Identification and quantitation of degradation products in corn stover hydrolyzate for the biofuels industry

Význam tématu

Analýza biodegradačních produktů v hydrolyzátu z kukuřičného stonku je klíčová pro bioenergetický průmysl. Tyto vedlejší látky brzdí kvasné procesy a snižují výtěžek etanolu. Znalost jejich typu a koncentrace umožňuje optimalizovat předúpravu biomasy a rozhodnout o přerušení fermentace včas.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyvinout rychlou a přesnou metodu pro profilování a kvantifikaci fenolických inhibičních sloučenin v kukuřičném stonkovém hydrolyzátu. Studie se zaměřila na devět referenčních fenolických látek a identifikaci dalších potenciálních inhibitorů pomocí LC-MS/MS.

Použitá metodika

Vzorky hydrolyzátu byly dvakrát extrahovány ethylacetátem, vysušeny dusíkem a rekonstituovány v mobilní fázi. Pro detekci fenolických látek byly optimalizovány MRM přechody, v případě nedostatečné citlivosti byla použita SIM měření. Kvantifikace proběhla metodou standardního přídavku, neboť nebyl k dispozici vhodný blank.

Použitá instrumentace

• Systém: UHPLC-MS/MS Nexera-LCMS8040
• Mobilní fáze A: 0,1 % kyselina mravenčí ve vodě; B: 0,1 % kyselina mravenčí v acetonitrilu
• Gradient: 0–1 min 0 % B, 7 min 20 % B, 9 min 85 % B, reekvilibrace do 12 min
• Kolona: Synergi Hydro-RP 2,5 µm 100 × 2,0 mm, teplota 40 °C
• Průtok: 0,4 mL/min, tlak ~3400 psi
• Injekční objem: 10 µL

Hlavní výsledky a diskuse

Kvantifikace devíti fenolických inhibitorů byla úspěšná v rozmezí 10,9–8000 ng/mL s R2 ≈ 0,999. V hydrolyzátu byly zjištěny koncentrace např. 5-HMF (242 ng/mL), hydroxybutyrická kyselina (291 ng/mL) a syringaldehyd (14,4 ng/mL). Dvanáct dalších potenciálních inhibitorů bylo na základě relativních retenčních časů a fragmentačního chování tentativně identifikováno.

Přínosy a praktické využití metody

• Rozšířený monitoring fenolických a alifatických inhibitorů bez nutnosti chromoforů.
• Možnost rozhodnutí o ukončení fermentace při dosažení kritických koncentrací.
• Jednoduché vzorkování a zpracování bez použití vnitřních standardů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Bude žádoucí nákup a integrace analytických standardů pro potvrzení nově identifikovaných látek. Rozšíření metodiky na online monitoring fermentačních tanků a automatizaci přípravy vzorků zvýší efektivitu kontroly kvality bioetanolu. V budoucnu lze kombinovat s dalšími detektory pro objasnění mechanismu vzniku inhibitorů.

Závěr

Vyvinutá LC-MS/MS metoda umožňuje spolehlivě detekovat a kvantifikovat široké spektrum inhibičních látek v kukuřičném stonkovém hydrolyzátu. To přispívá k optimalizaci procesů výroby druhé generace bioetanolu a minimalizaci ztrát při fermentaci.

Reference

Sharma L. N. Identification and Quantitation of Potential Fermentation Inhibitors in Biomass Pretreatment Hydrolyzate Using HPLC in Combination with UV Detection and Tandem MS. Ph.D. dizertace, Baylor University, Waco, TX, 2009.