Лигнин как природный полимер¶

Лигнин — природный полимер ароматической природы, входящий в состав клеточных стенок сосудистых растений. Наряду с целлюлозой и гемицеллюлозами относится к главным компонентам растительной биомассы и является одним из самых распространённых органических веществ на Земле. Лигнин придаёт тканям растений жёсткость, прочность и устойчивость к сжатию, обеспечивает механическую опору и защиту от микроорганизмов, а также участвует в проведении воды по сосудам. В древесине его содержание составляет обычно 20–30 %, в некоторых породах достигает 35 %.

¶Химическое строение

Лигнин не является индивидуальным соединением с фиксированной формулой — это смесь близких по строению полимеров, поэтому корректнее говорить о «лигнинах». Основу макромолекулы образуют фенилпропановые (пропановые) структурные единицы — так называемые монолигнолы. Их ароматические кольца соединены между собой различными типами связей, среди которых преобладают простые эфирные связи (β-O-4) и углерод-углеродные связи.

В зависимости от строения монолигнолов выделяют три основных типа лигнина:

• Гваяцильный — преобладает у хвойных пород, образован в основном из кониферилового спирта.
• Сирингильный — характерен для лиственных пород, происходит от синапового спирта.
• п-Гидроксифенильный — встречается преимущественно у травянистых растений.

У хвойных лигнин почти целиком гваяцильный, у лиственных велика доля сирингильных единиц, а у трав состав смешанный. Именно различия в строении определяют разную реакционную способность и технологическое поведение лигнина при переработке.

Молекулярная масса лигнина варьируется в широких пределах и точно не определена из-за неоднородности и разветвлённости макромолекул. Лигнин нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, что затрудняет его выделение и анализ.

¶Биосинтез и роль в растении

Лигнин образуется в процессе лигнификации — отложения полимера в клеточных стенках. Биосинтез идёт от аминокислоты фенилаланина через ряд ферментативных реакций, завершающихся полимеризацией монолигнолов под действием окислительных ферментов (пероксидаз, лакказ). Лигнификация происходит после того, как клетка завершила рост: отложившийся лигнин делает стенку жёсткой и фактически «выключает» клетку из обмена веществ, превращая её в опорный или проводящий элемент.

Функции лигнина в растении:

• механическая прочность и устойчивость стебля к изгибу и сжатию;
• гидрофобность стенок, необходимая для проведения воды по ксилеме;
• барьер против патогенов и насекомых;
• снижение доступности полисахаридов для ферментов при защите от вредителей.

¶Получение и виды технических лигнинов

В природе лигнин выделяют лишь частично, поскольку при извлечении он неизбежно изменяется. Основную массу лигнина получают как побочный продукт целлюлозно-бумажного производства, где древесину обрабатывают для отделения целлюлозы. В зависимости от способа варки различают:

• сульфатный (крафт-)лигнин — главный по объёму, образуется при щелочной варке;
• сульфитный лигнин — продукт кислотной сульфитной варки, содержит сульфогруппы и лучше растворим;
• лигносульфонаты — водорастворимые производные, применяемые как технические реагенты;
• гидролизный лигнин — остаток после гидролиза растительного сырья.

Значительная часть технического лигнина сжигается на предприятиях для получения энергии и регенерации химикатов, что делает его важным топливом в целлюлозно-бумажной отрасли.

¶Применение

Лигнин и его производные используются в разных отраслях:

Лигносульфонаты применяют как диспергаторы, эмульгаторы и стабилизаторы. Ведутся разработки по получению из лигнина углеволокна, полимерных композитов, биотоплива и ценных химикатов, что связано с концепцией биорефайнинга — комплексной переработки растительного сырья.

¶Значение и перспективы

Лигнин — крупнейший возобновляемый источник ароматических соединений в природе. Его вовлечение в хозяйственный оборот рассматривается как способ повысить эффективность использования биомассы и снизить зависимость от нефтехимического сырья. Основные трудности связаны с неоднородностью строения, сложностью разделения и недостаточной изученностью свойств отдельных фракций. Исследования в области химии и технологии лигнина остаются актуальным направлением, поскольку объёмы его образования в мире измеряются десятками миллионов тонн в год.