Lignina: estrutura, funções, extração, degradação, usos - Ciência - 2023

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o lignina (termo do latim lignum, que significa lenha ou madeira) é um polímero típico das plantas vasculares de estrutura tridimensional, amorfa e complexa. Nas plantas, serve como um “cimento” que confere resistência e resistência aos caules, troncos e outras estruturas das plantas.

Localiza-se principalmente na parede celular e a protege contra forças mecânicas e patógenos, sendo também encontrada em pequena proporção no interior da célula. Quimicamente, possui uma grande variedade de centros ativos que permitem que eles interajam com outros compostos. Dentro desses grupos funcionais comuns temos fenólicos, alifáticos, metoxi hidroxilas, entre outros.

Como a lignina é uma rede tridimensional altamente complexa e diversa, a estrutura da molécula não foi elucidada com certeza. No entanto, é conhecido por ser um polímero formado a partir de álcool coniferílico e outros compostos fenilpropanóides derivados dos aminoácidos aromáticos fenilalanina e tirosina.

A polimerização dos monômeros que o constituem varia dependendo da espécie, e não o faz de forma repetitiva e previsível como outros polímeros abundantes de vegetais (amido ou celulose).

Até o momento, apenas modelos hipotéticos da molécula de lignina estão disponíveis, e variantes sintéticas são normalmente usadas para seu estudo em laboratório.

A forma de extração da lignina é complexa, pois está ligada a outros componentes da parede e é muito heterogênea.

Descoberta

A primeira pessoa a relatar a presença de lignina foi o cientista suíço A. P. de Candolle, que descreveu suas propriedades químicas e físicas fundamentais e cunhou o termo "lignina".

Principais características e estrutura

A lignina é a segunda molécula orgânica mais abundante nas plantas depois da celulose, o principal componente das paredes celulares das plantas. A cada ano as plantas produzem 20 × 10⁹ toneladas de lignina. No entanto, apesar de sua abundância, seu estudo tem sido bastante limitado.

Uma proporção significativa de toda a lignina (aproximadamente 75%) está localizada na parede celular, após a estrutura da celulose culminar (espacialmente falando). A colocação da lignina é chamada de lignificação e isso coincide com os eventos de morte celular.

É um polímero opticamente inativo, insolúvel em soluções ácidas, mas solúvel em bases fortes, como hidróxido de sódio e compostos químicos semelhantes.

Dificuldades na extração e caracterização da lignina

Vários autores argumentam que existe uma série de dificuldades técnicas relacionadas à extração da lignina, fato que dificulta o estudo de sua estrutura.

Além das dificuldades técnicas, a molécula se liga covalentemente à celulose e ao restante dos polissacarídeos que compõem a parede celular. Por exemplo, em madeira e outras estruturas lignificadas (como caules), a lignina está fortemente associada à celulose e hemicelulose.

Por último, o polímero é extremamente variável entre as plantas. Por esses motivos, é comum que a lignina sintética seja utilizada para o estudo da molécula em laboratórios.

Métodos de extração mais usados

A grande maioria dos métodos de extração de lignina modifica sua estrutura, impedindo seu estudo. De todas as metodologias existentes, a mais importante parece ser o kraft. Durante o procedimento, a lignina é separada dos carboidratos com uma solução básica de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio na proporção de 3: 1.

Assim, o produto isolante é um pó castanho escuro devido à presença de compostos fenólicos, cuja densidade média é de 1,3 a 1,4 g / cm³.

Monômeros derivados de fenilpropanóides

Apesar desses conflitos metodológicos, sabe-se que o polímero de lignina é composto principalmente por três derivados fenilpropanóides: álcoois coniferílicos, cumaricos e sinapílicos. Esses compostos são sintetizados a partir dos aminoácidos aromáticos chamados fenilalanina e tirosina.

A composição total do arcabouço da lignina é quase totalmente dominada pelos compostos mencionados, uma vez que concentrações incipientes de proteínas foram encontradas.

A proporção dessas três unidades fenilpropanóides é variável e depende das espécies de plantas estudadas. Também é possível encontrar variações nas proporções dos monômeros dentro dos órgãos de um mesmo indivíduo ou em diferentes camadas da parede celular.

Estrutura tridimensional da lignina

A alta proporção de ligações carbono-carbono e carbono-oxigênio-carbono gera uma estrutura tridimensional altamente ramificada.

Ao contrário de outros polímeros que encontramos em abundância em vegetais (como amido ou celulose), os monômeros de lignina não se polimerizam de forma repetitiva e previsível.

Embora a ligação desses blocos de construção pareça ser impulsionada por forças estocásticas, pesquisas recentes descobriram que uma proteína parece mediar a polimerização e forma uma grande unidade de repetição.

Características

Embora a lignina não seja um componente onipresente em todas as plantas, ela cumpre funções muito importantes relacionadas à proteção e ao crescimento.

Em primeiro lugar, é responsável por proteger os componentes hidrofílicos (celulose e hemicelulose) que não apresentam a estabilidade e rigidez típicas da lignina.

Por se encontrar exclusivamente na parte externa, serve como bainha protetora contra distorções e compressão, deixando a celulose responsável pela resistência à tração.

Quando os componentes da parede ficam molhados, eles perdem a resistência mecânica. Por este motivo, a presença de lignina com o componente impermeável é necessária. Foi demonstrado que a redução experimental da porcentagem de lignina na madeira está relacionada à redução das propriedades mecânicas da mesma.

A proteção da lignina também se estende a possíveis agentes biológicos e microrganismos. Este polímero impede a penetração de enzimas que podem degradar componentes celulares vitais.

Também desempenha um papel fundamental na modulação do transporte de líquido para todas as estruturas da planta.

Síntese

A formação de lignina começa com uma reação de desaminação dos aminoácidos fenilalanina ou tirosina. A identidade química do aminoácido não é muito relevante, pois o processamento de ambos leva ao mesmo composto: 4-hidroxicinamato.

Este composto é submetido a uma série de reações químicas de hidroxilação, transferência de grupos metila e redução do grupo carboxila até a obtenção de um álcool.

Quando os três precursores da lignina mencionados na seção anterior tiverem sido formados, presume-se que eles sejam oxidados a radicais livres, a fim de criar centros ativos para promover o processo de polimerização.

Independentemente da força que promove a união, os monômeros se unem por meio de ligações covalentes e criam uma rede complexa.

Degradação

Degradação química

Devido às características químicas da molécula, a lignina é solúvel em soluções de bases aquosas e bissulfito quente.

Degradação enzimática mediada por fungos

A degradação da lignina mediada pela presença de fungos tem sido amplamente estudada pela biotecnologia para o branqueamento e tratamento dos restos produzidos após a fabricação do papel, entre outros usos.

Os fungos que são capazes de degradar a lignina são chamados de fungos da podridão branca, que contrastam com os fungos da podridão marrom que atacam as moléculas de celulose e semelhantes. Esses fungos são um grupo heterogêneo e seu representante mais proeminente é a espécie. Phanarochaete chrysosporium.

Por meio de reações de oxidação - indiretas e aleatórias - as ligações que mantêm os monômeros juntos são quebradas gradualmente.

A ação dos fungos que atacam a lignina deixa para trás uma grande variedade de compostos fenólicos, ácidos e álcoois aromáticos. Alguns resíduos podem mineralizar, enquanto outros produzem substâncias húmicas.

As enzimas que realizam esse processo de degradação devem ser extracelulares, uma vez que a lignina não é ligada por ligações hidrolisáveis.

Lignina na digestão

Para os herbívoros, a lignina é um componente fibroso das plantas indigestível. Ou seja, não é atacado pelas enzimas típicas da digestão ou pelos microrganismos que vivem no cólon.

Em termos de nutrição, não contribui em nada para o organismo que o consome. Na verdade, pode diminuir a porcentagem de digestibilidade de outros nutrientes.

Formulários

Segundo alguns autores, embora os resíduos agrícolas possam ser obtidos em quantidades quase inesgotáveis, até o momento não há nenhuma aplicação importante para o polímero em questão.

Embora a lignina seja estudada desde o final do século 19, complicações relacionadas ao seu processamento dificultam o manuseio. No entanto, outras fontes sugerem que a lignina pode ser explorada e propõem vários usos potenciais, com base nas propriedades de rigidez e resistência que discutimos.

Atualmente, uma série de preservativos para madeira está sendo desenvolvida à base de lignina combinada com uma série de compostos, para protegê-la dos danos causados por agentes bióticos e abióticos.

Também pode ser uma substância ideal para a construção de isoladores, tanto térmicos quanto acústicos.

A vantagem de incorporar a lignina à indústria é seu baixo custo e sua possível utilização como substituto de matéria-prima desenvolvida a partir de combustíveis fósseis ou outros recursos petroquímicos. Dessa forma, a lignina é um polímero com grande potencial que busca ser explorado.

Referências

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