LIGNINA: BUDOWA, FUNKCJE, EKSTRAKCJA, DEGRADACJA, ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2025

Ligniny (łac termin lignum, co oznacza, drewna lub drewnianych) jest polimerem samo rośliny naczyniowe wymiarowej amorficzne złożoną strukturę. W roślinach służy jako „cement”, który nadaje siłę i odporność łodygom, pniom i innym strukturom roślin.

Znajduje się głównie w ścianie komórkowej i chroni ją przed siłami mechanicznymi i patogenami, znajdującymi się również w niewielkiej ilości wewnątrz komórki. Pod względem chemicznym ma wiele różnych aktywnych centrów, które pozwalają im wchodzić w interakcje z innymi związkami. W ramach tych wspólnych grup funkcyjnych mamy między innymi fenolowe, alifatyczne, metoksy-hydroksylowe.

Możliwy model ligniny. Źródło: prawdziwe nazwisko: Karol Głąbpl. Wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Ponieważ lignina jest bardzo złożoną i zróżnicowaną trójwymiarową siecią, struktura cząsteczki nie została z całą pewnością wyjaśniona. Wiadomo jednak, że jest to polimer utworzony z alkoholu koniferylowego i innych związków fenylopropanoidowych pochodzących z aromatycznych aminokwasów, fenyloalaniny i tyrozyny.

Polimeryzacja tworzących ją monomerów różni się w zależności od gatunku i nie przebiega w powtarzalny i przewidywalny sposób, jak w przypadku innych powszechnie występujących polimerów warzyw (skrobia lub celuloza).

Jak dotąd dostępne są tylko hipotetyczne modele cząsteczki ligniny, a do jej badań laboratoryjnych najczęściej wykorzystują warianty syntetyczne.

Sposób ekstrakcji ligniny jest złożony, ponieważ wiąże się ona z innymi składnikami ściany i jest bardzo niejednorodna.

Odkrycie

Pierwszą osobą, która zgłosiła obecność ligniny, był urodzony w Szwajcarii naukowiec AP de Candolle, który opisał jej podstawowe właściwości chemiczne i fizyczne oraz ukuł termin „lignina”.

Główne cechy i struktura

Lignina jest drugą pod względem liczebności cząsteczką organiczną w roślinach po celulozie, która jest głównym składnikiem ścian komórkowych roślin. Rocznie zakłady produkują 20 × 10 ⁹ ton ligniny. Jednak pomimo jego obfitości, jego badania były dość ograniczone.

Znaczna część całej ligniny (około 75%) znajduje się w ścianie komórkowej po kulminacji struktury celulozy (mówiąc przestrzennie). Umieszczenie ligniny nazywane jest lignifikacją i zbiega się z przypadkami śmierci komórki.

Jest polimerem nieaktywnym optycznie, nierozpuszczalnym w roztworach kwasów, ale rozpuszczalnym w mocnych zasadach, takich jak wodorotlenek sodu i podobne związki chemiczne.

Trudności w ekstrakcji i charakteryzacji ligniny

Różni autorzy argumentują, że istnieje szereg trudności technicznych związanych z wydobyciem ligniny, co komplikuje badanie jej struktury.

Oprócz trudności technicznych, cząsteczka jest kowalencyjnie związana z celulozą i resztą polisacharydów tworzących ścianę komórkową. Na przykład w drewnie i innych zdrewniałych strukturach (takich jak łodygi) lignina jest silnie związana z celulozą i hemicelulozą.

Wreszcie polimer jest niezwykle zmienny między roślinami. Z tych powodów syntetyczna lignina jest często używana do badania tej cząsteczki w laboratoriach.

Najczęściej używane metody ekstrakcji

Zdecydowana większość metod ekstrakcji ligniny modyfikuje jej strukturę, uniemożliwiając jej badanie. Ze wszystkich istniejących metodologii najważniejsza wydaje się być kraft. Podczas zabiegu ligninę oddziela się od węglowodanów zasadowym roztworem wodorotlenku sodu i siarczku sodu w proporcjach 3: 1.

Tak więc, produkt izolacji ciemnobrązowy proszek ze względu na obecność związków fenolowych, których gęstość średnia wynosi 1,3 do 1,4 g / cm ³ .

Monomery pochodzące z fenylopropanoidów

Pomimo tych konfliktów metodologicznych wiadomo, że polimer ligniny składa się głównie z trzech pochodnych fenylopropanoidów: alkoholi iglastych, kumarowych i synapilicznych. Związki te są syntetyzowane zaczynając od aminokwasów aromatycznych zwanych fenyloalaniną i tyrozyną.

Całkowity skład szkieletu ligninowego jest prawie całkowicie zdominowany przez wspomniane związki, ponieważ stwierdzono początkowe stężenia białek.

Proporcja tych trzech jednostek fenylopropanoidowych jest zmienna i zależy od badanych gatunków roślin. Można również znaleźć różnice w proporcjach monomerów w narządach tej samej osoby lub w różnych warstwach ściany komórkowej.

Trójwymiarowa struktura ligniny

Wysoki stosunek wiązań węgiel-węgiel i węgiel-tlen-węgiel tworzy silnie rozgałęzioną trójwymiarową strukturę.

W przeciwieństwie do innych polimerów, które znajdują się w warzywach w dużych ilościach (takich jak skrobia czy celuloza), monomery ligniny nie polimeryzują w powtarzalny i przewidywalny sposób.

Chociaż wydaje się, że wiązanie tych bloków budulcowych jest napędzane siłami stochastycznymi, ostatnie badania wykazały, że białko wydaje się pośredniczyć w polimeryzacji i tworzy dużą powtarzającą się jednostkę.

cechy

Chociaż lignina nie jest wszechobecnym składnikiem wszystkich roślin, spełnia bardzo ważne funkcje związane z ochroną i wzrostem.

Przede wszystkim odpowiada za ochronę hydrofilowych składników (celulozy i hemicelulozy), które nie mają typowej stabilności i sztywności ligniny.

Ponieważ występuje wyłącznie na zewnątrz, służy jako osłona ochronna przed odkształceniem i ściskaniem, pozostawiając celulozę odpowiedzialną za wytrzymałość na rozciąganie.

Zamoczone elementy ścian tracą wytrzymałość mechaniczną. Z tego powodu konieczna jest obecność ligniny z wodoodpornym składnikiem. Wykazano, że eksperymentalna redukcja zawartości ligniny w drewnie wiąże się z obniżeniem jej właściwości mechanicznych.

Ochrona ligniny rozciąga się również na możliwe czynniki biologiczne i mikroorganizmy. Ten polimer zapobiega przenikaniu enzymów, które mogłyby degradować ważne składniki komórkowe.

Odgrywa również fundamentalną rolę w modulowaniu transportu cieczy do wszystkich struktur instalacji.

Synteza

Tworzenie ligniny rozpoczyna się od reakcji deaminacji aminokwasów fenyloalaniny lub tyrozyny. Tożsamość chemiczna aminokwasu nie jest bardzo istotna, ponieważ przetwarzanie obu prowadzi do tego samego związku: 4-hydroksycynamonianu.

Związek ten poddawany jest szeregowi reakcji chemicznych hydroksylacji, przeniesienia grup metylowych i redukcji grupy karboksylowej, aż do uzyskania alkoholu.

Przyjmuje się, że po utworzeniu trzech prekursorów ligniny wymienionych w poprzedniej sekcji są one utleniane do wolnych rodników w celu utworzenia aktywnych centrów wspomagających proces polimeryzacji.

Niezależnie od siły, która sprzyja zjednoczeniu, monomery łączą się ze sobą poprzez wiązania kowalencyjne i tworzą złożoną sieć.

Degradacja

Degradacja chemiczna

Ze względu na właściwości chemiczne cząsteczki lignina jest rozpuszczalna w roztworach wodnych zasad i gorącym wodorosiarczynie.

Degradacja enzymatyczna za pośrednictwem grzybów

Degradacja ligniny, w której pośredniczy obecność grzybów, była szeroko badana w biotechnologii, między innymi w zakresie bielenia i obróbki pozostałości powstałych po produkcji papieru.

Grzyby, które są zdolne do degradacji ligniny, nazywane są grzybami białej zgnilizny, w przeciwieństwie do grzybów brązowej zgnilizny atakujących cząsteczki celulozy i tym podobne. Grzyby te stanowią niejednorodną grupę, a ich najważniejszym przedstawicielem jest gatunek Phanarochaete chrysosporium.

W wyniku reakcji utleniania - pośrednich i przypadkowych - wiązania łączące monomery są stopniowo rozrywane.

Działanie grzybów atakujących ligninę pozostawia po sobie ogromną różnorodność związków fenolowych, kwasów i aromatycznych alkoholi. Niektóre pozostałości mogą ulegać mineralizacji, podczas gdy inne wytwarzają substancje humusowe.

Enzymy, które przeprowadzają ten proces degradacji, muszą być zewnątrzkomórkowe, ponieważ lignina nie jest związana wiązaniami ulegającymi hydrolizie.

Lignina w trawieniu

Dla roślinożerców lignina jest włóknistym składnikiem roślin, który nie jest strawny. Oznacza to, że nie jest atakowany przez typowe enzymy trawienne ani przez mikroorganizmy żyjące w okrężnicy.

Pod względem odżywiania nie wnosi nic do organizmu, który je konsumuje. W rzeczywistości może zmniejszyć procent strawności innych składników odżywczych.

Aplikacje

Według niektórych autorów, chociaż pozostałości rolnicze można uzyskać w prawie niewyczerpanych ilościach, jak dotąd nie ma ważnego zastosowania dla rozpatrywanego polimeru.

Chociaż ligninę badano od końca XIX wieku, komplikacje związane z jej przetwarzaniem utrudniły jej obróbkę. Jednak inne źródła sugerują, że ligninę można wykorzystać i proponują kilka potencjalnych zastosowań, w oparciu o omówione właściwości sztywności i wytrzymałości.

Obecnie opracowywana jest seria środków do konserwacji drewna na bazie ligniny w połączeniu z szeregiem związków chroniących drewno przed uszkodzeniami powodowanymi przez czynniki biotyczne i abiotyczne.

Mógłby być również idealną substancją do budowy izolatorów, zarówno termicznych, jak i akustycznych.

Zaletą wprowadzenia ligniny do przemysłu jest jej niski koszt i możliwość zastąpienia surowca otrzymywanego z paliw kopalnych lub innych surowców petrochemicznych. Zatem lignina jest polimerem o ogromnym potencjale, który chce się wykorzystać.

Bibliografia

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Wprowadzenie do biologii komórki. Panamerican Medical Ed.
2. Brawo, LHE (2001). Podręcznik laboratorium morfologii roślin. Śliniaczek Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H. i Schnek, A. (2006). Zaproszenie na biologię. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomechanika: Fizyka i Fizjologia (nr 30). Redakcja CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF i Eichhorn, SE (1992). Biologia roślin (tom 2). Odwróciłem się.
6. Rodríguez, EV (2001). Fizjologia produkcji roślin tropikalnych. Redakcja University of Costa Rica.
7. Taiz, L. i Zeiger, E. (2007). Fizjologia roślin. Uniwersytet Jaume I.