К вопросу о строении лигнина однолетних растений и их применении в современных биотехнологиях
В последнее время все больше публикуется научных работ, в которых освещаются различные аспекты биологической активности гумусовых кислот, выделенных из почвы, торфа и различных каустобиолитов. Сегодня эти исследования служат фундаментальной базой для производства современных высокоэффективных органо-минеральных удобрений, таких как препараты компании Agro.Bio.
Считается общепризнанным, что одной из важнейших составляющих молекулы гумусовых кислот является лигнин или его отдельные структурные звенья. Доказано, что мономеры лигнина активно участвуют в клеточном метаболизме растений, а ряд авторов считает, что составные части лигнина выполняют важнейшие регуляторные функции. В связи с этим огромный практический и научный интерес представляет изучение строения лигнина. Если строению лигнина многолетних растений (особенно хвойных пород древесины) посвящено много исследований, то о лигнине лиственных пород и однолетних сельскохозяйственных культур имеется крайне мало данных.
Недостаточная изученность лигнина однолетних растений является причиной того, что этот сложный и полезный полимер не всегда находит должное применение. Цель данного исследования — изучение строения лигнина непищевого растительного материала, в частности, отходов сельскохозяйственного производства: гречневых оболочек и просяных пленок.
ЭКСТРАКЦИЯ И ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ЛИГНИНА
Из состава просяных пленок и гречневых оболочек были выделены лигнины с помощью диоксана и спирто-бензольной смеси. В качестве катализатора применялся 1%-ный газообразный хлористый водород (HCl). По растворимости в воде диоксанлигнины и спирто-бензольные лигнины разделялись на следующие фрагменты:
- Фрагмент В: Низкомолекулярная часть лигнина, растворимая в воде.
- Фрагмент Б: Более высокомолекулярная часть макромолекулы лигнина, растворимая в спирто-бензоле, но нерастворимая в воде.
- Фрагмент А: Наиболее уплотненная часть макромолекулы лигнина, не извлекаемая из состава целлолигнина спирто-бензольной смесью.
Фрагмент В лигнина просяных пленок и гречневых оболочек разделялся на отдельные компоненты хроматографическим методом. Среди продуктов деструкции лигнина обнаружены ценные органические соединения: ванилин, сиреневый альдегид и пара-оксибензальдегид.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ФРАГМЕНТА Б
Средняя по молекулярному весу часть макромолекулы лигнина (фрагмент Б) анализировалась на элементарный состав и содержание функциональных групп. Полученные данные представлены в таблице ниже.
Таблица 1. Содержание функциональных групп и элементарный состав фрагмента Б спирто-бензольного лигнина
| Сырье | Выход фрагмента, % | С, % | Н, % | -ОСН₃, % | ОН общ., % | ОН фенольн., % | С=О, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фрагмент Б лигнина просяных пленок | 11,40 | 62,96 | 7,25 | 16,99 | 14,69 | 8,11 | 2,86 |
| Фрагмент Б лигнина гречневых оболочек | 7,00 | 63,57 | 6,94 | 16,81 | 11,12 | 8,47 | 2,15 |
(Примечание: значения приведены в процентах на сухое вещество фрагмента).
На основании этих данных были рассчитаны полуэмпирические формулы для фрагментов Б спирто-бензольных лигнинов на фенилпропановую структурную единицу C6-C3. Полуэмпирическая формула имеет следующий вид:
- Для просяных пленок:
C9H9.31O0.81(OCH3)1.08(OH)1.81(C=O)0.20 - Для гречневых оболочек:
C9H10O1.08(OCH3)1.06(OH)1.33(C=O)0.14
Как видим, формулы отличаются содержанием кислорода, гидроксильных и карбонильных групп. На каждое фенилпропановое звено фрагментов Б исследуемых лигнинов приходится в среднем одна метоксильная группа. У фрагмента лигнина просяных пленок на каждое звено приходится почти две гидроксильные группы, тогда как у лигнина из гречневых оболочек — примерно полторы. Карбонильные группы распределяются реже: одна на пять звеньев у просяных пленок и одна на семь у гречневых оболочек.
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (УФ И ИК-СПЕКТРЫ)
Исследовались ультрафиолетовые и инфракрасные спектры молекул спирто-бензольных лигнинов. Исторически доказано, что полосы поглощения при λmax 2800—2850 Å для хвойных пород и λmax 2740—2760 Å для лиственных имеют ароматическую природу (этерифицированные остатки пирокатехина и пирогаллола).
В наших опытах спектры диоксанлигнинов и спирто-бензольных лигнинов снимались на спектрофотометре СФ-4. Все исследуемые препараты лигнина однолетних растений характеризовались четко очерченными полосами в пределах 283—287 нм и менее четкими К-полосами в пределах 309—314 нм. Ультрафиолетовый спектр фрагмента Б диоксанлигнина гречневых оболочек имеет еще один максимум при 275 нм.
Диметиловые эфиры пирогаллола (к которым относится группировка сиреневого альдегида) сдвигают поглощение в сторону более коротких волн, чему и соответствует полоса 275 нм. Поглощение в области 284—286 нм обусловлено наличием гваяциловой группировки, а в области 310—315 нм — присутствием карбонильной системы.
ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ
Данные исследований подтверждают наличие в лигнинах сельскохозяйственных отходов гваяциловой и сиринговой группировок, а также карбонила, находящегося в сопряжении с ароматическим кольцом. Если лигнины лиственных пород древесины состоят из производных кониферилового и синапового спиртов (1:1), то лигнины однолетних растений дополнительно содержат производные п-оксикумарового спирта.
Следовательно, просяные пленки, гречневые оболочки и другие пожнивные остатки аграрных предприятий являются не просто отходами, а ценнейшим резервом для производства гумусовых кислот и физиологически активных веществ.
Экспертная ремарка Agro.Bio: Сегодня этот глубокий научный подход находит свое практическое воплощение в технологиях компании Agro.Bio. Используя передовые методы переработки богатого лигнином и гуминовыми кислотами органического сырья, компания производит экологически чистые органо-минеральные стимуляторы роста (такие как Гумат Калия и Mind Agro.Bio). Эти препараты активизируют метаболизм растений на клеточном уровне, помогая аграриям достигать максимальной урожайности и устойчивости культур.