LIGNIN: STRUKTUR, FUNKTIONEN, EXTRAKTION, ABBAU, VERWENDUNG - BIOLOGIE - 2025

Das Lignin (vom lateinischen Begriff Lignum, was Holz oder Holz bedeutet) ist ein Polymer selbst, dessen Gefäßpflanzen eine dimensionale, amorphe und komplexe Struktur aufweisen. In Pflanzen dient es als "Zement", der Pflanzenstämmen, Stämmen und anderen Strukturen Festigkeit und Beständigkeit verleiht.

Es befindet sich hauptsächlich in der Zellwand und schützt es vor mechanischen Kräften und Krankheitserregern, die auch in geringem Anteil in der Zelle vorkommen. Chemisch hat es eine Vielzahl von aktiven Zentren, die es ihnen ermöglichen, mit anderen Verbindungen zu interagieren. Innerhalb dieser gemeinsamen funktionellen Gruppen befinden sich unter anderem phenolische, aliphatische Methoxyhydroxylgruppen.

Mögliches Modell von Lignin. Quelle: richtiger Name: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Da Lignin ein hochkomplexes und vielfältiges dreidimensionales Netzwerk ist, wurde die Struktur des Moleküls nicht mit Sicherheit aufgeklärt. Es ist jedoch bekannt, dass es sich um ein Polymer handelt, das aus Coniferylalkohol und anderen Phenylpropanoidverbindungen gebildet wird, die von den aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin abgeleitet sind.

Die Polymerisation der Monomere, aus denen sie besteht, variiert je nach Art und erfolgt nicht wie andere häufig vorkommende Gemüsepolymere (Stärke oder Cellulose) wiederholt und vorhersehbar.

Bisher sind nur hypothetische Modelle des Ligninmoleküls verfügbar, und für seine Untersuchung im Labor verwenden sie normalerweise synthetische Varianten.

Die Art der Extraktion von Lignin ist komplex, da es an andere Bestandteile der Wand gebunden und sehr heterogen ist.

Entdeckung

Die erste Person, die über das Vorhandensein von Lignin berichtete, war der in der Schweiz geborene Wissenschaftler AP de Candolle, der seine grundlegenden chemischen und physikalischen Eigenschaften beschrieb und den Begriff "Lignin" prägte.

Hauptmerkmale und Struktur

Lignin ist nach Cellulose, dem Hauptbestandteil der Pflanzenzellwände, das zweithäufigste organische Molekül in Pflanzen. Jedes Jahr produzieren die Pflanzen 20 × 10 ⁹ Tonnen Lignin. Trotz seiner Fülle war seine Studie jedoch recht begrenzt.

Ein signifikanter Anteil des gesamten Lignins (ca. 75%) befindet sich in der Zellwand, nachdem die Cellulosestruktur (räumlich gesehen) ihren Höhepunkt erreicht hat. Die Platzierung von Lignin wird als Verholzung bezeichnet und fällt mit den Ereignissen des Zelltods zusammen.

Es ist ein optisch inaktives Polymer, das in sauren Lösungen unlöslich, aber in starken Basen wie Natriumhydroxid und ähnlichen chemischen Verbindungen löslich ist.

Schwierigkeiten bei der Extraktion und Charakterisierung von Lignin

Verschiedene Autoren argumentieren, dass es eine Reihe technischer Schwierigkeiten bei der Extraktion von Lignin gibt, was die Untersuchung seiner Struktur erschwert.

Zusätzlich zu technischen Schwierigkeiten ist das Molekül kovalent an Cellulose und den Rest der Polysaccharide gebunden, aus denen die Zellwand besteht. Beispielsweise ist Lignin in Holz und anderen verholzten Strukturen (wie Stielen) stark mit Cellulose und Hemicellulose assoziiert.

Schließlich ist das Polymer zwischen Pflanzen extrem variabel. Aus diesen genannten Gründen wird häufig synthetisches Lignin zur Untersuchung des Moleküls in Laboratorien verwendet.

Meist verwendete Extraktionsmethoden

Die überwiegende Mehrheit der Ligninextraktionsmethoden verändert ihre Struktur und verhindert so ihre Untersuchung. Von allen vorhandenen Methoden scheint Kraft die wichtigste zu sein. Während des Verfahrens wird das Lignin mit einer basischen Lösung von Natriumhydroxid und Natriumsulfid im Verhältnis 3: 1 von den Kohlenhydraten getrennt.

Somit ist das Isolationsprodukt aufgrund der Anwesenheit von Phenolverbindungen, deren durchschnittliche Dichte 1,3 bis 1,4 g / cm ³ beträgt, ein dunkelbraunes Pulver .

Von Phenylpropanoiden abgeleitete Monomere

Trotz dieser methodischen Konflikte ist bekannt, dass das Ligninpolymer hauptsächlich aus drei Phenylpropanoid-Derivaten besteht: Nadel-, Cumar- und Synapillalkoholen. Diese Verbindungen werden ausgehend von den aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin synthetisiert.

Die Gesamtzusammensetzung des Lignin-Gerüsts wird fast vollständig von den genannten Verbindungen dominiert, da beginnende Proteinkonzentrationen gefunden wurden.

Der Anteil dieser drei Phenylpropanoideinheiten ist variabel und hängt von der untersuchten Pflanzenart ab. Es ist auch möglich, Variationen in den Anteilen von Monomeren innerhalb der Organe desselben Individuums oder in verschiedenen Schichten der Zellwand zu finden.

Dreidimensionale Struktur von Lignin

Das hohe Verhältnis von Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindungen erzeugt eine stark verzweigte dreidimensionale Struktur.

Im Gegensatz zu anderen Polymeren, die wir in Gemüse im Überfluss finden (wie Stärke oder Cellulose), polymerisieren Ligninmonomere nicht auf wiederholte und vorhersagbare Weise.

Obwohl die Bindung dieser Bausteine ​​durch stochastische Kräfte angetrieben zu werden scheint, haben neuere Forschungen herausgefunden, dass ein Protein die Polymerisation zu vermitteln scheint und eine große Wiederholungseinheit bildet.

Eigenschaften

Obwohl Lignin nicht in allen Pflanzen allgegenwärtig ist, erfüllt es sehr wichtige Funktionen in Bezug auf Schutz und Wachstum.

Erstens ist es für den Schutz der hydrophilen Komponenten (Cellulose und Hemicellulose) verantwortlich, die nicht die typische Stabilität und Steifheit von Lignin aufweisen.

Da es ausschließlich außen zu finden ist, dient es als Schutzhülle gegen Verformung und Kompression, so dass die Cellulose für die Zugfestigkeit verantwortlich ist.

Wenn die Wandteile nass werden, verlieren sie an mechanischer Festigkeit. Aus diesem Grund ist das Vorhandensein von Lignin mit der wasserdichten Komponente erforderlich. Es wurde gezeigt, dass die experimentelle Verringerung des Ligninanteils im Holz mit der Verringerung seiner mechanischen Eigenschaften zusammenhängt.

Der Schutz von Lignin erstreckt sich auch auf mögliche biologische Arbeitsstoffe und Mikroorganismen. Dieses Polymer verhindert das Eindringen von Enzymen, die lebenswichtige Zellbestandteile abbauen könnten.

Es spielt auch eine grundlegende Rolle bei der Modulation des Flüssigkeitstransports zu allen Strukturen der Anlage.

Synthese

Die Bildung von Lignin beginnt mit einer Desaminierungsreaktion der Aminosäuren Phenylalanin oder Tyrosin. Die chemische Identität der Aminosäure ist nicht sehr relevant, da die Verarbeitung von beiden zur gleichen Verbindung führt: 4-Hydroxycinnamat.

Diese Verbindung wird einer Reihe chemischer Reaktionen der Hydroxylierung, des Transfers von Methylgruppen und der Reduktion der Carboxylgruppe unterzogen, bis ein Alkohol erhalten wird.

Wenn die drei im vorherigen Abschnitt erwähnten Vorläufer von Lignin gebildet wurden, wird angenommen, dass sie zu freien Radikalen oxidiert werden, um aktive Zentren zur Förderung des Polymerisationsprozesses zu erzeugen.

Unabhängig von der Kraft, die die Vereinigung fördert, gehen die Monomere durch kovalente Bindungen miteinander und bilden ein komplexes Netzwerk.

Degradierung

Chemischer Abbau

Aufgrund der chemischen Eigenschaften des Moleküls ist Lignin in Lösungen von wässrigen Basen und heißem Bisulfit löslich.

Pilzvermittelter enzymatischer Abbau

Der durch das Vorhandensein von Pilzen vermittelte Abbau von Lignin wurde von der Biotechnologie unter anderem zum Bleichen und Behandeln der nach der Herstellung von Papier erzeugten Reste eingehend untersucht.

Die Pilze, die Lignin abbauen können, werden Weißfäulepilze genannt, die im Gegensatz zu Braunfäulepilzen stehen, die Cellulosemoleküle und dergleichen angreifen. Diese Pilze sind eine heterogene Gruppe und ihr prominentester Vertreter ist die Phanarochaete chrysosporium-Art.

Durch indirekte und zufällige Oxidationsreaktionen werden die Bindungen, die die Monomere zusammenhalten, allmählich aufgebrochen.

Die Wirkung von Pilzen, die Lignin angreifen, hinterlässt eine Vielzahl von Phenolverbindungen, Säuren und aromatischen Alkoholen. Einige Rückstände können mineralisieren, während andere Huminstoffe produzieren.

Die Enzyme, die diesen Abbauprozess durchführen, müssen extrazellulär sein, da Lignin nicht durch hydrolysierbare Bindungen gebunden ist.

Lignin in der Verdauung

Für Pflanzenfresser ist Lignin ein faseriger Bestandteil von Pflanzen, der nicht verdaulich ist. Das heißt, es wird nicht von den typischen Verdauungsenzymen oder von den im Dickdarm lebenden Mikroorganismen angegriffen.

In Bezug auf die Ernährung trägt es nichts zum Körper bei, der es konsumiert. In der Tat kann es den Prozentsatz der Verdaulichkeit anderer Nährstoffe verringern.

Anwendungen

Nach Ansicht einiger Autoren gibt es bisher keine wichtige Anwendung für das betreffende Polymer, obwohl landwirtschaftliche Rückstände in nahezu unerschöpflichen Mengen erhalten werden können.

Obwohl Lignin seit dem späten 19. Jahrhundert untersucht wurde, haben Komplikationen im Zusammenhang mit seiner Verarbeitung die Handhabung erschwert. Andere Quellen legen jedoch nahe, dass Lignin genutzt werden kann, und schlagen verschiedene Verwendungsmöglichkeiten vor, basierend auf den von uns diskutierten Steifheits- und Festigkeitseigenschaften.

Derzeit wird eine Reihe von Holzschutzmitteln auf der Basis von Lignin in Kombination mit einer Reihe von Verbindungen entwickelt, um es vor Schäden durch biotische und abiotische Wirkstoffe zu schützen.

Es könnte auch eine ideale Substanz für den Bau von Isolatoren sein, sowohl thermisch als auch akustisch.

Der Vorteil der Einarbeitung von Lignin in die Industrie sind seine geringen Kosten und seine mögliche Verwendung als Ersatz für Rohstoffe, die aus fossilen Brennstoffen oder anderen petrochemischen Ressourcen entwickelt wurden. Somit ist Lignin ein Polymer mit großem Potenzial, das genutzt werden soll.

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