LIGNIINI: RAKENNE, TOIMINNOT, UUTTO, HAJOAMINEN, KÄYTÖT - BIOLOGIA - 2026

Ligniini (Latinalaisen termi lignum, eli puun tai puutavaran) on itse polymeeri putkilokasveja kolmiulotteinen, amorfinen ja monimutkainen rakenne. Kasveissa se toimii "sementtinä", joka antaa lujuuden ja kestävyyden kasvien vartaloille, runkoille ja muille rakenteille.

Se sijaitsee pääasiassa soluseinämässä ja suojaa sitä mekaanisilta voimilta ja taudinaiheuttajilta, ja niitä löytyy myös pienestä osasta solun sisällä. Kemiallisesti siinä on laaja valikoima aktiivisia keskuksia, jotka sallivat niiden olla vuorovaikutuksessa muiden yhdisteiden kanssa. Näissä yleisissä funktionaalisissa ryhmissä meillä on mm. Fenolisia, alifaattisia, metoksihydroksyylejä.

Mahdollinen ligniinin malli. Lähde: oikea nimi: Karol Głąbpl.wiki: Karol007yhteiset: Karol007e-sähköposti: kamikaze007 (at) tlen.pl

Koska ligniini on erittäin monimutkainen ja monimuotoinen kolmiulotteinen verkko, molekyylin rakennetta ei ole selvitetty varmuudella. On kuitenkin tunnettua, että se on polymeeri, joka on muodostettu havupuu-alkoholista ja muista fenyylipropanoidiyhdisteistä, jotka ovat peräisin aromaattisista aminohapoista fenyylialaniinista ja tyrosiinista.

Sitä muodostavien monomeerien polymerointi vaihtelee lajista riippuen, eikä se tee sitä toistuvalla ja ennustettavalla tavalla kuin muut runsaskasviset vihannesten polymeerit (tärkkelys tai selluloosa).

Toistaiseksi ligniinimolekyylin hypoteettisia malleja on saatavana, ja laboratoriossa tapahtuvaa tutkimusta varten ne yleensä käyttävät synteettisiä variantteja.

Ligniinin uuttamistapa on monimutkainen, koska se on sitoutunut muihin seinän komponentteihin ja on hyvin heterogeeninen.

Löytö

Ensimmäinen henkilö, joka ilmoitti ligniinin esiintymisestä, oli sveitsiläinen tutkija AP de Candolle, joka kuvasi sen perustavanlaatuiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ja keksi termin "ligniini".

Pääominaisuudet ja rakenne

Ligniini on toiseksi runsas orgaaninen molekyyli kasveissa selluloosan jälkeen, suurin osa kasvisolujen seinämistä. Kasvit tuottavat vuosittain 20 × ¹⁰⁹ tonnia ligniiniä. Sen tutkimuksesta on kuitenkin ollut runsaasti huolimatta melko vähän.

Merkittävä osa kaikista ligniineistä (noin 75%) sijaitsee soluseinämässä sen jälkeen, kun selluloosarakenne huipentuu (alueellisesti puhuen). Ligniinin sijoittamista kutsutaan lignointiin ja tämä tapahtuu samaan aikaan solukuoleman tapahtumien kanssa.

Se on optisesti inaktiivinen polymeeri, joka ei liukene happamaan liuokseen, mutta liukenee vahvoihin emäksiin, kuten natriumhydroksidiin ja vastaaviin kemiallisiin yhdisteisiin.

Ligniinin uuttamisen ja karakterisoinnin vaikeudet

Useat kirjoittajat väittävät, että ligniinin uuttamiseen liittyy joukko teknisiä vaikeuksia, mikä vaikeuttaa sen rakenteen tutkimista.

Teknisten vaikeuksien lisäksi molekyyli sitoutuu kovalenttisesti selluloosaan ja muihin polysakkarideihin, jotka muodostavat soluseinän. Esimerkiksi puussa ja muissa rignifioiduissa rakenteissa (kuten varressa) ligniini liittyy voimakkaasti selluloosaan ja hemiselluloosaan.

Viimeiseksi, polymeeri on erittäin vaihteleva kasvien välillä. Näistä mainituista syistä on yleistä, että synteettistä ligniiniä käytetään molekyylin tutkimiseen laboratorioissa.

Käytetyimmät uuttomenetelmät

Suurin osa ligniinin uuttamismenetelmistä muuttaa sen rakennetta estäen sen tutkimista. Kaikista olemassa olevista menetelmistä tärkein näyttää olevan kraft. Menetelmän aikana ligniini erotetaan hiilihydraateista natriumhydroksidin ja natriumsulfidin emäksisellä liuoksella suhteessa 3: 1.

Näin ollen eriste tuote on tumman ruskeaa jauhetta, koska fenoliyhdisteiden läsnäolo, jonka keskimääräinen tiheys on 1,3-1,4 g / cm ³.

Fenyylipropanoideista johdetut monomeerit

Näistä metodologisista ristiriidoista huolimatta tiedetään, että ligniinipolymeeri koostuu pääasiassa kolmesta fenyylipropanoidijohdannaisesta: havupuu, kumariini ja synapilliset alkoholit. Nämä yhdisteet syntetisoidaan aloittamalla aromaattisista aminohapoista nimeltään fenyylialaniini ja tyrosiini.

Mainitut yhdisteet hallitsevat ligniinikehyksen kokonaiskoostumusta melkein kokonaan, koska proteiinien alkukonsentraatioita on löydetty.

Näiden kolmen fenyylipropanoidiyksikön osuus on vaihteleva ja riippuu tutkituista kasvilajeista. On myös mahdollista löytää variaatioita monomeerien suhteissa saman yksilön elimissä tai soluseinämän eri kerroksissa.

Ligniinin kolmiulotteinen rakenne

Hiili-hiili- ja hiili-happi-hiilisidosten korkea suhde tuottaa haarautuneen kolmiulotteisen rakenteen.

Toisin kuin muut vihannesten runsaasti polymeerit (kuten tärkkelys tai selluloosa), ligniinimonomeerit eivät polymeroidu toistuvalla ja ennustettavalla tavalla.

Vaikka näiden rakennuspalikoiden sitoutumista näyttää johtavan stokastiset voimat, viimeaikaiset tutkimukset ovat havainneet, että proteiini näyttää välittävän polymeroitumista ja muodostaa suuren toistuvan yksikön.

ominaisuudet

Vaikka ligniini ei ole kaikkien kasvien yleinen komponentti, se suorittaa erittäin tärkeitä suojaukseen ja kasvuun liittyviä toimintoja.

Ensinnäkin se on vastuussa hydrofiilisten komponenttien (selluloosa ja hemiselluloosa) suojaamisesta, joilla ei ole tyypillistä ligniinin stabiilisuutta ja jäykkyyttä.

Koska se löytyy yksinomaan ulkopuolelta, se toimii suojana vaipana vääristymiä ja puristumista vastaan, jättäen selluloosan vastaamaan vetolujuudesta.

Kun seinäkomponentit kastuvat, ne menettävät mekaanisen lujuutensa. Tästä syystä ligniinin läsnäolo vedenpitävässä komponentissa on välttämätöntä. On osoitettu, että ligniinin prosenttimäärän kokeellinen vähentäminen puussa liittyy sen mekaanisten ominaisuuksien vähentymiseen.

Ligniinin suojaus ulottuu myös mahdollisiin biologisiin aineisiin ja mikro-organismeihin. Tämä polymeeri estää entsyymien tunkeutumisen, jotka voivat hajottaa elintärkeitä solukomponentteja.

Sillä on myös perustavanlaatuinen rooli nesteen kuljetuksen moduloinnissa kaikkiin laitoksen rakenteisiin.

Synteesi

Ligniinin muodostuminen alkaa aminohappojen fenyylialaniinin tai tyrosiinin deaminointireaktiolla. Aminohapon kemiallinen identiteetti ei ole kovin merkityksellinen, koska molempien prosessointi johtaa samaan yhdisteeseen: 4-hydroksisinnamaatti.

Tälle yhdisteelle suoritetaan hydroksyloinnin, metyyliryhmien siirron ja karboksyyliryhmän pelkistämisen kemiallisten reaktioiden sarja, kunnes saadaan alkoholia.

Kun kolme edellisessä osassa mainittua ligniinin esiastetta on muodostettu, oletetaan, että ne hapetetaan vapaiksi radikaaleiksi aktiivisten keskuksien luomiseksi polymerointiprosessin edistämiseksi.

Riippumatta liitosta edistävästä voimasta, monomeerit toisiinsa kovalenttisten sidosten kautta ja luovat monimutkaisen verkon.

hajoaminen

Kemiallinen hajoaminen

Molekyylin kemiallisista ominaisuuksista johtuen ligniini liukenee vesipitoisten emästen ja kuuman bisulfiitin liuoksiin.

Sienivälitteinen entsymaattinen hajoaminen

Sienien välittämä ligniinin hajoamista on tutkittu laajasti bioteknologialla paperinvalmistuksen jälkeen tuotettujen jäännösten valkaisemiseksi ja käsittelemiseksi muun muassa.

Sieniä, jotka kykenevät hajottamaan ligniiniä, kutsutaan valkoisen mädan sieniksi, jotka ovat toisin kuin ruskean mädan sienet, jotka hyökkäävät selluloosamolekyylejä ja vastaavia. Nämä sienet ovat heterogeeninen ryhmä ja niiden merkittävin edustaja on Phanarochaete chrysosporium -lajit.

Hapetusreaktioiden kautta - epäsuorasti ja satunnaisesti - sidokset, jotka pitävät monomeereja yhdessä, hajoavat vähitellen.

Ligniiniä hyökkäävien sienten vaikutus jättää taakseen suuren joukon fenoliyhdisteitä, hapot ja aromaattiset alkoholit. Jotkut jäämät voivat mineralisoitua, kun taas toiset tuottavat humiiniaineita.

Entsyymien, jotka suorittavat tämän hajoamisprosessin, on oltava solunulkoisia, koska ligniini ei ole sitoutunut hydrolysoituviin sidoksiin.

Ligniini ruuansulatuksessa

Kasvinsyöjiä varten ligniini on kasvien kuitukomponentti, joka ei ole sulavaa. Toisin sanoen tyypilliset ruuansulatuksen entsyymit tai paksusuolessa elävät mikro-organismit eivät hyökkää siihen.

Ravinnon suhteen se ei edistä mitään sitä vievää kehoa. Itse asiassa se voi vähentää muiden ravintoaineiden sulavuusprosenttia.

Sovellukset

Joidenkin kirjoittajien mukaan, vaikka maatalouden jäännöksiä voidaan saada melkein ehtymättömissä määrin, toistaiseksi kyseiselle polymeerille ei ole tärkeätä sovellutusta.

Vaikka ligniiniä on tutkittu 1800-luvun lopulta lähtien, sen käsittelyyn liittyvät komplikaatiot ovat vaikeuttaneet käsittelyä. Muut lähteet kuitenkin viittaavat siihen, että ligniiniä voidaan hyödyntää, ja ehdottavat useita mahdollisia käyttötarkoituksia keskustelimiemme jäykkyys- ja lujuusominaisuuksien perusteella.

Tällä hetkellä kehitetään sarjaa puunsuoja-aineita, jotka perustuvat ligniiniin yhdistettynä sarjaan yhdisteitä sen suojaamiseksi bioottisten ja abioottisten aineiden aiheuttamilta vaurioilta.

Se voi myös olla ihanteellinen aine rakennuseristeiden, sekä lämpö- että akustisten, eristäjille.

Etuna ligniinin sisällyttämisestä teollisuuteen on alhaiset kustannukset ja sen mahdollinen käyttö fossiilisista polttoaineista tai muista petrokemiallisista lähteistä kehitetyn raaka-aineen korvikkeena. Siksi ligniini on polymeeri, jolla on suuri potentiaali ja joka pyrkii hyväksikäyttöön.

Viitteet

1. Alberts, B., ja Bray, D. (2006). Johdatus solubiologiaan. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Kasvien morfologian laboratorio-opas. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Kutsu biologiaan. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomekaniikka: Fysiikka ja fysiologia (nro 30). Toimituksellinen CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF ja Eichhorn, SE (1992). Kasvibiologia (osa 2). Käänsin.
6. Rodríguez, EV (2001). Trooppisten kasvien tuotannon fysiologia. Toimituksellinen yliopisto Costa Rica.
7. Taiz, L., ja Zeiger, E. (2007). Kasvien fysiologia. Jaume I. University