Sur la structure de la lignine chez les plantes annuelles et son application en biotechnologie moderne
Récemment, de nombreux articles scientifiques ont été publiés sur divers aspects de l'activité biologique des acides humiques extraits du sol, de la tourbe et de divers caustobiolithes. Ces études constituent aujourd'hui le fondement de la production d'engrais organo-minéraux modernes et très performants, tels que ceux produits par Agro.Bio.
Il est généralement admis que la lignine, ou ses unités structurales individuelles, est l'un des composants les plus importants de la molécule d'acide humique. Il a été démontré que les monomères de lignine participent activement au métabolisme cellulaire des plantes, et certains auteurs estiment que les composants de la lignine exercent des fonctions régulatrices essentielles. Par conséquent, l'étude de la structure de la lignine présente un grand intérêt pratique et scientifique. Si la structure de la lignine chez les plantes vivaces (en particulier les conifères) a été largement étudiée, les données concernant la lignine des arbres à feuilles caduques et des cultures agricoles annuelles restent très limitées.
Le manque de connaissances sur la lignine issue des plantes annuelles fait que ce polymère complexe et utile n'est pas toujours exploité à son plein potentiel. Cette étude vise à examiner la structure de la lignine provenant de matières végétales non alimentaires, et plus particulièrement de déchets agricoles : les enveloppes de sarrasin et de millet.
Extraction et fractionnement de la lignine
Les lignines ont été extraites des pellicules de millet et des enveloppes de sarrasin à l'aide de dioxane et d'un mélange alcool-benzène. Un mélange gazeux de chlorure d'hydrogène (HCl) à 1 % a servi de catalyseur. En fonction de leur solubilité dans l'eau, les lignines extraites au dioxane et celles extraites au mélange alcool-benzène ont été séparées en fragments :
- Fragment B : Partie de faible poids moléculaire de la lignine, soluble dans l'eau.
- Fragment B : Une partie de la macromolécule de lignine de poids moléculaire plus élevé, soluble dans l'alcool-benzène, mais insoluble dans l'eau.
- Fragment A : La partie la plus compacte de la macromolécule de lignine, non extraite de la composition de la cellolignine par le mélange alcool-benzène.
Le fragment B de lignine extrait des pellicules de millet et des enveloppes de sarrasin a été séparé en ses différents composants par chromatographie. Parmi les produits de dégradation de la lignine, on a identifié des composés organiques intéressants : la vanilline, le syringaldéhyde et le para-hydroxybenzaldéhyde.
COMPOSITION CHIMIQUE DU FRAGMENT B
La fraction de masse moléculaire moyenne de la macromolécule de lignine (fragment B) a été analysée afin de déterminer sa composition élémentaire et sa teneur en groupes fonctionnels. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.
Tableau 1. Teneur en groupes fonctionnels et composition élémentaire du fragment B de la lignine alcool-benzène
| Matières premières | Rendement en fragments, % | AVEC, % | H, % | -OCH₃, % | OH total, % | phénol OH, % | C=O, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fragment B de lignine provenant de films de millet | 11:40 | 62,96 | 7,25 | 16,99 | 14,69 | 8.11 | 2,86 |
| Fragment B de la lignine de la balle de sarrasin | 7.00 | 63,57 | 6,94 | 16,81 | 11,12 | 8.47 | 2.15 |
(Remarque : les valeurs sont données en pourcentage de la matière sèche du fragment).
À partir de ces données, des formules semi-empiriques ont été calculées pour les fragments B des lignines alcool-benzène par unité structurale phénylpropane C6 - C3 . La formule semi-empirique a la forme suivante :
- Pour les films de mil :
C 9 H 9,31 O 0,81 (OCH 3 ) 1,08 (OH) 1,81 (C=O) 0,20 - Pour les enveloppes de sarrasin :
C 9 H 10 O 1,08 (OCH 3 ) 1,06 (OH) 1,33 (C=O) 0,14
Comme on peut le constater, les formules diffèrent par leur teneur en oxygène, en groupes hydroxyle et en groupes carbonyle. Pour chaque unité phénylpropane des fragments B des lignines étudiées, on trouve en moyenne un groupe méthoxyle. Le fragment de lignine de la balle de millet possède presque deux groupes hydroxyle par unité, tandis que celui de la balle de sarrasin en possède environ un et demi. Les groupes carbonyle sont plus clairsemés : un pour cinq unités dans les balles de millet et un pour sept dans les balles de sarrasin.
ANALYSE SPECTROSCOPIQUE (SPECTRES UV ET IR)
Les spectres ultraviolet et infrarouge des molécules de lignine alcool-benzène ont été étudiés. Il a été historiquement démontré que les bandes d'absorption à λmax 2800–2850 Å pour les bois de conifères et à λmax 2740–2760 Å pour les bois de feuillus sont de nature aromatique (résidus estérifiés de pyrocatéchol et de pyrogallol).
Dans nos expériences, les spectres des lignines de dioxane et des lignines alcool-benzène ont été enregistrés à l'aide d'un spectrophotomètre SF-4. Toutes les préparations de lignine étudiées, issues de plantes annuelles, présentaient des bandes bien définies dans la gamme 283–287 nm et des bandes K moins distinctes dans la gamme 309–314 nm. Le spectre ultraviolet du fragment B de la lignine de dioxane extraite des enveloppes de sarrasin présente un maximum supplémentaire à 275 nm.
Les éthers diméthyliques de pyrogallol (qui contiennent le groupe syringaldéhyde) présentent un décalage de l'absorption vers les longueurs d'onde plus courtes, correspondant à la bande à 275 nm. L'absorption dans la région 284–286 nm est due à la présence du groupe guaïacyle, et dans la région 310–315 nm, à la présence du système carbonyle.
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES DE MISE EN ŒUVRE
Les données de recherche confirment la présence de groupes guaïacyle et syringol, ainsi que d'un carbonyle conjugué à un cycle aromatique, dans les lignines des déchets agricoles. Alors que les lignines des bois feuillus sont composées de dérivés des alcools coniférylique et sinapique (1:1), les lignines des plantes annuelles contiennent en outre des dérivés de l'alcool p-oxycoumarique.
Par conséquent, les pellicules de millet, les coques de sarrasin et autres résidus de récoltes issus des exploitations agricoles ne constituent pas seulement des déchets, mais une précieuse réserve pour la production d'acides humiques et de substances physiologiquement actives.
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