LIGNIN: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, EXTRAKCIA, DEGRADÁCIA, POUŽITIA - BIOLÓGIE - 2026

Lignín (z latinského Lignum, čo znamená, drevo alebo drevo) je polymér sám o sebe cievnatých rastlín rozmerová, amorfný a zložitá konštrukcia. V rastlinách slúži ako „cement“, ktorý dodáva rastlinným kmeňom, kmeňom a iným štruktúram pevnosť a odolnosť.

Nachádza sa hlavne v bunkovej stene a chráni ju pred mechanickými silami a patogénmi, pričom sa v malom množstve nachádza aj vo vnútri bunky. Chemicky má širokú škálu aktívnych centier, ktoré im umožňujú interagovať s inými zlúčeninami. V rámci týchto bežných funkčných skupín máme okrem iného fenolické, alifatické, metoxyhydroxylové skupiny.

Možný model lignínu. Zdroj: skutočné meno: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Pretože lignín je vysoko komplexná a rôznorodá trojrozmerná sieť, štruktúra molekuly nebola s istotou objasnená. Je však známe, že ide o polymér tvorený z koniferylalkoholu a ďalších fenylpropanoidných zlúčenín odvodených od aromatických aminokyselín fenylalanínu a tyrozínu.

Polymerizácia monomérov, ktoré ich tvoria, sa líši v závislosti od druhu a nerobí to opakovaným a predvídateľným spôsobom ako iné hojné polyméry zeleniny (škrob alebo celulóza).

Doteraz sú dostupné iba hypotetické modely molekuly lignínu a pre jej štúdium v ​​laboratóriu zvyčajne používajú syntetické varianty.

Spôsob extrakcie lignínu je komplexný, pretože je viazaný s ostatnými zložkami steny a je veľmi heterogénny.

objav

Prvou osobou, ktorá informovala o prítomnosti lignínu, bol švajčiarsky vedec AP de Candolle, ktorý opísal jeho základné chemické a fyzikálne vlastnosti a vytvoril termín „lignín“.

Hlavné charakteristiky a štruktúra

Lignin je druhá najrozšírenejšia organická molekula v rastlinách po celulóze, ktorá je väčšinovou zložkou rastlinných bunkových stien. Rastliny každý rok produkujú 20 × ¹⁰⁹ ton lignínu. Napriek veľkému množstvu bola však jej štúdia pomerne obmedzená.

Významný podiel všetkého lignínu (približne 75%) sa nachádza v bunkovej stene po kulminácii celulózovej štruktúry (priestorovo povedané). Umiestňovanie lignínu sa nazýva lignifikácia a toto sa zhoduje s udalosťami bunkovej smrti.

Je to opticky neaktívny polymér, nerozpustný v kyslých roztokoch, ale rozpustný v silných zásadách, ako je hydroxid sodný a podobné chemické zlúčeniny.

Ťažkosti pri extrakcii a charakterizácii lignínu

Rôzni autori tvrdia, že s ťažbou lignínu súvisí celý rad technických problémov, čo komplikuje štúdium jeho štruktúry.

Okrem technických ťažkostí je molekula kovalentne viazaná na celulózu a zvyšok polysacharidov, ktoré tvoria bunkovú stenu. Napríklad v dreve a iných ligatifikovaných štruktúrach (ako sú stonky) je lignín silne spojený s celulózou a hemicelulózou.

Nakoniec je polymér medzi rastlinami veľmi variabilný. Z uvedených dôvodov je bežné, že sa syntetický lignín používa na štúdium molekuly v laboratóriách.

Najpoužívanejšie metódy extrakcie

Drvivá väčšina metód extrakcie lignínu modifikuje svoju štruktúru a bráni jej štúdiu. Najdôležitejšou zo všetkých existujúcich metodík je kraft. Počas postupu sa lignín od uhľohydrátov oddeľuje zásaditým roztokom hydroxidu sodného a sulfidu sodného v pomere 3: 1.

To znamená, že izolácia produktu je tmavo hnedý prášok v dôsledku prítomnosti fenolových zlúčenín, ktorých priemerná hustota je 1,3 až 1,4 g / cm ³ .

Monoméry odvodené od fenylpropanoidov

Napriek týmto metodickým konfliktom je známe, že lignínový polymér pozostáva hlavne z troch fenylpropanoidových derivátov: ihličnaté, kumarické a synapilické alkoholy. Tieto zlúčeniny sa syntetizujú z aromatických aminokyselín nazývaných fenylalanín a tyrozín.

V celkovom zložení lignínovej štruktúry dominujú uvedené zlúčeniny takmer úplne, pretože sa našli počiatočné koncentrácie proteínov.

Pomer týchto troch fenylpropanoidných jednotiek je variabilný a závisí od študovaných druhov rastlín. Je tiež možné nájsť variácie v pomeroch monomérov v orgánoch toho istého jednotlivca alebo v rôznych vrstvách bunkovej steny.

Trojrozmerná štruktúra lignínu

Vysoký pomer väzieb uhlík-uhlík a uhlík-kyslík-uhlík vytvára vysoko rozvetvenú trojrozmernú štruktúru.

Na rozdiel od iných polymérov, ktoré sa vyskytujú v zelenine (ako je škrob alebo celulóza), monoméry lignínu nepolymerizujú opakovaným a predvídateľným spôsobom.

Aj keď sa zdá, že väzba týchto stavebných blokov je poháňaná stochastickými silami, nedávny výskum zistil, že sa zdá, že proteín sprostredkuje polymerizáciu a tvorí veľkú opakujúcu sa jednotku.

Vlastnosti

Hoci lignín nie je všadeprítomnou súčasťou všetkých rastlín, plní veľmi dôležité funkcie súvisiace s ochranou a rastom.

V prvom rade je zodpovedný za ochranu hydrofilných zložiek (celulóza a hemicelulóza), ktoré nemajú typickú stabilitu a tuhosť lignínu.

Pretože sa nachádza výlučne na vonkajšej strane, slúži ako ochranný plášť proti zdeformovaniu a stlačeniu, pričom celulóza je zodpovedná za pevnosť v ťahu.

Keď sa časti steny zvlhnú, strácajú mechanickú pevnosť. Z tohto dôvodu je nevyhnutná prítomnosť lignínu s vodotesnou zložkou. Ukázalo sa, že experimentálne zníženie percenta lignínu v dreve súvisí so znížením jeho mechanických vlastností.

Ochrana lignínu sa rozširuje aj na možné biologické látky a mikroorganizmy. Tento polymér zabraňuje prenikaniu enzýmov, ktoré by mohli degradovať životne dôležité bunkové zložky.

Hrá tiež zásadnú úlohu pri modulácii transportu tekutiny do všetkých štruktúr závodu.

syntéza

Tvorba lignínu začína deaminačnou reakciou aminokyselín fenylalanínu alebo tyrozínu. Chemická identita aminokyseliny nie je veľmi relevantná, pretože spracovanie oboch vedie k rovnakej zlúčenine: 4-hydroxycinnamátu.

Táto zlúčenina sa podrobí množstvu chemických reakcií hydroxylácie, prenosu metylových skupín a redukcie karboxylovej skupiny, až kým sa nezíska alkohol.

Keď sa vytvoria tri prekurzory lignínu uvedené v predchádzajúcej časti, predpokladá sa, že sa oxidujú na voľné radikály, aby sa vytvorili aktívne centrá na podporu polymerizačného procesu.

Bez ohľadu na silu, ktorá podporuje spojenie, monoméry navzájom kovalentnými väzbami a vytvárajú komplexnú sieť.

degradácia

Chemická degradácia

Vďaka chemickým vlastnostiam molekuly je lignín rozpustný v roztokoch vodných báz a horúceho bisulfitu.

Fungálne sprostredkovaná enzymatická degradácia

Degradácia lignínu sprostredkovaná prítomnosťou húb bola biotechnológiou intenzívne študovaná okrem iného na bielenie a úpravu zvyškov vyrobených po výrobe papiera.

Huby, ktoré sú schopné degradovať lignín, sa nazývajú huby biele hniloby, ktoré sú na rozdiel od húb hnedej hniloby, ktoré napádajú molekuly celulózy a podobne. Tieto huby sú heterogénnou skupinou a ich najvýznamnejším zástupcom je druh Phanarochaete chrysosporium.

Prostredníctvom oxidačných reakcií - nepriamych a náhodných - sa väzby, ktoré drží monoméry pohromade, postupne rozpadajú.

Pôsobenie húb, ktoré napádajú lignín, zanecháva veľké množstvo fenolových zlúčenín, kyselín a aromatických alkoholov. Niektoré zvyšky môžu mineralizovať, zatiaľ čo iné produkujú humínové látky.

Enzýmy, ktoré vykonávajú tento degradačný proces, musia byť extracelulárne, pretože lignín nie je viazaný hydrolyzovateľnými väzbami.

Lignin v trávení

Pre bylinožravce je lignín vláknitou zložkou rastlín, ktorá nie je stráviteľná. To znamená, že nie je napadnutý typickými enzýmami trávenia alebo mikroorganizmami, ktoré žijú v hrubom čreve.

Čo sa týka výživy, neprispieva k telu, ktoré ju konzumuje. V skutočnosti môže znížiť percento stráviteľnosti iných živín.

aplikácia

Podľa niektorých autorov, hoci poľnohospodárske zvyšky sa dajú získať v takmer nevyčerpateľných množstvách, zatiaľ nie je pre daný polymér dôležitá aplikácia.

Hoci lignín bol skúmaný od konca 19. storočia, komplikácie súvisiace s jeho spracovaním sťažili jeho zvládnutie. Iné zdroje však naznačujú, že lignín sa dá využiť a navrhuje niekoľko možných použití na základe vlastností tuhosti a pevnosti, o ktorých sme diskutovali.

V súčasnej dobe sa vyvíja rad prostriedkov na ochranu dreva založených na ligníne kombinovaných so skupinou zlúčenín, ktoré ho chránia pred poškodením spôsobeným biotickými a abiotickými činidlami.

Môže to byť tiež ideálna látka pre stavebné izolátory, tepelné aj akustické.

Výhodou začlenenia lignínu do priemyslu je nízka cena a jej možné použitie ako náhrada za surovinu získanú z fosílnych palív alebo iných petrochemických zdrojov. Lignín je teda polymér s veľkým potenciálom, ktorý sa snaží využiť.

Referencie

1. Alberts, B. a Bray, D. (2006). Úvod do bunkovej biológie. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Laboratórna príručka pre morfológiu rastlín. Bib Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Pozvánka na biológiu. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomechanika: Fyzika a fyziológia (č. 30). Redakčná tlač CSIC-CSIC.
5. Raven, PH, Evert, RF a Eichhorn, SE (1992). Plant Biology (zväzok 2). Obrátil som sa.
6. Rodríguez, EV (2001). Fyziológia výroby tropických plodín. Redakčná univerzita v Kostarike.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fyziológia rastlín. Univerzita Jaume I.