Tiyoglikolik Asit (TGA) Kullanılarak Bitki Biyokütle Lignin İçeriğinin Tahmini
Summary
Burada, otsu bitki biyokütlesinde lignin içeriğinin tahmin edilmesi için değiştirilmiş bir TGA yöntemi sunuyoruz. Bu yöntem lignin ile belirli tiyoether bağları oluşturarak lignin içeriğini tahmin eder ve lignin içeriği tahmini için nispeten küçük bir örnek gerektirdiğinden Klason yöntemine göre bir avantaj sunar.
Abstract
Lignin, selülozdan sonra dünya üzerindeki en bol ikinci polimer olan doğal bir polimerdir. Lignin esas olarak bitki ikincil hücre duvarlarında birikir ve öncelikle önemli endüstriyel öneme sahip üç monolignoldan oluşan aromatik bir heteropolimerdir. Lignin bitki büyümesinde ve gelişmesinde önemli bir rol oynar, biyotik ve abiyotik streslerden ve hayvan yemi, ahşap ve endüstriyel lignin ürünlerinin kalitesinde korur. Lignin içeriğinin doğru tahmini, hem lignin biyosentezinin temel anlayışı hem de biyokütlenin endüstriyel uygulamaları için gereklidir. Tiyoglikolik asit (TGA) yöntemi, bitki biyokütleslerindeki toplam lignin içeriğini tahmin etmek için son derece güvenilir bir yöntemdir. Bu yöntem, alkali koşullarda çözünür ve asidik koşullarda çözünmeyen lignin benzil alkol grupları ile tiyoetherler oluşturarak lignin içeriğini tahmin eder. Toplam lignin içeriği, ticari bambu ligninden oluşturulan standart bir eğri kullanılarak tahmin edilir.
Introduction
Lignin, bitki hücre duvarlarının hayati yük taşıyan bileşenlerinden biridir ve Dünya’daki en bol ikinci polimerdir1. Kimyasal olarak, lignin aromatik polimerlerin doğal yenilenebilir kaynağını oluşturan ve biyomalzemelerin sentezini oluşturan yüksek moleküler ağırlıklı karmaşık fenolik bileşiklerden oluşan çapraz bağlı bir heteropolimerdir2,3. Bu doğal polimer bitki büyümesi, gelişimi, hayatta kalma, mekanik destek, hücre duvarı sertliği, su taşıma, mineral taşıma, konaklama direnci, doku ve organ gelişimi, enerji birikimi ve biyotik ve abiyotik gerilmelerden korunmada önemli roller oynar4,5,6,7. Lignin öncelikle üç farklı monolignoldan oluşur: fenil propanoid yolundan elde edilen iğne yapraklı, sinapil ve p-coumaryl alkoller8,9. Lignin miktarı ve monomerlerin bileşimi bitki türlerine, doku / organ tipine ve bitki gelişiminin farklı aşamalarına göre değişir10. Lignin, kaynak ve monolignol bileşimine göre geniş ölçüde yumuşak ağaç, sertağaç ve çim lignin olarak sınıflandırılır. Softwood öncelikle% 4 p-coumaryl ve% 1 sinapil alkol ile% 95 iğne yapraklı alkolden oluşur. Sertağaç eşit oranlarda iğne yapraklı ve sinapil alkollere sahipken, çim lignin çeşitli oranlarda iğne yapraklı, sinapil ve p-coumaryl alkollerden oluşur11,12. Monomerlerin bileşimi, hücre duvarının lignin mukavemetini, ayrışmasını ve bozulmasını ve moleküler yapıyı, dallanmayı ve diğer polisakkaritlerle çapraz bağlantıyı belirlediği için kritik öneme sahiptir13,14.
Lignin araştırmaları, düşük maliyeti ve yüksek bolluğu nedeniyle yiyecek arama, tekstil endüstrileri, kağıt endüstrileri ve biyoetanol, biyoyakıt ve biyo-ürünler için önem kazanmaktadır15,16. Lignin ölçülmesi için enstrümantal yöntemler (örneğin, yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve ultraviyole (UV) spektrofotometrisi) ile birlikte çeşitli kimyasal yöntemler (örneğin, asetil bromür, asit deterjanları, Klason ve kalıcıoksidasyon)kullanılmıştır. Lignin analiz yöntemleri genellikle elektromanyetik radyasyon, gravimetri ve çözünürlük esas alınarak sınıflandırılır. Elektromanyetik radyasyonla lignin tahmininin arkasındaki prensip, belirli dalga boylarında ışığı emdiği lignin kimyasal özelliğine dayanıyordu. Bu sonuçlar lignin karbonhidratlardan daha güçlü bir UV emiciliğe sahip olduğu ilkesine dayanarak tahmin edilmiştir. 1962’de Bolker ve Somerville, ahşaptaki lignin içeriğini tahmin etmek için potasyum klorür peletleri kullandılar18. Bununla birlikte, bu yöntem, lignin olmayan fenolik bileşiklerin varlığı ve uygun bir yok olma katsayısının bulunmaması nedeniyle otsu örneklerden lignin içeriğinin tahmininde sakıncalara sahiptir. 1970 yılında Fergus ve Goring, Guaiacyl ve Şırınil bileşik emilim maksimasının 280 nm ve 270 nm’de olduğunu ve bu sayede Bolker ve Somerville yönteminin yok olma katsayısı sorununu düzelttik19. Daha sonra, fenolikleri karakterize etmek için son derece hassas bir teknik olan kızılötesi spektroskopi, az miktarda bitki biyokütle örnekleri ile lignin tahmini için de kullanılmıştır. Bu teknolojinin bir örneği, dağınık yansıtıcı Fourier dönüşüm spektrofotometrisiydi. Ancak bu yöntem, UV yöntemine benzer uygun bir standart yok20. Daha sonra lignin içeriği NIRS (kızılötesi spektroskopiye yakın) ve NMR (nükleer manyetik rezonans spektroskopisi) tarafından tahmin edildi. Bununla birlikte, bu yöntemlerde dezavantajlar vardır, lignin kimyasal yapısını değiştirmezler, saflığınıkorurlar 20.
Gravimetrik Klason yöntemi, odunsu sapların lignin tahmini için doğrudan ve en güvenilir analitik yöntemdir. Gravimetrik lignin tahmininin temeli, lignin olmayan bileşiklerin hidroliz /çözünürlüğü ve gravimetri için çözünmeyen lignintoplanmasıdır 21. Bu yöntemde, karbonhidratlar lignin kalıntısı20,22çıkarmak için konsantre H 2 SO4 ile biyokütlenin hidrolizi ileçıkarılır. Bu yöntemle tahmin edilen lignin içeriği asit çözünmeyen lignin veya Klason lignin olarak bilinir. Klason yönteminin uygulanması bitki türüne, doku tipine ve hücre duvarı tipine bağlıdır. Tanenler, polisakkaritler ve proteinler gibi lignin dışı bileşenlerin değişken miktarlarda bulunması, asit çözünmeyen / çözünür lignin içeriğinin tahmininde orantılı farklılıklara neden olur. Bu nedenle, Klason yöntemi sadece odunsu saplar17,23gibi yüksek lignin içerikli biyokütlenin lignin tahmini için önerilir. Asetil bromür (AcBr), asit çözünmeyen lignin ve tiyoglikolik asit (TGA) gibi çözünürlük yöntemleri, lignin içeriğinin çeşitli bitki biyokütle kaynaklarından tahmin edilmesi için en sık kullanılan yöntemlerdir. Kim ve arkadaşları, çözünerek lignin çıkarılması için iki yöntem belirledi. İlk yöntem lignin çözünmeyen bir kalıntı olarak çözünmeyen bir kalıntı olarak ayıklanırken, ikinci yöntem çözünür fraksiyonda lignin ayırır, çözünmeyen kalıntı olarak selüloz ve hemiselüloz bırakır24.
Çözünürlük esasına dayalı lignin tahmininde kullanılan benzer yöntemler tiyoglikolik asit (TGA) ve asetil bromür (AcBr)yöntemleridir 25. Hem TGA hem de asetil bromür yöntemleri, çözünür lignin emiciliğini 280 nm’de ölçerek lignin içeriğini tahmin ediyor; ancak, AcBr yöntemi lignin çözünürlüğü sürecinde xylans bozulur ve lignin içeriğinde yanlış bir artış gösterir26. Tiyoglikolat (TGA) yöntemi, TGA ile lignin benzil alkol gruplarının tiyoether gruplarıyla spesifik bağlanmaya bağlı olduğu için daha güvenilir bir yöntemdir. TGA bağlı lignin HCl kullanılarak asidik koşullar altında çökelmez ve lignin içeriğinin emiciliği 280 nm27olarak tahmin edilir. TGA yöntemi, daha az yapısal modifikasyon, çözünür bir lignin tahmini şekli, lignin olmayan bileşenlerden daha az parazit ve TGA ile spesifik bağlanma nedeniyle lignin kesin tahmini gibi ek avantajlara sahiptir.
Bu TGA yöntemi, lignin içerik tahmini için kullanılan bitki biyokütle örneğinin türüne göre değiştirilmiştir. Burada, lignin içeriğini tahmin etmek için hızlı TGA pirinç pipetleri27 yöntemini pamuklu dokulara modifiye ettik ve uyarladık. Kısaca, kurutulmuş toz bitki örnekleri proteinleri ve alkol çözünür fraksiyonunu çıkarmak için protein çözünürlüğü tamponuna ve metanol ekstraksiyonuna tabi tutuldu. Alkol çözünmeyen kalıntısı Asidik koşullarda TGA ve çökelme lignin ile tedavi edildi. Ticari bambu lignin kullanılarak lignin standart eğrisi oluşturulmuş ve bir regresyon çizgisi (y = mx+c) elde edildi. “x” değeri 280 nm’de lignin ortalama emiş değerlerini kullanırken, pamuk bitkisi biyokütle örneklerinde bilinmeyen lignin konsantrasyonunu hesaplamak için regresyon hattından “m” ve “c” değerleri girildi. Bu yöntem beş aşamaya ayrılmıştır: 1) bitki örneklerinin hazırlanması; 2) örnekleri su ve metanol ile yıkamak; 3) pelet TGA ve asit ile tedavi lignin çökeltmek için; 4) lignin yağışı; ve 5) numunenin standart eğri hazırlama ve lignin içeriği tahmini. İlk iki aşama öncelikle bitki malzemesi hazırlamaya ve ardından alkol çözünmeyen malzemeyi elde etmek için su, PSB (protein çözünürlüğü tamponu) ve metanol ekstraksiyonlarına odaklanır. Daha sonra TGA (tiyoglikolik asit) ve HCl ile tedavi edilerek üçüncü fazda lignin ile kompleks oluşturuldu. Sonunda, HCl, emiciliğini 280 nm28olarak ölçmek için sodyum hidroksitte çözünen lignin çökeltmek için kullanıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lignin bitki büyümesinde ve gelişmesinde önemli bir rol oynamaktadır ve son zamanlarda biyoyakıt, biyoenerji ve biyoürün uygulamaları için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Lignin, tüm vasküler bitki ikincil hücre duvarlarında depolanan aromatik bileşikler bakımından zengindir. Ahşap panel ürünleri, biyo dispersantlar, flokülantlar, poliüretan köpükler ve devrekartları reçinelerinde29,30,31gibi çeşitli end?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bitki ve Toprak Bilimi Bölümü ve Pamuk A.Ş.’ye bu çalışmaya verdikleri kısmi destek için teşekkür ederiz.
Materials
| BioSpectrophotometer kinetic | Eppendorf kinetic | 6136000010 | For measuring absorbance at 280 nm |
| Centrifuge | Eppendorf | 5424 | For centrifuging samples |
| Commercial bamboo lignin | Aldrich | 1002171289 | Used in the preparation of the standard curve |
| Distilled water | Fischer Scientific | 16690382 | Used in the protocol |
| Falcon tubes | VWR | 734-0448 | Containers for solutions |
| Freezer mill | Spex Sample Prep | 68-701-15 | For fine grinding of plant tissue samples |
| Heat block/ Thermal mixer | Eppendorf | 13527550 | For temperature controlled steps during lignin extraction |
| Hotplate stirrer | Walter | WP1007-HS | Used for preparation of solutions |
| Hydrochloric acid (HCL) | Sigma | 221677 | Used in the protocol |
| Incubator | Fisherbrand | 150152633 | For thorough drying of plant tissue samples |
| Measuring scale | Mettler toledo | 30243386 | For measuring plant tissue weight, standards and microfuge tubes |
| Methanol (100 %) | Fischer Scientific | 67-56-1 | Used in the protocol |
| Microfuge tubes (2 mL) | Microcentrifuge | Z628034-500EA | Containers for extraction of lignin |
| Plant biomass gerinder | Hanchen | Amazon | Used for crushing dried samples |
| pH meter | Fisher Scientific | AE150 | Measuring pH for solutions prepared for lignin extraction |
| Temperature controlled incubator/oven | Fisher Scientific | 15-015-2633 | Used in the protocol |
| Thioglycolic acid (TGA) | Sigma Aldrich | 68-11-1 | Used in the protocol |
| Vacuum dryer | Eppendorf | 22820001 | Used for drying samples |
| Vortex mixer | Eppendorf | 3340001 | For proper mixing of samples |
References
- Freudenberg, K., Neish, A. C. . Constitutionand Biosynthesis of Lignin. , 129 (1968).
- Chio, C., Sain, M., Qin, W. Lignin utilization: A review of lignin depolymerization from various aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 107, 232-249 (2019).
- Sun, Z., Fridrich, B., de Santi, A., Elangovan, S., Barta, K. Bright Side of Lignin Depolymerization: Toward New Platform Chemicals. Chemical Reviews. 118, 614-678 (2018).
- Xu, F., Sun, R. C. . Cereal Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels. , 9-47 (2010).
- Liu, Q., Luo, L., Zheng, L. Lignins: Biosynthesis and Biological Functions in Plants. International Journal of Molecular Sciences. 19, 335 (2018).
- Ithal, N., et al. Developmental transcript profiling of cyst nematode feeding cells in soybean roots. Molecular Plant-Microbe Interactions. 20, 510-525 (2007).
- Moura, J. C. M. S., et al. Abiotic and Biotic Stresses and Changes in the Lignin Content and Composition in Plants. Journal of Integrative Plant Biology. 52, 360-376 (2010).
- Vanholme, R., Morreel, K., Ralph, J., Boerjan, W. Lignin engineering. Current Opinion In Plant Biology. 11, 278-285 (2008).
- Lupoi, J. S., Singh, S., Parthasarathi, R., Simmons, B. A., Henry, R. J. Recent innovations in analytical methods for the qualitative and quantitative assessment of lignin. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 49, 871-906 (2015).
- Mendu, V., et al. Identification and thermochemical analysis of high-lignin feedstocks for biofuel and biochemical production. Biotechnology for Biofuels. 4, 43 (2011).
- Shrotri, A., Kobayashi, H., Fukuoka, A., Song, C. . Advances in Catalysis. 60, 59-123 (2017).
- Brunow, G. . Biorefineries-Industrial Processes and Products: Status Quo and Future Directions. 2, 151-163 (2008).
- Constant, S., et al. New insights into the structure and composition of technical lignins: a comparative characterisation study. Green Chemistry. , (2016).
- Shimada, N., Tsuyama, T., Kamei, I. Rapid Determination of Thioglycolic Acid Lignin for Various Biomass Samples. Mokuzai Gakkaishi. 65, 25-32 (2019).
- Li, X., Weng, J. K., Chapple, C. Improvement of biomass through lignin modification. The Plant Journal: For Cell and Molecular Biology. 54, 569-581 (2008).
- Ponnusamy, V. K., et al. A review on lignin structure, pretreatments, fermentation reactions and biorefinery potential. Bioresource Technology. 271, 462-472 (2019).
- Hatfield, R., Fukushima, R. S. Can Lignin Be Accurately Measured. Crop Science. 45, 832-839 (2005).
- Bolker, H., Somerville, N. Ultraviolet spectroscopicstudies of lignin in solid state. I. Isolated lignin preparations. Tappi Journal. 72, 826-829 (1962).
- Fergus, B. J., Goring, D. A. I. The distribution of lignin in birchwood as determined by ultraviolet microscopy. Holzforschung. 24, 118-124 (1970).
- Schultz, T. P., Templeton, M. C., McGinnis, G. D. Rapid determination of lignocellulose by diffuse reflectance Fourier transform infrared spectrometry. Analytical Chemistry. 57, 2867-2869 (1985).
- Dence, C. W., Lin, S. Y., Dence, C. W. The Determination of Lignin. Methods in Lignin Chemistry. , (1992).
- Adler, E. Lignin chemistry-past, present and future. Wood Science and Technology. 11, 169-218 (1977).
- Brinkmann, K., Blaschke, L., Polle, A. Comparison of different methods for lignin determination as a basis for calibration of near-infrared reflectance spectroscopy and implications of lignoproteins. Journal of Chemical Ecology. 28, 2483-2501 (2002).
- Pandey, M. P., Kim, C. S. Lignin Depolymerization and Conversion: A Review of Thermochemical Methods. Chemical Engineering & Technology. 34, 29-41 (2011).
- Moreira-Vilar, F. C., et al. The acetyl bromide method is faster, simpler and presents best recovery of lignin in different herbaceous tissues than Klason and thioglycolic acid methods. PLoS One. 9, 110000 (2014).
- Hatfield, R. D., Grabber, J., Ralph, J., Brei, K. Using the Acetyl Bromide Assay To Determine Lignin Concentrations in Herbaceous Plants: Some Cautionary Notes. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 47, 628-632 (1999).
- Suzuki, S., et al. High-throughput determination of thioglycolic acid lignin from rice. Plant Biotechnology. 26, 337-340 (2009).
- Nakatsubo, F., Tanahashi, M., Higuchi, T. Acidolysis of Bamboo Lignin II : Isolation and Identification of Acidolysis Products. Wood research. 53, 9-18 (1972).
- Aro, T., Fatehi, P. Production and Application of Lignosulfonates and Sulfonated Lignin. ChemSusChem. 10, 1861-1877 (2017).
- Frei, M. Lignin: Characterization of a Multifaceted Crop Component. The Scientific World Journal. 2013, 436517 (2013).
- Lora, J. H., Glasser, W. G. Recent Industrial Applications of Lignin: A Sustainable Alternative to Nonrenewable Materials. Journal of Polymers and the Environment. 10, 39-48 (2002).
- Wang, R., Zhou, B., Wang, Z. Study on the Preparation and Application of Lignin-Derived Polycarboxylic Acids. Journal of Chemistry. 2019, 5493745 (2019).
- Welker, C. M., et al. Engineering Plant Biomass Lignin Content and Composition for Biofuels and Bioproducts. Energies. 8, 7654-7676 (2015).
- Mendu, V., et al. Global bioenergy potential from high-lignin agricultural residue. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 4014-4019 (2012).
- Brinkmann, K., Blaschke, L., Polle, A. Comparison of Different Methods for Lignin Determination as a Basis for Calibration of Near-Infrared Reflectance Spectroscopy and Implications of Lignoproteins. Journal of Chemical Ecology. 28, 2483-2501 (2002).
- Moreira-Vilar, F. C., et al. The Acetyl Bromide Method Is Faster, Simpler and Presents Best Recovery of Lignin in Different Herbaceous Tissues than Klason and Thioglycolic Acid Methods. PLoS One. 9, 110000 (2014).
- Iwaasa, A. D., Beauchemin, K. A., Acharya, S. N., Buchanan-Smith, J. G. Effect of stage of maturity and growth cycle on shearing force and cell wall chemical constituents of alfalfa stems. Canadian Journal of Animal Science. 76, 321-328 (1996).
- Arai-Sanoh, Y., et al. Genotypic Variations in Non-Structural Carbohydrate and Cell-Wall Components of the Stem in Rice, Sorghum, and Sugar Vane. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. , 1105072478 (2011).
