Lignin oder lignen sind eine komplizierte chemische Zusammensetzung meistens ist auf Holz und einen integralen Bestandteil der sekundären Zellwände von Werken und einigen Algen zurückzuführen gewesen. Der Begriff wurde 1819 von de Candolle eingeführt und wird aus dem lateinischen Wort abgeleitet, Holz bedeutend. Es ist eines der reichlichsten organischen Polymer auf der Erde, überschritten nur durch Zellulose, 30 % des Nichtfossils organischer Kohlenstoff verwendend, und von einem Viertel bis ein Drittel der trockenen Masse von Holz einsetzend. Als ein biopolymer ist lignin wegen seiner Heterogenität ungewöhnlich, und fehlen Sie einer definierten primären Struktur. Seine meistens bekannte Funktion ist die Unterstützung durch die Stärkung von Holz (xylem Zellen) in Bäumen.

Die globale Produktion von lignin ist ungefähr 1.1 Millionen Tonnen pro Jahr und wird in einer breiten Reihe des niedrigen Volumens, Nische-Anwendungen verwendet, wo die Form, aber nicht die Qualität wichtig ist.

Biologische Funktion

Lignin füllt die Räume in der Zellwand zwischen Zellulose, hemicellulose, und Pektin-Bestandteilen, besonders in tracheid, sclereid und xylem Zellen. Es ist covalently, der mit hemicellulose und, deshalb, crosslinks verschiedenes Pflanzenpolysaccharid verbunden ist, mechanische Kraft zur Zellwand und durch die Erweiterung das Werk als Ganzes zuteilend. Es ist in Kompressionsholz besonders reichlich, aber in Spannungsholz knapp.

Lignin spielt eine entscheidende Rolle im Leiten von Wasser in Pflanzenstämmen. Die Polysaccharid-Bestandteile von Pflanzenzellwänden sind hoch wasserquellfähig und so für Wasser durchlässig, wohingegen lignin mehr hydrophob ist. Der crosslinking des Polysaccharids durch lignin ist ein Hindernis für die Wasserabsorption zur Zellwand. So macht lignin es möglich für das Gefäßgewebe des Werks, Wasser effizient zu führen. Lignin ist in allen Gefäßwerken, aber nicht in bryophytes anwesend, die Idee unterstützend, dass die ursprüngliche Funktion von lignin auf den Wassertransport eingeschränkt wurde. Jedoch ist es in roten Algen da, der scheint darauf hinzuweisen, dass der gemeinsame Ahne von Werken und roten Algen auch lignin aufgebaut hat. Das würde darauf hinweisen, dass seine ursprüngliche Funktion strukturell war; es spielt diese Rolle in der roten Alge Calliarthron, wo es Gelenke zwischen verkalkten Segmenten unterstützt.

Ökologische Funktion

Lignin spielt eine bedeutende Rolle im Kohlenstoff-Zyklus, atmosphärischen Kohlenstoff in die lebenden Gewebe der waldigen beständigen Vegetation absondernd. Lignin ist einer der sich am langsamsten zersetzenden Bestandteile der toten Vegetation, einen Hauptbruchteil des Materials beitragend, das Humus wird, wie es sich zersetzt. Der resultierende Boden-Humus vergrößert im Allgemeinen die photosynthetische Produktivität von Pflanzengemeinschaften, die auf einer Seite wachsen, wie die Seite-Übergänge von gestörtem Mineralboden bis die Stufen der ökologischen Folge, durch die Versorgung Cation-Austauschkapazität im Boden und die Erweiterung der Kapazität der Feuchtigkeitsretention zwischen Überschwemmung und Wassermangel-Bedingungen vergrößert haben.

Wirtschaftsbedeutung

Hoch ist Lignified-Holz haltbar und deshalb ein guter Rohstoff für viele Anwendungen. Es ist auch ein ausgezeichneter Brennstoff, da lignin mehr Energie, wenn verbrannt, nachgibt als Zellulose. Mechanisches oder ertragsreiches Fruchtfleisch, das verwendet ist, um Zeitungspapier zu machen, enthält die meisten lignin ursprünglich präsentieren im Holz. Dieser lignin ist für den yellowing des Zeitungspapiers mit dem Alter verantwortlich. Lignin muss vom Fruchtfleisch entfernt werden, bevor gebleichtes Qualitätspapier davon verfertigt werden kann.

Im Sulfit pulping wird lignin von Holzschliff als sulfonates entfernt. Diese lignosulfonates haben mehreren Nutzen:

• Dispergiermittel in hohen Leistungszementanwendungen, Wasserbehandlungsformulierungen und Gewebe färben
• Zusätze in Spezialisierungsölfeldanwendungen und landwirtschaftlichen Chemikalien
• Rohstoffe für mehrere Chemikalien, wie vanillin, DMSO, Vinylalkohol, xylitol Zucker und humic Säure
• Umweltsmäßig nachhaltiges Staub-Unterdrückungsreagenz für Straßen

Die ersten Untersuchungen des kommerziellen Gebrauches von lignin wurden von Marathon Corporation in Rothschild, Wisconsin (die USA) berichtet, 1927 anfangend. Die erste Klasse von Produkten, die Versprechung gezeigt haben, war Ledergerbstoffe. Das lignin chemische Geschäft des Marathonlaufs wurde viele Jahre lang als Marathonlauf-Chemikalien bedient. Es ist jetzt als LignoTech USA, Inc. bekannt, und ist von der norwegischen Gesellschaft Borregaard, selbst eine Tochtergesellschaft des norwegischen Konglomerats Orkla ALS im Besitz.

Lignin ist über den Kraft-Prozess umgezogen (Sulfat pulping) wird gewöhnlich für seinen Kraftstoffwert verbrannt, Energie zur Verfügung stellend, die Mühle und seine verbundenen Prozesse zu führen.

Mehr kürzlich, lignin herausgezogen aus der strauchigen Weide ist erfolgreich verwendet worden, um ausgebreiteten Polyurethan-Schaum zu erzeugen.

1998 hat eine deutsche Gesellschaft, Tecnaro, einen Prozess entwickelt, um lignin in eine Substanz, genannt Arboform zu verwandeln, der sich identisch zu Plastik für die Spritzenzierleiste benimmt. Deshalb kann es im Platz von Plastik für mehrere Anwendungen verwendet werden. Wenn der Artikel verworfen wird, kann er gerade wie Holz verbrannt werden.

Struktur

Lignin ist ein quer-verbundenes racemic Makromolekül mit molekularen Massen über 10,000 u. Es ist relativ hydrophob und in der Natur aromatisch. Der Grad der Polymerisation in der Natur ist schwierig zu messen, da es während der Förderung gebrochen wird und das Molekül aus verschiedenen Typen von Unterbauten besteht, die scheinen, sich auf eine willkürliche Weise zu wiederholen. Verschiedene Typen von lignin sind abhängig von den Mitteln der Isolierung beschrieben worden.

Es gibt drei monolignol monomers, methoxylated zu verschiedenen Graden: P-Coumaryl-Alkohol, coniferyl Alkohol und sinapyl Alkohol (Abbildung 3). Diese lignols werden in lignin in der Form des phenylpropanoids p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), und syringal (S) beziehungsweise vereinigt. Gymnosperms haben einen lignin, der fast völlig aus G mit kleinen Mengen von H besteht. Das von dicotyledonous angiosperms ist meistens eine Mischung von G und S (mit sehr wenig H), und monocotyledonous lignin ist eine Mischung aller drei. Viele Gräser haben größtenteils G, während einige Palmen hauptsächlich S haben. Alle lignins enthalten kleine Beträge von unvollständigem oder modifiziertem monolignols, und andere monomers sind in nichtwaldigen Werken prominent.

Thioglycolysis ist eine analytische Technik für lignin quantitation. Struktur von Lignin kann auch durch die rechenbetonte Simulation studiert werden.

Biosynthese

Biosynthese von Lignin (Abbildung 4) beginnt im cytosol mit der Synthese von glycosylated monolignols von der Aminosäure phenylalanine. Diese ersten Reaktionen werden mit dem phenylpropanoid Pfad geteilt. Der beigefügte Traubenzucker macht sie Wasser auflösbar und weniger toxisch. Einmal transportiert durch die Zellmembran zum apoplast wird der Traubenzucker entfernt, und die Polymerisation fängt an. Viel über seinen anabolism wird sogar nach mehr als einem Jahrhundert der Studie nicht verstanden.

Der Polymerisationsschritt, der eine radikal-radikale Kopplung ist, wird durch oxidative Enzyme katalysiert. Sowohl peroxidase als auch laccase Enzyme sind in den Pflanzenzellwänden da, und er ist entweder ein nicht bekannt, oder beide dieser Gruppen nimmt an der Polymerisation teil. Niedriges Molekulargewicht oxidants könnte auch beteiligt werden. Das oxidative Enzym katalysiert die Bildung von monolignol Radikalen. Wie man häufig sagt, erleben diese Radikalen unkatalysierte Kopplung, um das lignin Polymer zu bilden, aber diese Hypothese ist kürzlich herausgefordert worden. Die alternative Theorie, die eine unangegebene biologische Kontrolle einschließt, wird jedoch nicht weit akzeptiert.

Biodegradation

Die Biodegradation von lignin würde zu Zerstörung von Holzwaren, besonders Gebäuden führen. Jedoch ist die Biodegradation von lignin eine Vorbedingung, um Bio-Treibstoff von Pflanzenrohstoffen zu bearbeiten. Aktuelle in einer Prozession gehende Einstellungen zeigen einen problematischen residuals nach der Verarbeitung des verdaulichen oder degradable Inhalts. Die Besserung der lignin Degradierung würde die Produktion aus dem Bio-Treibstoff vertreiben, der in einer Prozession geht, um besser zu gewinnen, oder besserer Wirkungsgrad.

Lignin ist durch Tierenzyme schwer verdaulich, aber einige Fungi (wie der Sattel der Baumnymphe) und Bakterien sind im Stande abzusondern ligninases (hat auch lignases genannt), der biodegrade das Polymer kann. Die Details der Biodegradation werden noch nicht gut verstanden. Der Pfad hängt vom Typ des Holzzerfalls - in Fungi entweder braune Fäule, weiche Fäule oder weiße Fäule ab. Die beteiligten Enzyme können freie Radikale für depolymerization Reaktionen anstellen. Gut verstandene lignolytic Enzyme sind Mangan peroxidase, lignin peroxidase und cellobiose dehydrogenase. Außerdem, wegen seiner Quer-Verbindung mit den anderen Zellwandbestandteilen, minimiert es die Zugänglichkeit von Zellulose und hemicellulose zu mikrobischen Enzymen. Folglich, in allgemeinem lignin wird mit reduziertem digestibility der gesamten Pflanzenbiomasse vereinigt, die hilft, gegen pathogens und Pest zu verteidigen.

Degradierung von Lignin wird durch Kleinstlebewesen wie Fungi und Bakterien gemacht. Lignin peroxidase (auch "ligninase", Nummer 1.14.99 der europäischen Gemeinschaft) ist ein hemoprotein von der weißen Fäule Fungus Phanerochaete chrysosporium mit einer Vielfalt von lignin-erniedrigenden Reaktionen, dem ganzen Abhängigen auf Wasserstoffperoxid, um molekularen Sauerstoff in Reaktionsprodukte zu vereinigen. Es gibt auch mehrere andere mikrobische Enzyme, die, wie man glaubt, an der lignin Biodegradation, wie Mangan peroxidase, laccase, und Cellobiose dehydrogenase (Annehmer) beteiligt werden.

Lignin-zusammenhängende Chemikalien können weiter von Bakterien bearbeitet werden. Zum Beispiel ist der aerobic mit dem Gramm negative Boden Bakterie Sphingomonas paucimobilis im Stande, lignin-zusammenhängende biphenyl chemische Zusammensetzungen zu erniedrigen.

Pyrolysis

Pyrolysis von lignin während des Verbrennens der Holz- oder Holzkohle-Produktion gibt eine Auswahl an Produkten nach, deren die charakteristischsten methoxy Phenol sind. Derjenigen sind die wichtigsten guaiacol und syringol und ihre Ableitungen; ihre Anwesenheit kann verwendet werden, um eine Rauch-Quelle zu einem Holzfeuer zu verfolgen. Im Kochen, lignin in der Form des Hartholzes ist eine wichtige Quelle dieser zwei Chemikalien, die das charakteristische Aroma und den Geschmack zu geräucherten Nahrungsmitteln wie Barbecue geben.