有機廃棄物が抗酸化物質フラボノイドに変化し、栄養や医療に貢献 Organic waste turns into antioxidant flavonoids for nutrition and medicine
2023-01-30 ノースウェスタン大学
◆世界で最も豊富な有機ポリマーの一つであるリグニンは、すべての維管束植物に含まれています。細胞壁の間に存在するリグニンは、樹木などの丈夫な植物を構造的に支えています。
◆リグニンを含む炭素廃棄物を分解するバイオリファイナリーを開発するために、研究者たちはまず、微生物電解槽（MEC）を設計した。MECは、燃料電池と同様に、陽極と陰極の間でエネルギー交換を行う。しかし、ノースウェスタン大学のバイオアノードは、金属ベースのアノードの代わりに、有機物を食べて自然に電気エネルギーを生成するバクテリアの一種であるエキソエレクトロゲンで構成されています。
◆MECの魅力は、人体、農業、産業など、どんな種類の有機廃棄物でも処理できることです。MECは、廃棄物を含んだ水をバクテリアに循環させ、炭素を食べさせます。ここで、有機炭素を二酸化炭素に分解し、電子を自然呼吸させるのです。この過程で、取り出された電子はバイオ陽極から陰極（カーボンクロス製）へ流れ、そこで酸素を還元して水を生成します。その際、プロトンが消費され、水のpHが上がり、苛性溶液となる。この苛性溶液は、廃水処理などさまざまな用途に利用することができます。
◆研究者たちは、苛性物質を取り出して、リグニンに目を向けました。リグニンは、6個の炭素原子からなる環を形成する特殊な結合パターンを持つ芳香族炭素の複雑な鎖を含むため、耐久性に優れている。各芳香族環は、二重結合と単結合を交互に繰り返しており、この結合を解くのは非常に難しい。
◆しかし、リグニンにバイオベースの苛性化学物質を作用させると、リグニンのポリマーは芳香環を維持したまま分解された。処理されたリグニンの約17％は、フラボノイドと呼ばれる炭素の環に変化した。フラボノイドは、サプリメントによく含まれる抗酸化作用のある植物性栄養素である。この炭素環は、サプリメントに含まれる抗酸化物質が豊富な植物性栄養素であり、薬化学でよく使用されます。この炭素環は、安価な医薬品やサプリメントの植物由来で持続可能な前駆体として利用できる可能性があります。
◆残りのリグニン（約80%）は炭素ベースのナノ粒子となり、ヒトへの標的薬物送達や植物への標的栄養送達のための物質を包含するのに利用できる可能性がある。また、このナノ粒子は、持続可能な植物由来の日焼け止めや化粧品の代替品になる可能性もあります。
◆リグニンの処理には、市販の苛性物質を使用することも可能でしたが、MECを用いたアプローチには多くの利点があります。第一に、バイオベースのグリーンケミカルはより効果的です。第二に、より安全で安価であり、環境条件下で使用でき、必要な時点で化学物質を生成することができます。
＜関連情報＞
- https://news.northwestern.edu/stories/2023/01/biorefinery-uses-microbial-fuel-cell-to-upcycle-resistant-plant-waste/
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c03667
温和な条件下でのリグニンの価値化：フラボノイドとリグニンナノ粒子のバイオリファイニング Valorization of Lignin under Mild Conditions: Biorefining Flavonoids and Lignin Nanoparticles
Natalia Obrzut, Patricio F. F. Carnelli, Sophie Brauer, Justin M. Notestein, George F. Wells, and Kimberly A. Gray
ACS Sustainable Chemistry and Engineering Published:December 29, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c03667
Abstract
Lignin is the largest store of renewable aromatics. Due to its refractory nature, however, its chemical potential is not fully realized. Here, we propose a biorefinery where the treatment of wastewater by a microbial electrolysis cell (MEC) produces “clean” water and a caustic catholyte that can depolymerize lignin under mild conditions into two high-value product streams. We determine the MEC operating conditions to produce a depolymerization solvent and quantify solution and colloidal phase products using an array of analytical techniques. In contrast to previous reports of limited high-value product yields, we obtain discrete aromatics (monomers and flavonoids) at 17% of initial lignin mass with bulk chemical analyses (11% for identified compounds using LC–MSn). In part, our higher product yield is due to selective repolymerization to form flavonoids. We simultaneously produce lignin nanoparticles and close mass balance. Both flavonoids and lignin nanoparticles have potential applications in the pharmaceutical, nutraceutical, personal care, and agricultural industries.
