES3 של עלי אלפא (A), אגגרופיל (Ag) וקליפות שקדים (AS) בטיפול DES3 (ChCl-urea), אשר נתן טוהר ליגנין של 65%. טוהר הינין הגבוה ביותר (> 90%) התקבל עם טיפול DES1: עלי אלפא (A) 94%, קליפות שקדים (AS) 93%, אצטרובלים (PC) 90%, עלי פוסידוניה (PL) 92%, ו pomace זית (OP) 91%.
נתוני טוהר ותשואה של ליגינין היו נתונים לניתוח רכיבים עיקרי (PCA) על ידי התחשבות בשני פרמטרים (תשואה וטוהר) ו -18 טיפולים. איור 4 מראה שמעגל המתאם הסביר 100% מסך הווריאציה. הרכיב הראשון, PCA1, הסביר 58.09%, והרכיב השני, PCA2, הסביר 41.91% מכלל הווריאציה. טוהר ליגנין היה בקורלציה חיובית עם DES1 (שור) טיפול. מקדמי המתאם פירסון (R) היו אלפא (שור A) 0.32, פומס זית (שור OP) 0.27, אצטרובלים (PC Ox) 0.2, עלי Posidonia (PL Ox) 0.35, קליפות שקדים (AS Ox) 0.32, ו aegagropile (Ag Ox) 0.05, בהתאמה. עם זאת, הטיפול DES3 היה בקורלציה שלילית עם תשואת ליגנין עם ערכי R שהתנדנדו בין -0.37 ו -0.05. לפיכך, תוצאות PCA אישרו כי ליגנין שחולץ עם DES1 היה הטהור ביותר עם התשואה הנמוכה ביותר.
ליגנין התאפיינה בתכולת הסוכר, החנקן והאפר שלה (איור 5A-C). תכולת הסוכר הכוללת נקבעה על ידי כרומטוגרפיית גז (GC). תכולת הפחמימות של ליגנין מופק באמצעות DES3 (ChCl-אוריאה) היה הגבוה ביותר (6-15%). זה היה ואחריו ליגנין שחולצו באמצעות DES2 (חומצה לקטית ChCl), אשר היה תוכן פחמימות של 3-12%. עם זאת, תכולת הפחמימות הנמוכה ביותר (1%) דווח על ליגנין שחולץ באמצעות DES1 (חומצה ChCl-אוקסלית). סוג הסוכרים שזוהו היה שונה באופן משמעותי (איור 6A-C); D-xylose ו D-גלוקוז היו monosaccharides הנפוץ ביותר. תוצאות אלה מצביעות על כך DES1 היה סלקטיבי מאוד בהפקתו של ליגנין לעומת שני DESs אחרים, אשר הוציא לא רק ליגנין, אלא גם פחמימות. במילים אחרות, טוהר ליגנין היה נמוך יותר לאחר החילוץ עם חומצה לקטית ו DESs אוריאה.
הסלקטיביות הגבוהה של DES1 כדי לשבר את המטריצה lignocellulosic ולחלץ ליגנין טהור הוא כנראה בגלל החומציות הגבוהה של קשרי המימן שלה (אלפא = 1.3). כולין כלוריד מכיל יוני כלוריד לשבור את האינטראקציות התוך מולקולריות של קשרי מימן, ואת קבוצות קרבוקסילאט בחומצה אוקסלית לתרום להמיס את פולימרים ליגנין. באופן דומה, תכולת החנקן של ליגנין שחולץ באמצעות DES1 הייתה נמוכה מתכולת החנקן של ליגנין שחולצה באמצעות DES2 ו- DES3, והגיעה עד 3%(איור 5A-C). לינין שחולץ מעלי אלפא היה תכולת החנקן הגבוהה ביותר: 2.70, 3.84 ו- 3.40 עבור DES1, DES2 ו- DES3, בהתאמה. תוצאות אלו מוכיחות כי תרכובות חנקן חולצו, במשותף עם ליגנין. יתר על כן, הסתיידות ליגנין בכל הדגימות הצביעו על כך שלינין שחולץ באמצעות DES2 ו- DES3 הכיל רכיב אנאורגני גבוה יותר מאשר ליגנין שחולץ באמצעות DES1.
תוצאות אלה מצביעות על כך DES1 קידם את החילוץ של ליגנין עם טוהר גבוה, אבל עם חנקן נמוך, פחמימות, ותכולת אפר. במילים אחרות, ליגנין שחולץ באמצעות DES1 (חומצה ChCl-oxalic) היה טהור יותר מזה שחולץ באמצעות DES2 (חומצה לקטית ChCl) ו DES3 (ChCl-אוריאה), אשר בעל טוהר נמוך יותר חנקן גבוה, פחמימות, ותכולת אפר. טבלה 1 מסכמת את התפלגות המסה המולקולרית של ליגנין, כפי שניתחה על ידי כרומטוגרפיה של חדירת ג'ל (GPC) ומיוצגת על ידי המשקל המולקולרי הממוצע (Mn), משקל מולקולרי ממוצע משקל (Mw) ומדד פולידיספרסיטי (PDI). ערכי Mw נעו בין 48,123 ל- 147,233 גרם מול-1. ליגנין שחולצו על ידי DES2 מעלי אלפא, קליפות שקדים, ו aegagropile היה PDI נמוך יותר מאשר ליגנין שחולצו על ידי DES1, DES3, ואלקלי, כמו גם ליגנין גלם. לעומת זאת, ליגנין שחולץ על ידי DES2 מאצטרובלים, פומס זית ועלי פוסידוניה הראו PDI גבוה יותר. PDI התחתון של ליגנין מופק aegagropile מציין כי המשקל המולקולרי שלה הוא הומוגני יותר מזה של ליגנינים שחולצו מן biomasses אחרים.
הקבוצות התפקודיות הכימיות הנמצאות במינין שחולץ נחקרו על ידי ספקטרוסקופיית FTIR (איור 7A-F). הרצועה החזקה והרחבה בין 3,441 ל-3,198 ס"מ-1 יוחסה לתנודות מתיחה של קבוצות הידרוקסיל אלכוהוליות ופנוליות המעורבות בקשר מימן. האותות בטווח הגלים 2,963-2,852 ס"מ-1 הוקצו לתנודות מתיחה אלקיל C-H. פומס זית, עלי אלפא וקליפות שקדים הראו להקות אינטנסיביות יותר מאשר ביומסות אחרות. לא נצפו להקות בין 2,800 ל-1,800 ס"מ-1. lignin שהושג על ידי DES1 ו DES2 טיפול, היה להקה עולה ב 1,708 ס"מ-1, אשר הצביע על נוכחות של קבוצות C = O לא מוצדקות. עם זאת, אות זה נעדר בספקטרום הממס (איור 8B). ספקטרום חומצה לקטית ואוקסית התאפיינו ברצועה בטווח של 1,737-1,723 ס"מ-1, שהצביעה על נוכחותן של קבוצות C=O לא מוצדקות, בעוד ספקטרום אוריאה התאפיין בשני אותות בטווח הגלים של 1,660 ס"מ-1 ו -1,604 ס"מ- 1 מיוחס לקבוצות עמידות. הלהקות ב 1,606-1,618 ס"מ-1 נצפו ליגנין שחולצו על ידי טיפול DES1 ו DES2, הקשורים טבעת מצומד C = C למתוח.
האות ב 1,640 ס"מ-1 ב lignin שחולצו על ידי DES3 הצביע על נוכחות של C = O מתיחה רטט בקבוצות קרבוניל מצומד של ליגנין. האות ב 1516 ס"מ-1 התעורר מן התנודות של הטבעות הארומטיות הנוכחיות ליגנין, בעוד הלהקה ב 1200 ס"מ-1 הצביע על נוכחות של קבוצות אתר. להקות בטווח הגלים של 1,250-1,200 ס"מ-1 הוקצו C-O מתיחה של אלכוהול לא ארומטי. הלהקה ב 953 ס"מ-1 הוקצה מתיל substituents. התוצאות מצביעות על כך שספקטרום שברי DES-lignin הראה אותות ב 1,730-1,702 ס"מ-1 ו 1,643-1,635 ס"מ-1, שהוקצו רטט מתיחה של קבוצות קרבוניל לא מגובשות ומצומדות, בהתאמה. עם זאת, טווחי הלהקה הללו נעדרו משלושה ליגינים מסחריים: ליגנינים גולמיים, מעובדי סודה וליגנינים המופקים מאלקלי(איור 8A). תצפית זו מצביעה על כך שבמהלך החילוץ והסלוביליזציה שלה, כמה קבוצות תפקודיות של ליגנין היו מצומדות בחומצה אוקסלית ולקטית.
איור 1: ביומסות ים תיכוניות שנחקרו. (A) קליפות שקדים, (B) פומס זית, (C) אורני חרוט, (D) אגגרופיל (כדורי פוסידוניה), (E) עלי פוסידוניה, (F) עלי אלפא. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תפוקת ליגנין. (A) כולין כלוריד + חומצה אוקסלית (DES1), (B) כולין כלוריד + חומצה לקטית (DES2), (C) כולין כלוריד + אוריאה (DES3). הבדלים משמעותיים נקבעו במבחן החד-כיווני של ANOVA ופישר לאחר הוק (*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001). קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; ns = לא משמעותי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: ליגנין (%). (A) כולין כלוריד + חומצה אוקסלית (DES1), (B) כולין כלוריד + חומצה לקטית (DES2), (C) כולין כלוריד + אוריאה (DES3). הבדלים משמעותיים נקבעו עם מבחן חד כיווני של ANOVA ופישר לאחר hoc (*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001). קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; ns = לא משמעותי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ניתוח רכיב עיקרי של תשואה וטוהר של ליגנין המופק מביומסות ים תיכוניות. מקבל אג"ח מימן (HBA) הוא כולין כלוריד (CHCl) ותורמים לאג"ח מימן (HBD) הם שור = חומצה אוקסלית, לאק : חומצה לקטית, ו אוריאה. PCA = ניתוח רכיב ראשי; A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: פחמימות (%), חנקן (%) בדגימות ליגנין. (A) כולין כלוריד + חומצה אוקסלית (DES1), (B) כולין כלוריד + חומצה לקטית (DES2), (C) כולין כלוריד + אוריאה (DES3). הבדלים משמעותיים נקבעו במבחן החד-כיווני של ANOVA ופישר לאחר הוק (*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001). קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; ns = לא משמעותי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: זיהוי מונו-סכרידים בדגימות ליגנין (%). (A) כולין כלוריד + חומצה אוקסלית (DES1), (B) כולין כלוריד + חומצה לקטית (DES2), (C) כולין כלוריד + אוריאה (DES3). הבדלים משמעותיים נקבעו במבחן החד-כיווני של ANOVA ופישר לאחר הוק (*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001). קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; ns = לא משמעותי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: ספקטרום אינפרא-אדום של דגימות ליגנין. (A) עלי אלפא, (B) קליפות שקדים, (C) אצטרובלים, (D) עלי פוסידוניה, (E) פומס זית , (F) אגגרופיל. קיצורים: DES1 = כולין כלוריד + חומצה אוקסלית, DES2 = כולין כלוריד + חומצה לקטית, DES3 = כולין כלוריד + אוריאה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: ספקטרום אינפרא-אדום של המרת פורייה. (A) פקדי ליגנין, (B) תורמי קשר מימן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| לדוגמה | טיפול | Mn (לא כולל) | MW | PDI |
| A | אוריאה | 47558 | 120141 | 2.5 |
| לאק (לאק | 35241 | 73665 | 2.1 | |
| שור | 35793 | 84312 | 2.4 | |
| כפי | אוריאה | 50181 | 105817 | 2.1 |
| לאק (לאק | 60409 | 104915 | 1.7 | |
| שור | 83112 | 147233 | 1.8 | |
| מחשב אישי | אוריאה | 34013 | 65181 | 1.9 |
| לאק (לאק | 55513 | 145963 | 2.6 | |
| שור | 46409 | 102298 | 2.2 | |
| PL (PL) | אוריאה | 25696 | 50093 | 1.9 |
| לאק (לאק | 45530 | 122900 | 2.7 | |
| שור | 28427 | 70726 | 2.5 | |
| אופ' | אוריאה | 29669 | 70424 | 2.4 |
| לאק (לאק | 26735 | 66743 | 2.5 | |
| שור | 34161 | 75509 | 2.2 | |
| Ag | אוריאה | 30184 | 48123 | 1.6 |
| לאק (לאק | 33835 | 52123 | 1.5 | |
| שור | 30025 | 49808 | 1.7 | |
| לשלוט | ליגנין גולמי | 23275.3 | 36496.5 | 1.6 |
| ליגנין שחולץ על-ידי אלקלי | 22792.6 | 43014.3 | 1.9 |
טבלה 1: משקולות מולקולריות של ליגינינים. קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; Mn = משקל מולקולרי ממוצע; Mw = משקל מולקולרי ממוצע משקל; PDI = אינדקס רב-ממדי; שור =חומצה אוקסלית; לאק = חומצה לקטית.
איור S1: ליגנין. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S2: דגימות לאחר autoclaved (30 מ"ג של ליגנין + 1 מ"ל של 72% חומצה גופרתית + 28 מ"ל של מים מזוקקים). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S3: כדורי ליגנין. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S4: שאריות מוצקות נשטפו ארבע פעמים כדי לשחזר תוכן ליגנין מרבי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S5: כרומטוגרמות חדירת ג'ל של פקדי ליגנין, ליגנינים גולמיים ומופקים על-ידי אלקלי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S6: כרומטוגרמות חדירת ג'ל של דגימות ליגנין. קיצורים: A = עלי אלפא, AS = קליפות שקדים, PC = אצטרובלים, PL = עלי Posidonia, OP = פומס זית, Ag = Aegagropile; DES1 = כולין כלוריד + חומצה אוקסלית, DES2 = כולין כלוריד + חומצה לקטית, DES3 = כולין כלוריד + אוריאה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור S7: גליון זרימה של תהליך הממס האוטקטי העמוק (DES)-מיקרוגל להפקת ליגנין. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
למחקר זה היו מטרות רבות; הראשון שבהם היה להכין ולהשתמש ממיסים ירוקים בעלות נמוכה עם המאפיינים של נוזלים יוניים וממסים אורגניים. המטרה השנייה הייתה לשבר את הביומסה ולחלץ ליגנין בצעד אחד, ללא צורך בצעדים ראשוניים כגון מיצוי של כלי חילוץ באמצעות Soxhlet או hemicellulose באמצעות ממיסים אלקליין, בסיסי, או טכניקות תרמופיסיות. המטרה השלישית הייתה לשחזר ליגנין על ידי סינון פשוט לאחר הטיפול, ללא התאמה של pH, אבל פשוט על ידי הוספת מים מזוקקים. התוצאות של החילוץ האולטרה מהיר של ליגנין משישה מקורות שונים באמצעות תהליך בסיוע מיקרוגל, DES מבוסס באמצעות שלושה DESs שונים עולה כי תשואת החילוץ יכול להשתנות בהתאם ביומסה ואופי של DES. לדוגמה, התשואה הגבוהה ביותר של מיצוי ליגנין בין כל שלושת DESs היה מן pomace זית. לאחר מכן הגיעו התשואות מעלי אלפא, אצטרובלים וקליפות שקדים. תשואות החילוץ היו נמוכות יותר עבור העלים והכדורים של פוסידוניה אוקיאניקה.
הטוהר של ליגנין הוערך באמצעות קלאסון, Kjeldahl (חנקן), פחמימות (GC), ושיטות אפר. כפי שמתואר באיור 3 ובאיור 5A-C, טוהר הלינגינין ירד בשל משקעים משותפים של רכיבי חנקן, פחמימות ואפר עם ליגנין. התנאים לחילוץ ליגנין עם DES1 הבטיחו טוהר גבוה, אך תשואה נמוכה, המציינת כי שיפורי תהליכים נחוצים למתאם החיובי בין התשואה לטוהר של ליגנין. ניתן לשפר את תפוקת הליגנין אם משך הטיפול ארוך יותר, כוח המיקרוגל גדל מ 800 W ל 1200 W, או היחס של מוצק:ממס (1:10) מופחת. נתוני משקל מולקולרי Lignin לספק תובנה לתוך דיסוציאציה או repolymerization של שברי ליגנין לאחר הטיפול. עלייה Mw של ליגנין לביומסה נצפתה לאחר החילוץ באמצעות מיקרוגל-DES, כפי שניכר, למשל, במקרה של עלי Posidonia (Mw הוא 50093 עבור DES3 והוא 70726 עבור DES1), אשר מדגים כי depolymerization התרחשה במהלך החילוץ של ליגנין ואחריו repolymerization מהיר של interunit פחמן פחמן תחת הפעולה של DES. פעולה זו מחייבת שימוש בסוכן לכידה, כגון פורמלדהיד, כדי לייצב את הפריסה.
ב DES טיפול מקדים, ניתוק ליגנין ועיבוי הם שתי התגובות המתחרות. PDI של ליגינינים שחולצו נמוך יותר מזה של ליגנין אשור מופק על ידי ממיסים אורגניים (אתנול / מים / H2SO4) דיווח בספרות17. זה מציין כי טיפול DES משפר הומוגניות משקל מולקולרי ליגנין לעומת טיפול עם ממיסים אורגניים. ספקטרום FTIR מציין כי קבוצות פונקציונליות lignin מושפעים ממס DES בשימוש. ספקטרה להראות אותות ב 1,730-1,702 ס"מ-1 שהוקצה רטט מתיחה של קבוצות קרבוניל ללא הפרדה, ואילו פסגות ב 1,643-1,635 ס"מ-1 מצביעים על רטט מתיחה של קבוצות קרבוניל מצומדות. תוצאות אלה ממחישות את האפשרות של חילוץ ליגנין בעל ערך מוסף של טוהר גבוה מביומסות ים תיכוניות (אשר כיום מוערך פחות ומשמש גם להאכיל או כמו תיקון הקרקע) והוא יכול לעזור לקבוע את ממס DES אופטימלי תוך הבטחת טוהר של ליגנין. לדוגמה, DES1 הדגים את החילוץ הטהור ביותר של ליגנין, אם כי עם תשואה נמוכה יותר מזו שנצפתה באמצעות שני DESS האחרים.
השיטה המוצעת יכולה להיות מיושמת בקלות בגלל זול וירוק ChCl-oxalic חומצה עמוקה eutectic מערכת ממס. כולין כלוריד הוא מלח אורגני וחומצה אוקסלית זמין כמוצר טבעי של צמחים, אשר בשפע עם עלות נמוכה. טכניקה זו (פרוטוקול אולטרה מהיר, אשר בשלב אחד מספק שבר ביומסה והתאוששות ליגנין טוהר גבוה) ישים לכל סוג של ביומסה ליגנוקלוסית שיש לו הרכב כימי דומה לזה שנחקר כאן בסולם המעבדה באמצעות תהליך מיקרוגל-DES או בסולם הטייס באמצעות תהליך DES-אולטרסאונד או על ידי חימום הסעה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מדווחים שאין ניגוד עניינים.
Acknowledgments
ח"כ ושחפת מודים להית'ם אייב על ניתוחים סטטיסטיים והכנת דמות, אזור וואלון (פיתוח אזורי אירופי-VERDIR) ושר ההשכלה הגבוהה והמחקר המדעי (טאופיק בטייב) על המימון.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HPLC Gel Permeation Chromatography | Agilent 1200 series | ||
| 1 methylimadazole | Acros organics | ||
| 2-deoxy-D-glucose (internal standard) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic anhydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Adjustables pipettors | |||
| Alkali | alkali-extracted lignin | ||
| Arabinose (99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Autoclave | CERTO CLAV (Model CV-22-VAC-Pro) | ||
| Water Bath at 70 °C | |||
| Boric acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Bromocresol | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Catalyst | CTQ (coded A22) (1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4.5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
| Centrifugation container | |||
| Centrifuge | BECKMAN COULTER | Avanti J-E centrifuge | |
| Ceramic crucibles | |||
| Choline chloride 99% | Acros organics | ||
| Column | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm) preceded by a guard column (TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm) | ||
| Column | HP1-methylsisoxane (30 m, 0.32 mm, 0.25 mm) | ||
| Crucible porosity N°4 ( Filtering crucible) | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
| Deonized water | |||
| Dessicator | |||
| Dimethylformamide | VWR BDH Chemicals | ||
| Dimethylsulfoxide | Acros organics | ||
| Erlenmeyer flask | |||
| Ethanol | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Filtering crucibles, procelain | |||
| Filtration flasks | |||
| Fourrier Transformed Inra- Red | Vertex 70 Bruker apparatus equipped with an attenuated total reflectance (ATR) module. Spectra were recorded in the 4,000–400 cm−1 range with 32 scans at a resolution of 4.0 cm−1 |
||
| Galactose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Gaz Chromatography | Agilent (7890 series) | ||
| Glass bottle 100 mL | |||
| Glass tubes ( borosilicate) with teflon caps 10 mL | |||
| Glucose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Golves | |||
| Graduated cylinder 50 mL /100 mL | |||
| H2SO4 Titrisol (0.1 N) | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| H2SO4 (95-98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114) | |
| Hummer cutter equiped with 1 mm and 0.5 mm sieve | Mill Ttecator (Sweden) | Cyclotec 1093 | |
| Indulin | Raw lignin control | ||
| Kjeldahl distiller | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldahl tube | FOSS | ||
| Kjeldhal rack | |||
| Kjeldhal digester | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldhal suction system | |||
| Lab Chem station Software | GC data analysis | ||
| Lactic acid | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Lithium chloride LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Mannose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Methyl red | |||
| Microwave | START SYNTH MILESTONE Microwave laboratory system | ||
| Microwave temperature probe | |||
| Microwave container | |||
| Muffle Furnace | |||
| NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Nitrogen free- paper | |||
| Opus | spectroscopy software | ||
| Oven | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
| Oxalic acid | VWR BDH Chemicals | ||
| P 1000 | Soda-processed lignin | ||
| pH paper | |||
| precision balance | |||
| Infrared spectroscopy | |||
| Quatz cuvette | |||
| Rhamnose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Rotary vacuum evaporator | Bucher | ||
| Round-bottom flask 500 mL | |||
| sodium borohydride NaBH4 | |||
| Schott bottle | glass bottle | ||
| Sovirel tubes | sovirel | Borosilicate glass tubes | |
| Spatule | |||
| Special tube | |||
| Spectophotometer | UV-1800 Shimadzu | ||
| Sterilization indicator tape | |||
| Stir bar in teflon | |||
| Stirring plate | |||
| Syringes | |||
| Sodium borohydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
| Urea | VWR BDH Chemicals | ||
| Vials | |||
| VolumetriC flask 2.5 L /5 L | Bucher | ||
| Vortex | |||
| Xylose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
References
- Kammoun, M., et al. Hydrothermal dehydration of monosaccharides promoted by seawater fundamentals on the catalytic role of inorganic salts. Frontiers in Chemistry. 7, 132 (2019).
- Kammoun, M., Ayeb, H., Bettaieb, T., Richel, A. Chemical characterisation and technical assessment of agri-food residues, marine matrices, and wild grasses in the South Mediterranean area: A considerable inflow for biorefineries. Waste Management. 118, 247-257 (2020).
- Zhang, C. W., Xia, S. Q., Ma, P. Facile pretreatment of lignocellulosic biomass using deep eutectic solvents. Bioresource Technology. 219, 1-5 (2016).
- Mora-Pale, M., Meli, L., Doherty, T. V., Linhardt, R. J., Dordick, J. S. Room temperature ionic liquids as emerging solvents for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Biotechnology and Bioengineering. 108 (6), 1229-1245 (2011).
- Chen, Z., Wan, C. Ultrafast fractionation of lignocellulosic biomass by microwave-assisted deep eutectic solvent pretreatment. Bioresource Technologie. 250, 532-537 (2018).
- Francisco, M., Van Den Bruinhorst, A., Kroon, M. C. New natural and renewable low transition temperature mixtures ( LTTMs ): screening as solvents for lignocellulosic biomass processing. Green Chemistry. 14 (8), 2153-2157 (2012).
- Liu, Y. C., et al. Efficient cleavage of lignin - carbohydrate complexes and ultrafast extraction of lignin oligomers from wood biomass by microwave-assisted treatment with deep eutectic solvent. Chem sus chem. 10, 1692-1700 (2017).
- Xu, G. C., Ding, J. C., Han, R. Z., Dong, J. J., Ni, Y. Enhancing cellulose accessibility of corn stover by deep eutectic solvent pretreatment for butanol fermentation. Bioresource Technologie. 203, 364-369 (2016).
- Jablonský, M., Andrea, Š, Kamenská, L., Vrška, M., Šima, J. Deep eutectic solvents fractionation of wheat straw deep eutectic solvents fractionation of wheat straw. Bioresources. 10 (4), 8039-8047 (2015).
- Shen, X. J., et al. Facile fractionation of lignocelluloses by biomass-derived deep eutectic solvent (DES) pretreatment for cellulose enzymatic hydrolysis and lignin valorization. Green Chemistry. 21, 275-283 (2019).
- Alvarez-Vasco, C., et al. Unique low-molecular-weight lignin with high purity extracted from wood by deep eutectic solvents (DES): a source of lignin for valorization. Green Chemistry. 18, 5133-5141 (2016).
- Banu, J. R., et al. A review on biopolymer production via lignin valorization. Bioresource Technologie. 290, 121790 (2019).
- Gordobil, O., Olaizola, P., Banales, J. M., Labidi, J. Lignins from agroindustrial by-products as natural ingredients for cosmetics chemical structure and in vitro sunscreen and cytotoxic activities. Molecules. 25 (5), 1131 (2020).
- Lee, C. S., Thu Tran, T. M., Weon Choi, J., Won, K.
- Widsten, P. Lignin-based sunscreens-state-of-the-art, prospects and challenges. Cosmetics. 7, 85 (2020).
- Qian, Y., Qiu, X., Zhu, S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens. Royal Society of Chemistry. 17, 320-324 (2015).
- Zijlstra, D. S., et al. Extraction of lignin with high β-O-4 content by mild ethanol extraction and its effect on the depolymerization yield. Journal of Visualized Experiments. (143), e58575 (2019).
