ЛИГНИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ИЗВЛЕЧЕНИЕ, РАЗЛОЖЕНИЕ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

Лигнина (от латинского термина Лигнума, что означает древесину или древесину) представляет собой полимер , сам по себе сосудистым растениям одномерна, аморфная и сложная структура. В растениях он служит «цементом», придающим прочность и устойчивость стеблям, стволам и другим структурам растений.

Он расположен в основном в клеточной стенке и защищает ее от механических сил и патогенов, а также в небольшом количестве внутри клетки. Химически он имеет широкий спектр активных центров, которые позволяют им взаимодействовать с другими соединениями. Внутри этих общих функциональных групп, среди прочего, есть фенольные, алифатические, метоксигидроксильные группы.

Возможная модель лигнина. Источник: настоящее имя: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007 e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Поскольку лигнин представляет собой очень сложную и разнообразную трехмерную сеть, структура молекулы точно не выяснена. Однако известно, что это полимер, образованный из кониферилового спирта и других фенилпропаноидных соединений, полученных из ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина.

Полимеризация мономеров, из которых она состоит, варьируется в зависимости от вида и не происходит повторяющимся и предсказуемым образом, как в других широко распространенных полимерах овощей (крахмал или целлюлоза).

Пока доступны только гипотетические модели молекулы лигнина, а для ее исследования в лаборатории обычно используют синтетические варианты.

Способ извлечения лигнина сложен, так как он связан с другими компонентами стенки и очень неоднороден.

открытие

Первым, кто сообщил о наличии лигнина, был швейцарский ученый А. П. де Кандоль, который описал его основные химические и физические свойства и ввел термин «лигнин».

Основные характеристики и состав

Лигнин является второй по распространенности органической молекулой в растениях после целлюлозы, основного компонента стенок растительных клеток. Ежегодно предприятия производят 20 × 10 ⁹ тонн лигнина. Однако, несмотря на его обилие, его изучение было довольно ограниченным.

Значительная часть всего лигнина (примерно 75%) находится в клеточной стенке после того, как структура целлюлозы достигает кульминации (пространственно говоря). Размещение лигнина называется лигнификацией, и это совпадает с событиями гибели клеток.

Это оптически неактивный полимер, нерастворимый в растворах кислоты, но растворимый в сильных основаниях, таких как гидроксид натрия и подобные химические соединения.

Трудности извлечения и характеристики лигнина

Различные авторы утверждают, что существует ряд технических трудностей, связанных с извлечением лигнина, что затрудняет изучение его структуры.

Помимо технических трудностей, молекула ковалентно связана с целлюлозой и остальными полисахаридами, составляющими клеточную стенку. Например, в древесине и других одревесневших структурах (таких как стебли) лигнин прочно связан с целлюлозой и гемицеллюлозой.

И, наконец, полимер сильно различается между растениями. По указанным причинам синтетический лигнин обычно используют для исследования молекулы в лабораториях.

Наиболее используемые методы экстракции

Подавляющее большинство методов экстракции лигнина изменяют его структуру, препятствуя его изучению. Из всех существующих методологий наиболее важной кажется крафт-бумага. Во время процедуры лигнин отделяют от углеводов щелочным раствором гидроксида натрия и сульфида натрия в соотношении 3: 1.

Таким образом, изоляционный продукт представляет собой темно-коричневый порошок из-за наличия фенольных соединений, средняя плотность которых составляет от 1,3 до 1,4 г / см ³ .

Мономеры, полученные из фенилпропаноидов

Несмотря на эти методологические противоречия, известно, что полимер лигнина состоит в основном из трех производных фенилпропаноидов: кониферилового, кумаринового и синапиллового спиртов. Эти соединения синтезируются на основе ароматических аминокислот, называемых фенилаланином и тирозином.

В общем составе лигнинового каркаса почти полностью преобладают упомянутые соединения, так как были обнаружены начальные концентрации белков.

Доля этих трех фенилпропаноидных единиц варьируется и зависит от изучаемых видов растений. Также можно найти вариации в пропорциях мономеров внутри органов одного и того же человека или в разных слоях клеточной стенки.

Трехмерная структура лигнина

Высокое соотношение углерод-углеродных и углерод-кислород-углеродных связей создает сильно разветвленную трехмерную структуру.

В отличие от других полимеров, которые мы находим в изобилии в овощах (таких как крахмал или целлюлоза), мономеры лигнина не полимеризуются повторяющимся и предсказуемым образом.

Хотя связывание этих строительных блоков, по-видимому, происходит под действием стохастических сил, недавние исследования показали, что белок, по-видимому, опосредует полимеризацию и образует большую повторяющуюся единицу.

Характеристики

Хотя лигнин не является повсеместным компонентом всех растений, он выполняет очень важные функции, связанные с защитой и ростом.

Прежде всего, он отвечает за защиту гидрофильных компонентов (целлюлозы и гемицеллюлозы), которые не обладают типичной стабильностью и жесткостью лигнина.

Поскольку он находится исключительно снаружи, он служит защитной оболочкой от деформации и сжатия, оставляя целлюлозу отвечать за прочность на разрыв.

При намокании стеновых компонентов они теряют механическую прочность. По этой причине необходимо присутствие лигнина с водостойким компонентом. Было показано, что экспериментальное снижение процентного содержания лигнина в древесине связано с ухудшением ее механических свойств.

Защита лигнина также распространяется на возможные биологические агенты и микроорганизмы. Этот полимер предотвращает проникновение ферментов, которые могут разрушить жизненно важные компоненты клетки.

Он также играет фундаментальную роль в регулировании переноса жидкости ко всем конструкциям завода.

Синтез

Образование лигнина начинается с реакции дезаминирования аминокислот фенилаланина или тирозина. Химическая идентичность аминокислоты не имеет большого значения, поскольку обработка обеих приводит к одному и тому же соединению: 4-гидроксициннамат.

Это соединение подвергается серии химических реакций гидроксилирования, переноса метильных групп и восстановления карбоксильной группы до получения спирта.

Когда три предшественника лигнина, упомянутые в предыдущем разделе, были сформированы, предполагается, что они окисляются до свободных радикалов, чтобы создать активные центры, способствующие процессу полимеризации.

Независимо от силы, которая способствует объединению, мономеры соединяются друг с другом посредством ковалентных связей и создают сложную сеть.

деградация

Химическая деградация

Благодаря химическим характеристикам молекулы лигнин растворим в растворах водных оснований и горячем бисульфите.

Ферментативная деградация, опосредованная грибами

Разложение лигнина, опосредованное присутствием грибов, широко изучалось биотехнологией для отбеливания и обработки остатков, образовавшихся после производства бумаги, среди прочего.

Грибы, способные разлагать лигнин, называются грибами белой гнили, которые в отличие от грибов бурой гнили, которые атакуют молекулы целлюлозы и т.п. Эти грибы представляют собой гетерогенную группу, и их наиболее ярким представителем является вид Phanarochaete chrysosporium.

В результате реакций окисления - косвенных и случайных - связи, удерживающие мономеры вместе, постепенно разрушаются.

Под действием грибов, поражающих лигнин, остается большое количество фенольных соединений, кислот и ароматических спиртов. Некоторые остатки могут минерализоваться, а другие выделяют гуминовые вещества.

Ферменты, которые осуществляют этот процесс разложения, должны быть внеклеточными, поскольку лигнин не связывается гидролизуемыми связями.

Лигнин в пищеварении

Для травоядных лигнин - это волокнистый компонент растений, который не усваивается. То есть он не подвергается атаке типичных ферментов пищеварения или микроорганизмов, живущих в толстой кишке.

С точки зрения питания, он ничего не дает организму, который его потребляет. Фактически, он может снизить процент усвояемости других питательных веществ.

Приложения

По мнению некоторых авторов, хотя сельскохозяйственные остатки можно получить в практически неисчерпаемых количествах, до сих пор нет важного применения рассматриваемого полимера.

Хотя лигнин изучается с конца 19 века, сложности, связанные с его обработкой, затрудняют обращение с ним. Однако другие источники предполагают, что лигнин может быть использован, и предлагают несколько потенциальных применений, основанных на характеристиках жесткости и прочности, которые мы обсудили.

В настоящее время разрабатывается серия консервантов для древесины на основе лигнина в сочетании с рядом соединений, чтобы защитить ее от повреждений, вызванных биотическими и абиотическими агентами.

Это также может быть идеальным веществом для строительных изоляторов, как тепловых, так и акустических.

Преимущество внедрения лигнина в промышленность заключается в его низкой стоимости и его возможном использовании в качестве замены сырья, полученного из ископаемого топлива или других нефтехимических ресурсов. Таким образом, лигнин - это полимер с большим потенциалом, который необходимо использовать.

Ссылки

1. Альбертс Б. и Брей Д. (2006). Введение в клеточную биологию. Panamerican Medical Ed.
2. Браво, LHE (2001). Руководство лаборатории морфологии растений. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Кертис, Х., и Шнек, А. (2006). Приглашение к биологии. Panamerican Medical Ed.
4. Гутьеррес, Массачусетс (2000). Биомеханика: физика и физиология (№ 30). Редакция CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992). Биология растений (Том 2). Я поменял направление.
6. Родригес, EV (2001). Физиология производства тропических культур. Редакция Университета Коста-Рики.
7. Тайз, Л., и Зейгер, Э. (2007). Физиология растений. Университет Жауме I.