O strukturze ligniny w roślinach jednorocznych i jej zastosowaniu w nowoczesnej biotechnologii
Ostatnio publikowanych jest coraz więcej prac naukowych zgłębiających różne aspekty aktywności biologicznej kwasów huminowych izolowanych z gleby, torfu i różnych kaustobiolitów. Badania te stanowią obecnie podstawę produkcji nowoczesnych, wysoce skutecznych nawozów organiczno-mineralnych, takich jak te produkowane przez Agro.Bio.
Powszechnie przyjmuje się, że lignina lub jej poszczególne jednostki strukturalne są jednym z najważniejszych składników cząsteczki kwasu huminowego. Wykazano, że monomery ligniny aktywnie uczestniczą w metabolizmie komórkowym roślin, a niektórzy autorzy uważają, że składniki ligniny pełnią kluczowe funkcje regulacyjne. Dlatego badanie struktury ligniny ma ogromne znaczenie praktyczne i naukowe. Chociaż struktura ligniny w roślinach wieloletnich (zwłaszcza iglastych) była szeroko badana, istnieje bardzo niewiele danych na temat ligniny w drzewach liściastych i jednorocznych uprawach rolnych.
Brak wiedzy na temat ligniny z roślin jednorocznych oznacza, że ten złożony i użyteczny polimer nie zawsze jest w pełni wykorzystywany. Celem niniejszego badania jest zbadanie struktury ligniny z niespożywczych materiałów roślinnych, a w szczególności odpadów rolniczych: łusek gryczanych i prosa.
Ekstrakcja i frakcjonowanie ligniny
Ligniny izolowano z błon prosa i łusek gryki za pomocą dioksanu i mieszaniny alkoholu i benzenu. Jako katalizator zastosowano 1% mieszaninę gazowego chlorowodoru (HCl). Na podstawie rozpuszczalności w wodzie ligniny dioksanowe i alkoholowo-benzenowe rozdzielono na następujące fragmenty:
- Fragment B: Część ligniny o małej masie cząsteczkowej, rozpuszczalna w wodzie.
- Fragment B: Część makrocząsteczki ligniny o większej masie cząsteczkowej, rozpuszczalna w alkoholu-benzenie, ale nierozpuszczalna w wodzie.
- Fragment A: Najbardziej skompresowana część makrocząsteczki ligniny, nie wyodrębniona ze składu celoligniny za pomocą mieszaniny alkoholu i benzenu.
Fragment B ligniny z błon prosa i łusek gryki rozdzielono na poszczególne składniki metodą chromatografii. Wśród produktów degradacji ligniny znaleziono cenne związki organiczne: wanilinę, syryngaldehyd i parahydroksybenzaldehyd.
SKŁAD CHEMICZNY FRAGMENTU B
Przeanalizowano skład pierwiastkowy i zawartość grup funkcyjnych fragmentu makrocząsteczki ligniny (fragmentu B) o średniej masie cząsteczkowej. Uzyskane dane przedstawiono w poniższej tabeli.
Tabela 1. Zawartość grup funkcyjnych i skład pierwiastkowy fragmentu B ligniny alkoholowo-benzenowej
| Surowce | Wydajność fragmentu, % | Z, % | H, % | -ОСН₃, % | Całkowita zawartość OH, % | OH fenol, % | C=O, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fragment B ligniny z filmów prosa | 11:40 | 62,96 | 7,25 | 16,99 | 14,69 | 8.11 | 2,86 |
| Fragment B ligniny łuski gryki | 7,00 | 63,57 | 6,94 | 16,81 | 11,12 | 8,47 | 2.15 |
(Uwaga: wartości podane są jako procent suchej masy fragmentu).
Na podstawie tych danych obliczono wzory półempiryczne fragmentów B lignin alkoholowo-benzenowych na jednostkę strukturalną fenylopropanu C6 - C3 . Wzór półempiryczny ma następującą postać:
- Dla filmów prosa:
C 9 H 9,31 O 0,81 (OCH 3 ) 1,08 (OH) 1,81 (C=O) 0,20 - W przypadku łusek gryczanych:
C 9 H 10 O 1,08 (OCH 3 ) 1,06 (OH) 1,33 (C=O) 0,14
Jak widać, wzory różnią się zawartością grup tlenowych, hydroksylowych i karbonylowych. Na każdą jednostkę fenylopropanu we fragmentach B badanych lignin przypada średnio jedna grupa metoksylowa. Fragment ligniny z łuski prosa ma prawie dwie grupy hydroksylowe na jednostkę, podczas gdy lignina z łuski gryki ma ich około półtorej. Grupy karbonylowe są rozmieszczone rzadsze: jedna na pięć jednostek w łusce prosa i jedna na siedem w łusce gryki.
ANALIZA SPEKTROSKOPOWA (WIDMOWA UV I IR)
Zbadano widma ultrafioletowe i podczerwone cząsteczek alkoholowo-benzenowo-ligninowych. Historycznie udowodniono, że pasma absorpcji przy λmax 2800–2850 Å dla drewna iglastego i λmax 2740–2760 Å dla drewna liściastego mają charakter aromatyczny (zestryfikowane pozostałości pirokatechiny i pirogalolu).
W naszych eksperymentach widma lignin dioksanowych i alkoholowo-benzenowych rejestrowano za pomocą spektrofotometru SF-4. Wszystkie badane preparaty lignin z roślin jednorocznych charakteryzowały się wyraźnie zdefiniowanymi pasmami w zakresie 283–287 nm i mniej wyraźnymi pasmami K w zakresie 309–314 nm. Widmo ultrafioletowe fragmentu B lignin dioksanowych z łusek gryki ma dodatkowe maksimum przy 275 nm.
Etery dimetylowe pirogalolu (zawierające grupę syringaldehydową) przesuwają absorpcję w kierunku krótszych fal, odpowiadających pasmu 275 nm. Absorpcja w zakresie 284–286 nm wynika z obecności grupy gwajacylowej, a w zakresie 310–315 nm z obecności układu karbonylowego.
WNIOSKI I PERSPEKTYWY WDROŻENIA
Dane badawcze potwierdzają obecność grup gwajacylowych i syringolowych, a także grupy karbonylowej sprzężonej z pierścieniem aromatycznym, w ligninach odpadów rolniczych. Podczas gdy ligniny z drewna liściastego składają się z pochodnych alkoholi koniferylowego i synapowego (1:1), ligniny z roślin jednorocznych zawierają dodatkowo pochodne alkoholu p-oksykumarowego.
W rezultacie folie prosa, łuski gryki i inne resztki pożniwne z gospodarstw rolnych nie są po prostu odpadami, ale cennym źródłem kwasów huminowych i substancji fizjologicznie czynnych.
Komentarz eksperta Agro.Bio: To dogłębne, naukowe podejście jest obecnie wdrażane w technologiach Agro.Bio. Wykorzystując zaawansowane metody przetwarzania surowców organicznych bogatych w ligninę i kwasy huminowe, firma produkuje przyjazne dla środowiska organomineralne stymulatory wzrostu (takie jak huminian potasu i Mind Agro.Bio). Produkty te aktywują metabolizm roślin na poziomie komórkowym, pomagając rolnikom osiągnąć maksymalne plony i odporność upraw.