Increasing the Carbohydrate Output of Bamboo Using a Combinatorial Pretreatment

半纤维素 木质素 化学 纤维素 木糖 木二糖 木聚糖 凝胶渗透色谱法 酶水解 水解 解聚 色谱法 木聚糖酶 有机化学 聚合物 发酵
作者
Chen Huang,Guigan Fang,Yang Zhou,Xinghu Du,Longxiang Yu,Xianzhi Meng,Mi Li,Chang Geun Yoo,Bingwei Chen,Shengcheng Zhai,Qiyuan Guan,Qiang Yong,Arthur J. Ragauskas
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:8 (19): 7380-7393 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c01126
摘要

Bamboo represents a family of highly lignified biomass with significant resistance to cellulolytic enzyme degradation, and typically, a severe thermochemical pretreatment is needed to overcome its recalcitrance for producing fermentable sugars. Combinatorial pretreatments with a low holding temperature and low alkali dosage were investigated in this study in an attempt to remove the impediments to the accessibility of bamboo cellulose to enzymes and enable the efficient conversion of hemicellulose. Upon autohydrolysis at 180 °C, more than half of the hemicellulose (∼58%) was solubilized, contributing to further delignification in the subsequent dilute alkali extraction (DAE). The solubilized hemicellulose mainly existed in the form of soluble xylan, which, after a novel endo-β-1,4-xylanase hydrolysis, generated a large amount of xylo-oligosaccharides with the xylobiose and xylotriose proportion reaching 72.99%. After the fractionation with combinatorial pretreatments, cellulose and xylose enzymatic hydrolysis yields were 73.36 and 86.98%, respectively, representing increments of 22.42 and 43.15% compared with the sole autohydrolysis process. Fluorescence microscopy (FM) and confocal Raman microscopy (CRM) images revealed that these dramatic improvements were caused by the deconstruction of the bamboo cell walls, including separation of the adjacent cell walls, removal of hemicellulose and lignin, migration and redistribution of lignin, and the increased exposure of cellulose. In addition, lignin chemical structure variations during the combinatorial pretreatment were analyzed with gel permeation chromatography (GPC), 2D HSQC NMR, and 31P NMR, and the correlation between the lignin structure and enzymatic hydrolysis efficiency was investigated. In summary, this study highlighted the application of combinatorial pretreatments to maximize the carbohydrate output of bamboo and unveiled their mechanism that enabled the high-efficiency utilization of bamboo.
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