LIGNIN: STRUKTUR, FUNKTIONER, EXTRAKTION, NEDBRYTNING, ANVÄNDNING - BIOLOGI - 2025

Den lignin (från latinska termen lignum, som betyder trä eller timmer) är en polymer i sig kärlväxter dimensionell, amorf och komplex struktur. I växter fungerar det som en "cement" som ger styrka och motstånd mot växtstammar, stammar och andra strukturer.

Den är huvudsakligen belägen i cellväggen och skyddar den mot mekaniska krafter och patogener, och finns också i en liten andel inuti cellen. Kemiskt har den en mängd olika aktiva centra som gör att de kan interagera med andra föreningar. Inom dessa vanliga funktionella grupper har vi fenoliska, alifatiska, metoxihydroxyler, bland andra.

Möjlig modell av lignin. Källa: riktigt namn: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Eftersom lignin är ett mycket komplext och mångfaldigt tredimensionellt nätverk har molekylens struktur inte klargjort med säkerhet. Det är emellertid känt att vara en polymer bildad av koniferylalkohol och andra fenylpropanoidföreningar härledda från de aromatiska aminosyrorna fenylalanin och tyrosin.

Polymerisationen av monomererna som utgör den varierar beroende på arten och gör det inte på ett repetitivt och förutsägbart sätt som andra rikliga polymerer av grönsaker (stärkelse eller cellulosa).

Hittills är det bara hypotetiska modeller av ligninmolekylen som finns tillgängliga, och för dess studie på laboratoriet använder de vanligtvis syntetiska varianter.

Sättet att extrahera lignin är komplext, eftersom det är bundet med andra väggkomponenter och är mycket heterogent.

Upptäckt

Den första personen som rapporterade förekomsten av lignin var schweizisk-född forskare AP de Candolle, som beskrev dess grundläggande kemiska och fysiska egenskaper och myntade uttrycket "lignin."

Huvudsakliga egenskaper och struktur

Lignin är den näst vanligaste organiska molekylen i växter efter cellulosa, huvuddelen av växtcellväggarna. Varje år producerar växterna 20 × 10 ⁹ ton lignin. Trots dess överflöd har studien varit ganska begränsad.

En betydande del av allt lignin (ungefär 75%) är beläget i cellväggen efter att cellulosestrukturen kulminerar (rumsligt sett). Placering av lignin kallas lignifiering och detta sammanfaller med händelserna av celldöd.

Det är en optiskt inaktiv polymer, olöslig i syralösningar men löslig i starka baser, såsom natriumhydroxid och liknande kemiska föreningar.

Svårigheter i extraktion och karakterisering av lignin

Olika författare hävdar att det finns en serie tekniska svårigheter relaterade till extraktion av lignin, ett faktum som komplicerar studien av dess struktur.

Förutom tekniska svårigheter är molekylen kovalent bunden till cellulosa och resten av polysackariderna som utgör cellväggen. Till exempel, i trä och andra lignificerade strukturer (såsom stjälkar), är lignin starkt associerat med cellulosa och hemicellulosa.

Slutligen är polymeren extremt varierbar mellan växter. Av dessa nämnda skäl är det vanligt att syntetiskt lignin används för att studera molekylen i laboratorier.

Mest använda extraktionsmetoder

De allra flesta ligninekstraktionsmetoder modifierar dess struktur och förhindrar dess studie. Av alla befintliga metoder verkar den viktigaste vara kraft. Under proceduren separeras ligninet från kolhydraterna med en basisk lösning av natriumhydroxid och natriumsulfid i 3: 1-proportioner.

Således är isoleringsprodukten ett mörkbrunt pulver på grund av närvaron av fenolföreningar, vars genomsnittliga densitet är 1,3 till 1,4 g / cm ^{^} .

Monomerer härrörande från fenylpropanoider

Trots dessa metodologiska konflikter är det känt att ligninpolymeren huvudsakligen består av tre fenylpropanoidderivat: barrträds-, kumar- och synapillalkoholer. Dessa föreningar syntetiseras med utgångspunkt från de aromatiska aminosyrorna som kallas fenylalanin och tyrosin.

Den totala sammansättningen av ligninramverket domineras nästan totalt av de nämnda föreningarna, eftersom begynnande koncentrationer av proteiner har hittats.

Andelen av dessa tre fenylpropanoida enheter är varierande och beror på de undersökta växtarterna. Det är också möjligt att hitta variationer i proportionerna av monomerer i organen hos samma individ eller i olika lager av cellväggen.

Tredimensionell struktur av lignin

Det höga förhållandet kol-kol och kol-syre-kol-bindningar genererar en mycket grenad tredimensionell struktur.

Till skillnad från andra polymerer som vi finner i överflöd i grönsaker (som stärkelse eller cellulosa) polymeriserar ligninmonomerer inte på ett repetitivt och förutsägbart sätt.

Även om bindningen av dessa byggstenar verkar drivas av stokastiska krafter, har nyligen undersökt att ett protein verkar mediera polymerisation och bildar en stor upprepande enhet.

Funktioner

Även om lignin inte är en allestädes närvarande komponent av alla växter, uppfyller det mycket viktiga funktioner relaterade till skydd och tillväxt.

Först och främst ansvarar det för att skydda de hydrofila komponenterna (cellulosa och hemicellulosa) som inte har den typiska stabiliteten och stelheten hos lignin.

Eftersom det exklusivt finns på utsidan fungerar det som ett skyddande mantel mot distorsion och komprimering, vilket lämnar cellulosan att vara ansvarig för draghållfastheten.

När väggkomponenterna blir våta förlorar de mekanisk styrka. Av detta skäl är närvaron av lignin med den vattentäta komponenten nödvändig. Det har visats att den experimentella reduktionen av andelen lignin i träet är relaterad till reduktionen av de mekaniska egenskaperna hos densamma.

Skyddet av lignin sträcker sig också till möjliga biologiska medel och mikroorganismer. Denna polymer förhindrar penetrering av enzymer som kan försämra vitala cellkomponenter.

Det spelar också en grundläggande roll för att modulera transport av vätska till alla anläggningar.

Syntes

Bildningen av lignin börjar med en deamineringsreaktion av aminosyrorna fenylalanin eller tyrosin. Aminosyrans kemiska identitet är inte särskilt relevant, eftersom bearbetningen av båda leder till samma förening: 4-hydroxycinnamat.

Denna förening utsätts för en serie kemiska reaktioner av hydroxylering, överföring av metylgrupper och reduktion av karboxylgruppen tills en alkohol erhålles.

När de tre ligninprekursorerna som nämns i föregående sektion har bildats antas det att de oxideras till fria radikaler för att skapa aktiva centra för att främja polymerisationsprocessen.

Oavsett kraften som främjar unionen, skapar monomererna till varandra genom kovalenta bindningar och skapar ett komplext nätverk.

Degradering

Kemisk nedbrytning

På grund av molekylens kemiska egenskaper är lignin lösligt i lösningar av vattenhaltiga baser och varm bisulfit.

Svampmedierad enzymatisk nedbrytning

Nedbrytningen av lignin medierad av närvaron av svampar har studerats omfattande av bioteknik för blekning och behandling av rester producerade efter tillverkning av papper, bland andra användningar.

Svamparna som kan bryta ner lignin kallas vita röttsvampar, som står i kontrast till bruna rådsvampar som attackerar cellulosamolekyler och liknande. Dessa svampar är en heterogen grupp och deras mest framträdande representant är arten Phanarochaete chrysosporium.

Genom oxidationsreaktioner - indirekt och slumpmässigt - bryts banden som håller monomererna gradvis.

Handlingen av svampar som angriper lignin efterlämnar en stor mängd fenolföreningar, syror och aromatiska alkoholer. Vissa rester kan mineralisera, medan andra producerar humiska ämnen.

Enzymerna som utför denna nedbrytningsprocess måste vara extracellulära, eftersom lignin inte är bundet av hydrolyserbara bindningar.

Lignin i matsmältningen

För växtätare är lignin en fibrös komponent av växter som inte är smältbar. Det vill säga, det attackeras inte av de typiska enzymerna för matsmältningen eller av mikroorganismerna som lever i tjocktarmen.

När det gäller näring, bidrar det inte något till kroppen som konsumerar den. I själva verket kan det minska andelen smältbarhet av andra näringsämnen.

tillämpningar

Enligt vissa författare, även om jordbruksrester kan erhållas i nästan outtömliga mängder, hittills finns det ingen viktig tillämpning för den aktuella polymeren.

Även om lignin har studerats sedan slutet av 1800-talet har komplikationer relaterade till dess bearbetning gjort det svårt att hantera. Andra källor tyder dock på att lignin kan utnyttjas och föreslår flera möjliga användningsområden, baserat på styvhets- och hållfasthetsegenskaperna vi har diskuterat.

För närvarande utvecklas en serie träkonserveringsmedel baserade på lignin i kombination med en serie föreningar för att skydda den från skador orsakade av biotiska och abiotiska medel.

Det kan också vara ett idealiskt ämne för att bygga isolatorer, både termiska och akustiska.

Fördelen med att införliva lignin i industrin är dess låga kostnad och dess möjliga användning som ersättning för råmaterial utvecklat från fossila bränslen eller andra petrokemiska resurser. Således är lignin en polymer med stor potential som försöker utnyttjas.

referenser

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion till cellbiologi. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Plant Morfology Laboratory Manual. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Inbjudan till biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomekanik: Fysik och fysiologi (nr 30). Redaktionell CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992). Växtbiologi (vol. 2). Jag vänt.
6. Rodríguez, EV (2001). Fysiologi för produktion av tropiska grödor. Redaktionellt universitet i Costa Rica.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Växtfysiologi. Jaume I. universitet