リグニン

Nature Communications volume 14、記事番号: 4866 (2023) この記事を引用

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リグノセルロース系バイオリファイナリー産業は、世界的なカーボンネットゼロ目標の達成に重要な貢献をすることができます。 しかし、廃棄リグニンの価値化が低いため、バイオリファイナリーの持続可能性が大きく制限されます。 水熱反応を利用して、硫酸リグニン（SAL）を水溶性熱水SAL（HSAL）に変換しました。 ここでは、HSAL の金属キレート能力による植物栄養素の生物学的利用能と成長に対する HSAL の改善を示します。 我々は、HSAL のメトキシ基に対するフェノール性ヒドロキシル基の比率が高いこと、および金属イオンをキレート化する能力を特徴づけます。 HSAL を適用すると、栄養素の生物学的利用能が向上するため、単子葉植物と双子葉植物の両方の根の長さと植物の成長が大幅に促進されます。 HSAL を介した鉄の生物学的利用能の増加は、よく知られている金属キレート剤であるエチレンジアミン四酢酸に匹敵します。 したがって、HSAL は、バイオリファイナリー産業からの廃棄リグニンの持続可能な利用のための魅力的な手段を提供する持続可能な栄養素キレート剤となることが期待されます。

バイオマス精製セクターは持続可能なバイオエコノミーの重要な要素を表しており、急速に発展しています1。 リグノセルロース系バイオマスは、年間収量約 2,000 億トンで人間の食料や動物の飼料と競合しないため、バイオ燃料やその他の製品の原料を精製するのに理想的なバイオマスと考えられています2。 リグニンは、リグノセルロースバイオマスに含まれる全炭素の 15 ～ 40% を占めます3。 リグニンは、天然芳香族ポリマーの最大の供給源でもあり、多くのバイオベース製品の出発原料として大きな可能性を秘めています4。 しかし、リグニンは複雑で変化しやすい結合をもつ不均一な化学構造のため、通常、好ましくない干渉因子とみなされ、生物精製システムから廃棄物として排出されます5。 さらに、リグニンの大部分は分離されず、むしろ現場で燃焼されるため、リグノセルロース系バイオマス精製から最も顕著な炭素排出がもたらされます6。 バイオマス精製産業におけるこの非効率性を克服するために、熱分解、塩基触媒または酸触媒による水素化分解、酸化などのさまざまな技術がリグニンの高価値化のために開発されてきました。 現在のリグニン評価製品には、低コストの炭素繊維、植物由来のプラスチック、代替燃料、汎用化学品が含まれます6。 しかし、これらのリグニン由来原料は工業用リグニン全体（5,000万トン）の約2％に過ぎず、急速に増加する工業用リグニン量に対応するのは困難です7。 この産業用リグニンを利用するための持続可能なルートがなければ、バイオマス精製産業は、相当量のリグニンを有効活用する機会を逃しながら、依然として CO2 排出と廃棄物の相当な発生源となるでしょう8。

隠れた飢餓または微量栄養素の栄養失調は、世界人口の約 3 分の 1 に影響を与えています。 これは主に、これらの人々が主に摂取する高カロリーの主食作物に含まれる鉄、カルシウム、亜鉛などの微量栄養素が不足していることが原因です9。 隠れた飢餓を減らすための極めて重要なアプローチは、農業技術や生物強化を通じてこれらの主要作物の微量栄養素を増やすことです10。 鉄欠乏は、隠れた飢餓の最も大きな原因の 1 つです11。 これは、表層の耕地面積の 25 ～ 40% を占めるアルカリ性土壌における鉄の生物学的利用能が低いためです。土壌中の鉄の生物学的利用能が低いと、作物の収量が大幅に減少するだけでなく、食用作物における鉄の蓄積の潜在的な増加も制限されます 12。 窒素やリン酸塩などの主要栄養素の過剰摂取と大気中の CO2 レベルの上昇により、食用作物における微量栄養素欠乏はさらに深刻になっています13。 これに対抗するために、エチレンジアミン四酢酸（EDTA）などの化合物を肥料添加物として使用して、金属イオンの生物学的利用能を効果的に改善し、食用作物における金属栄養素の蓄積を高めることができます14。 しかし、これらの肥料添加剤は高価であり、非生分解性であるため、重金属汚染を引き起こすため、重大な環境破壊を引き起こす可能性があります15。 リグニンには、脂肪族ヒドロキシル基、カルボニル基、フェノール性ヒドロキシル基などのいくつかの活性官能基と、酸素原子上の非共有電子対があり、これらはすべて金属イオンのキレート化に関与しています。 天然のリグニン由来の化合物は、腐植物質の最大の供給源です16。 土壌中のフミン物質は天然のキレートであり、金属栄養素の生物学的利用能を高め、植物の金属栄養素欠乏表現型の回避に貢献します17。 リグノスルホン酸は、リグノスルホン酸鉄 18 の合成にも使用されています。 総合すると、これは、リグニン由来の材料が金属キレート剤として使用され、栄養素の生物学的利用能を向上させる可能性があることを示しています。 しかし、工業用リグニンの肥料への添加は、リグニンの価値化の分野ではあまり注目されませんでした19。