ЛІГНІН: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ВИДОБУТОК, ДЕГРАДАЦІЯ, ВИКОРИСТАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Лігніну (від латинського терміну Лігнума, що означає деревину або деревину) являє собою полімер , сам по собі судинних рослин одномерна, аморфна і складна структура. У рослинах він служить «цементом», який надає міцність і стійкість стеблам, стовбурам рослин та іншим структурам.

Він розташований в основному в клітинній стінці і захищає його від механічних сил і збудників хвороб, оскільки вони також знаходяться в незначній кількості всередині клітини. Хімічно він має найрізноманітніші активні центри, які дозволяють їм взаємодіяти з іншими сполуками. У межах цих загальних функціональних груп, серед інших, є фенольні, аліфатичні, метокси-гідроксили.

Можлива модель лігніну. Джерело: справжнє ім’я: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Оскільки лігнін - це дуже складна і різноманітна тривимірна мережа, структура молекули не з'ясована з певністю. Однак відомо, що це полімер, утворений з коніферилового спирту та інших фенілпропаноїдних сполук, отриманих з ароматичних амінокислот фенілаланіну та тирозину.

Полімеризація мономерів, що входять до її складу, змінюється залежно від виду, і не робить це повторюваним та передбачуваним способом, як інші рясні полімери овочів (крохмаль або целюлоза).

Поки доступні лише гіпотетичні моделі молекули лігніну, і для її вивчення в лабораторії зазвичай використовують синтетичні варіанти.

Спосіб вилучення лігніну складний, оскільки він пов'язаний з іншими компонентами стінки і є дуже неоднорідним.

Відкриття

Першою особою, яка повідомила про наявність лігніну, був учений А.Ш. де Кандоль, що походить від швейцарців, який описав його основні хімічні та фізичні властивості та ввів термін "лігнін".

Основні характеристики та структура

Лігнін - друга за масою органічна молекула в рослинах після целюлози, більшість компонентів клітинних стінок рослин. Щороку рослини виробляють 20 × 10 ⁹ тонн лігніну. Однак, незважаючи на велику кількість, його вивчення було досить обмеженим.

Значна частка всього лігніну (приблизно 75%) знаходиться в клітинній стінці після того, як целюлозна структура завершиться (просторово кажучи). Розміщення лігніну називається лігніфікацією, і це збігається з подіями загибелі клітин.

Це оптично неактивний полімер, нерозчинний у кислотних розчинах, але розчинний у сильних основах, таких як гідроксид натрію та подібні хімічні сполуки.

Труднощі в екстракції та характеристиці лігніну

Різні автори стверджують, що існує низка технічних труднощів, пов’язаних з видобуванням лігніну, факт, що ускладнює вивчення його структури.

Крім технічних труднощів, молекула ковалентно зв’язується з целюлозою та рештою полісахаридів, що складають клітинну стінку. Наприклад, у деревині та інших ущільнених структурах (таких як стебла) лігнін сильно пов'язаний з целюлозою та геміцелюлозою.

Нарешті, полімер надзвичайно мінливий між рослинами. З зазначених причин для вивчення молекули в лабораторіях застосовується синтетичний лігнін.

Найчастіше використовуються методи вилучення

Переважна більшість методів вилучення лігніну модифікують його структуру, перешкоджаючи його вивченню. З усіх існуючих методологій найбільш важливим здається крафт. Під час процедури лігнін відокремлюється від вуглеводів основним розчином гідроксиду натрію та сульфіду натрію в пропорціях 3: 1.

Таким чином, продукт ізоляції являє собою темно-коричневий порошок завдяки наявності фенольних сполук, середня щільність яких становить 1,3-1,4 г / см ³ .

Мономери, отримані з фенілпропаноїдів

Незважаючи на ці методологічні конфлікти, відомо, що полімер лігніну складається в основному з трьох фенілпропаноїдних похідних: коніферилового, кумаринового та синапілілового спиртів. Ці сполуки синтезуються, починаючи з ароматичних амінокислот, які називаються фенілаланіном та тирозином.

У загальному складі лігнінових каркасів майже повністю переважають згадані сполуки, оскільки виявлено початкові концентрації білків.

Частка цих трьох фенілпропаноїдних одиниць мінлива і залежить від досліджуваних видів рослин. Можна також знайти зміни в пропорціях мономерів всередині органів однієї особи або в різних шарах клітинної стінки.

Тривимірна структура лігніну

Високе співвідношення вуглець-вуглець і вуглець-кисень-вуглецеві зв’язки породжує сильно розгалужену тривимірну структуру.

На відміну від інших полімерів, які ми знаходимо в надлишку в овочах (таких як крохмаль або целюлоза), мономери лігніну не полімеризуються повторюваним та передбачуваним способом.

Незважаючи на те, що зв'язування цих будівельних блоків, як видається, керується стохастичними силами, недавні дослідження виявили, що протеїн, мабуть, опосередковує полімеризацію і утворює велику повторювану одиницю.

Особливості

Хоча лігнін не є всюдисущим компонентом усіх рослин, він виконує дуже важливі функції, пов'язані із захистом та ростом.

Перш за все, він відповідає за захист гідрофільних компонентів (целюлози та геміцелюлози), які не мають типової стійкості та жорсткості лігніну.

Оскільки він знаходиться виключно зовні, він служить захисною оболонкою від перекручень та стиснення, залишаючи целюлозу відповідальною за міцність на розрив.

Коли компоненти стіни намокають, вони втрачають механічну міцність. З цієї причини необхідна наявність лігніну з водонепроникним компонентом. Показано, що експериментальне зниження відсотка лігніну в деревині пов'язане зі зменшенням механічних властивостей того ж.

Захист лігніну також поширюється на можливі біологічні агенти та мікроорганізми. Цей полімер запобігає проникненню ферментів, які можуть погіршити життєво важливі клітинні компоненти.

Він також відіграє фундаментальну роль у модулюванні транспорту рідини до всіх структур заводу.

Синтез

Утворення лігніну починається з реакції дезамінування амінокислот фенілаланіну або тирозину. Хімічна ідентичність амінокислоти не дуже актуальна, оскільки переробка обох призводить до одного і того ж з'єднання: 4-гідроксицинамату.

Ця сполука піддається ряду хімічних реакцій гідроксилювання, перенесення метильних груп та відновлення карбоксильної групи до отримання спирту.

Коли три попередники лігніну, згадані в попередньому розділі, були сформовані, передбачається, що вони окислюються до вільних радикалів, щоб створити активні центри для просування процесу полімеризації.

Незалежно від сили, яка сприяє союзу, мономери один одному через ковалентні зв’язки і створюють складну мережу.

Деградація

Хімічна деградація

Завдяки хімічним характеристикам молекули лігнін розчинний у розчинах водних основ та гарячого бісульфіту.

Грибково-опосередкована ферментативна деградація

Деградація лігніну, опосередкована наявністю грибів, була широко вивчена біотехнологією для відбілювання та обробки залишків, отриманих після виготовлення паперу, серед інших цілей.

Гриби, здатні руйнувати лігнін, називаються грибами білої гнилі, які на відміну від грибів коричневої гнилі, які атакують молекули целюлози тощо. Ці гриби є неоднорідною групою і найвидатнішим їх представником є ​​вид хризоспорія Phanarochaete.

Через реакції окислення - непрямі та випадкові - зв’язки, які утримують мономери разом, поступово розриваються.

Дія грибів, які атакують лігнін, залишає після себе велику різноманітність фенольних сполук, кислот та ароматичних спиртів. Деякі залишки можуть мінералізуватися, а інші утворюють гумінові речовини.

Ферменти, що здійснюють цей процес деградації, повинні бути позаклітинними, оскільки лігнін не пов'язаний гідролізуючими зв’язками.

Лігнін в травленні

Для травоїдних тварин лігнін - волокнистий компонент рослин, який не засвоюється. Тобто його не атакують типові ферменти травлення або мікроорганізми, які живуть у товстій кишці.

Що стосується харчування, воно нічого не сприяє організму, який його споживає. Насправді це може знизити відсоток засвоюваності інших поживних речовин.

Програми

На думку деяких авторів, хоча сільськогосподарські залишки можна отримати майже у невичерпних кількостях, поки що важливого застосування для розглянутого полімеру немає.

Хоча лігнін вивчається з кінця 19 століття, ускладнення, пов'язані з його переробкою, ускладнювали впорання. Однак інші джерела припускають, що лігнін можна експлуатувати і пропонують кілька можливих застосувань, виходячи з властивостей жорсткості та міцності, про які ми говорили.

В даний час розробляється серія консервантів для деревини на основі лігніну в поєднанні з рядом сполук, щоб захистити її від пошкодження, спричиненого біотичними та абіотичними агентами.

Це також може бути ідеальною речовиною для будівельних ізоляторів, як теплових, так і акустичних.

Перевагою включення лігніну в промисловість є його низька вартість та можливе його використання в якості заміни сировини, виробленої з викопного палива або інших нафтохімічних ресурсів. Таким чином, лігнін - це полімер з великим потенціалом, який прагне використовувати.

Список літератури

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Вступ до клітинної біології. Panamerican Medical Ed.
2. Браво, LHE (2001). Посібник з морфології рослин. Біб. Ортон IICA / CATIE.
3. Кертіс, Х., Шнек, А. (2006). Запрошення на біологію. Panamerican Medical Ed.
4. Гутьеррес, М. А. (2000). Біомеханіка: фізика та фізіологія (№ 30). Редакція CSIC-CSIC Press.
5. Ворон, PH, Еверт, РФ, Ейхорн, SE (1992). Біологія рослин (т. 2). Я перевернувся.
6. Родрігес, Е. В. (2001). Фізіологія виробництва тропічних культур. Редакційний університет Коста-Ріки.
7. Taiz, L., Zeiger, E. (2007). Фізіологія рослин. Університет Яуме І.