ลิกนิน: โครงสร้างหน้าที่การสกัดการย่อยสลายการใช้ประโยชน์ - ชีววิทยา - 2025

ลิกนิน (จากไม้คำภาษาละตินหมายถึงไม้หรือไม้) เป็นพอลิเมอตัวเองต้นไม้เขียวมิติสัณฐานและซับซ้อนโครงสร้าง ในพืชทำหน้าที่เป็น "ปูนซีเมนต์" ที่ให้ความแข็งแรงและความต้านทานต่อลำต้นลำต้นและโครงสร้างอื่น ๆ ของพืช

มันตั้งอยู่ในผนังเซลล์เป็นหลักและป้องกันแรงกลและเชื้อโรคซึ่งพบได้ในสัดส่วนเล็กน้อยภายในเซลล์ ในทางเคมีมีศูนย์ที่ใช้งานอยู่มากมายที่ช่วยให้พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสารประกอบอื่น ๆ ภายในกลุ่มฟังก์ชันทั่วไปเหล่านี้เรามีฟีนอลิกอะลิฟาติกเมทอกซีไฮดรอกซิลและอื่น ๆ

รูปแบบที่เป็นไปได้ของลิกนิน ที่มา: ชื่อจริง: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

เนื่องจากลิกนินเป็นเครือข่ายสามมิติที่ซับซ้อนและมีความหลากหลายโครงสร้างของโมเลกุลจึงไม่ได้รับการอธิบายอย่างแน่ชัด อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นโพลีเมอร์ที่เกิดจากแอลกอฮอล์ coniferyl และสารประกอบ phenylpropanoid อื่น ๆ ที่ได้จากกรดอะมิโนอะโรมาติกฟีนิลอะลานีนและไทโรซีน

พอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์ที่ประกอบขึ้นนั้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดและไม่ได้ทำในลักษณะซ้ำ ๆ และคาดเดาได้เช่นเดียวกับโพลีเมอร์ที่มีอยู่มากมายของผัก (แป้งหรือเซลลูโลส)

จนถึงขณะนี้มีเพียงแบบจำลองสมมุติฐานของโมเลกุลลิกนินเท่านั้นและสำหรับการศึกษาในห้องปฏิบัติการมักใช้ตัวแปรสังเคราะห์

วิธีการสกัดลิกนินมีความซับซ้อนเนื่องจากมีการผูกกับส่วนประกอบอื่น ๆ ของผนังและมีความแตกต่างกันมาก

การค้นพบ

บุคคลแรกที่รายงานการปรากฏตัวของลิกนินคือ AP de Candolle นักวิทยาศาสตร์ชาวสวิสผู้ซึ่งอธิบายคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพพื้นฐานของมันและตั้งคำว่า "ลิกนิน"

ลักษณะและโครงสร้างหลัก

ลิกนินเป็นโมเลกุลอินทรีย์ที่มีมากเป็นอันดับสองในพืชรองจากเซลลูโลสซึ่งเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของผนังเซลล์ของพืช ทุกๆปีพืชจะผลิตลิกนิน20 × 10 ⁹ตัน อย่างไรก็ตามแม้จะมีความอุดมสมบูรณ์ แต่การศึกษาก็ค่อนข้าง จำกัด

สัดส่วนที่สำคัญของลิกนินทั้งหมด (ประมาณ 75%) ตั้งอยู่ในผนังเซลล์หลังจากที่โครงสร้างเซลลูโลสสิ้นสุดลง (การพูดเชิงพื้นที่) ตำแหน่งของลิกนินเรียกว่าลิกนิฟิเคชันและเกิดขึ้นพร้อมกับเหตุการณ์การตายของเซลล์

เป็นพอลิเมอร์ที่ไม่ใช้งานทางแสงไม่ละลายในสารละลายกรด แต่ละลายได้ในเบสที่แข็งแรงเช่นโซเดียมไฮดรอกไซด์และสารประกอบทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน

ความยากลำบากในการสกัดและลักษณะของลิกนิน

ผู้เขียนหลายคนโต้แย้งว่ามีปัญหาทางเทคนิคหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการสกัดลิกนินซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่ทำให้การศึกษาโครงสร้างของมันซับซ้อนขึ้น

นอกจากปัญหาทางเทคนิคแล้วโมเลกุลยังจับกับโควาเลนต์กับเซลลูโลสและโพลีแซ็กคาไรด์ที่เหลือซึ่งประกอบเป็นผนังเซลล์ ตัวอย่างเช่นในไม้และโครงสร้าง lignified อื่น ๆ (เช่นลำต้น) ลิกนินมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส

ประการสุดท้ายโพลีเมอร์มีความแปรปรวนอย่างมากระหว่างพืช ด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงเป็นเรื่องปกติที่ลิกนินสังเคราะห์จะถูกใช้ในการศึกษาโมเลกุลในห้องปฏิบัติการ

ส่วนใหญ่ใช้วิธีการสกัด

วิธีการสกัดลิกนินส่วนใหญ่จะปรับเปลี่ยนโครงสร้างทำให้ไม่สามารถศึกษาได้ จากวิธีการที่มีอยู่ทั้งหมดสิ่งที่สำคัญที่สุดน่าจะเป็นงานคราฟท์ ในระหว่างขั้นตอนลิกนินจะถูกแยกออกจากคาร์โบไฮเดรตด้วยสารละลายพื้นฐานของโซเดียมไฮดรอกไซด์และโซเดียมซัลไฟด์ในสัดส่วน 3: 1

ดังนั้นผลิตภัณฑ์ฉนวนกันความร้อนเป็นผงสีน้ำตาลเข้มเพราะการปรากฏตัวของสารประกอบฟีนอลที่มีความหนาแน่นเฉลี่ยอยู่ที่ 1.3-1.4 กรัม / ซม3

โมโนเมอร์ที่ได้จาก phenylpropanoids

แม้จะมีความขัดแย้งในวิธีการเหล่านี้ แต่ก็เป็นที่ทราบกันดีว่าลิกนินโพลีเมอร์ประกอบด้วยอนุพันธ์ของฟีนิลโพรพานอยด์ 3 ชนิด ได้แก่ coniferilic, coumaric และ synapillic alcohols สารประกอบเหล่านี้ถูกสังเคราะห์โดยเริ่มจากกรดอะมิโนอะโรมาติกที่เรียกว่าฟีนิลอะลานีนและไทโรซีน

องค์ประกอบทั้งหมดของกรอบลิกนินถูกครอบงำโดยสารประกอบดังกล่าวเกือบทั้งหมดเนื่องจากพบความเข้มข้นของโปรตีนในระยะเริ่มแรก

สัดส่วนของหน่วยฟีนิลโพรพานอยด์ทั้งสามนี้แปรผันและขึ้นอยู่กับพันธุ์พืชที่ศึกษา นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะพบความแปรผันของสัดส่วนของโมโนเมอร์ภายในอวัยวะของบุคคลเดียวกันหรือในชั้นต่างๆของผนังเซลล์

โครงสร้างสามมิติของลิกนิน

อัตราส่วนที่สูงของพันธะคาร์บอน - คาร์บอนและคาร์บอน - ออกซิเจน - คาร์บอนทำให้เกิดโครงสร้างสามมิติที่แตกแขนงอย่างมาก

ซึ่งแตกต่างจากโพลีเมอร์อื่น ๆ ที่เราพบได้มากในผัก (เช่นแป้งหรือเซลลูโลส) ลิกนินโมโนเมอร์จะไม่โพลีเมอร์ในลักษณะซ้ำ ๆ และคาดเดาได้

แม้ว่าการผูกมัดของหน่วยการสร้างเหล่านี้ดูเหมือนจะขับเคลื่อนโดยกองกำลังสุ่ม แต่การวิจัยล่าสุดพบว่าโปรตีนดูเหมือนจะเป็นสื่อกลางในการเกิดพอลิเมอไรเซชันและสร้างหน่วยการทำซ้ำขนาดใหญ่

คุณสมบัติ

แม้ว่าลิกนินจะไม่ใช่ส่วนประกอบที่แพร่หลายของพืชทุกชนิด แต่ก็มีหน้าที่สำคัญอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับการปกป้องและการเจริญเติบโต

ประการแรกมันมีหน้าที่ในการปกป้องส่วนประกอบที่ชอบน้ำ (เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส) ที่ไม่มีความเสถียรและความแข็งแกร่งตามแบบฉบับของลิกนิน

เนื่องจากพบเฉพาะด้านนอกเท่านั้นจึงทำหน้าที่เป็นปลอกป้องกันจากการบิดเบี้ยวและการบีบอัดโดยปล่อยให้เซลลูโลสรับผิดชอบต่อความต้านทานแรงดึง

เมื่อส่วนประกอบของผนังเปียกจะสูญเสียความแข็งแรงเชิงกล ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องมีลิกนินที่มีส่วนประกอบที่กันน้ำได้ แสดงให้เห็นว่าการทดลองลดเปอร์เซ็นต์ของลิกนินในไม้นั้นสัมพันธ์กับการลดคุณสมบัติเชิงกลที่เหมือนกัน

การป้องกันลิกนินยังครอบคลุมไปถึงสารชีวภาพและจุลินทรีย์ที่เป็นไปได้ โพลีเมอร์นี้ป้องกันการซึมผ่านของเอนไซม์ที่อาจย่อยสลายส่วนประกอบสำคัญของเซลล์

นอกจากนี้ยังมีบทบาทพื้นฐานในการปรับเปลี่ยนการขนส่งของเหลวไปยังโครงสร้างทั้งหมดของพืช

สังเคราะห์

การก่อตัวของลิกนินเริ่มต้นด้วยปฏิกิริยาการขจัดสิ่งปนเปื้อนของกรดอะมิโนฟีนิลอะลานีนหรือไทโรซีน เอกลักษณ์ทางเคมีของกรดอะมิโนไม่มีความเกี่ยวข้องมากนักเนื่องจากกระบวนการของทั้งสองนำไปสู่สารประกอบเดียวกัน: 4-hydroxycinnamate

สารประกอบนี้อยู่ภายใต้ปฏิกิริยาทางเคมีของไฮดรอกซิเลชั่นการถ่ายโอนหมู่เมธิลและการลดลงของหมู่คาร์บอกซิลจนกว่าจะได้แอลกอฮอล์

เมื่อสารตั้งต้นของลิกนินสามตัวที่กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้าได้ถูกสร้างขึ้นสันนิษฐานว่าถูกออกซิไดซ์เป็นอนุมูลอิสระเพื่อสร้างศูนย์ที่ใช้งานอยู่เพื่อส่งเสริมกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน

โดยไม่คำนึงถึงแรงที่ส่งเสริมการรวมกันโมโนเมอร์ซึ่งกันและกันผ่านพันธะโควาเลนต์และสร้างเครือข่ายที่ซับซ้อน

การปลด

การย่อยสลายทางเคมี

เนื่องจากลักษณะทางเคมีของโมเลกุลลิกนินจึงละลายได้ในสารละลายของเบสน้ำและไบซัลไฟต์ที่ร้อน

การย่อยสลายด้วยเอนไซม์ที่เป็นสื่อกลางของเชื้อรา

การย่อยสลายของลิกนินที่เป็นสื่อกลางโดยการปรากฏตัวของเชื้อราได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยเทคโนโลยีชีวภาพสำหรับการฟอกสีและการบำบัดซากที่เกิดขึ้นหลังจากการผลิตกระดาษและการใช้งานอื่น ๆ

เชื้อราที่มีความสามารถในการย่อยสลายลิกนินเรียกว่าเชื้อราโรคโคนเน่าสีขาวซึ่งตรงกันข้ามกับเชื้อราเน่าสีน้ำตาลที่โจมตีโมเลกุลของเซลลูโลสและสิ่งที่คล้ายกัน เชื้อราเหล่านี้เป็นกลุ่มที่แตกต่างกันและตัวแทนที่โดดเด่นที่สุดของพวกมันคือสายพันธุ์ Phanarochaete chrysosporium

ผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชั่นทั้งทางอ้อมและทางอ้อมพันธะที่ยึดโมโนเมอร์ไว้ด้วยกันจะค่อยๆแตกออก

การกระทำของเชื้อราที่โจมตีลิกนินจะทิ้งสารประกอบฟีนอลิกกรดและแอลกอฮอล์ที่มีกลิ่นหอมไว้มากมาย สารตกค้างบางชนิดสามารถทำให้เป็นแร่ในขณะที่สารอื่น ๆ ผลิตสารฮิวมิก

เอนไซม์ที่ทำกระบวนการย่อยสลายนี้จะต้องอยู่นอกเซลล์เนื่องจากลิกนินไม่ได้ถูกผูกมัดด้วยพันธะที่ย่อยสลายได้

ลิกนินในการย่อยอาหาร

สำหรับสัตว์กินพืชลิกนินเป็นองค์ประกอบที่เป็นเส้นใยของพืชที่ย่อยไม่ได้ นั่นคือจะไม่ถูกโจมตีโดยเอนไซม์ทั่วไปของการย่อยอาหารหรือโดยจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในลำไส้ใหญ่

ในแง่ของโภชนาการนั้นไม่ได้มีส่วนช่วยอะไรกับร่างกายที่บริโภคเข้าไป ในความเป็นจริงสามารถลดเปอร์เซ็นต์การย่อยได้ของสารอาหารอื่น ๆ

การประยุกต์ใช้งาน

ตามที่ผู้เขียนบางคนกล่าวว่าถึงแม้ว่าจะสามารถหาของเหลือจากการเกษตรได้ในปริมาณที่แทบไม่รู้จักเหนื่อย แต่ก็ยังไม่มีการประยุกต์ใช้ที่สำคัญสำหรับพอลิเมอร์ที่เป็นปัญหา

แม้ว่าลิกนินจะได้รับการศึกษาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 แต่ภาวะแทรกซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการแปรรูปทำให้ยากต่อการจัดการ อย่างไรก็ตามแหล่งข้อมูลอื่น ๆ ชี้ให้เห็นว่าลิกนินสามารถใช้ประโยชน์ได้และเสนอการใช้งานที่เป็นไปได้หลายประการโดยพิจารณาจากคุณสมบัติด้านความแข็งและความแข็งแรงที่เราได้กล่าวถึง

ปัจจุบันมีการพัฒนาชุดน้ำยารักษาเนื้อไม้ที่ใช้ลิกนินรวมกับสารประกอบหลายชนิดเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากสารชีวภาพและสารอะบิโอติก

นอกจากนี้ยังอาจเป็นสารที่เหมาะสำหรับการสร้างฉนวนทั้งแบบกันความร้อนและอะคูสติก

ข้อดีของการผสมผสานลิกนินเข้ากับอุตสาหกรรมคือต้นทุนต่ำและสามารถใช้ทดแทนวัตถุดิบที่พัฒนาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือแหล่งปิโตรเคมีอื่น ๆ ดังนั้นลิกนินจึงเป็นโพลีเมอร์ที่มีศักยภาพสูงที่พยายามใช้ประโยชน์

อ้างอิง

1. Alberts, B. , & Bray, D. (2006). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับชีววิทยาของเซลล์ Panamerican Medical Ed.
2. ไชโย, LHE (2001). คู่มือปฏิบัติการทางสัณฐานวิทยาของพืช. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H. , & Schnek, A. (2006). ขอเชิญเข้าร่วมชีววิทยา Panamerican Medical Ed.
4. กูติเอร์เรซ, แมสซาชูเซตส์ (2000). ชีวกลศาสตร์: ฟิสิกส์และสรีรวิทยา (ฉบับที่ 30). กองบรรณาธิการ CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992) ชีววิทยาพืช (ฉบับที่ 2). ฉันย้อนกลับ
6. Rodríguez, EV (2001). สรีรวิทยาของการผลิตพืชเมืองร้อน. กองบรรณาธิการมหาวิทยาลัยคอสตาริกา
7. Taiz, L. , และ Zeiger, E. (2007). สรีรวิทยาของพืช มหาวิทยาลัย Jaume I.