Biodegradarea LignineiToate plantele superioare conin lignin, care este depozitat n pereii celulelor vegetale, precum i n spaiile intercelulare. Plantele inferioare, cum ar fi: algele, lichenii, muchii i ciupercile nu conin aceast substan cu caracter incrustant. Lignina reprezint componentul chimic principal de natur aromatic al esuturilor vegetale. La plantele superioare coninutul de lignin variaz n limite largi, n funcie de specie i de vrsta esutului vegetal. Mai bogate n lignin sunt coniferele, coninutul acesteia variind ntre 28 - 34 %. La foioase se atest 18 27 % aa dup cum se vede din Tabelul 1: Tabelul 1. Valori maxime n ordine descresctoare ale coninutului de lignin la unele specii lemnoase

Prezena ligninei n plantele lemnoase marcheaz o treapt superioar n organizarea acestora, aprut ca urmare a adaptrii la viaa de uscat. Fiind cel mai rspndit polimer aromatic natural, lignina reprezint o bogat surs potenial fenolic pentru industria sintezelor organice. Noiunea de lignin nu reflect o substan cu structur chimic bine definit, similar altor produse macromoleculare naturale cum este celuloza, amidonul sau proteinele, ci se refer mai curnd la un grup de combinaii polimerice nrudite chimic ntre ele. Compoziia chimic elemental a ligninei a fost stabilit de Gay Lussac i T. Thenard. Prin cercetarea produilor de degradare a ligninei s-a stabilit c unitatea structural de baz a acesteia este gruparea fenilpropanic, C6 C3. Pentru a nota poziiile n ea se propune de a folosi literele greceti ,, pentru atomii de carbon din catena lateral i numerele arabe de la 1 pn la 6 pentru atomii de carbon din nucleul benzenic:

Fig. 1: Unitatea structural a ligninei

1

Unitatea structural fenilpropanic conine o grup hidroxil fenolic n poziia para (4) fa de catena lateral i una sau dou grupe metoxil (-OCH3) n poziiile 3,5 ale nucleului benzenic. n anul 1961 F. E. Brauns a definit lignina drept component chimic principal al lemnului, care n condiiile reaciei de oxidare cu nitrobenzen n mediu alcalin, la temperatura de 160 0 C, conduce la formarea unui amestec de trei aldehide aromatice: aldehida vanilic (vanilina), aldehida siringic i p-hidroxibenzaldehida:

Fig. 2: Aldehide formate n urma oxidrii ligninei cu nitrobenzen Produsul principal care se obine la oxidarea ligninei coniferelor este vanilina, pe cnd la oxidarea ligninei foioaselor rezult un amestec binar de vanilin i aldehid siringic. Din lignina plantelor anuale se formeaz un amestec ternar de vanilin, aldehid siringic i phidroxibenzaldehid. O definiie mai nou, propus de K.V.Sarcanen i C.Ludwig arat c lignina este un polimer natural care rezult prin polimerizarea iniiat enzimatic a trei precursori principali, i anume: a alcoolului coniferilic, alcoolului sinapic i alcoolului cumarilic.

Fig. 3: Precursori principali ai formrii ligninei n prezent, prin noiunea de lignin majoritatea cercettorilor subneleg o substan organic macromolecular cu structur amorf, care n prezena acizilor nu hidrolizeaz i care este constituit dintrun numr de uniti fenilpropanice, mai mult sau mai puin metoxilate, reunite ntre ele prin legturi eterice i legturi carboncarbon. La alctuirea denumirii diferitelor tipuri de lignin s-a adoptat o nomenclatur convenional, care se bazeaz pe dou criterii de baz: denumirea ligninei trebuie s indice procedeul sau reactivul folosit la extragerea ei din lemn; denumirea ligninei trebuie s menioneze specia de material lemnos din care a fost extras. 2

Fig. 4:Structura Ligninei De exemplu, atribuirea unei denumiri ca lignin clorhidric de pin denot c ea s-a obinut prin tratarea lemnului de pin cu acid clorhidric, n timp ce denumirea de lignin disulfitic de molid arat c aceasta s-a obinut prin tratarea lemnului de molid cu soluie de disulfit de sodiu, amoniu, calciu sau magneziu. Protolignina reprezint o denumire convenional atribuit ligninei nemodificate, adic sub forma ei natural din plante, n care se gsete de fapt intim asociat cu celuloza sau alte polizaharide.

3

Modul de legare a ligninei cu hidraii de carbon Pn n prezent exist mai multe ipoteze despre natura i modul de legare a ligninei cu polizaharidele din lemn i anume: ipoteza legrii mecanice; ipoteza legrii chimice; ipoteza legrii fizico-chimice. Conform ipotezei legrii mecanice lignina, fiind o substan de ncrustare, nu se leag chimic cu ceilali componeni principali ai lemnului. n favoarea ei pot servi argumentele: celuloza extras din lemn prezint proprieti similare cu celuloza din bumbac; lemnul are aceeai rentgenogram ca i celuloza din bumbac; dup ndeprtarea celulozei i a hemicelulozelor prin hidroliz acid, lignina i menine structura fizic. n concordan cu ipoteza legrii chimice, lignina este o substan legat chimic de ceilali componeni ai lemnului. Ea a fost motivat printr-o serie de argumente experimentale: celuloza nu poate fi extras din lemn cu soluie cuproamoniacal fr un tratament acid prealabil, care s scindeze legturile chimice i s favorizeze n final extragerea i dizolvarea acesteia; lignina, dei posed numeroase grupe funcionale polare, nu se dizolv atunci cnd rumeguul se trateaz cu alcalii diluate, de exemplu, cu soluie de hidroxid de sodiu de 5%; extragerea ligninei din lemn cu diferii solveni organici este condiionat de un tratament prealabil al rumeguului cu acid; bacteriile care degradeaz celuloza din bumbac nu snt capabile s atace celuloza din rumegu; lemnul nu d coloraia albastr caracteristic cu iod n clorura de zinc (ZnCl2+I2), care este un reagent chimic specific de culoare pentru celuloz. n baza ipotezei legrii fizico-chimice, lignina i polizaharidele din lemn se leag ntre ele pe baza principiilor adsorbiei coloidale. Majoritatea cercettorilor accept totui n ultima vreme ideea unor legturi chimice reale ntre lignin i polizaharidele din lemn, care ar duce la formarea unor compui denumii compleci lignopolizaharidici. Cercetrile demonstreaz c un asemenea complex const din oligomeri polizaharidici avnd gradul mediu de polimerizare ~ 18, legai chimic cu moleculele mai simple de lignin, care au o mas molecular de cca. 3500. Principalele tipuri de legturi chimice posibile n complecii ligno-polizaharidici ar fi de fapt cele patru, dup cum urmeaz: legturi benzil-eterice. Sunt nite legturi eterice care se pot forma cu participarea grupei hidroxil din poziia a unitii fenilpropanice (grup hidroxil benzilic) i grupele alcoolice libere ale polizaharidelor, predominant a hemicelulozelor:

Fig. 5:Legturi benzil - eterice 4

Asemenea legturi hidrolizeaz uor n prezena acizilor, dar snt stabile la hidroliza alcalin. legturi acetalice sau cetalice. Sunt legturi semiacetalice, acetalice sau cetalice care se formeaz cu participarea grupelor carbonil din unitile fenilpropanice i grupele hidroxil alcoolice din moleculele polizaharidelor:

Fig. 6:Legturi acetalice Aceste legturi de asemenea se desfac la hidroliza acid. legturi fenilglicozidice. Acest tip de legturi se formeaz cu implicarea grupei semiacetalice (glicozidice) din molecula polizaharidei i grupei hidroxil fenolice libere a unitii fenilpropanice din lignin:

Fig. 7:Legturi fenilglicozidice legturi esterice. Sunt legturi esterice care apar la interaciunea grupelor hidroxil benzilice (din poziia ) cu grupele carboxil libere a acizilor poliuronici din unele hemiceluloze (glucuronxilani i alte poliuronide ale membranei celulare vegetale):

Fig. 8:Legturi esterice Aceste legturi estere hidrolizeaz uor chiar n soluii slab alcaline. Concomitent cu acestea i alte legturi chimice, sunt importante i legturile de hidrogen, existena crora n lignin a fost confirmat prin cercetrile spectrale ale ligninei n IR. 5

n acelai timp este de precizat c la momentul de fa au fost aduse numai dovezi indirecte despre existena tuturor legturilor chimice menionate anterior. De fapt legturile ligninei cu hidraii de carbon sunt foarte variate. n procesul de lignificare polizaharidele se leag cu lignina n toate cele trei direcii spaiale la ntmplare. Din aceast cauz peretele celular prezint un polimer cu structur spaial de felul: celuloz lignin hemiceluloze lignin poliuronide. Studiind stabilitatea, dimensiunile i forma macromoleculelor ligno-polizaharidice, Brownell arat c legturile chimice dintre lignin i hidraii de carbon se menin n general n mediu alcalin pn la 1000 C. Tot el mai specific faptul c legturile esterice nu rezist la aciunea alcaliilor, iar legturile acetalice nu sunt stabile la aciunea acizilor.

Biosinteza lignineiLignina nu se formeaz n plante concomitent cu hidraii de carbon ci, probabil treptat, pe msura lignificrii esuturilor vegetale. Astfel, s-a constatat c odat cu creterea vrstei arborelui, coninutul de cenu, acizi uronici, substane extractibile cu apa i solveni organici se micoreaz, iar coninutul de celuloz, lignin i grupe metoxil crete. Perioada de lignificare coincide cu perioada de cretere esenial i dispariia culorii verzi din plante. n lemn procesul de lignificare are loc concomitent cu maturizarea celulei vegetale lemnoase, aceasta producndu-se de regul dup cca. doi ani. n cel de-al doilea an, n celula vegetal se formeaz mai mult lignin dect hidrai de carbon, esuturile vegetale tinere fiind astfel mai puin lignificate. Procesul de lignificare a esuturilor vegetale este ireversibil. Lignina odat depozitat n membrana celular vegetal nu mai particip la metabolismul plantei. Celula vegetal i pierde astfel viaa i lignina ndeplinete din acest moment funcia de agent de consolidare mecanic i de protector mpotriva turgescenei plantei. Formarea ligninei are loc n membrana celular vegetal mai nti n peretele ei primar. Lignina care se conine n diferitele pri ale celulei lemnoase se deosebete calitativ de la o zon celular la alta. K. Freudenberg denumete lignina din lamela median drept lignin format, iar lignina din pereii celulari drept lignin neformat i face distincie ntre ele, n funcie de coninutul de grupe metoxil i de solubilitate, prima fiind mai puin solubil dect cea de a doua. Lignina neformat din pereii celulari ar constitui de fapt o lignin nematurizat, fiind un produs intermediar n procesul de lignificare a lemnului. Cnd se efectueaz determinarea cantitativ a ligninei ns, nu se face nici un fel de distincie ntre lignina format i cea neformat, ci se analizeaz lignina global extras ca atare din lemn. Cercettorii disting trei etape principale n procesul de biosintez a ligninei: 1. Formarea, respectiv biosinteza, hidrailor de carbon prin fotosintez; 2. Ciclizarea i aromatizarea hidrailor de carbon, cu formarea unor elemente primare care au o structur fenolic, denumite i monomeri fenolici precursori; 3. Polimerizarea monomerilor fenolici precursori cu formarea polimerului de natur aromatic i a ligninei. Aadar, lignificarea este o ilustrare a celui mai general fenomen de aromatizare, adic de conversie n celulele vii a precursorilor nearomatici n compui care conin cicluri de tip benzenic. Ansamblul transformrilor care conduc la formarea ligninei din hidrai de carbon se poate reprezenta schematic astfel:

6

Fig. 9: Formarea ligninei Rolul esenial la sinteza in vivo a ligninei aparine aciunii permanente a sistemelor enzimatice din esuturile meristimatice, n particular, zonelor cambiale. Multe din mecanismele de biosintez in vivo a ligninei au fost urmrite prin transformri ale oxidului de carbon (IV) i ale hidrailor de carbon, marcai cu izotopi radioactivi (*C14). n form general aceste transformri pot fi prezentate:

Fig. 10: Formarea ligninei Penultima etap a biosintezei ligninei din lemn este procesul de ciclizare i aromatizare a hidrailor de carbon. Se consider c ea se realizeaz prin dou faze: 1. Formarea acidului shikimic. Acidul schikimic reprezint un produs intermediar rspndit foarte larg n lumea plantelor superioare, n particular, la speciile de conifere; 2. Transformarea acidului shikimic n diferii monomeri fenolici. Acetea din urm se consider precursori n procesul ulterior de formare a ligninei. Acidul shikimic se formeaz n plantele lemnoase din Dglucoz printr-un proces de glicoliz i fosforilare datorat unor bacterii. Procesul are o prim etap n care se formeaz dou substane de baz: acidului 2fosfoenolpiruvic (Ac. 2-FEP) i eritrozo-4-fosfatului (E-4-F). Aceste dou substane condenseaz, iar apoi produsul de condensare sufer o ciclizare i se transform n acid 5dehidroquinic (ADHQ):

Fig. 11: Formarea Acidul 5-dehidroquinic (ADHQ) Acidul 5-dehidroquinic (ADHQ) se poate transforma mai departe reversibil n acid quinic (AQ) i respectiv n acid shikimic (AS):

7

Fig. 12: Formarea Acid shikimic (AS) Acidul quinic are o rspndire foarte larg n plantele superioare. Acidul shikimic are un rol important n biosinteza unor monomeri fenolici cu structura C6 C3 sau C6 C1, n care apar dou sau trei grupe fenolice n poziiile orto-, cum ar fi acidul protocatehic i acidul galic. A doua etap, principal, este cea de transformare a acidului shikimic n derivai monomeri fenolici: acidul galic, acidul protocatehic, fenilalanina, L-tirozina, acizii paracumaric, cafeic, ferulic, sinapic etc.

Fig. 13:Prezentare schematic a unor transformri din etapa a doua

8

Dintre toi monomerii fenilpropanici indicai anterior, acizii p-cumaric, ferulic i sinapic, pot fi transformai, prin reducere enzimatic, n aldehide i apoi n alcooli corespunztori. Aceti alcooli, la rndul lor, particip mai departe, prin polimerizare, la biosinteza ligninei:

Fig. 14:Formarea ligninei n plantele ierboase

Fig. 15:Formarea ligninei la conifere, respectiv foioase innd cont de cele specificate mai sus, rezult c fenilalanina, acizii cumaric, ferulic i sinapic reprezint monomerii fenilpropanici de baz, care servesc drept precursori n etapele imediat premergtoare de biosintez a ligninei n plante. Aceti monomeri fenilpropanici au un rol fiziologic important n viaa plantelor, mai ales n funcia de respiraie, adic de transport a hidrogenului. La plantele superioare n faza postmortal, dup terminarea funciei de catalizatori ai respiraiei, monomerii fenilpropanici trec n lignin pe seama reaciilor de dehidrogenare, condensare i polimerizare. Ultima etap a procesului de biosintez a ligninei, cea de polimerizare a monomerilor fenolici, a fost elucidat prin diferite ci de biosintez n afara organismului vegetal, adic prin aa numita sintez in vitro. n anul 1922, P. Klason arat c alcoolul coniferilic sintetizat de prile verzi ale plantelor, formeaz cu glucoza o glicozid numit coniferin, care este transportat i ptrunde mpreun cu hidraii de carbon n seva cambial: 9

Fig. 16:Formarea coniferinei n seva cambial au fost identificate i enzime cu rol de oxidani, denumite oxidaze. Acestea sunt capabile s transforme coniferina n alcool coniferilic i glucoz. Ulterior a fost emis ipoteza oxidrii enzimatice a alcoolului coniferilic n alcool hidroxiconiferilic. Acesta din urm este capabil s polimerizeze i s condenseze, formnd mai uor lignina:

Fig. 17:Oxidarea enzimatic a alcoolului coniferilic Aceast ipotez a dus la concluzia, c prima faz de biosintez a ligninei din coniferin n esuturile vegetale o constituie oxidarea enzimatic a alcoolului coniferilic. K. Freudenberg a contribuit n mod hotrtor, prin cercetrile sale, la elucidarea modului de biosintez a ligninei. El a propus mecanismul radicalic a reaciei de polimerizare a alcoolului coniferilic n soluie alcoolic, sub aciunea unor enzime specifice, cum ar fi lacaza i peroxidaza, denumite generic dehidrogenaze. Sub aciunea unor astfel de enzime molecula de alcool coniferilic poate pierde atomul de hidrogen din hidroxilul fenolic, transformndu-se n patru radicali monomeri, notai cu R, R, R, R:

Fig. 18:Transformarea n radicali a alcoolului coniferilic Aceti radicali liberi mezomeri se pot transforma uor unul n altul, sunt extrem de activi i exist un timp foarte scurt mai scurt de un minut. Ei sunt capabili s iniieze mai departe reacii de dehidrogenare ale unor noi molecule de alcool coniferilic, sau s se cupleze ntre ei doi cte doi i s formeze dimeri sau dilignoli. Astfel, dac un radical R se cupleaz cu un radical R, atunci poate rezulta o combinaie chimic care se numete structur chinon-metidic. Aceasta tot este substan instabil, avnd 10

durata de via de numai dou ore. Prin adiia apei ea formeaz un dimer, sau un dilignol, numit eter guaiacil-gliceril--coniferilic:

Fig. 19:Cuplarea unui radical R cu un radical R Dac se cupleaz un radical R cu un radical R, atunci se poate forma, tot prin intermediul unei structuri chinon-metidice, dimerul sau dulignolul numit alcool dehidrodiconiferilic:

Fig. 20:Cuplarea unui radical R cu un radical R Acest tip de legtur ciclic ntre cele dou uniti fenilpropanice mai poart denumirea de legtur fenil-cumaranic.

11

Prin cuplarea a doi radicali R ntre ei se poate forma, tot prin intermediul unei structuri chinon-metidice, un dimer sau un dilignol denumit DL-pinorezinol:

Fig. 21:Cuplarea unui radical R cu un radical R Aceti trei dilignoli sunt cel mai des ntlnii n formulele de structur chimic a ligninei. Din cei patru radicali mezomeri se pot forma practic prin combinare reciproc un numr de cca. 11 dilignoli. La rndul lor, prin eliminarea unui atom de hidrogen din grupa hidroxil fenolic, dilignolii se pot transforma i ei n radicali mezomeri ai dilignolilor. i acetea sunt foarte reactivi, avnd durate mici de existen. Ei pot ataca alte molecule de alcool coniferilic sau pot reaciona cu radicalii simpli R, R, R, R, formnd astfel trimeri, sau trilignoli. Radicalii dilignolilor se mai pot cupla pur i simplu unii cu alii, doi cte doi, formnduse n acest mod tetrameri sau tetralignoli. La rndul lor, trilignolii pot suferi i ei un proces de dehidrogenare enzimatic similar. Trilignolii se vor transforma n radicali mezomeri de trilignoli. Ei ca i ceilali radicali au o durat scurt de via i sunt foarte reactivi. Radicalii de trilignoli pot interaciona cu moleculele alcoolului coniferilic sau se pot cupla cu radicalii simpli R, R, R, R formnd tetrameri sau tetralignoli. Tetralignolii, la rndul lor, pot suferi aceleai transformri de dehidrogenare i reacii de cuplare cu radicalii simpli, cu dilignoli i trilignoli, rezultnd astfel oligomeri sau oligolignoli superiori, numii n mod corespunztor: pentalignoli, hexalignoli, heptalignoli .a.m.d., adic polimeri sau polilignoli, respectiv lignin. Procese asemntoare au loc i n cazul ligninei din foioase, n care alturi de alcool coniferilic se gsesc cantiti nsemnate de alcool sinapilic sau alcool p-cumarilic. Pornind de la aceste considerente de baz, K. Freudenberg a elaborat principiile de dezvoltare a catenei macromoleculare de lignin: 1. La fiecare patru uniti elementare de structur fenilpropanice (C6 C3), care se cupleaz prin dehidrogenare cu pierderea atomului de hidrogen, se formeaz o legtur CC sau CO pe seama adiiei sau polimerizrii, dar fr pierderi de hidrogen; 2. Rolul cheie n asigurarea creterii moleculelor de dehidropolimeri (DHP) l deine dilignolul chinon-metidic, care cu o nou molecul de alcool coniferilic faciliteaz formarea trilignolilor, tetra-, penta-,... polilignolilor; 3. Simultan are loc i procesul de polimerizare a p-chinonmetidelor, care genereaz astfel legturile benzil-aril-eterice; 4. Sub aciunea ndelungat a mediilor slab acide, generate de prezena sevei din esuturi, are loc o regrupare a eterilor benzilarilici cu constituirea derivailor de difenilmetan. 12

Proprieti fiziceLignina se prezint ca o mas amorf, brun, insolubil n ap i solveni organici, avnd urmtoarele caracteristici: Masa molecular medie ce poate varia ntre 700 100.000; Temperatura de aprindere 435 463 K (162 1900 C); Suprafaa specific n stare umed 760 790 m2/g; Suprafaa specific n stare uscat 5 8 m2/g; Volumul total al capilarelor (porilor) cu diametre de 0,1 0,5 mm, este de 3 circa 0,75 mm /g; Capacitatea de absorbie a apei 0,85 1,1 g/g. Proprietile fizice ale preparatelor de lignin difer n funcie de metoda care a stat la baza separrii lor i de specia lemnoas din care au fost extrase. Lignina nativ, probabil, este incolor sau de culoare deschis. Lignina izolat fr tratament acid (de exemplu, lignina Brauns) prezint o pulbere de culoare roz-deschis. Prin procedeele acide se obin preparate de lignin de culoare nchis, de regul brun spre negru. Ele sunt produse de natur amorf i i menin structura morfologic sub forma n care au fost sintetizate n esuturile vegetale. Lignina periodat, nitroligninele, iar n unele condiii chiar acizii lignosulfonici, prezint culori foarte frumoase, care variaz de la galben-oranj spre rou-brun i care prin evaporare tind s capete nsuiri cristaline. Solubilitatea preparatelor de lignin depinde, de asemenea, de metoda utilizat pentru izolarea lor. Astfel, ligninele extrase prin procedeele acide (lignina sulfuric, hidrolitic, cupruamoniacal, clorhidric) sunt solubile n etanol, aceton, eter, soluii disulfitice i alcaline la cald. Ligninele extrase cu solveni organici, ca de exemplu: etanol-lignina, fenol-lignina, dioxan-lignina sunt solubile n dizolvani organici specifici, sau amestecuri ale acestora, precum i n soluii alcaline. Singura lignin solubil n ap, datorit prezenei grupelor sulfonice, pare a fi preparatul izolat din leiile disulfitice. Densitatea preparatelor de lignin variaz de la 1,25 pn la 1,45 g/cm3. Indicele de refracie a ligninei, n, are valoarea 1,61, ceea ce reprezint nc o dovad n plus asupra naturii aromatice a ligninei. Cercetrile spectrale cu raze X i studiile proprietilor termoplastice ale ligninei au demonstrat c ea este un polimer amorf. Cu toate c are atomi de carbon asimetrici, lignina prezint o substan fr activitate optic. Solubilitatea redus a ligninei se explic prin faptul c este un polimer cu structur tridimensional. Preparatele ligninei solubile n dizolvani organici au proprieti termoplastice, cele insolubile nu se topesc dar se descompun. Ca i toi polimerii, ligninele nu au temperaturi de topire distincte, ele se nmoaie treptat ntr-un interval de temperatur larg de la 125 pn la 2550 C.

Extragerea ligninei din lemnLignina poate fi extras din lemn prin dou feluri de metode: chimice i biochimice. Extragerea ligninei prin metode chimice este cel mai cunoscut i folosit procedeu. Metodele chimice folosite se pot mpri n dou grupe mari: metode directe i metode indirecte. Metodele directe de extragere a ligninei 13

Aceste metode se bazeaz pe dizolvarea i respectiv ndeprtarea hidrailor de carbon din lemn prin hidroliz, lignina rmnnd n acest caz sub forma unui reziduu solid. Ligninele astfel obinute se mai numesc i lignine insolubile. Hidraii de carbon pot fi solubilizai cu acizi minerali de o anumit concentraie, cu soluie cuproamoniacal, cu baze cuaternare de amoniu sau prin oxidarea cu periodat de sodiu. Printre metodele de importan deosebit se enumr acele, la care se folosesc acizii concentrai, i anume: acidul sulfuric de 60 80 % sau acidul clorhidric de 42 43 %. La prelucrarea rumeguului de lemn cu aceti acizi, polizaharidele (celuloza i hemicelulozele) hidrolizeaz i trec n soluie, iar lignina rmne n forma unui rest insolubil deoarece n aceste condiii nu se supune hidrolizei. Lignina ce se obine are o culoare mai mult sau mai puin ntunecat, metodele fiind folosite i pentru determinarea cantitativ a ligninei din lemn. De menionat c n timpul tratamentului lemnului prin metodele chimice directe au loc modificri avansate a ligninei, precum i a hidrailor de carbon cu care este ntr-o legtur foarte strns. Folosind pentru izolare acidul sulfuric se obine lignina sulfuric (lignina Klasson) iar utiliznd acidul clorhidric se obine lignina clorhidric (lignina Willsttter). Metoda Klasson. Este una dintre cele mai vechi tehnici de determinare cantitativ a ligninei din lemn. Ea const n tratarea rumeguului cu acid sulfuric de 60 80 %, urmat apoi de diluare cu ap i fierbere a amestecului obinut sub reflux. Este standardizat metoda Klasson-Komarov, care utilizeaz acidul sulfuric cu concentraia de 72 %. Metoda Willsttter. Aceast metod const n tratarea rumeguului de lemn cu acid clorhidric de 42 43 % (=1,21 g/cm3). Dup diluare cu ap i hidroliz prelungit sub reflux se obine aanumita lignin clorhidric, care are o culoare mult mai deschis dect lignina sulfuric. n timpul aciunii acidului clorhidric lignina i schimb culoarea de la galben la verde i apoi n brun deschis. Metoda Freudenberg. Metoda const n tratarea prealabil a rumeguului de lemn cu o soluie de NaOH de 5 %, pentru ndeprtarea gumelor. Urmeaz apoi un tratament de prehidroliz prin fierbere cu acid sulfuric de 1 %, pentru a se scinda legturile dintre lignin i hidrai de carbon. n cele din urm se efectueaz mai multe tratamente succesive cu soluie cupruamoniacal, care dizolv hidraii de carbon i n special celuloza. Acest tip de lignin mai este denumit i lignin cuproxam. Metoda periodat. Metoda periodat const n extragerea ligninei din lemn prin degradarea oxidativ a hidrailor de carbon cu o soluie de periodat de sodiu (NaIO4) avnd concentraia de 4,5% n mediu acid. Polizaharidele din lemn dup degradare devin solubile i se nltur prin fierbere cu ap, iar lignina rmne ca un produs de culoare aurie. Acest tip de lignin se mai numete lignin periodat. Metode indirecte de extragere a ligninei Metodele indirecte se bazeaz pe solubilizarea i ndeprtarea ligninei din lemn, hidraii de carbon rmnnd n acest caz sub form de reziduu solid. Se cunosc mai multe tehnici de lucru, printre care menionm: extragerea ligninei cu solveni organici n mediu neutru; extragerea ligninei cu solveni organici n mediu acid; extragerea ligninei cu soluii apoase anorganice. Extragerea ligninei cu solveni organici n mediu neutru Ligninele obinute n aceste condiii au avantajul c se obin pure, iar solventul folosit dizolv numai lignina, fr a afecta ceilali componeni chimici ai lemnului. n prezent se cunosc dou tipuri mai importante din astfel de preparate: lignina Brauns i lignina Bjrkman.

14

Lignina Brauns se obine prin extracia la rece a rumeguului de lemn n stare fin mcinat cu etanol de 86 %. n aceste condiii este extras numai o mic parte din cantitatea total de lignin, respectiv cca. 1,6 % din lignina lemnului de molid i cca. 0,4 % din cea a lemnului de fag. Datorit condiiilor blnde de extracie, lignina astfel obinut nu reacioneaz chimic cu solventul folosit i i pstreaz nsuirile pe care le are n stare natural. Lignina Brauns este cel mai apropiat preparat ligninic fa de protolignin. Ea este cea mai puin modificat dintre toate tipurile de lignin cunoscute pn n prezent. Aceasta reprezint ns numai o anumit fraciune de protolignin, avnd mas molecular mic i fiind mai slab legat de complexul hidrailor de carbon din lemn. Cu toate acestea lignina Brauns a fost una dintre cele mai folosite tipuri de lignin pentru cercetarea structurii chimice, ea fiind i astzi considerat drept o lignin de referin. Lignina Bjrkman se obine din rumegu de lemn, extras n prealabil cu alcool i benzen i uscat apoi cu anhidrid fosforic. Dup uscare, rumeguul este premcinat ntr-o moar vibratorie tip Lampen n mediu de toluen, timp de 2 3 zile, dup care urmeaz mcinarea propriu-zis n aceleai condiii, timp de 48 ore. Rumeguul se transform astfel ntr-o mas apropiat ca aspect de stare coloidal. Dup mcinare, materialul mcinat se filtreaz pentru ndeprtarea toluenului, iar reziduul rmas se extrage n continuare cu soluie apoas de dioxan, la temperatura mediului, timp de cca. 1000 ore. n urma evaporrii solventului se obine astfel un preparat de lignin, care reprezint pn la 50 % din cantitatea total de lignin existent n lemn. Acest tip de lignin este cunoscut sub denumirea de lignin mcinat vibratoriu (LMV) sau simplu lignin Bjrkman, fiind i ea foarte apropiat ca structur de protolignin. Lignina Bjrkman se utilizeaz ca substan model sau de referin n studiile de structur chimic, precum i n cercetarea proprietilor fizico-chimice ale acesteia. Extragerea ligninei cu solveni organici n mediu acid Prin adugarea unor cantiti mici de acid clorhidric sau ali acizi anorganici n solveni organici se poate obine un produs, care la temperaturi nalte poate conduce la delignificarea lemnului. Ligninele obinute n acest mod se numesc i lignine organosolubile, printre care: a) Metanol-lignina se obine prin extracia la cald, respectiv la 90 100 oC, sub reflux pe baie de ap, timp de 80 ore a rumeguului de lemn cu metanol absolut la care se adaug n prealabil 2 % acid clorhidric. Lignina astfel extras poate fi precipitat din soluie prin adugare de ap n exces. b) Etanol-lignina este un produs de condensare a protoligninei cu etanolul. Creterea coninutului de grupe alc-oxil arat c n timpul extragerii din lemn cu alcool se produce n mod evident o modificare chimic a protoligninei. c) Dioxan-lignina se obine prin tratarea la rece a rumeguului, de molid spre exemplu, cu dioxan n prezena de 3 % de ap i 2 2,5 % acid clorhidric, timp de 20 zile. Dioxan-lignina rezultat este apoi precipitat din soluie cu dietil-eter. d) Fenol-lignina se obine prin nclzirea rumeguului de lemn cu fenol, cresoli, difenoli, clorofenoli, la temperatura de 180 oC. Produsul acestui tratament este solubil n solveni organici. Fenolligninele se deosebesc de protolignin, deoarece ele snt produse de condensare dintre fenol i lignin. e) Formaldehid-lignina se obine prin tratarea rumeguului de lemn cu o soluie de formaldehid de 37 %, n mediu acid. n urma acestui tratament toat masa lemnoas se solubilizeaz, iar formaldehid-lignina obinut este apoi precipitat cu soluie de carbonat de sodiu. Extragerea ligninei cu soluii apoase anorganice

15

n procedeele industriale de fabricare a celulozei tehnice lignina este extras cu soluii apoase de sruri anorganice la anumite valori a pH-ului. Mai importante sunt: a) Lignina disulfitic, care rezult n procedeele acide de dezncrustare a lemnului, la temperatur i presiune, cu soluii de: disulfit de calciu, Ca(HSO3)2, magneziu, Mg(HSO3)2, sodiu, NaHSO3 sau amoniu, NH4HSO3. innd cont de natura agentului de dezincrustare folosit, lignina rezult n mod corespunztor sub form de lignosulfonat de calciu, magneziu, sodiu sau amoniu. b) Alcalilignina rezult prin fierberea lemnului la temperaturi nalte i sub presiune cu o soluie de hidroxid de sodiu de 8 10 %. Acest tip de lignin este un produs puternic modificat n comparaie cu protolignina i are o culoare brun nchis. c) Tiolignina se gsete n leiile negre reziduale de la fabricarea celulozei prin procedeul sulfat cnd, drept agent de dezncrustare a lemnului se folosete un amestec format din hidroxid de sodiu i sulfur de sodiu. Din aceste soluii reziduale, lignina poate fi precipitat prin neutralizare cu acid acetic i cu dioxid de carbon.

Biodegradarea lignineiBiodegradarea ligninei se desfoar ca urmare a unei serii de reacii diferite, catalizate enzimatic. Bacteriile, actinomicetele i fungile care produc enzime lignolitice (Streptomices, Phanerochaete chrysosporium) ar putea fi adaptate pentru degradarea i a altor polimeri cu susceptibilitate redus la biodegradare cum sunt cei mai muli dintre polimerii sintetici.

Fig 22: Streptomyces

Fig 23 : Phanerochaete chrysosporium Procesul de depolimerizare enzimatic a ligninei se datoreaz unor reacii de oxidare nespecifice i nestereoselective, ntre care: 16

Scindarea oxidativ a legturilor C C din poziiile sau fa de nucleele aromatice; Demetilarea nucleelor aromatice; Deschiderea oxidativ a nucleelor aromatice. Ca urmare a biodegradrilor enzimatice, din lignin se formeaz amestecuri complexe care conin acizi benzoici, alcooli benzilici, derivai ai benzaldehidei. Natura i proporia compuilor de degradare este dependent att de proveniena ligninei, ct i de sistemul biochimic implicat n proces. Astfel ligninaza (oxigenaza ligninolitic), izolat din Phanerochaete chrysosporium, determin scindarea cu precdere a legturilor C - C i ca urmare se vor forma cantiti mari de aldehide aromatice. Studiindu-se procesul de putrezire a lemnului s-a stabilit c exist dou tipuri de putregai, respectiv putregaiul alb i putregaiul brun. Putregaiul alb, care este produs de unele ciuperci, consum cu precdere lignina, lsnd celuloza aproape nemodificat.

Fig 24: Putregaiul alb Putregaiul brun care este produs de ciupercile de tipul Poria vaporaria consum polizaharidele din lemn, lsnd n acest caz lignina nemodificat. Aa se obin preparate bioligninice, denumite i lignine eliberate enzimatic. Sub aciunea enzimelor secretate de fungile putregaiului alb (glucozidaze) are loc predominant, desfacerea nucleului aromatic legat eteric.

Fig. 25:Degradarea prin scindarea legturilor C - C 17

Att structura (A) ct i cea de tip (B) vor genera compui aromatici coninnd grupe carboxilice, metoxilice, hidroxilice. Reaciile de degradare care implic scindarea oxidativ a inelului aromatic au loc n majoritatea structurilor ligninelor la legturile O 4, 1, 5 5 i 4 5, mecanismul acestora depinznd de natura grupelor ataate nucleului aromatic. Astfel, n cazul n care nucleul aromatic prezint grupe hidroxilice libere, scindarea are loc la legtura C3 C4, dup demetilarea prealabil la C3, iar n cazul n care nucleul are ataate grupe eterice, scindarea se produce ntre C2 i C3, ulterior proceselor de demetilare la C3 i hidroxilare la C2. Cnd procesul de biodegradare are loc n sol, produii care rezult (acizi, alcooli, aldehide, chinone, etc.) sunt nutrieni utili pentru microorganisme i contribuie la meninerea i mbuntirea humusului.

18