对柳枝稷(switchgrass)和白杨结构的新洞见激发了大家的讨论,可能会导致更有效的方法来把生物质转化成生物燃料。
研究人员来自美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)和乔治亚理工学院(Georgia Tech),他们使用微角度中子散射,来探测柳枝稷木质纤维素酸化预处理的结构性影响。预处理是提取纤维素的一个重要步骤,纤维素通过一系列酶催化(enzymatic)程序转化成糖,然后再转化成乙醇。研究结果刊登在《生物大分子》(Biomacromolecules)杂志上,可以帮助科学家确定最有效的预处理策略,降低生物质转化过程的成本。
“我希望这篇论文以及随后对我们观察的讨论,将使人们更好地理解木质纤维素分解的复杂机制,”研究报告的撰写者之一、橡树岭国家实验室化学科学部的沃尔克•乌尔班(Volker Urban)说。
一个关键的发现是,土生土长的柳枝稷经热稀释硫酸预处理后会发生形态学上的重大变化。数据表明,柳枝稷材料在长度稍大于1000埃(Angstrom:一亿分之一厘米)的尺寸表现非常相似,在较短长度,材料表现就大相径庭。一埃大约等于1/10纳米。
确切地说,乌尔班和他的同事发现,纤维素元纤(fibril)水晶部分的直径,从处理前的大约21埃增加到处理后的 42埃。他们也知道,木质素同时经历了再分配过程,形成聚合物(aggregates)或微滴(droplets),有 300埃至400埃大小。
“我们的研究表明,热稀硫酸预处理有效减少了固性(recalcitrance),因为它使酶更容易接近纤维素,这需要木质素再分配和消除半纤维素。”乌尔班说。固性指的是植物的一种坚固性,或者说对化学分解的天然抵抗。
不幸的是,纤维素微原纤维直径的明显增加可能表明纤维素再退化(re-annealing),这可能起相反作用,会限制稀硫酸预处理方法的效率,研究人员说。
“最后,能从不同的本土和预处理生物质样品提取有意义的结构信息,就能够评估各种不同的预处理方案,以便于低成本地生产生物燃料。”乌尔班说。
微小角度中子散射措施被用于橡树岭国家实验室高通率同位素反应器(High Flux Isotope),其分析采用的是统一匹配方法(unified fit approach),这是一种数学模型,可同时评估不同层次的分层结构,这些结构都存在于生物质中。
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