バイオマス由来の糖を、酵素的に異性化したケトース中間体を介してHMF/Furfuralに同時にアップグレードする

背景：最近、バイオマス由来の糖を燃料/化学物質に変換する発酵または化学経路の調査は、多くの研究者から多くの関心を集めています。私たちは、5-ヒドロキシメチル毛皮（HMF）および毛皮中間体を介して混合糖からの炭化水素経路を調査しています。この目標を達成するには、最初にグルコースとキシロースをHMFとFurfuralに有利な収量で変換する必要があります。HMF/Furfuralを生成する現在のプロセスには、一般に、二相系またはイオン液体などの溶媒での酸触媒の使用が含まれます。ただし、グルコースを変換することからHMFへの収率は、キシロースからの毛皮の収率よりも低くなっています。 結果：この研究では、ケトース中間体、すなわちフルクトースとキシルロースを介して、グルコースとキシロースをHMFとフルフラルに同時に変換する効率的な化学経路を提示します。酵素異性化では、ケトスと複合体に結合ナトリウムを添加することにより、キシロース変換は91％の変換で2時間後に平衡に達し、4時間後にグルコース変換は84％に達しました。酵素的にケトースにアルドーゼを異性化することにより、HMFおよびフルフラルに対する以下の脱水反応は、低プロセス温度（つまり、110-120°C）で糖の副反応を最小限に抑え、フミンとカルボキシル酸とカルボキシル酸への分解を制限することができます。。120°C、pH 0.5、および15分間の反応時間で、混合ケトース糖は、それぞれ77％と96％の収量でHMFとFurfuralに変換されました（開始アルドース濃度に基づいて）。 結論：まとめると、我々の結果は、この生物学的および化学的プロセスを組み合わせて、バイオマス由来のグルコースとキシロースをHMFとフルフラルに同時に変換するための効果的な経路であることを示しています。

BACKGROUND: Recently, exploring fermentative or chemical pathways that convert biomass-derived sugars to fuels/chemicals has attracted a lot of interest from many researchers. We are investigating a hydrocarbon pathway from mixed sugars via 5-hydroxymethyl furfural (HMF) and furfural intermediates. To achieve this goal, we must first convert glucose and xylose to HMF and furfural in favorable yields. Current processes to produce HMF/furfural generally involve the use of acid catalysts in biphasic systems or solvents such as ionic liquids. However, the yield from transforming glucose to HMF is lower than the yield of furfural from xylose. RESULTS: In this study, we present an efficient chemical pathway simultaneously transforming glucose and xylose to HMF and furfural via ketose intermediates, i.e., fructose and xylulose, which were generated from glucose and xylose via enzymatic isomerization. In the enzymatic isomerization, by adding sodium borate to complex with the ketoses, xylose conversion reached equilibrium after 2 h with a conversion of 91% and glucose conversion reached 84% after 4 h. By enzymatically isomerizing the aldoses to ketoses, the following dehydration reactions to HMF and furfural could be performed at low process temperatures (i.e., 110-120 °C) minimizing the side reactions of the sugars and limiting the degradation of furfurals to humins and carboxylic acids. At 120 °C, pH 0.5, and 15 min reaction time, mixed ketose sugars were converted to HMF and furfural in yields of 77% and 96%, respectively (based on starting aldose concentrations). CONCLUSION: Taken together, our results demonstrate that this combined biological and chemical process could be an effective pathway to simultaneously convert biomass-derived glucose and xylose to HMF and furfural, for use as intermediates in the production of hydrocarbons.