LIGNIN: STRUKTURA, FUNKCIJE, EKSTRAKCIJA, DEGRADACIJA, NAMJENE - BIOLOGIJA - 2026

Lignin (od latinske izraz Lignum, što znači drvo ili drva) je sam po sebi polimer vaskularne biljke dimenzije, amorfni i složene strukture. U biljkama služi kao "cement" koji daje čvrstoću i otpornost stabljikama, deblima i drugim strukturama.

Smještena je uglavnom u staničnoj stijenci i štiti je od mehaničkih sila i patogena, a nalazi se i u malom dijelu unutar stanice. Kemijski ima širok izbor aktivnih centara koji im omogućuju interakciju s drugim spojevima. Unutar tih uobičajenih funkcionalnih skupina, između ostalog, imamo fenolne, alifatske, metoksi hidroksile.

Mogući model lignina. Izvor: pravo ime: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Budući da je lignin vrlo složena i raznolika trodimenzionalna mreža, struktura molekule nije pojašnjena sa sigurnošću. Međutim, poznato je da je polimer nastao iz koniferilnog alkohola i drugih fenilpropanoidnih spojeva dobivenih iz aromatskih aminokiselina fenilalanina i tirozina.

Polimerizacija monomera koji ga čine razlikuje se ovisno o vrsti, a ne čini to na ponavljajući i predvidiv način kao i drugi obilni polimeri povrća (škrob ili celuloza).

Do sada su dostupni samo hipotetski modeli molekule lignina, a za njegovo proučavanje u laboratoriju obično se koriste sintetičke varijante.

Način ekstrakcije lignina je složen, jer je vezan s ostalim komponentama zida i vrlo je heterogen.

Otkriće

Prva osoba koja je prijavila prisutnost lignina bio je znanstvenik rođenog u Švicarskoj AP de Candolle, koji je opisao njegova osnovna kemijska i fizikalna svojstva i skovao izraz "lignin".

Glavne karakteristike i struktura

Lignin je druga najzastupljenija organska molekula u biljkama nakon celuloze, većinske komponente zidova biljnih stanica. Svake godine biljke proizvode 20 × 10 ⁹ tona lignina. Međutim, i pored obilja, njegovo je proučavanje bilo prilično ograničeno.

Značajan udio cjelokupnog lignina (otprilike 75%) nalazi se u staničnoj stijenci, nakon što celulozna struktura kulminira (prostorno gledano). Postavljanje lignina naziva se lignifikacija i to se podudara s događajima smrti stanica.

To je optički neaktivan polimer, netopiv u kiselinskim otopinama, ali topiv u jakim bazama, poput natrijevog hidroksida i sličnih kemijskih spojeva.

Poteškoće u ekstrakciji i karakterizaciji lignina

Razni autori tvrde da postoji niz tehničkih poteškoća povezanih s ekstrakcijom lignina, činjenica koja komplicira proučavanje njegove strukture.

Pored tehničkih poteškoća, molekula se kovalentno veže na celulozu i ostale polisaharide koji čine staničnu stijenku. Na primjer, u drvetu i drugim lignificiranim strukturama (poput stabljika) lignin je snažno povezan s celulozom i hemicelulozom.

I na kraju, polimer je vrlo raznolik između biljaka. Iz navedenih razloga uobičajeno je da se sintetički lignin koristi u ispitivanju molekula u laboratorijima.

Najčešće korištene metode ekstrakcije

Velika većina metoda ekstrakcije lignina modificira njegovu strukturu, onemogućujući njegovo proučavanje. Od svih postojećih metodologija, čini se da je najvažnija kraft. Tijekom postupka, lignin se odvaja od ugljikohidrata osnovnom otopinom natrijevog hidroksida i natrijevog sulfida u omjerima 3: 1.

Tako, izolacijski proizvod je tamno smeđe praška zbog prisutnosti fenola, čija je prosječna gustoća iznosi 1,3 do 1,4 g / cm ³.

Monomeri dobiveni iz fenilpropanoida

Unatoč tim metodološkim sukobima, poznato je da se ligninski polimer sastoji uglavnom od triju fenilpropanoidnih derivata: koniferilnih, kumarnih i sinapilskih alkohola. Ovi spojevi sintetiziraju se počevši od aromatskih aminokiselina nazvanih fenilalanin i tirozin.

Ukupnim sastavom ligninskog okvira gotovo potpuno dominiraju spomenuti spojevi, jer su pronađene početne koncentracije proteina.

Udio ove tri fenilpropanoidne jedinice je promjenjiv i ovisi o ispitivanoj biljnoj vrsti. Također je moguće pronaći varijacije u omjerima monomera unutar organa iste jedinke ili u različitim slojevima stanične stijenke.

Trodimenzionalna struktura lignina

Visoki omjer veze ugljik-ugljik i ugljik-kisik-ugljik stvara visoko razgranatu trodimenzionalnu strukturu.

Za razliku od drugih polimera kojih u povrću nalazimo u izobilju (poput škroba ili celuloze), monomeri lignini ne polimeriziraju se na ponavljajući i predvidljivi način.

Iako se čini da vezivanje ovih građevnih blokova pokreće stohastičke sile, nedavna istraživanja otkrila su da protein izgleda posreduje u polimerizaciji i tvori veliku ponavljajuću jedinicu.

Značajke

Iako lignin nije sveprisutna sastavnica svih biljaka, on ispunjava vrlo važne funkcije povezane sa zaštitom i rastom.

Prije svega, odgovoran je za zaštitu hidrofilnih sastojaka (celuloze i hemiceluloze) koji nemaju tipičnu stabilnost i krutost lignina.

Kako se nalazi isključivo s vanjske strane, služi kao zaštitni omotač protiv izobličenja i kompresije, a celuloza je odgovorna za vlačnu čvrstoću.

Kad se zidne komponente navlaže, gube mehaničku čvrstoću. Iz tog razloga nužna je prisutnost lignina s vodootpornom komponentom. Pokazano je da je eksperimentalno smanjenje postotka lignina u drvu povezano sa smanjenjem mehaničkih svojstava istog.

Zaštita lignina se proteže i na moguće biološke agense i mikroorganizme. Ovaj polimer sprječava prodiranje enzima koji bi mogli razgraditi vitalne stanične komponente.

Također igra temeljnu ulogu u moduliranju transporta tekućine u sve strukture postrojenja.

Sinteza

Stvaranje lignina započinje reakcijom deaminacije aminokiselina fenilalanin ili tirozin. Kemijski identitet aminokiseline nije vrlo bitan, jer ih obrada dovodi do istog spoja: 4-hidroksicinnamata.

Ovaj spoj je podvrgnut nizu kemijskih reakcija hidroksilacije, prijenosa metilnih skupina i redukcije karboksilne skupine dok se ne dobije alkohol.

Kad se formiraju tri prekursora lignina spomenutih u prethodnom odjeljku, pretpostavlja se da su oni oksidirali do slobodnih radikala kako bi se stvorili aktivni centri za promicanje procesa polimerizacije.

Bez obzira na silu koja potiče uniju, monomeri jedni drugima putem kovalentnih veza i stvaraju složenu mrežu.

degradacija

Kemijska degradacija

Zbog kemijskih karakteristika molekule lignin je topiv u otopinama vodenih baza i vrućeg bisulfita.

Enzimska razgradnja posredovana gljivicama

Razgradnja lignina posredovana prisutnošću gljivica biotehnološki je temeljito proučavala biotehnologiju za izbjeljivanje i obradu ostataka dobivenih nakon proizvodnje papira, između ostalih namjena.

Gljivice koje su sposobne razgraditi lignin nazivaju se gljivama bijele truleži, koje su u suprotnosti s gljivama smeđe truleži koje napadaju molekule celuloze i slično. Ove su gljive heterogena skupina i njihov najistaknutiji predstavnik je vrsta Phanarochaete chrysosporium.

Kroz reakcije oksidacije - neizravne i slučajne - postupno se prekidaju veze koje drže monomere.

Djelovanje gljivica koje napadaju lignin iza sebe ostavlja veliki broj fenolnih spojeva, kiselina i aromatičnih alkohola. Neki ostaci mogu se mineralizirati, dok drugi stvaraju huminske tvari.

Enzimi koji provode ovaj proces razgradnje moraju biti izvanstanični, jer lignin nije vezan vezama koje se mogu hidrolizirati.

Lignin u probavi

Za biljojede je lignin vlaknasta komponenta biljaka koja nije probavljiva. Odnosno, ne napadaju ga tipični enzimi za probavu niti mikroorganizmi koji žive u debelom crijevu.

Što se tiče prehrane, to ne doprinosi tijelu što ga konzumira. U stvari, može smanjiti postotak probavljivosti ostalih hranjivih sastojaka.

Prijave

Prema nekim autorima, iako se poljoprivredni ostaci mogu dobiti u gotovo neiscrpnim količinama, zasad nema važne primjene za predmetni polimer.

Iako se lignin proučava od kraja 19. stoljeća, komplikacije povezane s njegovom preradom otežale su njegovu obradu. Međutim, drugi izvori sugeriraju da se lignin može iskoristiti i predlažu nekoliko potencijalnih primjena na temelju svojstava krutosti i čvrstoće o kojima smo razgovarali.

Trenutno se razvija niz konzervansa za drvo na bazi lignina u kombinaciji s nizom spojeva kako bi se zaštitio od oštećenja uzrokovanih biotskim i abiotskim agensima.

Također bi mogla biti idealna supstanca za izgradnju izolatora, toplinskih i akustičnih.

Prednost uključivanja lignina u industriju je njegova niska cijena i njegova moguća upotreba kao zamjena za sirovine razvijene iz fosilnih goriva ili drugih petrokemijskih resursa. Dakle, lignin je polimer velikog potencijala koji se želi iskoristiti.

Reference

1. Alberts, B., i Bray, D. (2006). Uvod u staničnu biologiju. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Priručnik za laboratorijsku morfologiju biljaka. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., i Schnek, A. (2006). Poziv na biologiju. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomehanika: fizika i fiziologija (br. 30). Uredništvo CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF i Eichhorn, SE (1992). Biologija biljaka (svezak 2). Preokrenuo sam se.
6. Rodríguez, EV (2001). Fiziologija proizvodnje tropskih kultura. Uredništvo Sveučilišta u Kostariki.
7. Taiz, L., i Zeiger, E. (2007). Fiziologija biljaka. Sveučilište Jaume I.