استخراج اللجنين فائق السرعة من بقايا ليغنوسيلولوسيك البحر الأبيض المتوسط غير عادية
Summary
المعالجة المسبقة العميقة القائمة على المذيبات eutectic ، بمساعدة الميكروويف هي عملية خضراء وسريعة وفعالة للكسر الليجنسيلوزي واستعادة اللجنين عالية النقاء.
Abstract
المعالجة المسبقة لا تزال الخطوة الأكثر تكلفة في عمليات التحلل الحيوي lignocellulosic. ويجب أن تكون فعالة من حيث التكلفة عن طريق تقليل الاحتياجات الكيميائية وكذلك استهلاك الطاقة والحرارة واستخدام المذيبات الصديقة للبيئة. المذيبات eutectic العميق (DESs) هي المذيبات الرئيسية والخضراء ومنخفضة التكلفة في المقومات الحيوية المستدامة. وهي خليط شفاف يتميز بانخفاض نقاط التجمد الناتجة عن مانح واحد على الأقل لسندات الهيدروجين ومقبول واحد لسندات الهيدروجين. على الرغم من أن DESs تعد المذيبات، فمن الضروري الجمع بينها مع تكنولوجيا التدفئة الاقتصادية، مثل إشعاع الميكروويف، لتحقيق ربحية تنافسية. إشعاع الميكروويف هو استراتيجية واعدة لتقصير وقت التدفئة وزيادة الكسر لأنه يمكن أن يحقق بسرعة درجة الحرارة المناسبة. وكان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير خطوة واحدة، وطريقة سريعة لتفتيت الكتلة الحيوية واستخراج اللجنين باستخدام مذيب منخفض التكلفة وقابل للتحلل الحيوي.
في هذه الدراسة، تم إجراء المعالجة المسبقة DES بمساعدة الميكروويف لمدة 60 s في 800 W، وذلك باستخدام ثلاثة أنواع من DESs. تم إعداد مخاليط DES بسهولة من كلوريد الكولين (ChCl) وثلاثة متبرعين بسندات الهيدروجين (HBDs): حمض أحادي الكاربوكسيليك (حمض اللاكتيك) وحمض ديكاربوكسيليك (حمض الأوكسيليك) واليوريا. وقد استخدم هذا المعالجة المسبقة كتجزئة الكتلة الحيوية واستعادة اللجنين من المخلفات البحرية (أوراق بوسيدونيا وأيغاغروبيل)، ونواتج الأغذية الزراعية الثانوية (قذائف اللوز وبوماس الزيتون)، ومخلفات الغابات (الصنوبر)، والأعشاب الليجنوسيلولوسية المعمرة(ستيبا تيناسيما). وأجريت تحليلات أخرى لتحديد الغلة والنقاء وتوزيع الوزن الجزيئي لللجنين المسترد. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحديد تأثير DESs على المجموعات الوظيفية الكيميائية في اللجنين المستخرج من خلال التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR) لتحويل فورييه. وتشير النتائج إلى أن خليط حمض ChCl-oxalic يوفر أعلى نقاء اللجنين وأقل عائد. وتبين هذه الدراسة أن عملية الميكروويف DES هي تكنولوجيا فائقة السرعة والكفاءة وتنافسية من حيث التكلفة لعملية تجزئة الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية.
Introduction
عمليات التجقيم البيولوجي المستدامة تدمج معالجة الكتلة الحيوية، وتجزئةها في جزيئات ذات أهمية، وتحويلها إلى منتجات ذات قيمة مضافة1. في الجيل الثاني من إعادة اكتشاف الحيوانات، يعتبر المعالجة المسبقة ضرورية يجزئ الكتلة الحيوية إلى مكوناتها الرئيسية2. وقد طبقت على نطاق واسع طرق المعالجة المسبقة التقليدية التي تستخدم الاستراتيجيات الكيميائية أو الفيزيائية أو البيولوجية3. ومع ذلك ، يعتبر هذا المعالجة المسبقة الخطوة الأغلى في التجريب الحيوي ولها عيوب أخرى مثل وقت المعالجة الطويل ، وارتفاع الحرارة واستهلاك الطاقة ، والشوائب المذيبات4. في الآونة الأخيرة ، ظهرت DESS ، التي تشبه خصائصها تلك السوائل الأيونية3، كمذيبات خضراء بسبب مزايا مثل التحلل الحيوي ، والملاءمة للبيئة ، وسهولة التركيب ، والتعافي بعد العلاج5.
DESs هي خليط من واحد على الأقل HBD، مثل حمض اللبنيك، حمض ماليك، أو حمض الأوكسيليك، ومقبول السندات الهيدروجين (HBA) مثل البيتين أو كلوريد الكولين (ChCl)6. تمكن تفاعلات HBA-HBD من آلية تحفيزية تسمح بانشقاق الروابط الكيميائية ، مما يسبب تجزئة الكتلة الحيوية وفصل اللجنين. وقد أبلغ العديد من الباحثين عن المعالجة المسبقة المستندة إلى DES ل المواد الأولية الليجنوسيلولوسية مثل ChCl-glycerol على كوب الذرة وstover7،8، ChCl-urea ، وحمض ChCl-oxalic على قش القمح9، حمض ChCl-lactic على نشارة الخشب الأوكالبتوس 10، وحمض ChCl-الخليك11 و ChCl-الإيثيلين غليكول على الخشب11. لتحسين كفاءة DES ، يجب الجمع بين المعالجة المسبقة ومعالجة الميكروويف لتسريع تجزئة الكتلة الحيوية5. وقد أبلغ العديد من الباحثين مثل هذا المعالجة المسبقة مجتمعة (DES والميكروويف) من الخشب8 وstover الذرة, switchgrass, وMiscanthus5, الذي يوفر نظرة جديدة في قدرة DESs للكسر lignocellulosic واستخراج اللجنين في خطوة واحدة سهلة على مدى فترة قصيرة.
اللجنين هو جزيء فينولي يسمر كمادة خام لإنتاج البوليمرات الحيوية ويقدم بديلا لإنتاج المواد الكيميائية مثل مونومرات العطرية وoligomers12. بالإضافة إلى ذلك ، اللجنين لديه أنشطة امتصاص مضادات الأكسدة والأشعة فوق البنفسجية13. وقد ذكرت العديد من الدراسات تطبيقات اللجنين في مستحضرات التجميل14،15. وقد أدى دمجها في منتجات واقية من الشمس التجارية إلى تحسين عامل الحماية من الشمس (SPF) للمنتج من SPF 15 إلى SPF 30 مع إضافة 2 wt ٪ فقط من اللجنين وحتى SPF 50 مع إضافة 10 wt ٪ lignin16. تصف هذه الورقة نهجا فائق السرعة لانشقاق اللجنين والكربوهيدرات ، بمساعدة المعالجة المسبقة المشتركة ل DES-microwave للكتلة الحيوية المتوسطية. وتتألف هذه الكتلة الحيوية من منتجات ثانوية للأغذية الزراعية، ولا سيما بوماس الزيتون وقذائف اللوز. وكانت الكتلة الأحيائية الأخرى التي تم التحقيق فيها هي تلك التي من أصل بحري (أوراق بوسيدونيا وأيغاغروبيل) وتلك التي نشأت من غابة (الصنوبر والأعشاب البرية). كان تركيز هذه الدراسة على اختبار المذيبات الخضراء منخفضة التكلفة لتقييم آثار هذا المعالجة المسبقة المشتركة على تجزئة المواد الخام ، والتحقيق في تأثيرها على نقاء اللجنين والغلة ، ودراسة آثاره على الأوزان الجزيئية والمجموعات الوظيفية الكيميائية في اللجنين المستخرج.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان لهذه الدراسة أهداف عديدة؛ وكان أولها إعداد واستخدام المذيبات الخضراء منخفضة التكلفة مع خصائص كل من السوائل الأيونية والمذيبات العضوية. وكان الهدف الثاني هو تجزئة الكتلة الحيوية واستخراج اللجنين في خطوة واحدة، دون الحاجة إلى خطوات أولية مثل استخراج المواد القابلة للاستخراج باستخدا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
عضو الكنيست والسل يشكر هيثم أيب على التحليلات الإحصائية وإعداد الأرقام، ومنطقة والون (التنمية الإقليمية الأوروبية- VERDIR) ووزير التعليم العالي والبحث العلمي (توفيق بيتهيب) للتمويل.
Materials
| 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, &. #. 3. 5. 2. ;., 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. Lignin for white natural sunscreens. International Journal of Biological Macromolecules. 122, 549-554 (2019).
- 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).
