Лигнин — природный полимер древесины¶

Лигнин — это природный ароматический полимер, один из трёх основных компонентов клеточных стенок высших растений (наряду с целлюлозой и гемицеллюлозой). Лигнин придаёт растительным тканям механическую прочность, жёсткость и устойчивость к разрушению микроорганизмами. По объёму производства лигнин — второй после целлюлозы по распространённости полимер биосферы; в биосфере ежегодно синтезируется около 1 млрд тонн лигнина.

¶Состав и строение

Лигнин не является полимером в строгом смысле: он не имеет регулярной мономерной последовательности, а представляет собой трёхмерную сшитую полимерную структуру, образованную окислительной полимеризацией трёх спиртовых мономеров — монолигнов:

Соотношение этих звеньев определяет тип лигнина. В мягкой древесине (хвойных) преобладает G-лигнин, в твёрдой (лиственных) — S-лигнин, в травянистых растениях — H-лигнин. Монолигновы связываются между собой через эфирные (β-O-4) и углерод-углеродные (β-5, β-β, 5-5) связи, что создаёт сложную трёхмерную сеть.

¶Биосинтез

Биосинтез лигнина начинается с аминокислоты фенилаланина, которая через шикиматный путь превращается в монолигновы. Ключевую роль в полимеризации играют пероксидазы и лакказы — ферменты, генерирующие свободные радикалы монолигнов, которые затем спонтанно сшиваются. Синтез происходит в клеточной стенке, преимущественно в вторичной оболочке проводящих элементов — сосудах и трахеидах, — что обеспечивает прочность древесины.

¶Получение

Лигнин как отдельное вещество получают в основном как побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности. При варке целлюлозы сульфатным (крафт) методом лигнин переходит в черный щёлок и может быть выделен из него кислотным осаждением (лигносульфонаты) или путём выпаривания. Сульфитный метод даёт лигносульфонаты — водорастворимые производные, широко используемые в промышленности.

¶Применение

Лигнин и его производные применяются в нескольких отраслях:

• Строительные материалы — лигносульфонаты используются как пластификаторы и водоотталкивающие добавки в бетонных смесях.
• Сельское хозяйство — лигнин применяется как диспергатор, эмульгатор и связующее в удобрениях, пестицидах и кормовых добавках.
• Энергетика — лигнин сжигается как топливо на целлюлозно-бумажных комбинатах, покрывая до половины энергетических потребностей производства.
• Химическая промышленность — из лигнина получают ванилин, диспергаторы, адсорбенты, а также мономеры для синтеза биополимеров.

¶Лигнин в природе

В природе лигнин выполняет несколько функций: обеспечивает механическую опору стеблю, придаёт прочность проводящим сосудам, препятствует проникновению воды через клеточные стенки и защищает растение от патогенов. Разложением лигнина занимаются грибы — прежде всего белая гниль, способная деградировать лигнин с помощью ферментов лакказ и пероксидаз. Именно благодаря этим грибам в природе происходит переработка древесины и круговорот углерода.

¶Экологическое значение

Лигнин — один из наиболее устойчивых природных полимеров; его разложение в почве идёт медленно, что делает его важным компонентом гумуса. Вместе с тем именно устойчивость лигнина к биодеградации делает его перспективным сырьём для производства биотоплива и биохимических продуктов: разработаны методы каталитического и ферментативного расщепления лигнина на ароматические соединения.

¶История

Термин «лигнин» ввёл французский химик Ансельм Пайен в 1838 году, обозначив им нерастворимый остаток древесины после обработки кислотами и щелочами. Первые структурные модели лигнина предложили в 1930-х годах немецкий химик Карл Фридрих Глазиус и австрийский учёный Вильгельм Грумбах, а наиболее известную модель разработал шведский химик Гуннар Гольмстрём в 1950-х годах.

¶Источники

• Федоров Н. Ф. «Лигнин»
• Гольмстрём Г. «Лигнин: химия и структура»
• Биохимия растений / под ред. А. Л. Курсанова
• Учебник «Химия древесины»
• Обзоры по биохимии растительных клеточных стенок