LIGNIN: STRUKTURA, FUNKCIJE, EKSTRAKCIJA, DEGRADACIJA, UPORABE - BIOLOGIJA - 2025

Lignin (iz latinskega izraza Lignum, kar pomeni, lesa ali lesa) je polimer sam floro dimenzionalni, amorfna in kompleksna struktura. V rastlinah služi kot "cement", ki daje trdnost in odpornost steblom, deblom in drugim strukturam rastlin.

Nahaja se predvsem v celični steni in jo ščiti pred mehanskimi silami in patogeni, saj jih najdemo tudi v majhnem deležu znotraj celice. Kemično ima široko paleto aktivnih centrov, ki jim omogočajo interakcijo z drugimi spojinami. Znotraj teh skupnih funkcionalnih skupin imamo med drugim fenolne, alifatske, metoksi hidroksile.

Možen model lignina. Vir: pravo ime: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-pošta: kamikaze007 (at) tlen.pl

Ker je lignin zelo zapletena in raznolika tridimenzionalna mreža, struktura molekule ni bila razjasnjena z gotovostjo. Vendar je znano, da gre za polimer, izdelan iz koniferilnega alkohola in drugih fenilpropanoidnih spojin, ki izhajajo iz aromatičnih aminokislin fenilalanina in tirozina.

Polimerizacija monomerov, ki ga sestavljajo, se razlikuje glede na vrsto, in tega ne počne na ponavljajoč in predvidljiv način kot drugi obilni polimeri zelenjave (škrob ali celuloza).

Zaenkrat so na voljo samo hipotetični modeli molekule lignina, za njegovo študijo v laboratoriju pa običajno uporabljajo sintetične različice.

Način ekstrakcije lignina je kompleksen, saj je vezan na druge sestavne dele stene in je zelo heterogen.

Odkritje

Prva oseba, ki je poročala o prisotnosti lignina, je bil švicarski rojeni znanstvenik AP de Candolle, ki je opisal njegove temeljne kemijske in fizikalne lastnosti ter skoval izraz "lignin."

Glavne značilnosti in struktura

Lignin je druga najpogostejša organska molekula v rastlinah po celulozi, ki je večinski sestavni del rastlinskih celičnih sten. Vsako leto rastline proizvedejo 20 × 10 ⁹ ton lignina. Kljub številčnosti pa je bila študija precej omejena.

Pomemben delež vsega lignina (približno 75%) se nahaja v celični steni, potem ko celulozna struktura doseže vrhunec (prostorsko gledano). Postavitev lignina se imenuje lignifikacija in to sovpada z dogodki celične smrti.

Je optično neaktiven polimer, netopen v kislih raztopinah, vendar topen v močnih bazah, kot je natrijev hidroksid in podobne kemične spojine.

Težave pri pridobivanju in karakterizaciji lignina

Različni avtorji trdijo, da obstaja vrsta tehničnih težav, povezanih z ekstrakcijo lignina, dejstvo, ki otežuje preučevanje njegove strukture.

Poleg tehničnih težav se molekula kovalentno veže na celulozo in ostale polisaharide, ki sestavljajo celično steno. Na primer, v lesu in drugih lignificiranih strukturah (kot so stebla) je lignin močno povezan s celulozo in hemicelulozo.

Nazadnje je polimer med rastlinami izredno spremenljiv. Zaradi omenjenih razlogov je za preučevanje molekule v laboratorijih običajno sintetični lignin.

Večina uporabljenih metod ekstrakcije

Velika večina metod ekstrakcije lignina spreminja njegovo strukturo in preprečuje njegovo preučevanje. Od vseh obstoječih metodologij se zdi najpomembnejši kraft. Med postopkom se lignin loči od ogljikovih hidratov z osnovno raztopino natrijevega hidroksida in natrijevega sulfida v razmerju 3: 1.

Tako je izolacijski izdelek temno rjav prah zaradi prisotnosti fenolnih spojin, katerih povprečna gostota je 1,3 do 1,4 g / cm ³ .

Monomeri, pridobljeni iz fenilpropanoidov

Kljub tem metodološkim konfliktom je znano, da polimer lignin sestavljajo večinoma trije fenilpropanoidni derivati: iglavci, kumarni in sinapilni alkoholi. Te spojine se sintetizirajo iz aromatskih aminokislin, imenovanih fenilalanin in tirozin.

V celotni sestavi ligninskega ogrodja skoraj v celoti prevladujejo omenjene spojine, saj so bile ugotovljene začetne koncentracije proteinov.

Delež teh treh fenilpropanoidnih enot je spremenljiv in je odvisen od preučenih rastlin. Možno je najti tudi razlike v deležih monomerov znotraj organov istega posameznika ali v različnih plasteh celične stene.

Tridimenzionalna struktura lignina

Visoko razmerje med ogljikom in ogljikom ter ogljik-kisik-ogljik ustvarja močno razvejeno tridimenzionalno strukturo.

Za razliko od drugih polimerov, ki jih najdemo v zelenjavi (na primer škroba ali celuloze), linominski monomeri ne polimerizirajo na ponavljajoč in predvidljiv način.

Čeprav se zdi, da vezanje teh gradnikov temelji na stohastičnih silah, so nedavne raziskave pokazale, da se zdi, da protein posreduje polimerizacijo in tvori veliko ponavljajočo se enoto.

Lastnosti

Čeprav lignin ni vseprisotna sestavina vseh rastlin, opravlja zelo pomembne funkcije, povezane z zaščito in rastjo.

Najprej je odgovoren za zaščito hidrofilnih komponent (celuloze in hemiceluloze), ki nimajo značilne stabilnosti in togosti lignina.

Ker ga najdemo izključno na zunanji strani, služi kot zaščitni plašč pred izkrivljanjem in stiskanjem, celuloza pa je odgovorna za natezno trdnost.

Ko se stenske komponente zmočijo, izgubijo mehansko trdnost. Zaradi tega je potrebna prisotnost lignina z vodoodporno komponento. Pokazalo se je, da je poskusno zmanjšanje odstotka lignina v lesu povezano z zmanjšanjem mehanskih lastnosti istega.

Zaščita lignina sega tudi na možna biološka sredstva in mikroorganizme. Ta polimer preprečuje prodiranje encimov, ki bi lahko razgradili vitalne celične komponente.

Prav tako igra temeljno vlogo pri modulaciji prenosa tekočine do vseh struktur rastline.

Sinteza

Tvorba lignina se začne z reakcijo razgradnje aminokislin fenilalanin ali tirozin. Kemična identiteta aminokisline ni zelo pomembna, saj predelava obeh privede do iste spojine: 4-hidroksicinnamata.

Ta spojina je podvržena vrsti kemijskih reakcij hidroksilacije, prenosa metilnih skupin in redukcije karboksilne skupine, dokler ne dobimo alkohola.

Ko so trije predhodniki lignina, omenjeni v prejšnjem razdelku, oblikovani, se domneva, da so oksidirali do prostih radikalov, da bi ustvarili aktivne centre za pospeševanje procesa polimerizacije.

Ne glede na silo, ki spodbuja zvezo, monomeri drug drugemu s kovalentnimi vezmi in ustvarjajo zapleteno mrežo.

Degradacija

Kemijska razgradnja

Zaradi kemijskih lastnosti molekule je lignin topen v raztopinah vodnih baz in vročega bisulfita.

Glivično posredovana encimska razgradnja

Razgradnjo lignina, ki jo posreduje prisotnost gliv, je biotehnologija podrobno preučila za beljenje in obdelavo ostankov, pridobljenih po proizvodnji papirja, med drugimi uporabo.

Glive, ki lahko razgradijo lignin, imenujemo glive bele gnilobe, ki so v nasprotju z glivami rjave gnilobe, ki napadajo molekule celuloze in podobno. Te glive so heterogena skupina in njihov najpomembnejši predstavnik je vrsta Phanarochaete chrysosporium.

Z reakcijami oksidacije - posredne in naključne - se vezi, ki monomere držijo skupaj, postopoma porušijo.

Delovanje gliv, ki napadajo lignin, za seboj pušča veliko različnih fenolnih spojin, kislin in aromatičnih alkoholov. Nekateri ostanki se lahko mineralizirajo, drugi pa tvorijo huminske snovi.

Encimi, ki izvajajo ta proces razgradnje, morajo biti zunajcelični, saj lignina ne vežejo hidrolizibilne vezi.

Lignin pri prebavi

Za rastlinojede je lignin vlaknasta sestavina rastlin, ki ni prebavljiva. Se pravi, da ga ne napadajo tipični encimi za prebavo ali mikroorganizmi, ki živijo v debelem črevesu.

Kar zadeva prehrano, ne prispeva ničesar za telo, ki ga zaužije. Pravzaprav lahko zmanjša odstotek prebavljivosti drugih hranil.

Prijave

Po mnenju nekaterih avtorjev lahko kmetijske ostanke dobimo v skoraj neizčrpnih količinah, vendar za zadevni polimer ni pomembne uporabe.

Čeprav se lignin preučuje od konca 19. stoletja, je zaradi zapletov, povezanih z njegovo predelavo, težko obvladati. Vendar drugi viri kažejo, da je mogoče lignin izkoristiti in predlagajo več možnih uporab, ki temeljijo na lastnosti togosti in trdnosti, o katerih smo govorili.

Trenutno se razvija vrsta konzervansov za les na osnovi lignina v kombinaciji z vrsto spojin, ki ga ščitijo pred škodo, ki jo povzročijo biotični in abiotični povzročitelji.

Lahko bi bila tudi idealna snov za gradbene izolatorje, toplotne in zvočne.

Prednost vključevanja lignina v industrijo je njegova nizka cena in njegova možna uporaba kot nadomestek surovin, ki se razvijejo iz fosilnih goriv ali drugih petrokemičnih virov. Tako je lignin polimer z velikim potencialom, ki ga je treba izkoristiti.

Reference

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Uvod v celično biologijo. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Priročnik za laboratorijsko morfologijo rastlin. Bib Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Vabilo na biologijo. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomehanika: fizika in fiziologija (št. 30). Uredništvo CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, in Eichhorn, SE (1992). Biologija rastlin (letnik 2). Sem obrnil.
6. Rodríguez, EV (2001). Fiziologija pridelave tropskih pridelkov. Uredništvo Univerze v Kostariki.
7. Taiz, L., in Zeiger, E. (2007). Fiziologija rastlin. Univerza Jaume I.