Abstract Secondary cell wall is the most abundant biomass produced by plants. Plant secondary cell wall is composed of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin, a phenolic polymer that hinders the degradation of cell wall polysaccharides to simple sugars destined for fermentation to bio-ethanol. Cell wall biosynthesis pathway-specific biomass engineering offers an attractive 'genetic pretreatment' strategy to improve bioenergy feedstock. Recently, we found a transcription factor, MYB7, which is a transcriptional switch that may turns off the genes necessary for lignin biosynthesis. To gain insights into MYB7 mediated transcriptional regulation, we first established a dominant suppression system in Arabidopsis by expressing MYB7-SRDX. Then we used a transient transcriptional activation assay to confirm that MYB7 suppress the transcription of the lignin biosynthetic gene. Taken together, we conclude that MYB7 function as a repressor of the genes involved in the lignin biosynthesis.
The objective of this work was to investigate the feasibility of acid-catalyzed hydrothermal fractionation for maximum solubilization of the hemicellulosic portion of two typical agricultural residues. The fractionation conditions converted into combined reaction severity (CS) in the range of 1.2-2.9 was used to establish a simple reaction criteria at glance. The hemicellulosic sugar yield of 56.6% was shown when rice straw was fractionated at the conditions at the conditions; 160 ℃ of temperature 0.75% (w/v) of H2SO4, 20 min of reaction time, 1:15 solid/liquid ratio. The hemicellulosic sugar yield of 83.0%, however, was achieved when barley straw was fractionated at the conditions at the conditions; 150 ℃ of temperature 0.75% (w/v) of H2SO4, and 15 min of reaction time, 1:10 solid/liquid ratio. For barley straw, acid-catalyzed hydrothermal fractionation could be effectively performed. After the fractionation process, the remaining fractionated solids were 48.5% and 57.5% from raw rice and barley straws, respectively. The XMG contents in the solid residues decreased from 17.3% and 17.6% to 6.0% and 2.6%, which corresponded to 16.7% and 8.5% on the basis of the raw straws, respectively. In another way, only 5.6% of cellulose and 8.5% of XMG were lost due to excessive decomposition during the acid-catalyzed hydrothermal fractionation of barley straw, compared to cellulose and XMG losses of 6.4% and 26.6% in rice straw. Hemicellulosic sugars from the rice straw were considered more over-decomposed due to the somewhat higher reaction severity at the acid-catalyzed hydrothermal fractionation.
This study was conducted to produce oligosaccharides from buckwheat hull by using commercial enzymes. Yields of oligosaccharides obtained by enzymatic hydrolysis of the cellulose and hemicellulose fractions were 132.37 and 393.04 g/kg, respectively. Xylose, glucose, fructose, xylobiose, xylotriose, cellobiose, and cellotriose were detected in the hydrolysate produced from buckwheat hull. Antioxidant activity of oligosaccharide from cellulose fraction (OSC) reduced with increasing hydrolysis time; however, the antioxidant activity of oligosaccharide from hemicellulose fraction (OSF) increased as the hydrolysis time was prolonged. OSF and OSC showed higher increase in viable counts compared to the control. As a result, oligosaccharides produced from buckwheat hull by enzymatic hydrolysis showed antioxidant activity and prebiotic effects. It is suggested that utilization of oligosaccharides produced from buckwheat hull as functional food materials may be improved when hydrolysis time and conditions are controlled for this purpose.
Kim, Jin-Gook;Piao, Yilong;Chun, Jong-Pil;Kataoka, Ikuo;Hwang, Yong-Soo
Korean Journal of Agricultural Science
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v.36
no.1
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pp.1-10
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2009
The characteristics of fruit ripening and cell wall modifications of two oriental pear fruits were compared during storage. The loss of fresh weight was lower in 'Pingguoli' than 'Niitaka', probably due to the difference in wax accumulation and skin structure. 'Pingguoli' produced much higher amount of ethylene and showed climacteric ripening pattern, but this response was not found in 'Niitaka'. A significant difference in soluble pectin contents was found, thus, the amount of water soluble pectins were much higher in 'Niitaka' at harvest but this difference was not significant at later stage of storage. A severe loss of water soluble pectins in 'Niitaka' was confirmed whereas a similar tendency was not found in CDTA soluble ones. Even the amount of $Na_2CO_3$ soluble pectins was relatively low, 'Pingguoli' contained approximately 2 times higher than 'Niitaka' and both cultivars showed an increasing tendency in $Na_2CO_3$ soluble polymers at later stage of storage. No significant difference in alkali soluble polysaccharides (hemicelluloses fraction) was found between both cultivars. There was a significant change in gel filtration profiles regardless of cultivars, especially in water soluble pectins resulting from severe depolymerization probably due to degradation of higher molecular weight pectins and loss of their side chains. In gel filtration profiles of $Na_2CO_3$ soluble pectins, neutral sugars were evenly distributed regardless of molecular size of pectic polymers but the decrease of high molecular weight fraction was found. In comparison of alkali soluble polymers, a similar trend was found, that is, there was no difference in gel filtration profiles but 'Niitaka' seemed to have longer side chains in alkali soluble polysaccharides in both 4% and 24% of KOH soluble fractions.
Switchgrass was selected as a promising biomass resource for bioethanol production through popping pretreatment, enzymatic saccharification and fermentation using commercial cellulase and xylanase, and fermenting yeast. The reducing sugar yields of popping pretreated switchgrass after enzymatic saccharification were above 95% and the glucose in thesaccharificaiton solution to ethanol conversion rate after fermentation with $Saccharomyces$$cerevisiae$ was reached to 89.6%. Chemical compositions after popping pretreatment developed in our laboratory were 40.8% glucose and 20.3% xylose, with much of glucose remaining and only xylose decreased to 4.75%. This means that the hemicelluloses area broke off during popping pretreatment. FE-SEMexamination of substrate particles after popping pretreatment was showed fiber separation, and tearing and presence of numerous micro pores. These changes help explain, enhanced enzymatic penetration resulting in improved hydrolysis of switchgrass particles after popping pretreatment.
This study was conducted for the production of water-soluble dietary fiber (SDF) from buckwheat hulls by using Celluclast or Viscozyme. The functionality of this SDF, including antioxidant activity, glucose- and bile acid-retardation effects in vitro, was measured. SDF yields from cellulose and hemicellulose fractions were 60.5 and 123.7 g/kg dry matter, respectively. Analysis of molecular weight distribution of SDF by using gel chromatography showed that SDF degradation increased with increase in reaction time. The antioxidant activity of SDF obtained by enzymatic hydrolysis was higher than that of dietary fiber without enzyme treatment. SDF showed higher retardation effects on glucose and bile acid than the sample without dietary fiber did. The results of this study suggested that SDF produced from buckwheat hull by enzymatic hydrolysis is a good source of functional food material because of its high antioxidant activity and glucose- and bile acid-retardation effects.
To overcome the depletion of fossil fuels and environmental problems in future, the research and production of biofuels have attracted attention largely. Thermophilic microorganisms produce effective and robust enzymes which can hydrolyze plant biomass and survive under harsh bioprocessing conditions. Caldicellulosiruptor bescii, which can degrade unpretreated plants and grow on them, is the one of the best candidates for consolidated bioprocessing (CBP). C. bescii can hydrolyze pectin efficiently as well as the major plant cell wall components, cellulose and hemicelluloses. Many glycosyl hydrolases and carbohydrate lyases with multidomain structure play an important role in plant biomass decomposition. Recently genetic tools for metabolic engineering of C. bescii have developed and bioethanol production from unpretreated biomass is achieved in C. bescii. Here, we review the recent studies for biomass degradation by C. bescii and bioethanol production in C. bescii in order to provide information about metabolic engineering of themophilic bacteria and biofuel development.
The world demand of ethanol as an alternative fuel for gasoline is increasing rapidly because of high oil price and global climate change. Most of ethanol is currently produced from corn grain or sugars in sugarcane and sugar beet. Because these sources compete with foods and animal feed and are not expected to be enough for future demand of ethanol. Thus, cellulosic ethanol from agricultural residues or wood has to be commercialized in near future. Typical cellulosic ethanol production consists of pretreatment, enzyme hydrolysis, fermentation and product separation. This paper reviews the principles and status of each step and discusses issues for cellulosic ethanol production.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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v.20
no.2
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pp.36-43
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2012
Objective of this study was to investigate the effects of pre-treatment of rice straw by sizes(3cm, milled), temperatures($35^{\circ}C\;and\;55^{\circ}C$), with/without NaOH treatment, and RPM on the characteristics of volatile fatty acids production. The concentration of total volatile fatty acids (TVFAs) was increased with the hydrolyzed time. Concentration of VFAs in milled rice straw was higher than that in 3 cm cut. With the alkali treatment, the concentration of TVFAs were sharply increased, which showed 3 times higher than non-treatment. Concentration of VFAs was high at 150 rpm at $35^{\circ}C$, and at 80rpm and 200 rpm at $55^{\circ}C$. Among them acetic acid was dominant, which showed the similar increase with TVFAs. It was also observed that in the case of fibrous material, the contents of cellulose and hemi-cellulose were reduced a little, but no change in lignin.
쌀을 주식으로 하는 우리나라의 여건상 연간 추정치로 싸라기 약 12만톤, 미강 약 49만톤, 왕겨 약 79만톤의 벼 도정 부산물이 발생하고 있다. 본 연구에서는 벼 도정 부산물 중 비식량 자원인 왕겨를 대상으로 고효율 효소 당화를 위한 바이오매스 전처리 방법을 탐색하였다. 왕겨 원시료의 초기 조성은 셀룰로스 34.5%, 헤미셀룰로스 20.5%, 리그닌 25.3%, 회분 14.6%로 나타났는데, 억새 등 초본계 바이오매스와 비교하여 특이하게 높은 성분은 회분으로 이는 벼에 대한 규산질 비료의 시용에서 기인한 것이다. 바이오매스 전처리에 많이 사용되는 암모니아, 희황산 용매와 규산염에 침식성을 가지는 가성소다 용매를 이용하여 각 용매별 단독 및 알칼리-산 복합 처리 하였을 때 효소 가수분해 효율, 고상시료 성분변화 등을 상호 비교하였다. 예비실험을 통하여 암모니아 처리조건은 15%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 가성소다 처리조건은 1.5%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 희황산 처리조건은 1.0%(w/w) $150^{\circ}C$ 10분으로 설정하였다. 암모니아 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합 처리 시료의 효소 가수분해 효율은 각각 37.8%, 39.1%, 42.8%로 약 40%선에서 큰 차이가 없었다. 반면 가성소다 단독, 가성소다-희황산 복합 처리시료의 효소 가수분해 효율은 각각 62.7%, 82.8%로 나타나 앞선 3가지 처리방법 대비 50%, 100%에 가까운 효소 가수분해 효율 향상을 보였다. 이 때 전처리 고상시료의 성분 변화를 살펴보면 회분 함량에서 큰 차이를 보였는데 암모니아 단독, 가성소다 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합, 가성소다-희황산 복합 처리에서 각각 47.8%, 77.1%, 43.5%, 55.8%, 94.7%의 회분 성분 기각률(rejection rate)을 나타냈다. 이는 왕겨 효소 가수분해 효율의 최대 저해요인이 회분임을 추정할 수 있다. 왕겨 전처리 알칼리 용매는 암모니아보다 가성소다가 더 효과적이었고 희황산 복합 처리시 그 효과가 크게 상승하였다. 따라서 규산염(회분) 함량이 높은 바이오매스는 고온 고압 조건에서 가성소다 용액으로 처리한 후 그 고상분을 희황산 용액으로 복합 처리하는 시스템이 효소 당화 증진에 매우 유리함을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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