LIGNIN: STRUKTUR, FUNKTIONER, EKSTRAKTION, NEDBRYDNING, ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den lignin (fra latin sigt lignum, hvilket betyder træ eller tømmer) er en polymer selv karplanter dimensionelle, amorf og kompliceret struktur. I planter fungerer det som en "cement", der giver styrke og modstand mod plantestængler, kufferter og andre strukturer.

Den er hovedsageligt placeret i cellevæggen og beskytter den mod mekaniske kræfter og patogener, og findes også i en lille andel inde i cellen. Kemisk har den en lang række aktive centre, der giver dem mulighed for at interagere med andre forbindelser. Inden for disse almindelige funktionelle grupper har vi blandt andet phenoliske, alifatiske methoxyhydroxyler.

Mulig model af lignin. Kilde: rigtigt navn: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Da lignin er et meget komplekst og mangfoldigt tredimensionelt netværk, er molekylets struktur ikke blevet belyst med sikkerhed. Det er imidlertid kendt at være en polymer dannet af coniferylalkohol og andre phenylpropanoidforbindelser afledt af de aromatiske aminosyrer phenylalanin og tyrosin.

Polymerisationen af ​​de monomerer, der udgør den, varierer afhængigt af arten og gør det ikke på en gentagen og forudsigelig måde som andre rigelige polymerer af grøntsager (stivelse eller cellulose).

Indtil videre er der kun hypotetiske modeller af ligninmolekylet tilgængelige, og til dets undersøgelse i laboratoriet bruger de normalt syntetiske varianter.

Vejen til ekstraktion af lignin er kompleks, da den er bundet med andre komponenter i væggen og er meget heterogen.

Opdagelse

Den første person, der rapporterede tilstedeværelsen af ​​lignin, var den schweiziskfødte videnskabsmand AP de Candolle, der beskrev dets grundlæggende kemiske og fysiske egenskaber og opfandt udtrykket "lignin."

Vigtigste egenskaber og struktur

Lignin er det næst mest rigelige organiske molekyle i planter efter cellulose, hovedparten af ​​plantens cellevægge. Hvert år producerer planterne 20 × 10 ⁹ ton lignin. På trods af sin overflod har undersøgelsen imidlertid været ret begrænset.

En betydelig del af alt lignin (ca. 75%) er placeret i cellevæggen, efter at cellulosestrukturen kulminerer (rumligt set). Placeringen af ​​lignin kaldes lignificering, og dette falder sammen med begivenhederne med celledød.

Det er en optisk inaktiv polymer, uopløselig i syreopløsninger, men opløselig i stærke baser, såsom natriumhydroxid og lignende kemiske forbindelser.

Vanskeligheder ved ekstraktion og karakterisering af lignin

Forskellige forfattere hævder, at der er en række tekniske vanskeligheder forbundet med ekstraktionen af ​​lignin, en kendsgerning, der komplicerer undersøgelsen af ​​dens struktur.

Foruden tekniske vanskeligheder er molekylet kovalent bundet til cellulose og resten af ​​polysacchariderne, der udgør cellevæggen. For eksempel er lignin i træ og andre lignificerede strukturer (såsom stængler) stærkt forbundet med cellulose og hemicellulose.

Endelig er polymeren ekstremt variabel mellem planter. Af disse nævnte grunde er det almindeligt, at syntetisk lignin bruges til undersøgelse af molekylet i laboratorier.

Mest anvendte ekstraktionsmetoder

Langt de fleste ligninekstraktionsmetoder ændrer dens struktur og forhindrer dens undersøgelse. Af alle de eksisterende metoder synes det vigtigste at være kraft. Under proceduren separeres ligninet fra kulhydraterne med en basisk opløsning af natriumhydroxid og natriumsulfid i 3: 1-forhold.

Således isoleringsproduktet er et mørkebrunt pulver på grund af tilstedeværelsen af phenolforbindelser, hvis gennemsnitlige densitet er 1,3 til 1,4 g / cm ³.

Monomerer afledt af phenylpropanoider

På trods af disse metodologiske konflikter er det kendt, at ligninpolymeren hovedsagelig består af tre phenylpropanoidderivater: nåletræer, kumariske og synapilliske alkoholer. Disse forbindelser syntetiseres ud fra de aromatiske aminosyrer, der kaldes phenylalanin og tyrosin.

Den samlede sammensætning af ligninrammen domineres næsten fuldstændigt af de nævnte forbindelser, da begyndende koncentrationer af proteiner er fundet.

Andelen af ​​disse tre phenylpropanoide enheder er varierende og afhænger af de undersøgte plantearter. Det er også muligt at finde variationer i forholdene til monomerer inden for organerne hos det samme individ eller i forskellige lag af cellevæggen.

Tredimensionel struktur af lignin

Det høje forhold mellem carbon-carbon og carbon-oxygen-carbon-bindinger genererer en stærkt forgrenet tredimensionel struktur.

I modsætning til andre polymerer, som vi finder i overflod i grøntsager (såsom stivelse eller cellulose), polymeriserer ligninmonomerer ikke på en gentagen og forudsigelig måde.

Selvom bindingen af ​​disse byggeklodser ser ud til at være drevet af stokastiske kræfter, har nyere forskning fundet, at et protein ser ud til at formidle polymerisation og danner en stor gentagende enhed.

Funktioner

Selvom lignin ikke er en allestedsnærværende bestanddel af alle planter, udfører det meget vigtige funktioner relateret til beskyttelse og vækst.

Først og fremmest er det ansvaret for at beskytte de hydrofile komponenter (cellulose og hemicellulose), der ikke har den typiske stabilitet og stivhed af lignin.

Da den kun findes på ydersiden, fungerer den som en beskyttende kappe mod forvrængning og komprimering, hvilket efterlader cellulosen til at være ansvarlig for trækstyrken.

Når vægkomponenterne bliver våde, mister de mekanisk styrke. Af denne grund er tilstedeværelsen af ​​lignin med den vandtætte komponent nødvendig. Det er vist, at den eksperimentelle reduktion af procentdelen af ​​lignin i træet er relateret til reduktionen af ​​de mekaniske egenskaber af det samme.

Beskyttelsen af ​​lignin strækker sig også til mulige biologiske midler og mikroorganismer. Denne polymer forhindrer penetrering af enzymer, der kan nedbryde vitale cellulære komponenter.

Det spiller også en grundlæggende rolle i at modulere transport af væske til alle anlæggets strukturer.

syntese

Dannelsen af ​​lignin begynder med en deamineringsreaktion af aminosyrerne phenylalanin eller tyrosin. Den kemiske identitet af aminosyren er ikke særlig relevant, da behandlingen af ​​begge fører til den samme forbindelse: 4-hydroxycinnamat.

Denne forbindelse underkastes en række kemiske reaktioner med hydroxylering, overførsel af methylgrupper og reduktion af carboxylgruppen, indtil der opnås en alkohol.

Når de tre forstadier til lignin, der er nævnt i det foregående afsnit, er dannet, antages det, at de oxideres til frie radikaler for at skabe aktive centre til at fremme polymerisationsprocessen.

Uanset den kraft, der fremmer unionen, monomerer de til hinanden gennem kovalente bindinger og skaber et komplekst netværk.

nedbrydning

Kemisk nedbrydning

På grund af molekylets kemiske egenskaber er lignin opløselig i opløsninger af vandige baser og varm bisulfit.

Svampemedieret enzymatisk nedbrydning

Nedbrydningen af ​​lignin medieret ved tilstedeværelsen af ​​svampe er blevet undersøgt omfattende af bioteknologi til blegning og behandling af rester produceret efter fremstilling af papir, blandt andre anvendelser.

De svampe, der er i stand til at nedbryde lignin, kaldes hvide rådsvampe, som er i modsætning til brune rådsvampe, der angriber cellulosemolekyler og lignende. Disse svampe er en heterogen gruppe, og deres mest fremtrædende repræsentant er Phanarochaete chrysosporium-arten.

Gennem oxidationsreaktioner - indirekte og tilfældige - bruges gradvist de bindinger, der holder monomererne sammen.

Virkningen af ​​svampe, der angriber lignin, efterlader en lang række fænolske forbindelser, syrer og aromatiske alkoholer. Nogle rester kan mineralisere, mens andre producerer humiske stoffer.

Enzymerne, der udfører denne nedbrydningsproces, skal være ekstracellulære, da lignin ikke er bundet af hydrolyserbare bindinger.

Lignin i fordøjelsen

For planteetere er lignin en fibrøs bestanddel af planter, der ikke er fordøjelig. Det vil sige, det er ikke angrebet af de typiske fordøjelsesenzymer eller af mikroorganismerne, der lever i tyktarmen.

Med hensyn til ernæring bidrager det ikke noget til kroppen, der spiser den. Faktisk kan det reducere andelen af ​​fordøjeligheden af ​​andre næringsstoffer.

Applikationer

Ifølge nogle forfattere, selv om landbrugsrester kan fås i næsten uudtømmelige mængder, er der indtil videre ingen vigtig anvendelse for den pågældende polymer.

Selvom lignin er blevet undersøgt siden slutningen af ​​det 19. århundrede, har komplikationer relateret til dens behandling gjort det vanskeligt at håndtere. Andre kilder antyder imidlertid, at lignin kan udnyttes og foreslår flere mulige anvendelser, baseret på stivhed og styrkeegenskaber, vi har drøftet.

I øjeblikket udvikles en række træbeskyttelsesmidler baseret på lignin kombineret med en række forbindelser for at beskytte den mod skader forårsaget af biotiske og abiotiske stoffer.

Det kan også være et ideelt stof til bygning af isolatorer, både termiske og akustiske.

Fordelen ved at inkorporere lignin i industrien er dens lave omkostninger og dens mulige anvendelse som erstatning for råmateriale udviklet ud fra fossile brændstoffer eller andre petrokemiske ressourcer. Således er lignin en polymer med stort potentiale, der søger at blive udnyttet.

Referencer

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion til cellebiologi. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Plant Morfology Laboratory Manual. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitation til biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomekanik: Fysik og fysiologi (nr. 30). Redaktionel CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992). Plantebiologi (bind 2). Jeg vendte om.
6. Rodríguez, EV (2001). Fysiologi for produktion af tropiske afgrøder. Redaktionelt universitet i Costa Rica.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Plantefysiologi. Jaume I. Universitet