Chemistry of lignin and hemicellulose structures interacts with hydrothermal pretreatment severity and affects cellulose conversion

半纤维素 木质素 纤维素 木聚糖 化学 稻草 水解 生物转化 细胞壁 异核分子 多糖 农学 食品科学 生物化学 有机化学 核磁共振波谱 生物 无机化学 发酵
作者
Parveen Kumar Deralia,Anders B. Jensen,Claus Felby,Lisbeth Garbrecht Thygesen
出处
期刊:Biotechnology Progress [American Chemical Society]
卷期号:37 (5) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/btpr.3189
摘要

Understanding of how the plant cell walls of different plant species respond to pretreatment can help improve saccharification in bioconversion processes. Here, we studied the chemical and structural modifications in lignin and hemicellulose in hydrothermally pretreated poplar and wheat straw using wet chemistry and 2D heteronuclear single quantum coherence nuclear magnetic resonance (NMR) and their effects on cellulose conversion. Increased pretreatment severity reduced the levels of β─O─4 linkages with concomitant relatively increased levels of β─5 and β─β structures in the NMR spectra. β─5 structures appeared at medium and high severities for wheat straw while only β─β structures were observed at all pretreatment severities for poplar. These structural differences accounted for the differences in cellulose conversion for these biomasses at different severities. Changes in the hemicellulose component include a complete removal of arabinosyl and 4-O-methyl glucuronosyl substituents at low and medium pretreatment severities while acetyl groups were found to be relatively resistant toward hydrothermal pretreatment. This illustrates the importance of these groups, rather than xylan content, in the detrimental role of xylan in cellulose saccharification and helps explain the higher poplar recalcitrance compared to wheat straw. The results point toward the need for both enzyme preparation development and pretreatment technologies to target specific plant species.
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