Λιγνίνη

Στη φύση υπάρχουν διαφορετικού χημικού τύπου λιγνίνες και όχι μία. Οι λιγνίνες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για το σχηματισμό των κυτταρικών τοιχωμάτων (βλ. λιγνοποίηση) ιδίως στο ξύλο και το φλοιό, επειδή προσδίδουν αντοχή, ακαμψία και δεν σήπονται εύκολα. Χημικά, οι λιγνίνες είναι φαινολικά, τρισδιάστατα πολυμερή που παράγονται βιοχημικά με διασταυρούμενες χημικές συνδέσεις (cross-linking) ορισμένων φαινολικών πρόδρομων ενώσεων.

Η λιγνίνη (ως lignine) αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1813 από τον Ελβετό βοτανολόγο Augustin Pyramus de Candolle, ο οποίος την περιέγραψε ως ένα ινώδες και χωρίς γεύση υλικό που είναι αδιάλυτο σε νερό και αιθυλική αλκοόλη, αλλά διαλυτό σε ασθενή αλκαλικά διαλύματα, και δύναται να καταβυθιστεί από διάλυμα με τη χρήση οξέος. Ονόμασε την άγνωστη έως τότε χημική ουσία ως «λιγνίνη», λέξη η οποία προέρχεται από τη λατινική lignum, που σημαίνει ξύλο.

Η λιγνίνη είναι ένα από τα πιο άφθονα οργανικά πολυμερή στον πλανήτη Γη, ουσιαστικά το δεύτερο αφθονότερο φυσικό πολυμερές μετά την κυτταρίνη. Η λιγνίνη χημικά δομείται από περίπου 30% οργανικό άνθρακα (δηλ. μη προερχόμενο από ορυκτές ύλες), ενώ το ξύλο, ως βιολογικό υλικό, συντίθεται από περίπου 20-35% λιγνίνη, κατά μάζα.

Η λιγνίνη απαντάται και στα κόκκινα φύκια (ροδοφύκη), γεγονός που υποδηλώνει ότι κοινός πρόγονος των ανώτερων φυτών και των κόκκινων φυκών συνέθετε επίσης λιγνίνη. Αυτό το εύρημα υποδηλώνει επίσης ότι η πρωταρχική βιολογική αποστολή της λιγνίνης ήταν δομική, καθώς έχει αυτό το ρόλο στο κόκκινο φύκι Calliarthron όπου παρέχει στήριξη τους ιστούς μεταξύ των ασβεστοποιημένων τμημάτων.

Η λιγνίνη είναι ένα εξαιρετικά ετερογενές πολυμερές, φαινολικής φύσης, που προέρχεται από πρόδρομες λιγνόλες που συνδέονται χημικά με διάφορους τρόπους.

Οι λιγνόλες αυτές ανήκουν σε τρεις βασικούς τύπους και όλες προέρχονται από το φαινυλοπροπάνιο. Είναι οι ακόλουθες:

• κωνιφερυλική αλκοόλη (4-υδροξυ-3-μεθοξυφαινυλοπροπάνιο)- Gu: η ρίζα της που ονομάζεται μερικές φορές γουαϊακυλική

• σιναπυλική αλκοόλη (3,5-διμεθοξυ-4-υδροξυφαινυλοπροπάνιο)- Sy: η ρίζα της που μερικές φορές ονομάζεται συρινγκυλική

• π-κουμαρυλική αλκοόλη (4-υδροξυφαινυλοπροπάνιο)- Η: η ρίζα της που μερικές φορές ονομάζεται 4-υδροξυφαινύλιο

Οι ποσοτικές αναλογίες αυτών των τριών πρόδρομων μονομερών, διαφέρουν στα διαφορετικά φυτά. Σε γενικές γραμμές, ισχύουν τα εξής:

- Το ξύλο στα πλατύφυλλα είδη (hardwoods) είναι πλούσιo σε κωνιφερυλικές και σιναπυλικές μονάδες.

- Το ξύλο στα κωνοφόρα είδη (softwoods) είναι πλούσιο αποκλειστικά σε κωνιφερυλικές μονάδες.

- Τα χόρτα είναι πλούσια σε σε κωνιφερυλικές και σιναπυλικές μονάδες.

Τα μοριακά βάρη της λιγνίνης στα διάφορα φυτά υπερβαίνουν τις 10.000 ατομικές μονάδες μάζας. Είναι υδρόφοβο και άμορφο πολυμερές, καθώς είναι πλούσιο σε αρωματικές μονάδες φαινυλοπροπανίου.

Ο βαθμός πολυμερισμού (ΒΠ) της είναι δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια, καθώς το μεγαλομόριο της λιγνίνης είναι ετερογενές. Με βάση ερευνητικές εκτιμήσεις θεωρείται ότι ο ΒΠ της ξεπερνά στη φυσική πρωτολιγνίνη τις 100.000. Επίσης έχουν περιγραφεί διαφορετικοί τύποι λιγνίνης ανάλογα με τα μέσα απομόνωσης.

 

Πολλά χόρτα (grasses) περιέχουν λιγνίνη ως επί το πλείστον από μονάδες Gu, ενώ φοίνικες (palm trees) έχουν κυρίως μονάδες Sy. Όλες οι λιγνίνες περιέχουν μικρές ποσότητες ατελών ή τροποποιημένων μονολιγνολών, ενώ και άλλα μονομερή είναι εμφανή κυρίως στα μη ξυλώδη φυτά.

Η λιγνίνη πληρώνει τα μικροκενά στο κυτταρικό τοίχωμα μεταξύ κυτταρίνης, ημικυτταρινών, και πηκτίνης, ειδικά στους υποστηρικτικούς και αγωγικούς ιστούς, όπως π.χ. στα κύτταρα των τραχεϊδών (tracheids) και στα κύτταρα των αγγείων (vessels).

Η λιγνίνη παίζει καθοριστικό ρόλο στη μεταφορά του νερού και των διαλυμένων σε νερό θρεπτικών συστατικών στους βλαστούς των φυτών. Τα πολυσακχαριτικά συστατικά των φυτικών κυτταρικών τοιχωμάτων είναι εξαιρετικά υδρόφιλα και επομένως διαπερατά από το νερό, ενώ η λιγνίνη είναι πολύ πιο υδρόφοβη ένωση.

Οι χημικές σταυροειδείς συνδέσεις των πολυσακχαριτών από τη λιγνίνη είναι ένα εμπόδιο για την απορρόφηση νερού στο κυτταρικό τοίχωμα. Έτσι, η λιγνίνη δίνει τη δυνατότητα στα αγγεία του φυτού να μεταφέρει αποτελεσματικά το νερό. Η λιγνίνη υπάρχει σε όλα τα ανώτερα φυτά, αλλά όχι στα βρύα, ένα γεγονός που στηρίζει την ιδέα ότι ο πρωταρχικός (φυσικός) ρόλος της λιγνίνης περιοριζόταν στη μεταφορά του ύδατος.

Η λιγνίνη χημικά συνδέεται ομοιοπολικά με τις ημικυτταρίνες και επομένως συνενώνει τους διαφορετικούς πολυσακχαρίτες, προσδίδοντας τόσο μηχανική αντοχή και συνοχή στο κυτταρικό τοίχωμα και κατ' επέκταση στο φυτό ή δένδρο ως σύνολο. Η πιο συχνά αναφερόμενη λειτουργία της είναι η υποστήριξη μέσω της ενίσχυσης του ξύλου -διά της λεγόμενης λιγνοποίησης- που λαμβάνει χώρα στα κύτταρα του ξυλώματος και σε ίνες του σκληρεγχύματος, σε όλα τα ανώτερα δένδρα και φυτά.

Τέλος, η λιγνίνη προσδίδει στο φυτό ορισμένη ανθεκτικότητα στις ασθένειες συσσωρεύοντας στο σημείο διήθησης του παθογόνου, και έτσι καθιστώντας το κύτταρο λιγότερο προσιτό στην υποβάθμιση του κυτταρικού τοιχώματος.

 

Η παγκόσμια παραγωγή λιγνίνης σχετίζεται άμεσα με την παραγωγή του χαρτιού. Το έτος 1988, περισσότεροι από 220 εκατομμύρια τόνοι χαρτιού παρήχθησαν παγκοσμίως. Μεγάλο μέρος αυτού του χαρτιού είχε απολιγνωθεί. Η λιγνίνη αποτελεί περίπου το 1/3 της μάζας όλου του ξύλου, που είναι η βασική πρώτη ύλη για χαρτί.

Η λιγνίνη ουσιαστικά αποτελεί εμπόδιο στην παραγωγή χαρτιού, καθώς είναι χρωματισμένη, κιτρινίζει στον αέρα και η παρουσία της αποδυναμώνει το χαρτί. Μόλις διαχωριστεί από την κυτταρίνη, δύναται να αξιοποιηθεί ως καύσιμη ύλη για παραγωγή θερμικής ενέργειας. Μόνο ένα κλάσμα της χρησιμοποιείται σε ένα φάσμα εφαρμογών -χαμηλού όγκου- όπου η μορφή της, αλλά όχι η ποιότητα, είναι σημαντική.

Με τη μηχανική πολτοποίηση (mechanical pulping) παράγεται ο μηχανικός πολτός, ή αλλιώς πολτός υψηλής απόδοσης, ο οποίος χρησιμοποιείται για την παραγωγή χαρτιού εφημερίδων, που εξακολουθεί να περιέχει το μεγαλύτερο μέρος λιγνίνης, που υπήρχε αρχικά στο ξύλο. Αυτή η λιγνίνη -χημικά- είναι υπεύθυνη για το κιτρίνισμα των εφημερίδων με το πέρασμα του χρόνου και την έκθεση στο φως. Το υψηλής ποιότητας χαρτί αυστηρά προϋποθέτει την αφαίρεση σχεδόν όλης της λιγνίνης από τον πολτό. Αυτές οι διαδικασίες απολίγνωσης αποτελούν βασικές τεχνολογίες της βιομηχανίας χαρτοπολτού - χαρτιού, αλλά, ωστόσο, και πηγή περιβαλλοντικής ρύπανσης.

Στην όξινη θειώδη πολτοποίηση (sulfite pulping) παράγεται ο χημικός πολτός (όξινης μεθόδου), η λιγνίνη αφαιρείται από τον ξυλοπολτό με τη μορφή λιγνοσουλφονικών παραπροϊόντων. Για αυτά τα υπολείμματα έχουν προταθεί πολλές χρήσεις. Χρησιμοποιούνται ως υγροσκοπικά, σταθεροποιητές γαλακτώματος και πρόσθετα στην επεξεργασία νερού.

Τα λιγνοσουλφονικά επίσης προστέθηκαν τη δεκαετία του 1930 ως πρόσμικτα σε φρέσκο σκυρόδεμα προκειμένου να μειωθεί η αναλογία νερού προς τσιμέντο, κύρια παράμετρος που ελέγχει το πορώδες του σκυροδέματος και συνεπώς η μηχανική του αντοχή, ο συντελεστής διάχυσης και η υδραυλική του αγωγιμότητα. Έχει επίσης εφαρμογή σε περιβαλλοντικά φιλικά υλικά επίστρωσης στην οδοποιία. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετου βιοαποικοδομήσιμου πλαστικού, μαζί με κυτταρίνη, ως εναλλακτικό στα πλαστικά από υδρογονάνθρακες.

Στην αλκαλική χημική πολτοποίηση (sulfate pulping) παράγεται ο χημικός πολτός (αλκαλικής μεθόδου) που αποδίδει το χαρτί Kraft. Η λιγνίνη που αφαιρείται με αυτή την πολτοποίηση καίγεται σχεδόν εξ ολοκλήρου για τη θερμαντική αξία καυσίμου της παρέχοντας ενέργεια για τη λειτουργία του εργοστασίου χαρτοπολτού. Υπάρχουν δύο εμπορικές διαδικασίες για την απομάκρυνση της λιγνίνης από τα απόβλητα της μεθόδου (γνωστά ως black liquor) για χρήσεις υψηλότερης προστιθέμενης αξίας: η μέθοδος LignoBoost (Σουηδία) και η μέθοδος LignoForce (Καναδάς). Η λιγνίνη υψηλότερης ποιότητας παρουσιάζει τη δυνατότητα να γίνει μια ανανεώσιμη πηγή για την παραγωγή αρωματικών ενώσεων για τη χημική βιομηχανία, μια αγορά δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Με δεδομένο ότι είναι το πιο διαδεδομένο βιοπολυμερές, μετά την κυτταρίνη, η λιγνίνη έχει ερευνηθεί πολύπλευρα και εκτεταμένα ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίμων και -ίσως- να αποτελέσει στο άμεσο μέλλον σημαντική πρόδρομη πρώτη ύλη για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας βιοκαυσίμων.

Η βιοσύνθεση της λιγνίνης ξεκινά στο κυτταρόπλασμα με τη σύνθεση γλυκοζυλιωμένων μονολιγνολών από το αμινοξύ, φαινυλαλανίνη.

Αυτές οι πρώτες αντιδράσεις κοινοποιούνται στην οδό του φαινυλοπροπανοειδούς. Η συνδεδεμένη γλυκόζη τα καθιστά υδατοδιαλυτά και λιγότερο τοξικά. Μόλις μεταφερθεί διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης στον αποπλάστη, η γλυκόζη αφαιρείται και ο πολυμερισμός αρχίζει.

Πολλά θέματα σχετικά για τον αναβολισμό της λιγνίνης δεν είναι κατανοητά έως και σήμερα, ακόμη και μετά από έναν αιώνα ερευνών.

 

Σε αντίθεση με άλλα βιοπολυμερή (π.χ. πρωτεΐνες, κυτταρίνη, ημικυτταρίνες, κ.α.), η λιγνίνη είναι ανθεκτική στη βιολογική αποικοδόμηση και στην υδρόλυση που καταλύεται είτε από οξύ είτε από βάση. Ωστόσο, ο βαθμός στον οποίο η λιγνίνη αποικοδομείται διαφέρει ανάλογα με το είδος και τον τύπο του φυτικού ιστού. Για παράδειγμα, η συριγκυλική λιγνόλη είναι πιο επιρρεπής στην αποικοδόμηση από μυκητιακή αποσύνθεση καθώς έχει λιγότερους δεσμούς αρυλίου-αρυλίου και έτσι χαμηλότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής από τις μονάδες γουαϊακυλίου.

Επίσης, επειδή είναι διασταυρωμένη χημικώς με τα άλλα συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος, η λιγνίνη ελαχιστοποιεί -περιορίζει- την προσβασιμότητα της κυτταρίνης και ιδίως των ημικυτταρινών στα μικροβιακά ένζυμα, οδηγώντας έτσι σε μειωμένο βαθμό σηπτικότητας της βιομάζας.

Ορισμένα λιγνινολυτικά ένζυμα περιλαμβάνουν υπεροξειδάσες αίμης, λ.χ. υπεροξειδάσες λιγνίνης, υπεροξειδάσες μαγγανίου, πολυχρηστικές υπεροξειδάσες, καθώς και λακάσες με βάση το χαλκό.

Αποικοδόμηση από μύκητες

Καλά μελετημένα λιγνινολυτικά ένζυμα βρίσκονται στο είδος Phanerochaete chrysosporium όπως και σε άλλους μύκητες λευκής σήψης (white rot fungi). Μερικοί μύκητες της λευκής σήψης, όπως ο C. subvermispora, μπορούν να αποικοδομήσουν τη λιγνίνη στο ξύλο αλλά άλλοι δεν έχουν αυτή την ικανότητα.

Το μεγαλύτερο μέρος της αποικοδόμησης της λιγνίνης από μύκητες περιλαμβάνει εκκρινόμενες υπεροξειδάσες. Εκκρίνονται επίσης πολλές μυκητιακές λακάσες, οι οποίες διευκολύνουν την αποικοδόμηση των ενώσεων που προέρχονται από τη φαινολική λιγνίνη, αν και έχουν επίσης περιγραφεί αρκετές ενδοκυτταρικές μυκητιακές λακάσες. Σημαντική πτυχή της αποικοδόμησης της λιγνίνης είναι η δραστηριότητα των βοηθητικών ενζύμων για την παραγωγή του H₂O₂ που απαιτείται για τη λειτουργία της υπεροξειδάσης της λιγνίνης και άλλων υπεροξειδασών της αίμης.

Αποικοδόμηση από βακτήρια

Τα βακτήρια τα ίδια στερούνται των περισσότερων από τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται από τους μύκητες για την αποικοδόμηση της λιγνίνης και για τα παράγωγά της (λ.χ. αλειφατικά οξέα, φουράνια, φαινολικά). Αυτά αναστέλλουν την ανάπτυξη βακτηρίων που αποικοδομούν το ξύλο για να μεταβολίσουν άλλους πολυσακχαρίτες όπως κυτταρίνη, ημικυτταρίνες και πηκτίνες.

Ωστόσο, η αποικοδόμηση λιγνίνης από βακτήρια μπορεί να είναι αρκετά εκτεταμένη, ειδικά σε υδάτινο περιβάλλον, για ξύλο μέσα σε λίμνες, ποτάμια και ρυάκια. Η λιγνινολυτική δράση των βακτηρίων δεν έχει μελετηθεί εκτενώς, παρόλο που περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1930.

Στο εξωτερικό περιβάλλον, η λιγνίνη μπορεί να αποικοδομηθεί είτε βιοτικά μέσω βακτηρίων, είτε αβιοτικά μέσω φωτοχημικής αλλοίωσης, και συχνά η τελευταία βοηθά την πρώτη. Εκτός από την παρουσία ή την απουσία φωτός, αρκετοί περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν το βαθμό βιοαποικοδόμησης της λιγνίνης, συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης της βακτηριακής κοινότητας, των ανόργανων ενώσεων και της εν γένει οξειδοαναγωγικής κατάστασης.

Η πυρόλυση της λιγνίνης κατά την καύση του ξύλου ή κατά την ανθρακοποίηση σε ξυλάνθρακα αποδίδει σειρά προϊόντων, από τα οποία, τα πιο χαρακτηριστικά είναι οι μεθοξυ- υποκατεστημένες φαινόλες. Από αυτά, χαρακτηριστικά προϊόντα είναι η γουαϊακόλη και η συρινγκόλη και τα παράγωγα αυτών. Η παρουσία τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό μιας πηγής καπνού σε μια φωτιά.

Στη μαγειρική, η λιγνίνη από καύση πλατύφυλλων ειδών ξύλου (hardwoods) αποτελεί πηγή δημιουργίας των δύο παραπάνω ενώσεων, οι οποίες κατά την κάπνιση, προσδίδουν χαρακτηριστικό άρωμα και γεύση σε καπνιστά ψάρια και κρέατα, όπως λ.χ. γίνεται στο μπάρμπεκιου. Οι κύριες γευστικές ενώσεις του καπνιστού ζαμπόν είναι η γουαϊακόλη και τα 4-, 5- και 6-μεθυλοπαράγωγά της, καθώς και η 2,6-διμεθυλοφαινόλη. Αυτές οι ενώσεις παράγονται κατά τη θερμική διάσπαση της λιγνίνης του ξύλου -συνήθως δρυός, σφενδαμιού, οξιάς, κλήθρας- που χρησιμοποιούνται τυπικά κατά την κάπνιση.

Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι για τον ποσοτικό προσδιορισμό της λιγνίνης στη βιομηχανία χαρτοπολτού είναι η μέθοδος Klason και η δοκιμή όξινης διάλυσης, που είναι τυποποιημένες εργαστηριακές διαδικασίες. Η κυτταρίνη αποικοδομείται θερμικά -πλήρως- με την παρουσία οξέος και το υπόλειμμα που απομένει ονομάζεται λιγνίνη Klason.

Η οξοδιαλυτή λιγνίνη ποσοτικοποιείται από την ένταση που δίνει η φασματοσκοπία υπεριώδους της (UV spectroscopy). Η περιεκτικότητα των υδατανθράκων μπορεί να αναλυθεί και στα υγρά παραπροϊόντα της μεθόδου Klason, αν και υπάρχουν προϊόντα αποικοδόμησης των σακχάρων, όπως λ.χ. φουρφουράλη και 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλη.

Για την ανίχνευση της λιγνίνης χρησιμοποιείται διάλυμα υδροχλωρικού οξέος και φλωρογλυκινόλης (Wiesner test). Δημιουργείται έτσι ένα φωτεινό κοκκινωπό χρώμα εξαιτίας της παρουσίας ομάδων της κωνιφερυλικής αλδεΰδης στη λιγνίνη.

Η θειογλυκόλυση είναι μια αναλυτική τεχνική για τον ποσοτικό προσδιορισμό της λιγνίνης, η οποία αναπτύχθηκε το 1985 από την Catherine Lapierre Η δομή της λιγνίνης μπορεί επίσης να μελετηθεί με υπολογιστική προσομοίωση.

Η θερμοχημική ανάλυση, δηλ. η χημική διάσπαση μιας ένωσης υπό κενό και υψηλή θερμοκρασία, με υδροξείδιο του τετραμεθυλαμμωνίου ή οξείδιο του χαλκού έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό των λιγνινών.

Η λιγνίνη και τα μοντέλα της έχουν εκτεταμένα μελετηθεί με τεχνικές, όπως λ.χ. ¹Η και φασματοσκοπίας ¹³C NMR. Λόγω της δομικής πολυπλοκότητας των διαφορετικών λιγνινών, τα φάσματα είναι ελάχιστα επιλυμένα και η ποσοτικοποίησή των αποτελεί μία ερευνητική πρόκληση.

• K. Freudenberg· A.C. Nash, επιμ. (1968). Constitution and Biosynthesis of Lignin. Berlin: Springer-Verlag. 

•   Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Lignins στο Wiki Commons