LIGNINE: STRUCTURE, FONCTIONS, EXTRACTION, DÉGRADATION, UTILISATIONS - LA BIOLOGIE - 2025

La lignine (du terme latin lignum, signifiant bois ou bois) est un polymère lui-même des plantes vasculaires de structure dimensionnelle, amorphe et complexe. Dans les plantes, il sert de «ciment» qui donne force et résistance aux tiges, troncs et autres structures des plantes.

Il se trouve principalement dans la paroi cellulaire et la protège contre les forces mécaniques et les agents pathogènes, se trouvant également en faible proportion à l'intérieur de la cellule. Chimiquement, il possède une grande variété de centres actifs qui leur permettent d'interagir avec d'autres composés. Au sein de ces groupes fonctionnels communs, nous avons entre autres des méthoxy hydroxyles phénoliques, aliphatiques.

Modèle possible de la lignine. Source: vrai nom: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007 e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Parce que la lignine est un réseau tridimensionnel très complexe et diversifié, la structure de la molécule n'a pas été élucidée avec certitude. Cependant, il est connu qu'il s'agit d'un polymère formé à partir d'alcool coniférylique et d'autres composés phénylpropanoïdes dérivés des acides aminés aromatiques phénylalanine et tyrosine.

La polymérisation des monomères qui le constituent varie selon les espèces, et ne le fait pas de manière répétitive et prévisible comme d'autres polymères végétaux abondants (amidon ou cellulose).

Jusqu'à présent, seuls des modèles hypothétiques de la molécule de lignine sont disponibles et, pour son étude en laboratoire, ils utilisent généralement des variantes synthétiques.

Le mode d'extraction de la lignine est complexe, car il est lié à d'autres composants de la paroi et est très hétérogène.

Découverte

La première personne à signaler la présence de lignine a été le scientifique d'origine suisse AP de Candolle, qui a décrit ses propriétés chimiques et physiques fondamentales et a inventé le terme «lignine».

Principales caractéristiques et structure

La lignine est la deuxième molécule organique la plus abondante dans les plantes après la cellulose, le composant majoritaire des parois cellulaires végétales. Chaque année, les plantes produisent 20 × 10 ⁹ tonnes de lignine. Cependant, malgré son abondance, son étude a été assez limitée.

Une proportion significative de toute la lignine (environ 75%) se trouve dans la paroi cellulaire, après que la structure cellulosique culmine (spatialement). Le placement de la lignine est appelé lignification et cela coïncide avec les événements de mort cellulaire.

C'est un polymère optiquement inactif, insoluble dans les solutions acides mais soluble dans les bases fortes, telles que l'hydroxyde de sodium et des composés chimiques similaires.

Difficultés d'extraction et de caractérisation de la lignine

Divers auteurs soutiennent qu'il existe une série de difficultés techniques liées à l'extraction de la lignine, ce qui complique l'étude de sa structure.

En plus des difficultés techniques, la molécule est liée de manière covalente à la cellulose et au reste des polysaccharides qui composent la paroi cellulaire. Par exemple, dans le bois et d'autres structures lignifiées (comme les tiges), la lignine est fortement associée à la cellulose et à l'hémicellulose.

Enfin, le polymère est extrêmement variable entre les plantes. Pour ces raisons évoquées, il est courant que la lignine synthétique soit utilisée pour l'étude de la molécule en laboratoire.

Méthodes d'extraction les plus utilisées

La grande majorité des méthodes d'extraction de la lignine modifient sa structure, empêchant son étude. De toutes les méthodologies existantes, la plus importante semble être le kraft. Au cours de la procédure, la lignine est séparée des hydrates de carbone avec une solution basique d'hydroxyde de sodium et de sulfure de sodium dans des proportions 3: 1.

Ainsi, le produit isolant est une poudre brun foncé du fait de la présence de composés phénoliques, dont la densité moyenne est de 1,3 à 1,4 g / cm ³.

Monomères dérivés de phénylpropanoïdes

Malgré ces conflits méthodologiques, on sait que le polymère de lignine se compose principalement de trois dérivés phénylpropanoïdes: les alcools conifériliques, coumariques et synapilliques. Ces composés sont synthétisés à partir des acides aminés aromatiques appelés phénylalanine et tyrosine.

La composition totale de la charpente de lignine est presque totalement dominée par les composés mentionnés, car des concentrations naissantes de protéines ont été trouvées.

La proportion de ces trois unités phénylpropanoïdes est variable et dépend de l'espèce végétale étudiée. Il est également possible de trouver des variations dans les proportions de monomères au sein des organes d'un même individu ou dans différentes couches de la paroi cellulaire.

Structure tridimensionnelle de la lignine

Le rapport élevé des liaisons carbone-carbone et carbone-oxygène-carbone génère une structure tridimensionnelle hautement ramifiée.

Contrairement à d'autres polymères que l'on trouve en abondance dans les végétaux (comme l'amidon ou la cellulose), les monomères de lignine ne polymérisent pas de manière répétitive et prévisible.

Bien que la liaison de ces éléments constitutifs semble être dictée par des forces stochastiques, des recherches récentes ont montré qu'une protéine semble médier la polymérisation et forme une grande unité répétitive.

Caractéristiques

Bien que la lignine ne soit pas un composant omniprésent de toutes les plantes, elle remplit des fonctions très importantes liées à la protection et à la croissance.

Tout d'abord, il est chargé de protéger les composants hydrophiles (cellulose et hémicellulose) qui n'ont pas la stabilité et la rigidité typiques de la lignine.

Comme on le trouve exclusivement à l'extérieur, il sert de gaine de protection contre la déformation et la compression, laissant la cellulose être responsable de la résistance à la traction.

Lorsque les composants du mur sont mouillés, ils perdent leur résistance mécanique. Pour cette raison, la présence de lignine avec le composant étanche est nécessaire. Il a été montré que la réduction expérimentale du pourcentage de lignine dans le bois est liée à la réduction des propriétés mécaniques de celui-ci.

La protection de la lignine s'étend également à d'éventuels agents biologiques et micro-organismes. Ce polymère empêche la pénétration d'enzymes qui pourraient dégrader les composants cellulaires vitaux.

Il joue également un rôle fondamental dans la modulation du transport du liquide vers toutes les structures de la plante.

Synthèse

La formation de la lignine commence par une réaction de désamination des acides aminés phénylalanine ou tyrosine. L'identité chimique de l'acide aminé n'est pas très pertinente, car le traitement des deux conduit au même composé: le 4-hydroxycinnamate.

Ce composé est soumis à une série de réactions chimiques d'hydroxylation, de transfert de groupes méthyle et de réduction du groupe carboxyle jusqu'à l'obtention d'un alcool.

Lorsque les trois précurseurs de lignine mentionnés dans la section précédente ont été formés, on suppose qu'ils sont oxydés en radicaux libres, afin de créer des centres actifs pour favoriser le processus de polymérisation.

Indépendamment de la force qui favorise l'union, les monomères les uns aux autres passent par des liaisons covalentes et créent un réseau complexe.

Dégradation

Dégradation chimique

En raison des caractéristiques chimiques de la molécule, la lignine est soluble dans les solutions de bases aqueuses et de bisulfite chaud.

Dégradation enzymatique à médiation fongique

La dégradation de la lignine médiée par la présence de champignons a été largement étudiée par la biotechnologie pour le blanchiment et le traitement des restes produits après la fabrication du papier, entre autres utilisations.

Les champignons capables de dégrader la lignine sont appelés champignons de la pourriture blanche, qui contrastent avec les champignons de la pourriture brune qui attaquent les molécules de cellulose et similaires. Ces champignons sont un groupe hétérogène et leur représentant le plus important est l'espèce Phanarochaete chrysosporium.

Par des réactions d'oxydation - indirectes et aléatoires - les liaisons qui maintiennent les monomères ensemble sont progressivement rompues.

L'action des champignons qui attaquent la lignine laisse derrière elle une grande variété de composés phénoliques, d'acides et d'alcools aromatiques. Certains résidus peuvent se minéraliser, tandis que d'autres produisent des substances humiques.

Les enzymes qui effectuent ce processus de dégradation doivent être extracellulaires, car la lignine n'est pas liée par des liaisons hydrolysables.

Lignine dans la digestion

Pour les herbivores, la lignine est un composant fibreux des plantes qui n'est pas digestible. Autrement dit, il n'est pas attaqué par les enzymes typiques de la digestion ou par les micro-organismes qui vivent dans le côlon.

En termes de nutrition, il n'apporte rien au corps qui le consomme. En fait, cela peut diminuer le pourcentage de digestibilité d'autres nutriments.

Applications

Selon certains auteurs, bien que les résidus agricoles puissent être obtenus en quantités presque inépuisables, il n'y a jusqu'à présent pas d'application importante du polymère en question.

Bien que la lignine soit étudiée depuis la fin du XIXe siècle, les complications liées à son traitement en ont rendu la manipulation difficile. Cependant, d'autres sources suggèrent que la lignine peut être exploitée et proposent plusieurs utilisations potentielles, basées sur les propriétés de rigidité et de résistance dont nous avons discuté.

Actuellement, une série de produits de préservation du bois à base de lignine combinée à une série de composés sont en cours de développement pour le protéger des dommages causés par des agents biotiques et abiotiques.

Il pourrait également être une substance idéale pour la construction d'isolants, à la fois thermiques et acoustiques.

L'avantage de l'incorporation de la lignine dans l'industrie est son faible coût et son utilisation possible en remplacement de la matière première développée à partir de combustibles fossiles ou d'autres ressources pétrochimiques. Ainsi, la lignine est un polymère à fort potentiel qui cherche à être exploité.

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