リグニン：構造、機能、抽出、分解、用途 - 生物学 - 2025

リグニン（木材や木材を意味するラテン語の降真、から）は、ポリマー自体維管束植物、次元アモルファスおよび複雑な構造です。植物では、それは植物の茎、幹および他の構造に強度と抵抗力を与える「セメント」として機能します。

それは主に細胞壁にあり、機械的な力や病原体から保護しますが、細胞内にもわずかな割合で見られます。化学的には、他の化合物と相互作用することを可能にするさまざまな活性中心を持っています。これらの一般的な官能基内には、フェノール、脂肪族、メトキシヒドロキシルなどがあります。

リグニンの可能なモデル。ソース：本名：KarolGłąbpl.wiki：Karol007commons：Karol007e-mail：kamikaze007（at）tlen.pl

リグニンは非常に複雑で多様な3次元ネットワークであるため、分子の構造は確実に解明されていません。しかしながら、それは、コニフェリルアルコールおよび芳香族アミノ酸フェニルアラニンおよびチロシンから誘導される他のフェニルプロパノイド化合物から形成されるポリマーであることが知られている。

それを構成するモノマーの重合は種によって異なり、野菜の他の豊富なポリマー（デンプンまたはセルロース）のように反復的で予測可能な方法でそれを行いません。

これまでのところ、リグニン分子の仮想モデルのみが利用可能であり、実験室での研究には、通常、合成変異体を使用しています。

リグニンは壁の他の成分と結合しており、非常に不均一であるため、リグニンの抽出方法は複雑です。

発見

リグニンの存在を最初に報告した人物はスイス生まれの科学者AP de Candolleで、その基本的な化学的および物理的特性を説明し、「リグニン」という用語を作りました。

主な特徴と構造

リグニンは、植物細胞壁の主成分であるセルロースに次いで、植物で2番目に豊富な有機分子です。植物は毎年20×10 ⁹トンのリグニンを生産します。しかし、その豊富さにもかかわらず、その研究はかなり制限されています。

すべてのリグニンのかなりの割合（約75％）は、セルロース構造が最高潮に達した後（空間的に言えば）、細胞壁にあります。リグニンの配置は木化と呼ばれ、これは細胞死のイベントと一致します。

光学的に不活性なポリマーで、酸性溶液には不溶ですが、水酸化ナトリウムや類似の化合物などの強塩基には可溶です。

リグニンの抽出と特性評価の難しさ

さまざまな著者が、リグニンの抽出に関連する一連の技術的な問題があり、その構造の研究を複雑にしていると主張しています。

技術的な困難に加えて、分子はセルロースおよび細胞壁を構成する残りの多糖類に共有結合されます。たとえば、木材やその他の木化構造（茎など）では、リグニンはセルロースやヘミセルロースと強く関連しています。

最後に、ポリマーは植物間で非常に変動します。これらの理由から、実験室での分子の研究には合成リグニンが使用されるのが一般的です。

最も使用されている抽出方法

リグニン抽出方法の大部分はその構造を変更し、その研究を妨げています。すべての既存の方法論の中で、最も重要なのはクラフトだと思われます。手順の間、リグニンは水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムの3：1の比率の塩基性溶液で炭水化物から分離されます。

したがって、平均密度が1.3〜1.4 g / cm ³のフェノール化合物が存在するため、断熱製品は暗褐色の粉末になります。

フェニルプロパノイドに由来するモノマー

これらの方法論の矛盾にもかかわらず、リグニンポリマーは主に3つのフェニルプロパノイド誘導体（針葉樹、クマル、シナピルアルコール）で構成されることが知られています。これらの化合物は、フェニルアラニンおよびチロシンと呼ばれる芳香族アミノ酸から出発して合成されます。

タンパク質の初期濃度が見つかっているため、リグニンフレームワークの全体的な組成は、ほぼ完全に上記の化合物によって支配されます。

これらの3つのフェニルプロパノイド単位の割合は可変であり、調査する植物種によって異なります。同じ個体の器官内または細胞壁の異なる層内のモノマーの比率の変化を見つけることも可能です。

リグニンの立体構造

炭素-炭素結合と炭素-酸素-炭素結合の比率が高いため、高度に分岐した3次元構造が生成されます。

野菜に豊富に含まれている他のポリマー（デンプンやセルロースなど）とは異なり、リグニンモノマーは反復的で予測可能な方法で重合しません。

これらの構成要素の結合は確率的な力によって引き起こされているように見えますが、最近の研究では、タンパク質が重合を媒介し、大きな繰り返し単位を形成しているようです。

特徴

リグニンはすべての植物に遍在する成分ではありませんが、保護と成長に関連する非常に重要な機能を果たします。

まず第一に、それはリグニンの典型的な安定性と剛性を持たない親水性成分（セルロースとヘミセルロース）を保護する責任があります。

外側のみに見られるため、歪みや圧縮に対する保護シースとして機能し、セルロースが引張強度の原因となります。

壁コンポーネントが濡れると、機械的強度が失われます。このため、防水成分を含むリグニンの存在が必要です。木材中のリグニンのパーセンテージの実験的減少は、その機械的性質の減少に関連していることが示されています。

リグニンの保護は、可能な生物学的因子および微生物にも及ぶ。このポリマーは、重要な細胞成分を分解する可能性のある酵素の浸透を防ぎます。

また、植物のすべての構造への液体の輸送を調整する上で基本的な役割を果たします。

合成

リグニンの形成は、アミノ酸フェニルアラニンまたはチロシンの脱アミノ反応で始まります。アミノ酸の化学的同一性はあまり関係ありません。両方の処理が同じ化合物、4-ヒドロキシシンナメートにつながるからです。

この化合物は、アルコールが得られるまで、ヒドロキシル化、メチル基の移動、およびカルボキシル基の還元という一連の化学反応にさらされます。

前のセクションで説明した3つのリグニン前駆体が形成された場合、活性中心を生成して重合プロセスを促進するために、それらはフリーラジカルに酸化されると推定されます。

組合を促進する力に関係なく、共有結合を介してモノマーが互いに結合し、複雑なネットワークを作成します。

劣化

化学分解

分子の化学的特性により、リグニンは水性塩基と高温の亜硫酸水素塩の溶液に溶解します。

真菌による酵素分解

真菌の存在によって媒介されるリグニンの分解は、他の用途の中でも、紙の製造後に生成された残骸の漂白および処理のために、バイオテクノロジーによって広く研究されてきました。

リグニンを分解することができる菌類は、白色腐朽菌と呼ばれ、セルロース分子などを攻撃する褐色腐朽菌とは対照的です。これらの菌類は不均一なグループであり、それらの最も顕著な代表はPhanarochaete chrysosporium種です。

酸化反応-間接的およびランダム-によって、モノマーを保持する結合は徐々に破壊されます。

リグニンを攻撃する菌類の作用により、多種多様なフェノール化合物、酸、芳香族アルコールが残ります。鉱化作用のある残留物もあれば、腐植物質を生成する残留物もあります。

リグニンは加水分解性結合によって結合されていないため、この分解プロセスを実行する酵素は細胞外でなければなりません。

消化におけるリグニン

草食動物の場合、リグニンは消化できない植物の繊維成分です。つまり、典型的な消化酵素や大腸に生息する微生物の攻撃を受けません。

栄養の面では、それを消費する体には何の貢献もしません。実際、他の栄養素の消化率を低下させる可能性があります。

用途

一部の著者によると、農業廃棄物はほぼ無尽蔵の量で得られる可能性がありますが、これまでのところ、問題のポリマーの重要な用途はありません。

リグニンは19世紀後半から研究されてきましたが、その処理に関連する複雑さにより取り扱いが困難になっています。しかし、他の情報源は、リグニンが利用され、私たちが議論した剛性と強度特性に基づいて、いくつかの潜在的な用途を提案できることを示唆しています。

現在、一連の化合物と組み合わされたリグニンに基づく一連の木材防腐剤は、生物的および非生物的薬剤によって引き起こされる損傷からそれを保護するために開発されています。

また、断熱材や断熱材を構築するための理想的な物質となる可能性もあります。

リグニンを業界に組み込むことの利点は、低コストであることと、化石燃料やその他の石油化学資源から開発された原材料の代替品として使用できることです。したがって、リグニンは、利用されることを求める大きな可能性を持つポリマーです。

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