Lignină

Lignina este un polimer organic greu și complex format din compuși fenolici ^[1] . Se găsește în principal în peretele celular al unor celule vegetale. Ligninele sunt cantitativ al doilea biopolimer sintetizat pe Pământ după celuloză . Biomasa formată din celuloză și lignine reprezintă aproximativ 70% din biomasa totală.

Cuvântul lignină provine din termenul latin lignum , care înseamnă „lemn”, motiv pentru care plantele care conțin o cantitate mare de lignină sunt numite lemnoase .

Este compus dintr-o structură polimerică a unităților de fenilpropan . Deci și lignina, la fel ca celuloza și hemicelulozele , este un polimer a cărui moleculă , foarte complexă și cu structură tridimensională, este alcătuită dintr-o singură unitate, fenilpropan, repetată de multe ori. Îndeplinește funcția de legare și cimentare a fibrelor împreună în toate plantele pentru a conferi și a spori compactitatea și rezistența plantei. Este, de asemenea, cunoscut ca un material incrustant, deoarece acoperă fibrele. Prin urmare, procesele de extragere a celulozei dintr-o legumă necesită un atac al ligninei pentru a sparge molecula și a îndepărta fragmentele prin dizolvare.

Calea biosintetică care duce la lignină pleacă de la aminoacidul fenilalanină care, prin intermediul enzimei fenilalanină, amoniac liasa, se transformă în acid cinamic . O serie de hidroxilări , metilații și, în cele din urmă, reduceri , toate catalizate enzimatic, duc la cei trei monomeri precursori : alcool p-cumarilic, alcool coniferil și alcool sinapilic. Copolimerizarea radicală aleatorie a celor trei precursori, catalizată de enzima peroxidază , duce la formarea unui polimer cu o structură ramificată, tridimensională, ramificată, insolubilă în apă și în cei mai frecvenți solvenți : lignina. Polimerii de lignină sunt structuri complexe cu o greutate moleculară de 10.000 uma .

Lignina aparține clasei așa-numiților compuși fenilpropanoizi, adică nu are caracter carbohidrat , dar aparține clasei de compuși aromatici . Există diferite tipuri de lignină în funcție de plantele în care se formează: în compoziția ligninei plantelor erbacee, în principal ierburi , alcoolul cumarlic predomină printre precursori. Alcoolul coniferil, pe de altă parte, este cel mai abundent precursor al ligninei coniferelor , iar în cele din urmă lignina angiospermelor lemnoase ( cu frunze largi ) derivă în principal din alcoolul sinapilic. După polizaharide , lignina este cel mai abundent polimer organic din lumea plantelor.

Această componentă a lemnului permite îndeplinirea multor funcții esențiale pentru viața plantelor. De exemplu, are o funcție foarte importantă în transportul intern al apei, nutrienților și metaboliților . Oferă rigiditate pereților celulari și permite conexiunea între diferitele celule ale lemnului, creând un material care este foarte rezistent la șocuri, compresiuni și îndoire. Țesuturile aliniate rezistă foarte bine la atacurile microorganismelor, nepermițând pătrunderea enzimelor distructive în peretele celular.

Reactivul specific pentru lignină este o soluție de floroglucinol acidificată cu acid clorhidric cu care pereții lignificați capătă o culoare roșie intensă.

Structura chimică

Exemplu de posibilă structură ligninică

Molecula de lignină are o greutate moleculară mare și se obține din unirea diferiților acizi fenilpropilici și alcooli (cumaril, coniferil și sinapil). Cuplarea aleatorie a acestor radicali dă naștere la o structură polimerică tridimensională, amorfă.

În rezumat, ligninele sunt polimeri formați din trei tipuri diferite de monomeri:

• alcool p-cumarilic
• alcool coniferil ( alcool 4-hidroxi-3-metoxicinamilic)
• alcool sinapilic ( alcool 4-hidroxi-3,5-dimetoxicinamilic)

Partea fiecărui monomer variază semnificativ în funcție de:

• familia plantelor ( angiosperme , gimnosperme etc.)
• speciile
• organul
• țesutul biologic

Proprietate

Lignina se depune în peretele secundar al celulelor plantei și fiind foarte rezistentă la compresiune, este capabilă să ofere multă soliditate. Lignina are, de asemenea, puterea de a impermeabiliza celulele, deoarece este ea însăși hidrofobă . Celulele țesuturilor care servesc drept suport pentru plantă ( sclerenchim ) sau au funcția de a transporta apă și sărurile minerale ( xilem ) au pereții impregnați cu lignină (lignificată).

Lignificarea este un proces fundamental al evoluției plantelor terestre. De fapt, aceasta permite creșterea în înălțime a legumelor lemnoase. Această abilitate a făcut posibilă o poziție verticală care a favorizat recepția energiei luminoase. Toate aceste achiziții au fost o condiție prealabilă pentru dezvoltarea plantelor în mediul terestru. Capacitatea plantelor de a forma lignine a început la începutul erei paleozoice și a caracterizat traheofitele (vezi flora Rhynie ).

Ligninele sunt polimeri insolubili în acizi, dar solubili în căldură în baze puternice concentrate, nu sunt digerabili, nici absorbabili și nici măcar nu sunt atacați de microflora colonului . Se pot lega de acizii biliari și alți compuși organici (de exemplu colesterolul ), încetinind sau scăzând absorbția acestor componente de către intestinul subțire .

Gradul de lignificare afectează foarte mult digestibilitatea fibrelor. Lignina, care crește semnificativ în peretele celular în timpul maturării plantei, este rezistentă la degradarea bacteriană și digestibilitatea polizaharidelor fibroase scade pe măsură ce crește în fibre.

Biodegradarea ligninei

Deși lignina pare a fi recalcitrantă la atacul enzimatic, unele microorganisme au dezvoltat căi enzimatice care vizează degradarea acestui polimer. Procesul de biodegradare are loc în principal de unele ciuperci aparținând grupului de ciuperci de putregai alb (cum ar fi Polyporus squamosus ) și putregai brun ( ciuperci de putregai brun ). Cu toate acestea, alte microorganisme, cum ar fi unele bacterii, sunt , de asemenea, implicate în descompunerea lemnului, în timp ce acesta este nedigerabil de animale, lipsind enzimele necesare degradării polimerului.

Mecanismul biodegradării ligninei implică formarea de radicali liberi produși prin enzime precum peroxidaza de mangan și peroxidaza de lignină . Aceasta din urmă a fost prima enzimă implicată în biodegradarea ligninei care a fost descoperită și a fost inițial izolată de ciuperca de putregai alb Phanerochaete chrysosporium . O altă enzimă implicată în biodegradarea ligninei este dependentă de proteina multiram lacazei .

Enzimele capabile să degradeze lignina dau naștere la o serie de reacții care folosesc peroxidul de hidrogen ca sursă de oxigen pentru producerea unei multitudini de compuși oxidanți (cum ar fi radicalul cationic al alcoolului veratrilic ) capabil să difuzeze în substratul lemnos și rupeți legăturile ligninei pentru a forma compuși aromatici cu o greutate moleculară mai mică (pe lângă dioxid de carbon și apă ), care pot intra mai ușor în metabolismul celular și astfel pot fi asimilați de microorganism. În cele din urmă, degradarea ligninei este de fapt indirect mediată de enzime, deoarece acțiunea oxidantă reală este dată de moleculele radicale produse chiar de enzime ^[2] .

Dezvoltări comerciale

Din punct de vedere comercial, se folosesc doar două tipuri de lignină: ligninele sulfurate și ligninele Kraft . Capacitatea de prelucrare a produselor cu lignină în lumea de est este de aproximativ 1,4 ¥ 106 tone / an. O singură companie produce lignine Kraft ; restul produc lignine sulfurate. Produsele cu lignină încep să aibă o importanță tot mai mare în aplicații industriale distincte.

• Ligninele sunt foarte căutate pentru lemn pentru încălzire, deoarece au o putere calorică considerabilă.
• Dimpotrivă, acestea sunt considerate un obstacol în procesul de fabricație a hârtiei din lemn , deoarece este necesar să se utilizeze solvenți chimici speciali pentru a albi particulele de lignină, care, totuși, cu trecerea timpului și mai ales cu expunerea la soare pentru a-și recâștiga culoarea lor gălbuie; în plus, produsele clorurate conținute în substanțele care permit extragerea ligninei ( delignificare ) din pasta de hârtie fac acest proces extrem de poluant ^[3] .
• În cele din urmă, deoarece nu sunt foarte digerabile, nu sunt prea căutate în cultivarea plantelor furajere.

Din motivele menționate mai sus, sunt în curs numeroase cercetări (în esență prin transformări genetice ) cu scopul de a produce plante mai puțin bogate în lignină pentru fabricarea hârtiei (deși ar fi mult mai avantajos să se utilizeze plante care sunt deja adecvate scopului, adică sărace în lignină și bogată în celuloză, cum ar fi canabisul ^[4] care conține până la 1/7 din lignină comparativ cu majoritatea copacilor ^[5] ) sau, dimpotrivă, cu o rată mai mare de lignină pentru încălzirea lemnului.

Cercetările sunt în curs de îmbunătățire a producției de biocombustibili prin modificarea structurii ligninei ^[6] .

Notă

Alte proiecte

• Wikționarul conține dicționarul lemma « lignină »
• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe lignină

linkuri externe

• Lignina , pe Treccani.it - ​​Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
• ( EN ) Lignin , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Lignina , în Treccani.it - ​​Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene.

Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei