Lignina

Non confundir conlignano.

Lignina.
Número CAS:9005-53-2.

Aligninaé un composto químicopoliméricomoi complexo obtido normalmente damadeira,e parte integral daparede celularsecundaria das plantase algunhasalgas.A madeira pode entenderse quimicamente como formada por fibras decelulosa(e outrospolisacáridos) embebidas nunha matriz de lignina. O termo lignina foi introducido en 1819 porde Candollee procede da palabra latinalignum,que significa madeira. É un dospolímerosorgánicos máis abundantes, só superado polacelulosa,e contén o 30% do carbono orgánico non fósil,e constitúe dun cuarto a un terzo da masa seca da madeira. Comobiopolímero,a lignina é rara debido á súa heteroxeneidade e falta dunha estrutura primaria definida. Non é uncarbohidrato,a diferenza doutros compoñentes da parede celular. A súa función máis importante é dar sostén á planta ao fortalecer a madeira (xilema) das árbores, dándolles resistencia á compresión.

A produción industrial global de lignina illada é de arredor de 1,1 millóns de toneladas ao ano e utilízase en forma de lignosulfonato hidrosoluble como dispersante, aglutinante e adhesivo na construción, minaría, alimentación animal ou agricultura.

Funcións biolóxicas

A lignina enche os espazos que hai naparede celularentre as fibras decelulosa,hemicelulosa,epectina,especialmente nastraqueidas,esclereidaseelementos dos vasosdoxilema.Está unidacovalentementeá hemicelulosa e, por tanto, forma unha rede de enlaces cospolisacáridosda planta, dándolle resistencia mecánica á parede celular e a toda a planta. O proceso de impregnación da parede celular destas células de lignina chámaselignificación.É especialmente abundante na madeira resistente á compresión e escasa na resistente á tensión.

A lignina xoga un importante papel na condución de auga nos talos da planta. O compoñente polisacárido da parede celular da planta é moihidrofílicoe permeable á auga, entanto que a lignina é máishidrofóbica.A rede de enlaces entre os polisacátridos e a lignina é un obstáculo para a absorción de auga na parede celular. Deste xeito, a lignina fai posible que otecido vasculardas plantas conduza a auga eficientemente (a auga non sae dos vasos condutores doadamente).A lignina está presente en todas asplantas vasculares,pero non nasbriófitas,o que apoia a idea de que a misión orixinal da lignina era só o transporte de auga. Porén, está presente tamén nasalgas vermellas,o que parece suxerir que o antepasado común de plantas e algas vermellas tamén podía sintetizar lignina. Isto suxeriría que a súa función orixinal era estrutural; e desempeña esta función na alga vermellaCalliarthron,na que soporta as unións entre os segmentos calcificados.

Función ecolóxica

A lignina xoga un papel significativo nociclo do carbono,xa que secuestra o carbono atmosférico nos tecidos vivos da vexetación leñosa. A lignina é un dos compoñentes da vexetación morta que se descompoñen máis lentamente, contribuíndo cunha importante fracción do material que se converte enhumusao se descompoñer. O humus do solo, en xeral, incrementa a produtividade fotosintética da comunidade de plantas a medida que o lugar onde crecen sofre a transición de solo de minerais alterados a un solo máis complexo de fases posteriores dasucesión ecolóxica,ao causar un incremento dacapacidade de cambio catiónicodo solo e aumentar a capacidade de retención de humidade.

Estrutura

Fig. 1:Exemplo de posible estrutura da lignina.

Fig. 2:Pequena porción dun polímero de lignina.

Fig. 3:Os tres monolignois comúns:alcohol paracumarílico(1),alcohol coniferílico(2) ealcohol sinapílico(3)

Fig. 4:Polimerización doalcohol coniferílicopara formar lignina. A reacción ten dúas rutas alternativascatalizadaspor dous encimas oxidativos diferentes,peroxidasesouoxidases.

A lignina é unha macromolécularacémicareticular cunhamasa molecularsuperior a 10.000daltons.É relativamentehidrofóbicae de naturezaaromática.O grao de polimerización que ten na natureza é difícil de medir, xa que se fragmenta durante a súa extracción e amoléculaconsta de varios tipos de subestruturas que parecen repetirse dunha maneira caótica. Describíronse diferentes tipos de lignina dependendo do medio utilizado para o seu illamento.

Hai tres monómeros demonolignol,que estánmetoxiladosen distintos graos: oalcoholp-cumarílico,alcohol coniferílico,ealcohol sinapílico(Figure 3). Estes lignois son incorporados á lignina en forma dosfenilpropanoidesp-hidroxifenil (H), guaiacil (G), e siringal (S), respectivamente.Asximnospermasteñen unha lignina que consiste case enteiramente en guaiacil, con pequenas cantidades dep-hidroxifenil. A dasanxiospermasdicotiledóneasé xeralmente unha mestura de guaiacil e siringal (con poucop-hidroxifenil), e a dasmonocotiledóneasé unha mestura dos tres.Todas as ligninas teñen pequenas cantidades de monolignois incompletos ou modificados, e abundan outros monómeros en plantas non leñosas.

Atioglicóliseé unha técnica analítica para a cuantificación da lignina.A estrutura da lignina pode tamén estudarse por simulaciñon computacional.

Biosíntese

A biosíntese de lignina (Figure 4) empeza nocitosolcoa síntese de monolignoisglicosiladosa partir doaminoácidofenilalanina.Estas primeiras reaccións son compartidas coa vía dos fenilpropanoides. Aglicosaunida á molécula fai que esta sexa hidrosoluble e menos tóxica. Unha vez transportada a tavés damembrana plasmáticaaoapoplasto,a glicosa é retirada da molécula e a polimerización pode comezar.^{[Cómpre referencia]}Boa parte do seu anabolismo non se coñece mesmo despois dun século de estudos.

O paso depolimerización,que é un enlace radical-radical, é catalizado por encimas oxidativos. Na parede celular da planta están presentes tantoperoxidasescomalaccases,e non se sabe se un ou ambos os grupos de encimas participan na polimerización. Tamén poderían estar implicados oxidantes de baixo peso molecular. Os encimas oxidativos catalizan a formación de radicais de monolignol. Dise xeralmente que estes radicais sofren unha polimerización non catalizada para formar opolímerode lignina, pero esta hipótese foi recentemente posta en dúbida.A teoría alternativa implica un control biolóxico inespecífio, pero non está aínda amplamente aceptada.

Biodegradación

A biodegradación da lignina orixinaría a destrución da madeira, especialmente nas construcións de madeira, pero non é doada. Porén, a biodegradación da lignina é un prerrequisito para o procesamenteo debiofuela partir de materia prima vexetal. Os modos actuais de procesamento orixinan algúns residuos problemáticos despois de procesar os contidos dixeribles ou degradables. A mellora dos modos de degradación da lignina faría que a produción fose máis eficiente.

A lignina é indixerible polos encimas animais, pero algúnsfungos(comoPolyporus squamosus) ebacteriaspoden secretarligninases(tamén chamadaslignases) que poden degradar o polímero. Os detalles da biodegradación non se coñecen. A vía utilizada depende do tipo de pudrición da madeira realizada polos fungos. Os encimas implicados poden empregar radicais libres para as reaccións de despolimerización.Encimas lignolíticos ben coñecidos son a manganeso peroxidase, lignina peroxidase e celobiosa deshidroxenase. Ademais, debido aos seus enlaces cruzados cos outros compoñentes da parede celular, a lignina minimiza a accesibilidade da celulosa e hemicelulosa aos encimas microbianos. Por tanto, en xeral a lignina está asociada coa redución da dixestibilidade do conxunto da biomasa vexetal, o cal axuda a defender as plantas contrapatóxenosepragas.

A degradación da lignina fana fungos e bacterias. Alignina peroxidase(ou "ligninase",connúmero EC1.14.99) é unhahemoproteínado fungoPhanerochaete chrysosporiumque presenta varias reaccións de degradación da lignina, todas dependentes doperóxido de hidróxenopara poder incorporar osíxeno molecular nos produtos de reacción. Hai tamén outros encimas microbianos que se cre están envolvidos na biodegradación da lignina, como a manganeso peroxidase, laccase, e celobiosa deshidroxenase.

Os compostos relacionados coa lignina poden ser posteriormente procesados polas bacterias. Por exemplo, a bacteria aeróbicagramnegativado soloSphingomonas paucimobilispode degradar os compostos químicos bifenilo relacionados coa lignina.

Pirólise

Apiróliseda lignina durante acombustiónda madeira ou na produción decarbón vexetalorixina varios produtos, dos cales os máis característicos son osmetoxifenois.Entre estes os máis importantes son oguaiacole osiringole os seus derivados; a súa presenza pode utilizarse para rastrexar unha fonte de fume procedente dun lume no que arde madeira. En cociña, a lignina da madeira con que se cociñan certos alimentos é unha fonte importante destes dous compostos, que lle dan os aromas e sabores característicos aos alimentos afumados, como as barbacoas.

Importancia económica

Medallón feito con Arboform, unha substancia similar ao plástico obtida da lignina.

Amadeiramoi lignificada ten unha gran duración e é unha boa materia prima para moitas aplicacións. É tamén un excelente combustible, xa que a lignina produce máis enerxía ao arder cá celulosa. A polpa de madeira de alto rendemento ou mecánica utilizada para facer papel de prensa contén a maioría da lignina presente inicialmente na madeira. Esta lignina é a responsable de que o papel de periódico se poña amarelo co tempo.A lignina debe ser retirada da polpa de madeira antes de producir a partir dela papel branqueado de alta calidade.

No proceso do sulfito para facer polpa de madeira, a lignina é eliminada da polpa comosulfonatos.Esteslignosulfonatosteñen varias aplicacións:

• Dispersantesnocementode alto rendemento, tratamento de augas e tinturas téxtiles.
• Aditivos en aplicacións especializadas da industria de extracción de petróleo ou en produtos químicos de uso agrícola.
• Materia prima para varios produtos químicos, como avanilina,DMSO,etanol,o azucrexilitol,eácido húmico.
• Axente ambientalmente sostible para a supresión do po das estradas.

A lignina eliminada poloproceso kraft(método do sulfato) xeralmente se queima para ser utilizada como combustible, fornecendo enerxía para mover o muíño para facer polpa e os procesos asociados.

Máis recentemente, a lignina extraída de salgueiros arbustivos foi utilizada con éxito para producir escuma depoliuretanoexpandido.

En 1998, a compaía alemáTecnarodesenvolveu un proceso para converter a lignina nunha substancia chamadaArboform,a cal se comporta de xeito idéntico ao plástico para a inxección en moldes. Por tanto, pode utilizarse en moitas aplicacións en substitución do plástico, e cando o material sexa desbotado pode simplemente queimarse como se fose madeira.