Lignin

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.

Biosyntetická dráha

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.

Vzhled

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.

Historický

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.

Chemická struktura

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.

Vlastnosti a lignifikace

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.

Biologický zájem

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.

Biologická degradace ligninu

Některé mikroorganismy, zejména houby takzvaný bílá hniloba ze dřeva , jsou schopny plně strávit lignin - hemicelulózy - celulóza ( ligninolyse ), a tím zlepšit nutriční hodnotu lignocelulózových materiálů.

Cesta degradace: houbová ligolýza

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 .

Ekonomické otázky

Výzkum / perspektiva

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 .

Podívejte se také

Související články

externí odkazy

Bibliografie

Poznámky a odkazy

  1. Martone, Pt; Estevez, Jm; Lu, F; Ruel, K; Denny, Mw; Somerville, C; Ralph, J (leden 2009). „Objev ligninu v mořských řasách odhaluje konvergentní vývoj architektury buněčné stěny.“. Současná biologie: CB. doi: 10.1016 / j.cub.2008.12.031
  2. C. Lapierre, zasedání Akademie zemědělství, 17. února 2010
  3. (in) Komise Evropských společenství, Biomasa pro energii , britská sekce Mezinárodní společnosti pro solární energii,1979, str.  73.
  4. Marc-André Selosse , Chutě a barvy světa. Přirozená historie taninů, od ekologie po zdraví , jižní akty, s.  87
  5. (in) J. Ralph et al. „  Ligniny: Přírodní polymery z oxidativní vazby 4-hydroxyfenylpropanoidů  “ , Phytochem. Rev. , sv.  3, n o  1,2004, str.  29-60.
  6. B.Meyer-Berthaud, SE Scheckler, J. Wendt, Archaeopteris je nejdříve známý moderní strom, Nature, 446, 904-907,1999
  7. (in) JA Raven, JD Lawson, „  Srovnávací fyziologie adaptace rostlin a členovců na půdu  “ , Philos. Trans. R. Soc. Lond. B , sv.  309, n o  11382. dubna 1985( DOI  10.1098 / rstb.1985.0087 ).
  8. Augustin Pyramus de Candolle , Elementární teorie botaniky; nebo, Expozice principů přírodní klasifikace a umění popisovat a studovat rostliny , Paříž, Déterville,1813( číst online )
  9. Akademie věd (Cr), 8 (1939) 51
  10. Hägglund, E.; Chemistry of Wood [Academic press Inc., New York, 1952]
  11. Bente F.; Über die Konstitution des Tannen- und Pappelholzes. Chem. Ber., 8 (1868) 476–479
  12. Klason, P .; Ber. dt. chem. Ges. (B.), 53 (1920) 1864
  13. Fuchs, W .; Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (B.), 54 (1921) 484
  14. Freudenberg, K.; Zur Konstitution des Lignins. II. Mittl., B., 60 (1927) 581
  15. Tato imploze ( kolaps ) je kolaps pod účinkem podtlaku (napětí), zejména v případě sucha a silného odpařování .
  16. Marie-Christine Trouy, Anatomie dřeva. Školení, funkce a identifikace , Éditions Quae,2015, str.  13
  17. Mají stromy trus? , Rozhovor s Francisem Hallém , Le Monde ,1 st 07. 2014 (zpřístupněno 22. února 2021).
  18. Také se nazývají bílé hniloby humusu, odlišují se od bílé hniloby dřeva a hnědé hniloby, při jejichž působení dřevo získá kubickou strukturu a poté se postupně změní na práškově hnědou hmotu.
  19. Guy Durrieu, Ekologie hub , Masson,1993, str.  45.
  20. (in) Martinez AT Speranza M, Ruiz Dueñas FJ Ferreira P Camarero S, Guillén F a kol. „  Biodegradace lignocelulóz: mikrobiální, chemické a enzymatické aspekty napadení ligninem houbami  “ , Int Microbiol J Span Soc Microbiol. , sv.  8, n o  3,2005, str.  195–204 ( DOI  10.1093 / femsre / fux049 ).
  21. Jean-Michel Gobat, Michel Aragno, Willy Matthey, Živá půda: základy pedologie, biologie půdy , polytechniky PPUR Presses,2010( číst online ) , s.  304-305.
  22. (in) Pierre-Emmanuel Courty, Marc-Fog, Abdala Gamby Diedhiou, Pascale Frey-Klett, Francois Le Tacon, Francois Rineau Marie-Pierre Turpin, Stephane Uroz Jean Garbaye, „  Role ektomykorhizních komunit v procesech lesního ekosystému: Nové perspektivy a vznikající koncepty  “ , Soil Biology & Biochemistry , sv.  42, n o  5,2010, str.  679-698.
  23. (in) D. Floudas et al., „  Původ paleozoického enzymatického rozkladu ligninu rekonstruovaného z 31 genomů hub  “ , Science , sv.  336, n O  6089,2012, str.  1715-1719 ( DOI  10.1126 / science.1221748 ).
  24. Hledání nevyužité hodnoty: Konverze ligninu na chemikálie vyšší hodnoty - výzkum Lux (červen 2014)
  25. "tekuté dřevo", nového komponentu pro hračkářský průmysl , L'Usine Nouvelle , 01/20/2009.
  26. Valorizace odpadu z papíren , zveřejněno online společností ENSEEIHT , konzultováno dne 12. 12. 2010.
  27. Khrulev VM; Tinnikov AA; Selivanov VM; Studium vlastností betonu z ligninového dřeva (rusky napsaný článek); „Izvestiâ vysših ucebnyh zavedenij“. Stroitel'stvo i Arhitektura , 1984, n o  3, str.  53-57 (2 reference); ( ISSN  0536-1052 )  ; Souhrn Inist / CNRS .
  28. BE Japon číslo 514 (18. 9. 2009) - Francouzské velvyslanectví v Japonsku / ADIT s názvem Hitachi vyvíjí novou epoxidovou pryskyřici na bázi ligninu .