チオグリコール酸(TGA)を用いた植物バイオマスリグニン含量の推定

リグニンは、植物細胞壁の重要な耐荷重成分の1つであり、地球上で2番目に豊富なポリマー^である。化学的には、リグニンは、芳香族ポリマーの自然な再生可能な供給源を形成し、生体材料^2、3の天然の再生可能な供給源を形成する高分子量の複合フェノール化合物で構成される架橋ヘテロポリマー^である。この天然ポリマーは、植物の成長、発達、生存、機械的支持、細胞壁剛性、水輸送、鉱物輸送、宿泊抵抗、組織および臓器の開発、エネルギーの沈着、および生物および非生物^{的ストレス4、5、6、7}からの保護において重要な役割を果たす。リグニンは主に3つの異なるモノリニョールで構成される:針葉ニル、シナピルおよびp-コマリルアルコールはフェニルプロパノイド経路^8、9に由来する。リグニンの量とモノマーの組成は、植物種、組織/器官の種類、および植物の開発の異なる段階に基づいて異なります¹⁰.リグニンは、ソースとモノリグノール組成物に基づいて、針葉樹、広葉樹、および草リグニンに大別される。針葉樹は、主に4%p-コマリルと1%のシナピルアルコールと95%の針葉樹アルコールで構成されています。硬質木材は、同じ割合で針葉樹およびシナピルアルコールを有し、一方草リグニンは針葉樹、シナピルおよびp-コマリルアルコール^11、12の様々な割合で構成されている。単量体の組成は、細胞壁のリグニン強度、分解、分解、分解、ならびに分子構造、分岐、および他の多糖類^13,14との架橋を決定する際に極めて重要である。

リグニン研究は、採餌、繊維産業、製紙産業、バイオエタノール、バイオ燃料、バイオ製品の重要性を増^{しています。}各種化学方法(例えば、臭化アセチル、酸洗剤、クラソン、過マンガン酸酸化)と共に、インストゥルメンタル法(例えば、近赤外(NIR)分光法、核磁気共鳴(NMR)分光法、および紫外線(UV)分光法)を用いた^9,17。リグニンの分析方法は、一般に電磁放射、重力測定、および溶解度に基づいて分類される。電磁放射によるリグニン推定の原理は、特定の波長で光を吸収するリグニンの化学的性質に基づいていました。これらの結果は、リグニンが炭水化物よりも強いUV吸光度を有するという原理に基づいて推定された。1962年、ボルカーとサマヴィルは、塩化カリウムペレットを使用して、木¹⁸のリグニン含有量を推定しました。しかし、この方法は、非リグニンフェノール化合物の存在および適切な絶滅係数の欠如による草本サンプルからのリグニン含有量の推定に欠点がある。1970年、ファーガスとゴリングは、グアイアシルおよびシリンギル化合物吸収マキシマが280nmおよび270nmであることを発見し、ボルカーおよびサマヴィル法¹⁹の絶滅係数問題を修正した。その後、フェノールを特徴付けるための高感度技術である赤外線分光法が、少量の植物バイオマスサンプルによるリグニン推定にも用いられた。このような技術の一例は、拡散反射率フーリエ変換分光測定であった。しかし、この方法はUV法²⁰と同様の適切な標準を欠いている。その後、リグニン含有量はNIRS(近赤外分光法)およびNMR(核磁気共鳴分光法)によって推定された。しかし、これらの方法には欠点があり、リグニンの化学構造を変えない、その純度²⁰を保持する。

重量測定クラソン法は木質茎のリグニン推定のための直接かつ最も信頼できる分析方法である。重量測定リグニン推定の基礎は、非リグニン化合物の加水分解/可溶化と、重力測定²¹のための不溶性リグニンの収集である。この方法では、糖質は、濃縮_H2SO4でバイオマスの加水分解により除去され、リグニン残基^20,22を抽出する。この方法で推定されるリグニン含量は、酸不溶性リグニンまたはクラソンリグニンとして知られている。Klason法の適用は、植物種、組織タイプおよび細胞壁タイプに依存する。タンニン、多糖類、タンパク質などの非リグニン成分の可変量の存在は、酸不溶性/可溶性リグニン含量の推定における比例差をもたらす。したがって、クラソン法は、木質茎^17、23などの高リグニン含量バイオマスのリグニン推定にのみ推奨される。臭化アセチル(AcBr)、酸不溶性リグニン、チオグリコール酸(TGA)などの溶解方法は、様々な植物バイオマス源からのリグニン含有量の推定に最も一般的に使用される方法である。Kim et al. は、可溶化によるリグニン抽出のための 2 つの方法を確立した。第1の方法は、セルロースとヘミセルロースを可溶化して不溶性残基としてリグニンを抽出し、第2の方法は、リグニンを可溶性画分で分離し、セルロースとヘミセルロースを不溶性残基^として残す。

溶解度に基づくリグニン推定に用いられる類似の方法は、チオグリコール酸(TGA)および臭化アセチル(AcBr)法²⁵である。TGAおよびアセチルブロマイド法はいずれも、280nmでの可溶化リグニンの吸光度を測定することによってリグニン含有量を推定する。しかしながら、AcBr法はリグニン可溶化の過程でキシランを分解し、リグニン含量²⁶の誤った増加を示す。チオグリコレート(TGA)法は、TGAとリグニンのベンジルアルコール基のチオエーテル群との特異的結合に依存するので、より信頼性の高い方法である。TGA結合リグニンは、HClを用いて酸性条件下で沈殿し、リグニン含量は280nm27での吸光度を用いて推定される。TGA法は、構造修飾の少ない、リグニン推定の可溶性形態、非リグニン成分からの干渉が少なく、TGAとの特異的結合によるリグニンの正確な推定という付加的な利点を有する。

このTGA法はリグニン含量推定に用いられる植物バイオマス試料の種類に基づいて修飾される。ここでは、稲わらのTGA法を綿^{組織に変更} ・適応し、リグニン含有量を推定した。簡単に言えば、乾燥粉末植物試料を、タンパク質可溶化緩衝液及びメタノール抽出を行い、タンパク質およびアルコール可溶性画分を除去した。アルコール不溶性残基を、酸性条件下でTGAおよび沈殿したリグニンで処理した。市販の竹リグニンを用いてリグニン標準曲線を生成し、回帰直線(y =mx+c)を得た。「x」値はリグニンの平均吸光度値を280nmで使用し、回帰直線から「m」と「c」の値を入力して、綿花植物バイオマスサンプル中の未知のリグニン濃度を計算しました。この方法は5つの段階に分けられます: 1)植物サンプルの調製;2)水とメタノールでサンプルを洗浄;3)TGAと酸を用いてペレットを処理し、リグニンを沈殿させる。4)リグニンの沈殿;5)サンプルの標準的な曲線調製およびリグニン含有量推定。最初の2つの相は、主に、水、PSB(タンパク質可溶化バッファー)およびメタノール抽出が続く植物材料調製物に焦点を当て、アルコール不溶性物質を得る。次いで、TGA(チオグリコール酸)とHClで処理し、第3相においてリグニンと複合体を形成した。最後に、HClを使用してリグニンを沈殿させ、水酸化ナトリウムに溶解して^280nm28で吸光度を測定した。