LIGNIN: SZERKEZET, FUNKCIÓK, EXTRAHÁLÁS, LEBONTÁS, FELHASZNÁLÁSOK - BIOLÓGIA - 2026

A lignin (a latin kifejezésből a lignum jelentése fa vagy fűrészáru) maga a polimer érrendszeri növények mérete, amorf és összetett szerkezete. A növényekben ez egy "cement", amely szilárdságot és ellenállást biztosít a növényi szároknak, fatörzseknek és más szerkezeteknek.

Elsősorban a sejtfalban található, és védi a mechanikai erők és a kórokozók ellen, mivel a sejtben csak kis részben található. Kémiailag nagyon sokféle aktív központtal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy kölcsönhatásba lépjenek más vegyületekkel. Ezen általános funkcionális csoportokon belül többek között fenolos, alifás, metoxi-hidroxilcsoportok találhatók.

A lignin lehetséges modellje. Forrás: valódi név: Karol Głąbpl.wiki: Karol007gyakrabok: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Mivel a lignin rendkívül összetett és változatos háromdimenziós hálózat, ezért a molekula szerkezetét nem sikerült bizonyosan megvilágítani. Ismert azonban olyan polimer, amely koniferil-alkoholból és más fenil-propanoid vegyületekből áll, amelyek a fenilalanin és tirozin aromás aminosavakból származnak.

Az alkotó monomerek polimerizációja a fajtától függően változik, és nem ismétlődő és kiszámítható módon hajtja végre, mint más zöldségfélékben gazdag polimerek (keményítő vagy cellulóz) esetén.

Eddig csak a lignin molekula hipotetikus modelljei állnak rendelkezésre, és a laboratóriumi vizsgálat céljából általában szintetikus variánsokat használnak.

A lignin extrahálásának módja összetett, mivel a fal más alkotóelemeivel kötődik és nagyon heterogén.

Felfedezés

A lignin jelenlétéről az elsőként a svájci születésű tudós, AP de Candolle tudósította, aki ismertette alapvető kémiai és fizikai tulajdonságait, és elkészítette a "lignin" kifejezést.

Főbb jellemzők és felépítés

A lignin a növények második legszélesebb szerves molekula a cellulóz után, a növényi sejtfalak túlnyomó része. A növények évente 20 × 10 ⁹ tonna lignint termelnek. A bősége ellenére azonban tanulmánya meglehetősen korlátozott volt.

Az összes lignin jelentős hányada (körülbelül 75%) a sejtfalban található, miután a cellulóz szerkezete csúcsosodik (térbeli szempontból). A lignin elhelyezését lignifikációnak nevezzük, és ez egybeesik a sejthalál eseményeivel.

Ez egy optikailag inaktív polimer, savakban nem oldódik, de oldódik erős bázisokban, például nátrium-hidroxidban és hasonló kémiai vegyületekben.

A lignin kinyerésének és jellemzésének nehézségei

Különböző szerzők azt állítják, hogy a lignin kinyerésével kapcsolatban számos technikai nehézség létezik, ami megnehezíti annak szerkezetének tanulmányozását.

A technikai nehézségeken kívül a molekula kovalensen kötődik a cellulózhoz és a poliszacharidok többi részéhez, amelyek a sejtfalát alkotják. Például a fában és más, élesített struktúrákban (például szárakban) a lignin erősen kapcsolódik a cellulózhoz és a hemicellulózhoz.

Végül, a polimer rendkívül változatos növények között. Ezen okok miatt a szintetikus lignint gyakran használják a molekula laboratóriumi vizsgálatához.

A leggyakrabban használt extrakciós módszerek

A lignin extrakciós módszerek túlnyomó része módosítja szerkezetét, megakadályozva annak tanulmányozását. Az összes meglévő módszertan közül a legfontosabb a kraft. Az eljárás során a lignint 3: 1 arányban választják el a szénhidrátoktól nátrium-hidroxid és nátrium-szulfid lúgos oldatával.

Így, a szigetelés termék egy sötétbarna por jelenléte miatt a fenolos vegyületek, akiknek az átlagos sűrűsége 1,3-1,4 g / cm ³.

Fenilpropanoidokból származó monomerek

Ezen módszertani konfliktusok ellenére ismeretes, hogy a ligninpolimer elsősorban három fenilpropanoid-származékból áll: tűlevelű, kumár és szinapill alkoholok. Ezeket a vegyületeket a fenilalaninnak és tirozinnak nevezett aromás aminosavakból szintetizálják.

A ligninváz teljes összetételében szinte teljes mértékben az említett vegyületek dominálnak, mivel a kezdeti fehérjekoncentrációkat találtak.

E három fenilpropanoid egység aránya változó, és a vizsgált növényfajoktól függ. Ugyancsak lehetőség van eltérések megtalálására a monomerek arányában ugyanazon egyén szerveiben vagy a sejtfal különböző rétegeiben.

A lignin háromdimenziós szerkezete

A szén-szén és a szén-oxigén-szén kötések magas aránya nagyon elágazó háromdimenziós szerkezetet eredményez.

Más zöldségekkel (például keményítővel vagy cellulózzal) előforduló polimerektől eltérően a lignin-monomerek nem ismétlődő és kiszámítható módon polimerizálódnak.

Bár úgy tűnik, hogy ezeknek az építőelemeknek a kötődését sztochasztikus erők vezérlik, a közelmúltban végzett kutatások azt mutatták, hogy egy protein közvetíti a polimerizációt, és egy nagy, ismétlődő egységet képez.

Jellemzők

Bár a lignin nem minden növény mindenütt jelen lévő alkotóeleme, a védelem és a növekedés szempontjából nagyon fontos funkciókat tölt be.

Mindenekelőtt az a hidrofil komponensek (cellulóz és hemicellulóz) védelme, amelyek nem rendelkeznek jellemző lignin stabilitással és merevséggel.

Mivel kizárólag a külső részén található, védő hüvelyként szolgál a torzulás és a tömörítés ellen, így a cellulóz felel a szakítószilárdságért.

Amikor a fal alkatrészei nedvesednek, elveszítik a mechanikai szilárdságot. Ezért a lignin jelenléte a vízálló alkotóelemen szükséges. Kimutatták, hogy a fában a lignin százalékos arányának kísérleti csökkentése kapcsolódik annak mechanikai tulajdonságainak csökkentéséhez.

A lignin védelme kiterjed a lehetséges biológiai ágensekre és mikroorganizmusokra is. Ez a polimer megakadályozza az enzimek behatolását, amelyek lebonthatják a sejtek létfontosságú komponenseit.

Alapvető szerepet játszik a folyadék szállításának modulálásában a növény minden szerkezetéhez.

Szintézis

A lignin képződése a fenilalanin vagy tirozin aminosavak deaminációs reakciójával kezdődik. Az aminosav kémiai azonossága nem nagyon releváns, mivel mindkettő feldolgozása ugyanahhoz a vegyülethez vezet: 4-hidroxi-cinnamát.

Ezt a vegyületet hidroxilezés, metilcsoportok átvitele és a karboxilcsoport redukciója kémiai reakcióinak sorozatáig vezetik, amíg alkoholt nem kapnak.

Az előző szakaszban említett három lignin prekurzor kialakulásakor feltételezzük, hogy ezek szabad gyökökre oxidálódnak, hogy aktív centrumokat képezzenek a polimerizációs folyamat elősegítésére.

Függetlenül attól az erőtől, amely elősegíti az uniót, a monomerek kovalens kötések révén egymáshoz kapcsolódnak, és összetett hálózatot hoznak létre.

A lebomlás

Kémiai lebomlás

A molekula kémiai tulajdonságai miatt a lignin oldódik vizes bázisok és forró biszulfit oldatában.

Gomba által közvetített enzimatikus lebontás

A gombák jelenléte által kiváltott lignin lebontását biotechnológia széles körben vizsgálta a papírgyártás után keletkezett maradékok fehérítésére és kezelésére, többek között a felhasználás szempontjából.

A lignint lebontani képes gombákat fehér rothadás gombáknak nevezzük, amelyek ellentétben vannak a barna rothadás gombákkal, amelyek megtámadják a cellulóz molekulákat és hasonlókat. Ezek a gombák heterogén csoportot képviselnek, és legszembetűnőbb képviselőjük a Phanarochaete chrysosporium faj.

Az oxidációs reakciók révén - közvetett és véletlenszerűen - a monomereket egymáshoz tartó kötések fokozatosan megszakadnak.

A lignint támadó gombák hatása sokféle fenolos vegyületet, savat és aromás alkoholt hagy maga után. Néhány maradék mineralizálódhat, mások humin anyagokat termelnek.

Azoknak az enzimeknek, amelyek ezt a lebontási folyamatot hajtják végre, extracellulárisnak kell lennie, mivel a lignint nem kötik hidrolizálható kötések.

Lignin az emésztésben

A növényevők esetében a lignin a növények rostos összetevője, amely nem emészthető. Vagyis nem támadják meg az emésztésre jellemző enzimek vagy a vastagbélben élő mikroorganizmusok.

A táplálkozás szempontjából nem járul hozzá semmihez az azt fogyasztó testhez. Valójában csökkentheti más tápanyagok emészthetőségének százalékát.

Alkalmazások

Egyes szerzők szerint bár a mezőgazdasági maradványok szinte kimeríthetetlen mennyiségben nyerhetők, a kérdéses polimerre eddig nincs jelentős alkalmazás.

Noha a lignint a 19. század vége óta vizsgálták, a feldolgozásával kapcsolatos komplikációk megnehezítették a kezelést. Más források azonban azt sugallják, hogy a lignint ki lehet használni, és számos lehetséges felhasználást javasolnak, a megbeszélt merevségi és szilárdsági tulajdonságok alapján.

Jelenleg a lignin alapú favédő szerek sorozatát fejlesztették ki, vegyületek sorozatával kombinálva, hogy megvédjék azt a biotikus és abiotikus szerek által okozott károktól.

Ideális anyag lehet a hőszigetelő és az akusztikai szigetelők számára is.

A lignin ipari beépítésének előnye az alacsony költségek és a fosszilis tüzelőanyagokból vagy más petrolkémiai forrásokból előállított nyersanyag helyettesítésének lehetséges felhasználása. Így a lignin nagy potenciállal rendelkező polimer, amelyet kiaknázni kíván.

Irodalom

1. Alberts, B. és Bray, D. (2006). Bevezetés a sejtbiológiába. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Növénymorfológiai laboratóriumi kézikönyv. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H. és Schnek, A. (2006). Meghívó a biológiához. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomechanika: Fizika és élettan (30. szám). Szerkesztő CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF és Eichhorn, SE (1992). Növénybiológia (2. kötet). Megfordítottam.
6. Rodríguez, EV (2001). A trópusi növények termelésének élettana. Costa Rica Szerkesztői Egyetem.
7. Taiz, L. és Zeiger, E. (2007). Növényi fiziológia. Jaume I. Egyetem