Lignin (z latinského lignum význam dřeva) je biomolekula , ve skutečnosti rodina makromolekuly polymerů polyfenolické (rodina taniny sensu lato ), která je jednou z hlavních složek dřeva s celulózou a hemicelulózy . Lignin je přítomen hlavně v cévnatých rostlinách a v některých řasách. Jeho hlavní funkcí je zajistit tuhost , nepropustnost pro vodu a vysokou odolnost proti rozkladu. Všechny cévnaté rostliny, dřevěné i bylinné , tvoří lignin.
Kvantitativně, lignin obsah je 3-5% v listech, 17 až 24% v bylinných stonky , 18-33% v woody stonky (18 až 25% z tvrdého dřeva o krytosemenných stromů , 27 až 33% z měkkého dřeva stromů gymnospermu ). U ročníků je to méně než u trvalek , u stromů je to maximum. Lignin je lokalizován hlavně mezi buňkami (viz pektocelulózové stěny ), ale uvnitř se nachází značné množství. Ačkoli lignin je složitá hydrofobní trojrozměrná síť, základní jednotka se v zásadě scvrkává na jednu jednotku fenylpropanu.
Po celulóze (tvořící 35 až 50% suchozemské rostlinné biomasy ) a hemicelulóze (30 až 45%) tvoří lignin (15 až 25%) třetí rodinu sloučenin v pořadí podle hojnosti v rostlinách a v suchozemských ekosystémech, kde dominují živé nebo mrtvá rostlinná biomasa. Množství tohoto biopolymeru vysvětluje, proč je předmětem výzkumu pro jiná ocenění, než je jeho současné použití ve dřevě a palivu.
Lignin je biomolekula, tanin ze skupiny fenylpropanoidů , které po odstranění části obsahující dusík pocházejí z prekurzoru fenylalaninu . Tato aminokyselina podléhá kaskádě reakcí zahrnujících asi deset různých rodin enzymů, aby se vytvořily monolignoly. Těmito enzymy jsou: fenylalanin amoniak-lyáza (PAL) odpovědná za oxidativní deaminaci , cinamát 4-hydroxyláza (C4H), 4-kumarát-CoA ligáza (4CL), hydroxycinnamoyl-CoA shikimát / chinát hydroxycinnamoyl transferáza (HCT), p-kumarát 3 -hydroxyláza (C3H), kofeoyl-CoA o-methyltransferáza (CCoAOMT), cinnamoyl-CoA reduktáza (CCR), ferulát 5-hydroxyláza (F5H), O-methyltransferáza kyseliny kofeinové (COMT) a cinnamylalkohol dehydrogenáza (CAD). V mnoha případech mohou být aldehydy také zabudovány do polymeru.
Lignin se objevil před 380 miliony let v devonu s prvními cévnatými rostlinami, které jsou kapradiny ( Pteridophytes ) a téměř současně prvními stromy ( Archaeopteris ). Biosyntéza ligninu vyžaduje kyslík a pravděpodobně vznikly v době, kdy má atmosférický koncentrace kyslíku dosáhne dostatečné úrovně.
V roce 1813 švýcarský botanik Augustin Pyramus de Candolle stručně popsal lignin na straně 417 své knihy Théorie elementaire de la botany; nebo, Expozice principů přirozené klasifikace a umění popisovat a studovat rostliny . Uvádí několik charakteristik: „vláknitý, bez chuti, nerozpustný ve vodě a alkoholu; rozpustný ve slabě alkalickém louhu; vysrážený kyselinami;“.
V roce 1839 hovořil francouzský chemik Anselme Payen o „inkrustním materiálu“, který má výlučně mechanické spojení s celulózou.
V roce 1856 se termín lignin poprvé objevil ve vědecké literatuře v publikaci chemika Franze Ferdinanda Schulzeho (1815–1873).
Aromatický charakter ligninu byl poprvé prokázán v roce 1868 a v roce 1897 švédský vědec P. Klasen popsal lignin jako necelulózový a potvrdil jeho aromatickou povahu. Po první světové válce umožnilo několik studií potvrdit, že fenol je složkou ligninu, ale až do roku 1927 byla jasně stanovena jeho struktura a jeho deriváty.
Stále nesouhlasíme s jedinečnou a přesnou definicí ligninu kvůli jeho velké variabilitě, dokonce iu daného druhu, protože jeho tvorba závisí na fyzikálně-chemickém prostředí, ve kterém rostlina roste. Proto by bylo lepší hovořit o ligninech.
Ligniny jsou polymery z monolignolů . Existují nejméně tři:
Frakce každého monomeru se významně liší v závislosti na:
Gymnospermy obsahují téměř výlučně jednotku G.
Dvouděložné krytosemenné rostliny obsahují téměř výlučně jednotky G i S.
Monokotyledonické krytosemenné rostliny obsahují všechny tři jednotky G, S a H.
Všechny vaskulární rostliny, dřeviny a byliny, tedy vytvářejí ligniny, kde jednotka G (koniferylalkohol) je vždy přítomen, jehož oxidací vzniká kyselina ferulová .
Ligniny z gymnospermu jsou homogenní. Dřevo těchto druhů, známé jako homoxylované , je tvořeno 95% tracheidů a 5% různých druhů parenchymu . Dřevěná pryskyřice obsahuje velké množství ligninu (mezi 25 a 35%), ligninu, jehož struktura je „kondenzovaná“ (mnoho CC vazeb mezi složkami).
Krytosemenné rostliny, které se vyvíjejí mnohem mladší, diverzifikovaly své tkáně pro transport mízy pomocí cévních prvků kromě tracheidů (zatímco v gymnospermech zajišťují funkce transportu mízy a mechanickou podporu výhradně tracheidy). Existuje tedy obrovská rozmanitost tvrdých dřev , známých jako heteroxylovaná , z nichž některá jsou poréznější (bohatá na nádoby, jako duby ) a jiná „vláknitější“ (jako břízy ). Lignin se také stává rozmanitějším a liší se mezi buňkami vláken a buňkami cév.
Lignifikace je základním procesem ve vývoji suchozemských rostlin dřevin . Poskytuje tuhost, nepropustnost pro vodu, odolnost proti implozi buněk nesoucích surovou mízu a velkou odolnost proti rozkladu. Tato kapacita umožnila mít vzpřímený zvyk podporující příjem světelné energie. Všechny tyto akvizice jsou předpokladem pro dobytí pozemského prostředí . Schopnost tvorby ligninu rostlinami byla stanovena na počátku prvohor (se silným vývojem z devonu ) a charakterizuje tracheofyty (viz Flóra Rhynia ).
Lignin je nejprve uložen ve střední lamele , primární stěně a vrstvě S1 sekundární stěny některých rostlinných buněk , poté prostupuje vrstvami S2 a S3. Stěna tak bude mít lepší pevnost, protože lignin je velmi odolný proti stlačení. Kromě toho má lignin díky své hydrofobnosti schopnost voděodolnosti buněk . Ligninem impregnované (lignifikované) stěny se tedy nacházejí v buňkách tkání používaných k podpoře rostliny ( sklerenchyma ) nebo k transportu vody a minerálních solí ( xylem ). Obecně platí, že lignifikované buňky, které se staly nepropustnými, ztratily cytoplazmu a nezískají svoji roli v rostlině, dokud nejsou mrtvé.
Lignin, který je proto charakteristický pro suchozemské cévnaté rostliny , také nabízí ochrannou bariéru proti mikrobiálnímu napadení rostliny. Díky své chemické povaze je extrémně odolný vůči různým chemickým látkám a biologickému odbourávání, což vysvětluje špatnou biologickou kvalitu vysoce lignifikovaných pícnin.
Podle hypotézy AC Neisha a C. Hébanta je lignin formou ukládání rostlinných exkrementů . Věděli jsme, že lignin je tvořen fenolovými sloučeninami, které jsou toxické pro rostlinu ve volné formě, by tato látka našla způsob, jak je neutralizovat jejich uložením jako ligninu v mrtvých cévních buňkách.
Některé mikroorganismy, zejména houby takzvaný bílá hniloba ze dřeva , jsou schopny plně strávit lignin - hemicelulózy - celulóza ( ligninolyse ), a tím zlepšit nutriční hodnotu lignocelulózových materiálů.
Velmi stabilní makromolekula, lignin pouze výrazně rozděleny podle Saprotrofní houby s vysokým houbové lyzačního výkonu , zejména Basidiomycetes ( „ bílé hniloby “ agenty vrhu, dřevo hnít látek , které mají specifickou enzymatickou vybavení: extracelulární a intracelulární celulázy a hemicelulázy , peroxidázy a polyphenoloxidases útočící fragmenty celulózy , hemicelulózy a ligninu dovážené do buňky plísní) odpovědné za lýzu těchto sloučenin a za humifikaci . Lignolytická aktivita se nazývá fungální ligolýza (významná degradace dřevního materiálu dřeva bez nutného napadení ligninu, lignolytické houby rozdělující se na celulolytické druhy a ligninolytické druhy) a ligninolytická aktivita, fungální ligninolýza (významná degradace ligninu).
Vzhled dřevních hmot stravovacích hub (také známý jako xylofágní ) před 280 miliony let, by se zastavil akumulaci rostlinných zbytků, které se do té doby umožňoval vznik uhlí ze strany fossilization během geologického období zvaném karbon .
Probíhá výzkum s cílem najít nová využití ligninu (např. Tekutého dřeva vyrobeného z odsířeného ligninu); průmysl se snaží, hlavně genetickou transformací , vytvářet rostliny chudé na lignin pro papírny nebo naopak bohatší na lignin jako palivové dřevo.
Výroba komplexu lignin - hemicelulóza - celulóza je na planetě důležitá a asi 25% tohoto obnovitelného zdroje by bylo přístupných pro biotechnologické procesy přeměny. Tyto houby vrtací, houbu na bílé hniloby , jsou studovány pro jejich zájmu v těchto oblastech:
University of Tokushima (Japonsko) se podařilo v roce 2009 oddělování, při vysoké teplotě a vysokém tlaku, lignin z dalších složek dřeva, takže je možné vyrábět s touto nízkou molekulovou hmotností ligninu ekvivalentem epoxidové pryskyřice odolné proti teplotě a elektricky vodivý, srovnatelný podle jeho vynálezců se současnými pryskyřicemi. Pryskyřice na bázi ligninu se již používají jako plnivo a pojivo pro aglomeraci částic dřevěných desek, výztužné pryže nebo lepicí plnivo ve studených lepidlech na bázi aminoplastů a fenoplastů .