LIGNIN: CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, CHIẾT XUẤT, PHÂN HỦY, SỬ DỤNG - SINH HỌC - 2026

Các lignin (từ lignum hạn Latin, có nghĩa là gỗ hoặc gỗ) là một loại polymer tự thực vật có mạch cấu trúc chiều, vô định hình và phức tạp. Đối với thực vật, nó đóng vai trò như một loại "xi măng" tạo sức mạnh và khả năng chống chịu cho thân cây, thân cây và các cấu trúc khác.

Nó nằm chủ yếu trong thành tế bào và bảo vệ nó chống lại các lực cơ học và mầm bệnh, cũng được tìm thấy với một tỷ lệ nhỏ bên trong tế bào. Về mặt hóa học, nó có nhiều loại trung tâm hoạt động cho phép chúng tương tác với các hợp chất khác. Trong các nhóm chức năng phổ biến này, chúng ta có các hydroxyl phenol, béo, metoxy, trong số những nhóm khác.

Mô hình có thể có của lignin. Nguồn: tên thật: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Bởi vì lignin là một mạng ba chiều rất phức tạp và đa dạng, cấu trúc của phân tử vẫn chưa được làm sáng tỏ một cách chắc chắn. Tuy nhiên, nó được biết đến là một polyme được hình thành từ rượu coniferyl và các hợp chất phenylpropanoid khác có nguồn gốc từ các axit amin thơm phenylalanin và tyrosin.

Sự trùng hợp của các monome tạo thành nó thay đổi tùy theo loài, và không thực hiện nó một cách lặp đi lặp lại và có thể đoán trước được như các loại polyme dồi dào khác của rau (tinh bột hoặc xenlulo).

Cho đến nay, chỉ có các mô hình giả thuyết về phân tử lignin, và để nghiên cứu nó trong phòng thí nghiệm, họ thường sử dụng các biến thể tổng hợp.

Cách chiết xuất lignin rất phức tạp, vì nó liên kết với các thành phần khác của thành và rất không đồng nhất.

Khám phá

Người đầu tiên báo cáo sự hiện diện của lignin là nhà khoa học người Thụy Sĩ AP de Candolle, người đã mô tả các đặc tính vật lý và hóa học cơ bản của nó và đặt ra thuật ngữ "lignin."

Đặc điểm và cấu trúc chính

Lignin là phân tử hữu cơ phong phú thứ hai trong thực vật sau xenlulo, thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật. Hàng năm các nhà máy sản xuất 20 × 10 ⁹ tấn lignin. Tuy nhiên, mặc dù rất phong phú, nghiên cứu của nó vẫn còn khá hạn chế.

Một tỷ lệ đáng kể của tất cả lignin (khoảng 75%) nằm trong thành tế bào, sau khi cấu trúc xenlulo đạt đến đỉnh cao (nói theo không gian). Vị trí của lignin được gọi là lignin và điều này trùng hợp với các sự kiện chết của tế bào.

Nó là một polyme không hoạt động về mặt quang học, không hòa tan trong dung dịch axit nhưng hòa tan trong bazơ mạnh, chẳng hạn như natri hydroxit và các hợp chất hóa học tương tự.

Khó khăn trong việc chiết xuất và xác định đặc tính của lignin

Nhiều tác giả cho rằng có một loạt khó khăn kỹ thuật liên quan đến việc chiết xuất lignin, một thực tế làm phức tạp việc nghiên cứu cấu trúc của nó.

Ngoài những khó khăn về kỹ thuật, phân tử còn liên kết cộng hóa trị với xenlulo và phần còn lại của polysaccharid tạo nên thành tế bào. Ví dụ, trong gỗ và các cấu trúc khác (chẳng hạn như thân cây), lignin liên kết chặt chẽ với cellulose và hemicellulose.

Cuối cùng, polyme rất khác nhau giữa các loại thực vật. Vì những lý do đã đề cập này, người ta thường sử dụng lignin tổng hợp để nghiên cứu phân tử trong phòng thí nghiệm.

Các phương pháp chiết xuất được sử dụng nhiều nhất

Phần lớn các phương pháp chiết xuất lignin làm thay đổi cấu trúc của nó, ngăn cản quá trình nghiên cứu của nó. Trong tất cả các phương pháp hiện có, quan trọng nhất dường như là kraft. Trong quá trình này, lignin được tách khỏi cacbohydrat bằng dung dịch cơ bản của natri hydroxit và natri sunfua theo tỷ lệ 3: 1.

Do đó, sản phẩm cách nhiệt là một loại bột màu nâu sẫm do sự hiện diện của các hợp chất phenolic, có khối lượng riêng trung bình là 1,3 đến 1,4 g / cm ³ .

Các monome có nguồn gốc từ phenylpropanoid

Bất chấp những mâu thuẫn về phương pháp luận này, người ta biết rằng polyme lignin chủ yếu bao gồm ba dẫn xuất phenylpropanoid: rượu coniferilic, coumaric và synapillic. Các hợp chất này được tổng hợp bắt đầu từ các axit amin thơm được gọi là phenylalanin và tyrosine.

Tổng thành phần của khung lignin gần như bị chi phối hoàn toàn bởi các hợp chất đã đề cập, vì nồng độ ban đầu của protein đã được tìm thấy.

Tỷ lệ của ba đơn vị phenylpropanoid này có thể thay đổi và phụ thuộc vào loài thực vật được nghiên cứu. Cũng có thể tìm thấy sự khác nhau về tỷ lệ các đơn phân trong các cơ quan của cùng một cá thể hoặc trong các lớp khác nhau của thành tế bào.

Cấu trúc ba chiều của lignin

Tỷ lệ liên kết carbon-carbon và carbon-oxy-carbon cao tạo ra cấu trúc ba chiều phân nhánh cao.

Không giống như các polyme khác mà chúng ta tìm thấy rất nhiều trong rau quả (chẳng hạn như tinh bột hoặc xenluloza), các monome lignin không trùng hợp theo cách lặp đi lặp lại và có thể đoán trước được.

Mặc dù sự liên kết của các khối xây dựng này dường như được thúc đẩy bởi các lực ngẫu nhiên, nhưng nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng một protein dường như làm trung gian cho quá trình trùng hợp và tạo thành một đơn vị lặp lại lớn.

Đặc trưng

Mặc dù lignin không phải là một thành phần phổ biến của tất cả các loài thực vật, nhưng nó thực hiện các chức năng rất quan trọng liên quan đến bảo vệ và tăng trưởng.

Trước hết, nó có nhiệm vụ bảo vệ các thành phần ưa nước (cellulose và hemicellulose) vốn không có tính ổn định và độ cứng đặc trưng của lignin.

Vì nó được tìm thấy độc quyền ở bên ngoài, nó đóng vai trò như một lớp vỏ bảo vệ chống lại sự biến dạng và nén, để lại cellulose chịu trách nhiệm về độ bền kéo.

Khi các cấu kiện tường bị ướt, chúng sẽ mất độ bền cơ học. Vì lý do này, sự hiện diện của lignin với thành phần chống thấm là cần thiết. Người ta đã chỉ ra rằng việc giảm tỷ lệ phần trăm lignin trong gỗ bằng thực nghiệm có liên quan đến sự giảm các tính chất cơ học của giống nhau.

Sự bảo vệ của lignin cũng mở rộng đến các tác nhân sinh học và vi sinh vật có thể có. Polyme này ngăn chặn sự xâm nhập của các enzym có thể làm suy giảm các thành phần quan trọng của tế bào.

Nó cũng đóng một vai trò cơ bản trong việc điều chỉnh sự vận chuyển chất lỏng đến tất cả các cấu trúc của nhà máy.

Tổng hợp

Sự hình thành lignin bắt đầu bằng phản ứng khử amin của các axit amin phenylalanin hoặc tyrosine. Nhận dạng hóa học của axit amin không liên quan lắm, vì quá trình xử lý cả hai đều dẫn đến cùng một hợp chất: 4-hydroxycinnamate.

Hợp chất này phải chịu một loạt các phản ứng hóa học là hydroxyl hóa, chuyển nhóm metyl và khử nhóm cacboxyl cho đến khi thu được rượu.

Khi ba tiền chất của lignin được đề cập ở phần trước đã được hình thành, người ta cho rằng chúng bị oxy hóa thành các gốc tự do, nhằm tạo ra các trung tâm hoạt động để thúc đẩy quá trình trùng hợp.

Bất kể lực nào thúc đẩy liên kết, các monome với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị và tạo ra một mạng lưới phức tạp.

suy thoái

Suy thoái hóa học

Do đặc điểm hóa học của phân tử, lignin có thể hòa tan trong các dung dịch của bazơ lỏng và bisulfit nóng.

Sự phân hủy enzym qua trung gian nấm

Sự phân huỷ lignin qua trung gian của nấm đã được nghiên cứu rộng rãi bằng công nghệ sinh học để tẩy trắng và xử lý tàn tích được tạo ra sau khi sản xuất giấy, trong số các ứng dụng khác.

Các loại nấm có khả năng phân giải lignin được gọi là nấm thối trắng, ngược lại với nấm thối nâu tấn công các phân tử xenlulo và các loại tương tự. Những loài nấm này là một nhóm không đồng nhất và đại diện nổi bật nhất của chúng là loài Phanarochaete chrysosporium.

Thông qua các phản ứng oxy hóa - gián tiếp và ngẫu nhiên - các liên kết giữ các monome với nhau dần bị phá vỡ.

Hành động của nấm tấn công lignin để lại rất nhiều hợp chất phenolic, axit và rượu thơm. Một số cặn có thể khoáng hóa, trong khi những chất khác tạo ra chất humic.

Các enzym thực hiện quá trình phân hủy này phải ở ngoại bào, vì lignin không bị ràng buộc bởi các liên kết có thể thủy phân.

Lignin trong tiêu hóa

Đối với động vật ăn cỏ, lignin là một thành phần dạng sợi của thực vật không tiêu hóa được. Có nghĩa là, nó không bị tấn công bởi các enzym tiêu hóa điển hình hoặc bởi các vi sinh vật sống trong ruột kết.

Về mặt dinh dưỡng, nó không đóng góp gì cho cơ thể tiêu thụ nó. Trên thực tế, nó có thể làm giảm tỷ lệ tiêu hóa các chất dinh dưỡng khác.

Các ứng dụng

Theo một số tác giả, mặc dù phụ phẩm nông nghiệp có thể thu được với số lượng gần như vô tận, nhưng cho đến nay vẫn chưa có ứng dụng quan trọng nào đối với polyme được đề cập.

Mặc dù lignin đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19, nhưng các biến chứng liên quan đến quá trình chế biến của nó đã gây khó khăn cho việc xử lý. Tuy nhiên, các nguồn khác cho rằng lignin có thể được khai thác và đề xuất một số cách sử dụng tiềm năng, dựa trên các đặc tính về độ cứng và độ bền mà chúng ta đã thảo luận.

Hiện nay, một loạt các chất bảo quản gỗ dựa trên lignin kết hợp với một loạt các hợp chất đang được phát triển để bảo vệ nó khỏi bị hư hại do các tác nhân sinh học và phi sinh học gây ra.

Nó cũng có thể là một chất lý tưởng để xây dựng chất cách điện, cả cách nhiệt và cách âm.

Lợi thế của việc đưa lignin vào công nghiệp là chi phí thấp và có thể sử dụng nó để thay thế cho nguyên liệu thô được phát triển từ nhiên liệu hóa thạch hoặc các nguồn hóa dầu khác. Vì vậy, lignin là một polyme có tiềm năng lớn cần được khai thác.

Người giới thiệu

1. Alberts, B. & Bray, D. (2006). Giới thiệu về sinh học tế bào. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Hướng dẫn sử dụng Phòng thí nghiệm Hình thái Thực vật. Yếm. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Thư mời tham gia môn Sinh học. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Cơ sinh học: Vật lý và Sinh lý học (số 30). Biên tập CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992). Sinh học thực vật (Tập 2). Tôi đã đảo ngược.
6. Rodríguez, EV (2001). Sinh lý sản xuất cây trồng nhiệt đới. Editorial University of Costa Rica.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Sinh lý thực vật. Đại học Jaume I.