Лигнин — это класс сложных органических полимеров , которые образуют ключевые структурные материалы в опорных тканях большинства растений. [1] Лигнины особенно важны для формирования клеточных стенок , особенно в древесине и коре , поскольку они придают жесткость и не поддаются гниению. С химической точки зрения лигнины представляют собой полимеры, полученные путем сшивания фенольных предшественников. [2]
Впервые лигнин был упомянут в 1813 году швейцарским ботаником А. П. де Кандолем , который описал его как волокнистое безвкусное вещество, нерастворимое в воде и спирте, но растворимое в слабых щелочных растворах и которое можно осаждать из раствора с помощью кислоты. [3] Он назвал это вещество «лигнином», которое происходит от латинского слова lignum , [4] означающего древесину. Это один из самых распространенных органических полимеров на Земле , уступающий только целлюлозе и хитину . Лигнин составляет 30% земного неископаемого органического углерода [ 5] на Земле и от 20 до 35% сухой массы древесины. [6]
Лигнин присутствует в красных водорослях , что позволяет предположить, что общий предок растений и красных водорослей также синтезировал лигнин. Это открытие также предполагает, что первоначальная функция лигнина была структурной, поскольку он играет эту роль у красной водоросли Calliarthron , где он поддерживает суставы между кальцинированными сегментами. [7]
Состав лигнина варьируется от вида к виду. Пример состава из образца осины [8] — 63,4 % углерода, 5,9 % водорода, 0,7 % золы (минеральные компоненты) и 30 % кислорода (по разности), [9] что примерно соответствует формуле (C 31 H 34 О 11 ) н .
Лигнин представляет собой совокупность высокогетерогенных полимеров , полученных из нескольких предшественников лигнолов. Гетерогенность возникает из-за разнообразия и степени сшивки между этими лигнолами. Сшивающиеся лигнолы бывают трех основных типов, все они происходят из фенилпропана: конифериловый спирт (3-метокси-4-гидроксифенилпропан; его радикал G иногда называют гваяцилом), синапиловый спирт (3,5-диметокси-4-гидроксифенилпропан; его радикал S иногда называют сирингилом) и паракумариловый спирт (4-гидроксифенилпропан; его радикал H иногда называют 4-гидроксифенилом). [ нужна цитата ]
Относительные количества «мономеров»-предшественников (лигнолов или монолинолов) варьируются в зависимости от растительного источника. [5] Лигнины обычно классифицируются по соотношению сирингил/гваяцил (S/G). Лигнин голосеменных растений (хвойных пород, трав) получается из кониферилового спирта , который при пиролизе дает G. В покрытосеменных (лиственных породах) некоторая часть кониферилового спирта превращается в S. Таким образом, лигнин покрытосеменных растений имеет как G, так и S компоненты. [10] [11]
Молекулярная масса лигнина превышает 10 000 ед . Он гидрофобен, поскольку богат ароматическими субъединицами. Степень полимеризации трудно измерить, поскольку материал неоднороден. Описаны различные типы лигнина в зависимости от способа выделения. [12]
Многие травы содержат в основном G, а некоторые пальмы - в основном S. [13] Все лигнины содержат небольшое количество неполных или модифицированных монолигнолов, а в недревесных растениях преобладают другие мономеры. [14]
Лигнин заполняет пространства в клеточной стенке между целлюлозой , гемицеллюлозой и пектиновыми компонентами, особенно в сосудистых и опорных тканях: трахеидах ксилемы , элементах сосудов и клетках склереида . [ нужна цитата ]
Лигнин играет решающую роль в проведении воды и водных питательных веществ в стеблях растений . Полисахаридные компоненты стенок растительных клеток высоко гидрофильны и, следовательно, проницаемы для воды, тогда как лигнин более гидрофобен . Сшивание полисахаридов лигнином является препятствием для поглощения воды клеточной стенкой. Таким образом, лигнин позволяет сосудистой ткани растения эффективно проводить воду. [15] Лигнин присутствует во всех сосудистых растениях , но не в мохообразных , что подтверждает идею о том, что первоначальная функция лигнина была ограничена транспортировкой воды.
Он ковалентно связан с гемицеллюлозой и, следовательно, сшивает различные растительные полисахариды , придавая механическую прочность клеточной стенке и, как следствие, растению в целом. [16] Его наиболее часто отмечаемая функция — поддержка посредством укрепления древесины (в основном состоящей из клеток ксилемы и лигнифицированных волокон склеренхимы ) в сосудистых растениях. [17] [18] [19]
Наконец, лигнин также придает устойчивость к болезням, накапливаясь в месте проникновения патогена, делая растительную клетку менее доступной для разрушения клеточной стенки. [20]
Глобальное коммерческое производство лигнина является следствием производства бумаги. В 1988 году во всем мире было произведено более 220 миллионов тонн бумаги. [21] Большая часть этой статьи была приукрашена; лигнин составляет около 1/3 массы лигноцеллюлозы, предшественника бумаги. Лигнин является препятствием для производства бумаги, поскольку он окрашивается, желтеет на воздухе и его присутствие ослабляет бумагу. После отделения от целлюлозы он сжигается как топливо. Лишь небольшая часть используется в широком спектре применений с небольшими объемами, где важна форма, а не качество. [22]
Механическая, или высокопроизводительная целлюлоза , которую используют для изготовления газетной бумаги , все еще содержит большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине. Этот лигнин отвечает за пожелтение газетной бумаги с возрастом. [4] Бумага высокого качества требует удаления лигнина из целлюлозы. Эти процессы делигнификации являются ключевыми технологиями бумажной промышленности, а также источником серьезных экологических проблем. [ нужна цитата ]
При сульфитной варке целлюлозы лигнин удаляется из древесной массы в виде лигносульфонатов , для которых было предложено множество применений. [23] Они используются в качестве диспергаторов , увлажнителей , стабилизаторов эмульсий и секвестрантов ( очистка воды ). [24] Лигносульфонат был также первым семейством водоредуцирующих добавок или суперпластификаторов , которые были добавлены в 1930-х годах в качестве добавки к свежему бетону , чтобы уменьшить соотношение воды и цемента ( в/ц ), основного параметра, контролирующего пористость бетона . и, следовательно, его механическая прочность , коэффициент диффузии и гидравлическая проводимость - все параметры, необходимые для его долговечности. Он применяется в качестве экологически устойчивого средства пылеподавления для дорог. Кроме того, лигнин может использоваться при производстве биоразлагаемого пластика вместе с целлюлозой в качестве альтернативы пластикам, полученным из углеводородов, если извлечение лигнина достигается с помощью более экологически приемлемого процесса, чем производство обычного пластика. [25]
Лигнин, удаленный в процессе крафт-процесса , обычно сжигается ради его топливной ценности, обеспечивая энергию для питания бумажной фабрики. Существуют два коммерческих процесса удаления лигнина из черного щелока для более дорогостоящего использования: LignoBoost (Швеция) и LignoForce (Канада). Лигнин более высокого качества потенциально может стать возобновляемым источником ароматических соединений для химической промышленности с объемом рынка более 130 миллиардов долларов. [26]
Учитывая, что лигнин является наиболее распространенным биополимером после целлюлозы , он исследовался в качестве сырья для производства биотоплива и может стать решающим растительным экстрактом при разработке нового класса биотоплива. [27] [28]
Биосинтез лигнина начинается в цитозоле с синтеза гликозилированных монолигнолов из аминокислоты фенилаланина . Эти первые реакции совпадают с фенилпропаноидным путем. Присоединенная глюкоза делает их водорастворимыми и менее токсичными . После транспортировки через клеточную мембрану в апопласт глюкоза удаляется и начинается полимеризация. [29] Многое в его анаболизме остается неясным даже после более чем столетия исследований. [5]
Стадия полимеризации , то есть радикально-радикальное соединение, катализируется окислительными ферментами . В клеточных стенках растений присутствуют ферменты как пероксидаза , так и лакказа , и неизвестно, участвует ли в полимеризации одна или обе эти группы. Также могут быть задействованы низкомолекулярные окислители. Окислительный фермент катализирует образование монолигнольных радикалов . Часто говорят, что эти радикалы подвергаются некатализируемому связыванию с образованием полимера лигнина . [30] Альтернативная теория предполагает неопределенный биологический контроль. [1]
В отличие от других биополимеров (например, белков, ДНК и даже целлюлозы), лигнин устойчив к разложению. Он невосприимчив как к кислотному, так и к щелочному гидролизу. Способность к разложению зависит от вида и типа растительной ткани. Например, сирингил (S) лигнин более подвержен разложению в результате грибкового распада, поскольку он имеет меньше арил-арильных связей и более низкий окислительно-восстановительный потенциал, чем гваяциловые единицы. [31] [32] Поскольку лигнин сшит с другими компонентами клеточной стенки, он сводит к минимуму доступность целлюлозы и гемицеллюлозы для микробных ферментов, что приводит к снижению усвояемости биомассы. [15]
Некоторые лигнинолитические ферменты включают пероксидазы гема , такие как лигнинпероксидазы , марганцевые пероксидазы , универсальные пероксидазы и пероксидазы, обесцвечивающие красители , а также лакказы на основе меди . Лигнинпероксидазы окисляют нефенольный лигнин, тогда как марганцевые пероксидазы окисляют только фенольные структуры. Обесцвечивающие красители пероксидазы, или DyP, проявляют каталитическую активность в отношении широкого спектра модельных соединений лигнина, но их субстрат in vivo неизвестен. В целом лакказы окисляют фенольные субстраты, но было показано, что некоторые грибные лакказы окисляют нефенольные субстраты в присутствии синтетических окислительно-восстановительных медиаторов. [33] [34]
Хорошо изученные лигнинолитические ферменты обнаружены у Phanerochaete chrysosporium [35] и других грибов белой гнили . Некоторые грибы белой гнили, такие как Ceriporiopsis subvermispora , могут разлагать лигнин в лигноцеллюлозе , но у других такая способность отсутствует. Большая часть деградации лигнина грибами происходит с участием секретируемых пероксидаз . Также секретируются многие грибковые лакказы , которые способствуют деградации соединений, производных фенольного лигнина, хотя также было описано несколько внутриклеточных грибковых лакказ. Важным аспектом деградации лигнина грибами является активность дополнительных ферментов по производству H 2 O 2 , необходимого для функционирования лигнинпероксидазы и других гемпероксидаз . [33]
У бактерий отсутствует большинство ферментов, используемых грибами для разложения лигнина, а производные лигнина (алифатические кислоты, фураны и солюбилизированные фенольные соединения) подавляют рост бактерий. [36] Тем не менее, бактериальная деградация может быть весьма обширной, [37] особенно в водных системах, таких как озера, реки и ручьи, где наземный материал (например, опавшие листья ) может попасть в водные пути. Лигнинолитическая активность бактерий широко не изучалась, хотя она была впервые описана в 1930 году. Охарактеризованы многие бактериальные DyP. Бактерии не экспрессируют ни одной из пероксидаз растительного типа (лигнинпероксидаза, марганцевая пероксидаза или универсальные пероксидазы), но три из четырех классов DyP обнаружены только у бактерий. В отличие от грибов, большинство бактериальных ферментов, участвующих в деградации лигнина, являются внутриклеточными, включая два класса DyP и большинство бактериальных лакказ. [34]
В окружающей среде лигнин может разлагаться либо биотически с помощью бактерий, либо абиотически с помощью фотохимических изменений, причем последнее часто способствует первому. [38] Помимо присутствия или отсутствия света, на биоразлагаемость лигнина влияют некоторые факторы окружающей среды, включая состав бактериального сообщества, минеральные ассоциации и окислительно-восстановительное состояние. [39] [40]
Пиролиз лигнина при сжигании древесины или производства древесного угля дает ряд продуктов, из которых наиболее характерными являются метоксизамещенные фенолы . Из них наиболее важными являются гваякол и сирингол и их производные. Их присутствие можно использовать для определения источника дыма , связанного с лесным пожаром. В кулинарии лигнин в форме древесины лиственных пород является важным источником этих двух соединений, которые придают характерный аромат и вкус копченым продуктам, таким как барбекю . Основными вкусовыми соединениями копченой ветчины являются гваякол и его 4-, 5- и 6-метилпроизводные, а также 2,6-диметилфенол. Эти соединения производятся путем термического разложения лигнина древесины, используемой в коптильне. [41]
Традиционным методом количественного определения лигнина в целлюлозной промышленности является тест Класона на лигнин и кислоторастворимый лигнин, который представляет собой стандартизированную процедуру. Целлюлоза расщепляется термически в присутствии кислоты. Остаток называется лигнином Класона. Кислоторастворимый лигнин (ASL) количественно определяют по интенсивности его ультрафиолетовой спектроскопии . Углеводный состав можно также анализировать в растворах Класона, хотя в нем могут присутствовать продукты распада сахаров (фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол ). [42]
Для обнаружения лигнина используют раствор соляной кислоты и флороглюцина (тест Визнера). Ярко-красный цвет появляется из-за присутствия в лигнине групп кониферальдегида . [43]
Тиогликолиз — аналитический метод количественного определения лигнина . [44] Структуру лигнина также можно изучить с помощью компьютерного моделирования. [45]
Для характеристики лигнинов также использовали термохемолиз (химическое расщепление вещества в вакууме и при высокой температуре) с гидроксидом тетраметиламмония (ТМАГ) или оксидом меди [46] . Соотношение сирингиллигнола (S) к ванилиллигнолу (V) и циннамиллигнола (C) к ванилиллигнолу (V) варьируется в зависимости от типа растения и, следовательно, может использоваться для отслеживания источников растительного происхождения в водных системах (древесных и недревесных). древесные и покрытосеменные против голосеменных). [47] Соотношение карбоновой кислоты (Ad) и альдегидных (Al) форм лигнолов (Ad/Al) раскрывает диагенетическую информацию, причем более высокие соотношения указывают на более сильно разложившийся материал. [31] [32] Увеличение значения (Ad/Al) указывает на то, что на боковой цепи алкиллигнина произошла реакция окислительного расщепления, которая, как было показано, является этапом разложения древесины, вызываемой многими видами белой гнили и некоторыми видами мягкой гнили. грибы . [31] [32] [48] [49] [50]
Лигнин и его модели хорошо изучены методами ЯМР 1 Н и 13 С. Из-за структурной сложности лигнинов спектры плохо разрешены, и их количественный анализ затруднен. [51]