LIGNINE: STRUCTUUR, FUNCTIES, EXTRACTIE, AFBRAAK, GEBRUIK - BIOLOGIE - 2025

De lignine (van de Latijnse term lignum, wat hout of hout betekent) is een polymeer zelf vaatplanten dimensionale, amorfe en complexe structuur. In planten dient het als een "cement" dat kracht en weerstand geeft aan plantstelen, stammen en andere structuren.

Het bevindt zich voornamelijk in de celwand en beschermt het tegen mechanische krachten en pathogenen, die ook in een klein deel in de cel worden aangetroffen. Chemisch gezien heeft het een grote verscheidenheid aan actieve centra waardoor ze kunnen interageren met andere verbindingen. Binnen deze gemeenschappelijke functionele groepen hebben we onder andere fenolische, alifatische, methoxy-hydroxylgroepen.

Mogelijk model van lignine. Bron: echte naam: Karol Głąbpl. Wiki: Karol007commons: Karol007 e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Omdat lignine een zeer complex en divers driedimensionaal netwerk is, is de structuur van het molecuul niet met zekerheid opgehelderd. Het is echter bekend dat het een polymeer is dat is gevormd uit coniferylalcohol en andere fenylpropanoïde verbindingen die zijn afgeleid van de aromatische aminozuren fenylalanine en tyrosine.

De polymerisatie van de monomeren waaruit het bestaat, varieert afhankelijk van de soort en gebeurt niet op een repetitieve en voorspelbare manier zoals andere overvloedige polymeren van groenten (zetmeel of cellulose).

Tot dusver zijn alleen hypothetische modellen van het ligninemolecuul beschikbaar, en voor de studie ervan in het laboratorium gebruiken ze meestal synthetische varianten.

De manier van extractie van lignine is complex, omdat het gebonden is aan andere componenten van de wand en zeer heterogeen is.

Ontdekking

De eerste persoon die de aanwezigheid van lignine meldde, was de in Zwitserland geboren wetenschapper AP de Candolle, die de fundamentele chemische en fysische eigenschappen ervan beschreef en de term 'lignine' bedacht.

Belangrijkste kenmerken en structuur

Lignine is na cellulose het meest voorkomende organische molecuul in planten, het grootste bestanddeel van plantencelwanden. Elk jaar produceren de planten 20 × 10 ⁹ ton lignine. Ondanks zijn overvloed was zijn onderzoek echter vrij beperkt.

Een aanzienlijk deel van alle lignine (ongeveer 75%) bevindt zich in de celwand, nadat de cellulosestructuur culmineert (ruimtelijk gesproken). De plaatsing van lignine wordt lignificatie genoemd en dit valt samen met de gebeurtenissen van celdood.

Het is een optisch inactief polymeer, onoplosbaar in zure oplossingen maar oplosbaar in sterke basen, zoals natriumhydroxide en soortgelijke chemische verbindingen.

Moeilijkheden bij de extractie en karakterisering van lignine

Verschillende auteurs stellen dat er een reeks technische problemen is met betrekking tot de extractie van lignine, een feit dat de studie van de structuur ervan bemoeilijkt.

Naast technische problemen is het molecuul covalent gebonden aan cellulose en de rest van de polysacchariden waaruit de celwand bestaat. In hout en andere verhoute structuren (zoals stengels) wordt lignine bijvoorbeeld sterk geassocieerd met cellulose en hemicellulose.

Ten slotte is het polymeer extreem variabel tussen planten. Om deze genoemde redenen is het gebruikelijk dat synthetische lignine wordt gebruikt voor de studie van het molecuul in laboratoria.

Meest gebruikte extractiemethoden

De overgrote meerderheid van de lignine-extractiemethoden wijzigt de structuur en verhindert de studie ervan. Van alle bestaande methodologieën lijkt kraft de belangrijkste. Tijdens de procedure wordt de lignine gescheiden van de koolhydraten met een basische oplossing van natriumhydroxide en natriumsulfide in verhoudingen van 3: 1.

Dus het isolatieproduct een donkerbruin poeder door de aanwezigheid van fenolische verbindingen, waarvan de gemiddelde dichtheid 1,3 tot 1,4 g / cm ³ .

Monomeren afgeleid van fenylpropanoïden

Ondanks deze methodologische conflicten is het bekend dat het ligninepolymeer voornamelijk bestaat uit drie fenylpropanoïde derivaten: naald-, coumarine- en synapillische alcoholen. Deze verbindingen worden gesynthetiseerd uitgaande van de aromatische aminozuren fenylalanine en tyrosine.

De totale samenstelling van het ligninekader wordt bijna volledig gedomineerd door de genoemde verbindingen, aangezien er beginnende concentraties van eiwitten zijn gevonden.

Het aandeel van deze drie fenylpropanoïde-eenheden is variabel en hangt af van de bestudeerde plantensoort. Het is ook mogelijk variaties te vinden in de verhoudingen van monomeren in de organen van hetzelfde individu of in verschillende lagen van de celwand.

Driedimensionale structuur van lignine

De hoge verhouding van koolstof-koolstof- en koolstof-zuurstof-koolstof-bindingen genereert een sterk vertakte driedimensionale structuur.

In tegenstelling tot andere polymeren die we in grote hoeveelheden in groenten aantreffen (zoals zetmeel of cellulose), polymeriseren ligninemonomeren niet op een repetitieve en voorspelbare manier.

Hoewel de binding van deze bouwstenen lijkt te worden aangedreven door stochastische krachten, heeft recent onderzoek aangetoond dat een eiwit de polymerisatie lijkt te mediëren en een grote zich herhalende eenheid vormt.

Kenmerken

Hoewel lignine niet een alomtegenwoordig bestanddeel van alle planten is, vervult het zeer belangrijke functies met betrekking tot bescherming en groei.

Allereerst is het verantwoordelijk voor de bescherming van de hydrofiele componenten (cellulose en hemicellulose) die niet de typische stabiliteit en stijfheid van lignine hebben.

Omdat het uitsluitend aan de buitenkant wordt aangetroffen, dient het als een beschermend omhulsel tegen vervorming en compressie, waarbij de cellulose verantwoordelijk is voor de treksterkte.

Wanneer de muurdelen nat worden, verliezen ze mechanische sterkte. Om deze reden is de aanwezigheid van lignine met de waterdichte component noodzakelijk. Er is aangetoond dat de experimentele vermindering van het percentage lignine in het hout verband houdt met de vermindering van de mechanische eigenschappen ervan.

De bescherming van lignine strekt zich ook uit tot mogelijke biologische agentia en micro-organismen. Dit polymeer voorkomt de penetratie van enzymen die vitale cellulaire componenten kunnen afbreken.

Het speelt ook een fundamentele rol bij het moduleren van het transport van vloeistof naar alle structuren van de plant.

Synthese

De vorming van lignine begint met een deamineringsreactie van de aminozuren fenylalanine of tyrosine. De chemische identiteit van het aminozuur is niet erg relevant, aangezien de verwerking van beide leidt tot dezelfde verbinding: 4-hydroxycinnamaat.

Deze verbinding wordt onderworpen aan een reeks chemische reacties van hydroxylering, overdracht van methylgroepen en reductie van de carboxylgroep totdat een alcohol wordt verkregen.

Wanneer de drie voorlopers van lignine genoemd in de vorige paragraaf zijn gevormd, wordt aangenomen dat ze worden geoxideerd tot vrije radicalen, om zo actieve centra te creëren die het polymerisatieproces bevorderen.

Ongeacht de kracht die de vereniging bevordert, vormen de monomeren via covalente bindingen een complex netwerk.

Degradatie

Chemische afbraak

Vanwege de chemische eigenschappen van het molecuul is lignine oplosbaar in oplossingen van waterige basen en heet bisulfiet.

Door schimmel veroorzaakte enzymatische afbraak

De afbraak van lignine veroorzaakt door de aanwezigheid van schimmels is uitgebreid bestudeerd door de biotechnologie voor het bleken en behandelen van de overblijfselen die ontstaan ​​na de productie van papier, onder andere.

De schimmels die lignine kunnen afbreken, worden witrotschimmels genoemd, die in tegenstelling tot bruinrotschimmels die cellulosemoleculen en dergelijke aanvallen. Deze schimmels vormen een heterogene groep en hun meest prominente vertegenwoordiger is de soort Phanarochaete chrysosporium.

Door oxidatiereacties - indirect en willekeurig - worden de bindingen die de monomeren bij elkaar houden geleidelijk verbroken.

De werking van schimmels die lignine aantasten, laat een grote verscheidenheid aan fenolische verbindingen, zuren en aromatische alcoholen achter. Sommige residuen kunnen mineraliseren, terwijl andere humusstoffen produceren.

De enzymen die dit afbraakproces uitvoeren, moeten extracellulair zijn, aangezien lignine niet gebonden is door hydrolyseerbare bindingen.

Lignine bij de spijsvertering

Voor herbivoren is lignine een vezelachtig bestanddeel van planten dat niet verteerbaar is. Dat wil zeggen, het wordt niet aangevallen door de typische verteringsenzymen of door de micro-organismen die in de dikke darm leven.

Qua voeding draagt ​​het niets bij aan het lichaam dat het consumeert. Het kan zelfs het percentage verteerbaarheid van andere voedingsstoffen verminderen.

Toepassingen

Volgens sommige auteurs is er, hoewel landbouwresiduen in bijna onuitputtelijke hoeveelheden kunnen worden verkregen, tot dusver geen belangrijke toepassing voor het polymeer in kwestie.

Hoewel lignine al sinds het einde van de 19e eeuw wordt bestudeerd, is het door complicaties bij de verwerking ervan moeilijk te hanteren. Andere bronnen suggereren echter dat lignine kan worden geëxploiteerd en stellen verschillende mogelijke toepassingen voor, gebaseerd op de stijfheid en sterkte-eigenschappen die we hebben besproken.

Momenteel wordt een reeks houtconserveringsmiddelen op basis van lignine in combinatie met een reeks verbindingen ontwikkeld om het te beschermen tegen schade veroorzaakt door biotische en abiotische middelen.

Het kan ook een ideale stof zijn voor het bouwen van isolatoren, zowel thermisch als akoestisch.

Het voordeel van het opnemen van lignine in de industrie is de lage kostprijs en het mogelijke gebruik als vervanging voor grondstoffen die zijn ontwikkeld uit fossiele brandstoffen of andere petrochemische bronnen. Lignine is dus een polymeer met een groot potentieel dat wil worden benut.

Referenties

1. Alberts, B., en Bray, D. (2006). Inleiding tot celbiologie. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Laboratoriumhandleiding voor plantenmorfologie. Slabbetje Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Uitnodiging voor biologie. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomechanica: fysica en fysiologie (nr. 30). Redactioneel CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, en Eichhorn, SE (1992). Plant Biology (Vol. 2). Ik draaide me om.
6. Rodríguez, EV (2001). Fysiologie van de productie van tropische gewassen. Redactioneel Universiteit van Costa Rica.
7. Taiz, L., en Zeiger, E. (2007). Plantenfysiologie. Jaume I. Universiteit