Лигнин

В технологии переработки древесной зелени под хвойной древесной зеленью понимают — хвойную лапку, то есть охвоенные побеги, таким образом, хвойная древесная зелень представляет собой смесь хвой, коры и древесины. Отработанная древесная зелень представляет собой остаток после экстракции древесной зелени бензином и обработки острым паром. Фитосорб представляет собой остаток после экстракции древесной зелени бензином, обработки острым паром, экстракции разбавленной щелочью и отмывки щелочи водой.

Теоретическая часть.

Раздел 1.

1.1. Древесная зелень.

Листья древесных растений выполняют ряд важных функций, что находит отражение в их строении и химическом составе. Они осуществляют фотосинтез, испарение воды (транспирацию) и газообмен (поглощение и выделение диоксида углерода и кислорода).

Поглощаемый из атмосферы СО в ассимиляционных тканях листа превращается в органические соединения, которые затем передаются в остальные органы дерева. В этих процессах синтеза листья используют солнечную энергию, т. е. происходит фотосинтез. Побочным продуктом фотосинтеза является кислород, выделяемый в атмосферу. Дополнительную энергию и целый ряд химических соединений древесные растения получают в результате дыхания, в ходе которого происходит окисление органических веществ. В противоположность фотосинтезу при дыхании поглощается кислород, а выделяется СО как один из конечных продуктов окисления.

Листья очень разнообразны по форме и строению, но их можно подразделить на две группы: листья покрытосеменных растений, в том числе лиственных деревьев и других растений этого отдела, используемых в качестве сырья для химической переработки; листья голосеменных растений (хвойных деревьев). Основной частью листа, в которой осуществляются его функции, является листовая пластинка. У хвойных деревьев форма листовой пластинки чаще всего игловидная или чешуевидная, в поперечном сечении плоская, трехили четырехгранная, полукруглая, овальная. Длина хвоинок у ели обыкновенной 1,5…2,0 см, у кедра сибирского 8…13 см, а у некоторых пород, например, у сосны длиннохвойной (Pinus palustris) может достигать 20…30 см (у молодых растений даже до 45 см). Игловидные листья обычно располагаются на укороченном побеге пучком (мутовкой). Число хвоинок на побеге составляет 1…5. Пластинчатые листья у лиственных деревьев значительно более разнообразны по форме и размерам. Продолжительность жизни листьев у листопадных деревьев и однолетних растений несколько месяцев, а у вечнозеленых — до 1,5…5 и даже 15 лет (у ели Шренка до 28 лет), после чего они заменяются новыми.

Листья имеют покровные, основные и проводящие ткани. Снаружи листья покрыты первичной покровной тканью — эпидермой. Основные ткани, т. е. ткани, составляющие основную массу листа, называют мезофиллом. Мезофилл состоит из паренхимных клеток с хорошо развитой пигментосодержащей системой пластид и служит ассимиляционной тканью. Проводящие ткани листьев — ксилема и флоэма — образуют проводящие пучки. Структура игольчатого листа имеет свои особенности. На рис. 1.1 в качестве примера изображены поперечные срезы листа березы и хвои сосны.

Эпидерма состоит из одного слоя (реже нескольких) сплюснутых таблетчатых клеток, плотно сцепленных между собой. Снаружи эпидерма покрыта гидрофобной кутикулой, которая обычно состоит из трех слоев. Внешний слой образован воском, представляющим смесь соединений с длинноцепочечными молекулами (сложных эфиров высших жирных кислот и высших алифатических спиртов, свободных высших жирных кислот, гидроксикислот, алифатических углеводородов, спиртов и кетонов). Его называют эпикутикулярным воском. Под ним лежит слой заключенного в воск кутина. Кутин является основным полимером кутикулы. Он сходен по строению с суберином, т. е. это сложный полиэфир сетчатого строения, обра-зованный преимущественно и кислотами (насыщенными и одноненасыщенными жирными кислотами, насыщенными и одноненасыщенными гидроксикислотами, которые могут дополнительно иметь одну или две гидроксильные группы). Внутренний слой кутикулы кроме кутина и воска содержит полисахариды.

У игольчатых листьев под эпидермой располагается плотный слой клеток гиподермы, подобных волокнам и имеющих толстые стенки. Гиподерма относится к склеренхимным (механическим) тканям (гиподермальная склеренхима). У различных хвойных эта ткань варьируется по содержанию. В эпидерме имеются многочисленные устьица (десятки и даже сотни на 1 мм2), через которые происходят газообмен и транспирация. Под устьицами у хвои слой гиподермы также прерывается. Эпидерма (вместе с гиподермой) служит механической опорой для мезофилла и других тканей листа.

Мезофилл в пластинчатых листьях подразделяется на палисадную (столбчатую) паренхиму с вытянутыми клетками и губчатую паренхиму с крупными межклетниками. В хвое клетки мезофилла обычно плотно сжаты с образованием складок в клеточных стенках. Такой тип фотосинтезирующих клеток называется складчатой паренхимой. Паренхимные клетки мезофилла содержат пластиды, называемые хлоропластами — тельца дисковидной формы (размером 3…10 мкм) зеленого цвета, расположенные по периферии цитозоля вплотную к плазмалемме. Хлоропласта способны синтезировать зеленые пигменты — хлорофиллы и желтые — каротиноиды. Подобный тип паренхимы называют хлоренхимой. Межклетники мезофилла обеспечивают интенсивный газообмен между наружным воздухом и фотосинтезирующей тканью. Кроме того, с поверхности клеток вода сначала испаряется в межклетники, а затем через устьица транспирируется. При ослаблении напора воды в клетках, образующих устьица, они схлопываются. Эпидерма вместе с кутикулой защищает мезофилл от значительной потери воды.

В мезофилле хвои проходят смоляные ходы, выстланные тонкостенными эпителиальными клетками и окруженные снаружи склеренхимными волокнами с утолщенными одревесневшими стенками. Число ходов зависит от древесной породы и от условий произрастания. В хвое сосны смоляные ходы особенно развиты, тогда как у тиса вообще отсутствуют (так же как и гиподерма). Со смоляными ходами побегов смоляные ходы хвои контактируют через систему паренхимных клеток.

Лист пронизан жилками, которые включают один или несколько проводящих пучков, образованных клетками первичной ксилемы и первичной флоэмы. Вдоль жилок группируются склеренхимные волокна. Флоэмная паренхима развита сильнее ксилемной. Ксилема обращена к морфологически верхней стороне листа, флоэма — к нижней. Ксилема образована трахеидами. В паренхимных клетках ксилемы накапливается крахмал. Флоэма состоит из паренхимных клеток и ситовидных трубок. Во флоэме имеются альбуминовые клетки с густой цитоплазмой, богатой белками. Проводящие ткани хвои объединены в проводящий цилиндр, который обычно содержит два проводящих пучка и отграничен от клеток мезофилла эндодермой. Проводящие пучки окружены трансфузионной тканью, состоящей из живых паренхимных клеток с неодревесневшими стенками и трахеид с тонкими, но одревесневшими стенками. Трансфузионные трахеиды и клетки трансфузионной паренхимы образуют две взаимопроникающие системы. Проводящие пучки иногда отделяются от трансфузионной ткани прерывистым слоем склеренхимы. Трансфузионная ткань осуществляет передвижение органических веществ и воды между проводящим пучком и мезофиллом. Эндодерма, окружающая трансфузионную ткань, состоит из относительно толстостенных клеток, иногда содержащих крахмал. Данный слой клеток четко выражен в хвое деревьев сем, сосновых и некоторых других хвойных пород. Вторичные стенки клеток эндодермы пропитаны суберином и лигнифицированы.

Функции хвои (фотосинтетическая активность), смолистость и механические свойства зависят от количественного соотношения ассимиляционных, проводящих и механических тканей, которое, в свою очередь, зависит от древесной породы, по колеблется даже в пределах одного и того же рода. Так, проводящая система наиболее развита в хвое различных видов сосны и слабо у ели. Лиственница и пихта занимают промежуточное положение.

Развитие листа, в том числе и хвои — сложный процесс, связанный с делением меристематических клеток, дальнейшим ростом вновь образовавшихся клеток, их дифференциацией и развитием проводящей системы. Через определенное время про-исходит опадение листьев перед наступлением зимы. У хвойных деревьев одновре-менного ежегодного опадения листьев нет (за исключением лиственницы), но перио-дически часть хвои отмирает и заменяется новой.

Листья деревьев, главным образом хвою, используют в лесохимии как сырье, заготавливаемое в виде так называемой древесной зелени. В технологии переработки древесной зелени под хвойной древесной зеленью понимают хвойную лапку, т. е. охвоенные побеги. Для характеристики такого сырья его разделяют на хвою, кору и древесину. Наиболее ценные части, богатые биологически активными веществами, — хвоя и кора.

Анатомическое строение древесины, входящей в древесную зелень, в основных деталях не отличается от строения древесины ствола (стебля). По определению Яценко-Хмелевского, побег представляет собой облиственный (охвоенный) стебель. От ствола дерева отходят ветви первого порядка, от них ветви второго порядка и т. д. вплоть до побегов. Верхушки побегов содержат меристематическую ткань (верхушечную, или апикальную, меристему). В этих верхушках и возникают листья. В побегах (без хвои) очень велика доля паренхимных клеток за счет значительного объема (до 70%) молодой коры, что и приводит к высокому содержанию биологически активных веществ.

Практическое использование хвойной древесной зелени обусловлено ее особым химическим составом, наличием не только биологически активных соединений (витамина С, каротина, ферментов, гормонов и др.), но и ценных питательных веществ (протеина в количестве 8… 15%, жиров- 5…8%, легкоперевариваемых углеводов-до 3%). Это позволило разработать технологию промышленной заготовки и переработки древесной зелени с получением хвойной витаминной муки и других кормовых добавок, пихтового эфирного масла, хвойного экстракта, хлорофилло-каротиновой пасты, других биологически активных препаратов. Перспективной считают переработку и лиственной древесной зелени.

В химическом составе хвойной древесной зелени можно выделить те же самые основные высокомолекулярные компоненты древесины — целлюлозу, гемицеллюлозы, лигнин. Однако их доля существенно ниже, чем в древесине той же древесной породы, и значительно выше доля экстрактивных веществ, состав которых более разнообразен

Рис. 1.1. Поперечные срезы листа березы (а) и сосны (б): 1 — эпидерма; 2 — кутикула; 3 — палисадная (столбчатая) паренхима; 4 — губчатая паренхима; 5 — устьице; 6 -склеренхимныс волокна; 7 — флоэма; 8 — ксилема; 9 — трансфузионная ткань; 10 — складчатая паренхима; 11 — смоляной ход; 12 — эндодерма; 13 — гиподерма

1.2 Экстрактивные вещества древесной зелени.

Основные компоненты экстрактивных веществ древесины присутствуют и в древесной зелени. Однако для зелени характерно наличие некоторых специфических веществ, таких как фотосинтетические пигменты, витамины и сложные липиды.

Эфирные масла хвои отличаются чрезвычайным разнообразием присутствующих терпенов и терпеноидов. Выход эфирных масел из хвои обычно невелик (0,2…3,0%), у хвои пихт — до 5%. В их составе превалируют монотерпены, массовая доля которых достигает 60…90%. В монотерпеновой фракции хвои различных видов сосны, произрастающих в России, главными компонентами являютсяпинен и карен-3. Состав эфирного масла из древесной зелени зависит от соотношения хвои и побегов. В России в значительных количествах из древесной зелени пихты сибирской получают пихтовое масло. В его состав входит около 100 компонентов, главным образом, монотерпенов и их производных.

Среди веществ, растворимых в воде, преобладают таннины и углеводы. Хвоя содержит довольно много таннинов: еловая до 10%, а сосновая около 3…4%. Содержание монои олигосахаридов подвергается сезонным изменениям, увеличиваясь зимой и снижаясь летом. Среди олигосахаридов сосны обыкновенной преобладают сахароза и рафиноза, выделены также стахиоза и мелибиоза (схема 1.2). В водных экс-трактах древесной зелени содержатся органические кислоты, флавоноиды и другие фенольные соединения и их гликозиды, водорастворимые белки и группа водораство-римых витаминов. Количество веществ, экстрагируемых из хвои органическими растворителями, и их состав определяются природой растворителя. Неполярный растворитель — петролейный эфир — извлекает из еловой, пихтовой и сосновой хвои до 8… 14% ее массы, малополярный диэтиловый эфир — 10. .22%, а растворители, способные к образованию водородных связей (этанол, изопропанол), — до 30…40%. Состав этой группы веществ весьма разнообразен: пигменты, витамины, липиды (простые липиды, гликои фосфолипиды).

1.3 Фотосинтетические пигменты.

Древесная зелень отличается от остальной биомассы дерева наличием большого числа клеток, содержащих хлоропласты, главным образом, клеток палисадной и губчатой тканей мезофилла листа и в меньших количествах других зеленых тканей. Обычно хлоропласты окрашены в зеленый цвет, и именно их присутствию зелень обязана своим названием. Они содержат фотосинтетические пигменты двух классов — хлорофиллы и каротиноиды, поглощающие свет разных длин волн. Хлорофиллы относятся к зеленым пигментам и поглощают свет в синей и красной областях видимой части спектра при длинах волн соответственно около 450 нм и 650…700 нм. Каротиноиды — желтые и оранжевые пигменты, поглощающие свет в области 400…500 нм.

Пигменты входят в состав пигментных систем в виде хромопротеинов, т. е. пигментбелковых комплексов. Компоненты в этих комплексах соединены только межмолекулярными связями. Поэтому пигменты можно экстрагировать из измельченной древесной зелени органическими растворителями. Это могут быть и неполярные растворители, но более полное извлечение достигается с помощью ацетона или этанола.

Во всех фотосинтезирующих растениях обнаружен хлорофилл а, содержание которого превышает содержание других пигментов. Он является самым важным пигментом, так как образует реакционные центры, участвующие в световой фазе фотосинтеза. Другие формы хлорофиллов, а также каротиноиды рассматриваются как вспомогательные, или сопутствующие, пигменты. Функция каротиноидов не ограничивается ролью светособирающих пигментов. Они также защищают ткани от окисления кислородом на свету.

Хлорофиллы. Зеленые пигменты растений — хлорофиллы имеют определенное родство с гемом (гемином) — красным пигментом крови. И гем и хлорофиллы относятся к порфиринам. Порфирины — важнейшие органические компоненты биологических систем, имеющие в качестве основной структурной единицы гетероцикл пиррола. Порфирины содержат в молекуле макроцикл порфина — циклическую тетрапиррольную структуру с метиленовыми мостиками. Порфирины различаются боковыми заместителями и способны образовывать комплексы (хелатные соединения) с металлами. Хлорофилл — это Мg-порфириновый комплекс, а гем — Fе-порфириновый. Биологическая активность порфиринов зависит как от металла, образующего комплекс, так и от набора и расположения заместителей — метальных, этильных, винильных групп и, главным образом, остатков пропионовой кислоты. В основе молекул хлорофиллов лежит гетероциклическая структура форбина содержащая по сравнению с порфином дополнительное кольцо циклопентана, образующееся при циклизации с участием одного из остатков пропионовой кислоты. Второй остаток связан в виде сложного эфира с ациклическим дитерпеновым спиртом фитолом С Н ОН. Одно из ниррольных колец (в положениях 7,8) гидрировано. В растениях, в том числе древесных, кроме хлорофилла, а присутствует хлорофилл Ь с формильной группой в положении 3 вместо метильной.

В молекуле хлорофилла тетрапиррольный макроцикл представляет собой систему сопряженных двойных связей с делокализованной электронной плотностью, т. е. в этой системе не фиксировано положение двойных связей. Из-за этого не фиксировано и положение двух ковалентных и двух координационных (донорно-акцепторных) связей центрального атома магния с четырьмя атомами азота. На схеме 1.3 приведены две из возможных резонансных структур хлорофилла. Заряд на атоме магния (2+) ком-пенсируется двумя избыточными электронами, распределенными между четырьмя атомами азота, и молекула хлорофилла электрически нейтральна.

Хлорофиллы, как и другие порфирины, образуются сложным многостадийным процессом биосинтеза из аминокислот с участием специфических ферментов.

Массовая доля хлорофиллов в хвое может варьироваться в зависимости от возраста и условий произрастания деревьев от 0,04 до 1,2%, но обычно редко превышает 0,3%. В древесной зелени содержание хлорофилла будет определяться долей в ней хвои; так, в хвое пихты сибирской массовая доля хлорофилла составляет 0,9%, а в побегах (без хвои) — 0,2%.

Хлорофиллы неустойчивы к действию кислорода (особенно на свету), разбав-ленных растворов кислот и щелочей. При действии фермента хлорофиллазы отщепля-ется фитол. Аналогичным образом действуют щелочи. При действии кислот магний замещается на водород, а при более длительном воздействии кислот, кроме того, гидролизуется сложноэфирная связь с освобождением фитола. Эти свойства хлорофиллов имеют значение для химической переработки древесной зелени.

Каротиноиды. Желто-оранжевые каротиноидные пигменты рассматривают как производные тетратерпенов. Окраска каротиноидов обусловлена наличием в молекуле длинного ряда сопряженных двойных связей. Каротиноиды, представляющие собой углеводороды, называют каротинами, а их кислородсодержащие производные — ксантофиллами. Каротиноиды липофильны — растворимы в жирах (маслах), в диэтиловом эфире. Растворимость в других растворителях определяется строением каротиноида.

Известно большое число каротиноидов. В зеленых листьях содержится главным образом р-каротин (схема 1.4). Каротины являются соединениями, из которых в организмах человека и животных образуется витамин А, т. е. их рассматривают как провитамин А. Витамин, А представляет группу природных соединений — производных (3-ионона, важнейшими представителями которых служат ретинол, ретиналь и ретиноевая кислота (см. схему 1.4). В животных организмах под действием ферментов молекула — карогина превращается в две молекулы ретиналя, которые затем восста-навливаются до ретинола и незначительно окисляются до ретиноевой кислоты. Массовая доля каротиноидов в зеленых листьях составляет 0,07.. .0,2%.

1.4. Витамины.

К витаминам относят низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления биохимических и физиологических процессов. Организмы человека и животных практически не способны синтезировать витамины и должны получать их с растительной пищей. Витамины подразделяют на водорастворимые и жирорастворимые. В древесной зелени присутствуют представители различных групп витаминов.

Из жирорастворимых витаминов древесная зелень содержит витамины групп Е (токоферолы), О (кальциферолы) и К (производные нафтохиноиа). В зелени присутствуют почти все водорастворимые витамины: витамин С (аскорбиновая кислота), по содержанию которого хвою сосны и ели можно приравнять к ягодам черной смородины; витамины группы В — тиамин (В1), рибофлавин (В2), пиридоксин (Вб), пантотеновая кислота (Вз); фолацин (фолиевая кислота и ее производные, т. е. витамин В9); ниацин (никотиновая кислота и ее производные, т. е. витамин РРЦ).

Древесная зелень богата биологически активными веществами. Кроме собственно витаминов она содержит большое количество уже упоминавшегося провитамина А, ряд стеринов — провитаминов D. Также в зелени содержатся витаминоподобные вещества (бифлавоноиды — витамин Р, циклические спирты инозиты и др.), которые по своим функциям в животных организмах близки или к витаминам, или к другим незменимым пищевым веществам (незаменимым жирным кислотам и аминокислотам).

Древесная зелень содержит, главным образом в связанном виде, все незаменимые кислоты, а также незаменимые полиненасыщенные кислоты — линолевую и линоленовую.

1.5. Липиды.

Термин липид в определенной мере условен, поскольку под липидами понимают жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток. Иногда к липидам относят различные по строению органические соединения, присутствующие в живых тканях, не растворимые в воде и извлекаемые из тканей неполярными органическими растворителями (диэтиловый эфир, бензол, хлороформ). Однако при таком подходе в состав липидов наряду с жирами попадают самые разные по своей природе соединения: терпены и терпеноиды, смоляные кислоты, каротиноиды, хлорофиллы, витамины и др. Поэтому часто при отнесении соединений к липидам учитывают и химическое строение. В соответствии с химическим строением выделяют три группы собственно липидов: жирные кислоты и продукты их ферментативного окисления (проста-гландины и другие гидроксикислоты); глицеролипиды (содержат в молекуле остаток глицерина); липиды разного состава, не содержащие остатка глицерина и не относящиеся к липидам первой группы (некоторые фосфолипиды и гликолипиды, диольные липиды, стерины и воски). Существуют и другие системы классификации липидов. Липиды создают в растительной ткани энергетический резерв, образуют защитные покровные ткани, служат запасными питательными веществами, входят в состав клеточных мембран. Липиды также подразделяют на простые и сложные. Простые (нейтральные) липиды хорошо растворяются в неполярных углеводородных органических растворителях (петролейный эфир, бензол), а сложные (полярные) — в полярных растворителях (этанол). При хроматографическом разделении нейтральные (неполярные) липиды можно элюировать неполярными растворителями, тогда как для элюирования поляр-ных липидов требуются высокополярньге растворители или смеси растворителей. К простым липидам относят жиры (триацилглицерины) и воски, к сложным — гликолипиды и фосфолипиды. Гликолипиды представляют собой гликозиды, у которых в роли агликона выступают преимущественно диацилглицерины. Для хлоропластов характерно нали-чие гликолипидов, представляющих собой главным образом монои дигалактозилдиацилглицерины с жирнокислотными остатками, отличающимися высокой ненасыщенностью (схема 1.5, а).Фосфолипидыэто диэфиры ортофосфорной кислоты. В фотосинтезирующих тканях растений найдены различные глицерофосфолипиды, которые можно рассматривать как эфиры фосфатидовых кислот (фосфатиды), этерифицированные холином, глицерином, этаноламином, инозитом (см. схему 1.5, б). Глицерофосфолипи-ды могут образовывать комплексы с белками (липопротеиды). Простых липидов в древесной зелени содержится больше, чем гликолипидов, которых в свою очередь почти в два раза больше, чем фосфолипидов. В простых липидах хвои сосны присутствуют главным образом диеновые кислоты (линолевая и др.) и моноеновые, которых в два раза больше триеновых и насыщенных кислот и значительно больше, чем тетраеновых. Гликолипиды отличаются повышенным содержанием триеновых кислот. В фосфолипидах превалируют диеновые и насыщенные кислоты. Низкомолекулярных С … Скислот в гликолипидах и фосфолипидах почти нет, в отличие от простых липидов.

Раздел 2.

2.1. Общие понятия о лигнине.

Лигнин — это ароматическая часть древесинного вещества. С аналитической точки зрения лигнин рассматривают как ту часть древесины, которая получается в виде нерастворимого «негидролизуемого» остатка после удаления экстрактивных веществ и полного гидролиза полисахаридов концентрированной сильной минеральной кислотой. В действительности лигнин нельзя считать негидролизуемым полимером, поскольку при действии кислот в лигнине могут гидролизоваться углерод-кислородные связи, но сохраняются существующие в нем углерод-углеродные связи и об-разуются новые.

Массовая доля лигнина в древесине хвойных пород составляет в среднем 27…30%, а в древесине лиственных пород — 18. .24%. В отличие от целлюлозы и других полисахаридов выделенный из древесины лигнин не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь аро-матических полимеров родственного строения.

2.2 Структурные единицы лигнина.

Лигнин как полимер состоит из фенилпропановых структурных единиц (мономерных составляющих звеньев) — ФПЕ, обозначаемых сокращенно С6-С3, или единицы С9. Лигнин хвойных пород, появившихся в эволюции раньше лиственных, имеет структурных единиц (I). В состав лигнина лиственных пород, кроме гваяцилпропановых единиц, в значительных количествах входят сирингилпропановые единицы (II). Гваяциллропановые единицы (G-единицы) рассматривают как производные пирокатехина, а сирингилпропановые единицы (S-единицы) — как производные пирогаллола (схема 1.6). В соответствии с основным типом структурных единиц лигнины хвойных пород относят к гваяцильным лигнинам, а лигнины лиственных пород — к гваяцилсиригильным лигнинам. Кроме гваяцилпропановых единиц в состав хвойных лигнинов входят в небольшом количестве, а в состав лиственных лигнинов в еще меньшем n-гидроксифенилпропановые единицы (III). По сравнению с лигнинами древесных пород гидроксифенилпропановые единицы (Н-единицы) значительно большую долю составляют в лигнинах однодольных растений (трав, злаков).При нитробензольном окислении фенилпропановые единицы дают ароматические альдегиды. Гваяцилпропановые единицы окисляются в ванилин, сирингилпропановые — в сиреневый альдегид, гидроксифенилпропановые единицы в n-гидроксибензальдегид. По соотношению альдегидов судят о соотношении в лигнинах структурных единиц разного типа. Так, у лигнина ели (Рicea abies) соотношение единиц G: S:Н = 94:1:5, а у лигнина сосны (Pinus taeda) 86:2:12. Все лигнины, даже в пределах одной клеточной стенки, гетерогенны. Поэтому приводимые в литературе данные по соотношению ФПЕ разного типа следует рассматривать только как средние. Лиственные лигнины более гетерогенны, чем хвойные, и доля сирингильных единиц может составлять от 20 до 60%, а иногда и выше. Например, в лигнине бука (Fagus sylvatica) соотношение единиц G: S:Н по разным данным составляет 56:40:4; 49:46:5. У травянистых растений доли сирингильных и гидроксифенильных единиц колеблются в широких пределах.

В химии лигнина принята своя нумерация атомов углерода бензольных колец в ФПЕ, отличающаяся от нумерации принятой в органической химии для фенолов, как показано на примере гваяцилпропановой единицы (см. схему 1.6). Атомы пропановой цепи обозначают греческими буквами. При написании формул структурных единиц лигнина в схемах реакций иногда пользуются сокращенными изображениями пропановых цепей:

2.3 Природный лигнин и препараты лигнинов.

Различают природный лигнин (протолигнин) — лигнин, находящийся в древесине, и препараты лигнина — лигнины, выделенные из древесины. Природный лигнин в древесине неоднороден. Основная его масса имеет трехмерную сетчатую структуру и вследствие этого не растворяется в растворителях. Для перевода природного лигнина в растворимое состояние с целью удаления (делигнификации) или выделения из древесины (получения растворимого препарата) требуется разрушение сетки с помощью довольно жесткого химического воздействия («химическое растворение»). Как у всех сетчатых полимеров, понятие макромолекулы для природного лигнина теряет смысл.

Среди выделенных лигнинов различают препараты нерастворимых и растворимых лигнинов. Нерастворимые лигнины сохраняют сетчатую структуру. Растворимые лигнины, представляющие собой фрагменты сетки, имеют разветвленную структуру с высокой степенью разветвленности и неоднородны по молекулярной массе.

Любой лигнин, как лиственных, так и хвойных древесных пород, представляет собой гетерополимер. Кроме различий в типе составляющих фенилпропановых единиц (G, S или Н), в пропановых цепях единиц одного и того же типа в пределах макромолекулы или сетки содержатся разные функциональные группы (гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, двойные связи) и присутствуют связи разного типа с другими единицами. Следовательно, лигнин имеет высокую степень химической неоднородности. Разветвленные макромолекулы растворимых лигнинов и протяженные участки цепей в сетчатой структуре, в отличие от таких важнейших биополимеров растительных и животных тканей, как целлюлоза и белки, имеют нерегулярное строение.

Лигнин — это органический гетероцепной кислородсодержащий по-лимер, но в отличие от полисахаридов, относящихся к полиацеталями, у лигнина отсутствует единый тип связи между мономерными звеньями. Наряду с углерод—кислородными (простыми эфирными) связями С-О—С присутствуют и углерод-углеродные связи С—С между звеньями, харак-терные для карбоцепных полимеров. В структурных единицах лигнина со-держатся различные полярные группы и в том числе способные к ионизации (кислые) фенольные гидроксилы и в небольшом числе карбоксильные группы, вследствие чего лигнин является полярным полимером, прояв-ляющим свойства полиэлектролита. Лигнин — аморфный полимер, как природный, так и выделенный. Из-за высокой степени разветвленности макромолекулы выделенных растворимых лигнинов имеют глобулярную форму и такие препараты представляют собой порошки. В лигнине, бла-годаря наличию большого числа гидроксильных и других полярных групп, значительно развиты водородные связи (внутрии межмолекулярные).

Лигнин очень рано образуется в растительных клетках. В первые дни после отделения новой клетки ксилемы от камбиальной клеточная стенка еще не содержит лигнина. Через сравнительно небольшой период времени (у некоторых растений даже на второй-третий день) клеточные стенки начинают давать качественные (цветные) реакции на лигнин (см. 12.3). Процесс лигнификации имеет большое значение для жизни дерева и сыграл важную роль в эволюции растений. Именно лигнификация растительных тканей позволила осуществить переход растений от водного к наземному образу жизни. Лигнин придает механическим волокнам и проводящим элементам растений, живущих на суше, необходимые жесткость и гидрофобность клеточных стенок. Благодаря лигнину и возникли на Земле древесные формы растений. В процессе образования лигнина одновременно возникают химические ковалентные и межмолекулярные, в том числе водородные, связи лигнина с углеводами — гемицеллюлозами, и таким образом строится лигнин-гемицеллюлозная матрица, в которой заключены микрофибриллы целлюлозы.

Лигнин чувствителен даже к сравнительно мягким обработкам. Поэтому он претерпевает значительные изменения при выделении.

2.4. Методы выделения и определение лигнина.

Выделение лигнина из древесины проводят с различными целями: для получения препаратов лигнина и их последующего исследования; для количественного определения лигнина в древесине и другом растительном сырье прямыми методами. При делигнификации сырья с целью получения технической целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов можно из отработанных варочных растворов выделить технические лигнины. В за-висимости от цели подбирают соответствующие методы выделения. При получении препарата лигнина для исследования метод выделения должен обеспечить минимальное изменение самого лигнина. Выделить же при-родный лигнин из древесины в неизмененном состоянии практически не-возможно. При количественном определении лигнина метод выделения должен обеспечить выход препарата лигнина, более или менее соответст-вующий его количеству в древесине. При делигнификации древесины в производстве целлюлозы основная задача заключается в получении цел-люлозы с большим выходом и определенными показателями качества, в том числе с малым содержанием остаточного лигнина. В этом случае глу-бокие химические изменения, происходящие при его удалении, неизбеж-ны. Технические лигнины, выделенные из отработанных варочных растворов, значительно изменены по сравнению с природным лигнином.

Для удаления экстрактивных веществ всегда необходимо предварительное экстрагирование, но любой растворитель вызывает потери лигнина. Чем жестче условия экстрагирования, тем больше потери лигнина.

Выделенный лигнин содержит примеси трех типов: примесь экстрактивных веществ, дающих в условиях кислотного гидро-лиза нерастворимые осадки; примесь продуктов гумификации сахаров — нерастворимых гуминоподобных соединений, образующихся из моносахаридов в жестких условиях кислотного гидролиза; примесь трудногидролизуемых полисахаридов и продуктов неполного гидролиза (олигосахаридов), адсорби-руемых лигнином.

Наилучшими условиями гидролиза считают такие, в которых выделяется максимальное количество лигнина с максимальным содержанием метоксилов. Тогда выделенный лигнин не содержит примесей, ошибочно принимаемых за лигнин, и в то же время при его выделении не было значительных потерь.

Основное распространение в настоящее время получил сернокислотный метод определения лигнина. Солянокислотный метод приводит к меньшей гумификации Сахаров, но работа со сверхконцентрированной 41…42%-ной соляной кислотой менее удобна.

2.5. Получение препаратов лигнина.

При выделении лигнина из древесины с целью получения препаратов лигнина для исследования его строения, свойств и механизмов его реакций древесину предварительно измельчают до опилок или муки. Измельченную древесину освобождают от экстрактивных веществ (во избежание их возможной конденсации с лигнином) экстрагированием органическими растворителями, обычно спирто-толуольной смесью.

Вследствие существования химических связей лигнина с углеводами и сетчатой структуры самого лигнина для препаративного выделения лигнина необходимо применять кислотные катализаторы. Под действием кислотных катализаторов осуществляется сольволиз, например, гидролиз химических связей лигнина с гемицеллюлозами и частично связей в его сетчатой структуре с получением фрагментов сетки. Одновременно кислотные катализаторы в большей или меньшей степени способствуют конкурирующим реакциям конденсации, препятствующим переходу лигнина в растворимое состояние. Кроме того, реагенты и растворители, при-меняемые для получения препаратов лигнина, дают побочные реакции.

Все методы выделения лигнина можно подразделить на две группы: методы, основанные на удалении полисахаридов, с получением лигнина в виде нерастворимого остатка; методы, основанные на переводе лигнина в раствор с последующим осаждением (получение препаратов растворимых лигнинов). Нерастворимые препараты лигнина, имеющие подобно природному лигнину сетчатую структуру, более или менее сохраняют морфологическое строение клеточной стенки, но, естественно, более рыхлое. Растворимые лигнины после осаждения, очистки и сушки имеют вид по-рошков.

2.6 Получение кислотных лигнинов.

Эти методы основаны на гидролизе полисахаридов концентрированными минеральными кислотами. Различают сернокислотный лигнин (лигнин Класона), который получают обработкой древесины концентрированной (64…78%-й) серной кислотой и солянокислотный лигнин (лигнин Вильштеттера), который получают обработкой сверхконцентрированной (40…42%-й) соляной кислотой при охлаждении (температура 1… 5°С) В лабораторной практике чаще используют серную кислоту. Гидролиз проводят в две ступени, сначала концентрированной кислотой при температуре около 20 °C, а затем реакционную массу разбавляют водой и кипятят. Вторая ступень необходима, во-первых, для дополнительного гидролиза олигосахаридов, которые могут довольно прочно адсорбироваться лигнином, а, во-вторых, для осаждения из раствора лигнина, который частично растворяется (пептизируется) в концентрированной кислоте, особенно лигнин лиственной древесины. Гидролиз сверхконцентрированной соляной кислотой применяют реже из-за трудностей получения такой кислоты и работы с ней.

Препараты кислотных лигнинов имеют темный цвет и не растворимы ни в каких растворителях. Под действием концентрированных кислот в лигнине происходят химические изменения: разрушаются простые эфирные связи, а в результате конденсации образуются новые углерод-углеродные связи. Сетка лигнина становится более частой. Однако по количеству кислотные лигнины, особенно в случае древесины хвойных пород, близко соответствуют природному лигнину. Поэтому выделение кислотных лигнинов применяют для количественного определения лигнина в древесине и другом растительном сырье (а также в технических целлюлозах и других волокнистых полуфабрикатах) прямыми методами. Полагают, что солянокислотный лигнин менее конденсирован, чем сернокислотный, причем степень конденсации зависит от условий обработки. К препаратам кислотных лигнинов близок технический гидролизный лигнин.

2.7. Ароматическая природа и элементный состав лигнина

Все доказательства ароматической природы лигнина условно можно подразделить на химические и физические. К химическим доказательствам относятся результаты определения элементного состава и получение из лигнинов и древесины мономерных ароматических продуктов деструкции.

Элементный состав препаратов лигнина не постоянен, причем он зависит не только от древесной породы, но и от метода выделения лигнина. Для лигнина характерны более высокая массовая доля углерода (около 60%), по сравнению с полисахаридами (44,4% у целлюлозы), и высокое значение отношения С: Н, типичное для ароматических соединений. В хвойных лигнинах массовая доля углерода (60…65%) выше, чем у лигнинов лиственных (55…60%), вследствие большего содержания в последних метоксильных групп и, следовательно, кислорода. При различных методах химической деструкции лигнина получены разнообразные мономерные ароматические соединения, например, ароматические альдегиды и кислоты при окислении, ароматические кетоны при этанолизе и ацидолизе, фенольные мономерные соединения при разложении металлическим натрием в жидком аммиаке, а при гидрогенолизе — производные циклогексана и циклогексанола.

К физическим доказательствам ароматической природы лигнина относятся: показатель преломления лигнина, типичный для ароматических (фенольных) соединений (около 1,6); максимумы поглощения в УФ-спектрах лигнина при длинах волн, соответствующих поглощению ароматических хромофоров, и полосы поглощения в ИК-спектрах лигнина, характерные для бензольного кольца. Поглощение УФ-излучения клеточными стенками древесины, послужившее доказательством наличия в ней ароматического природного лигнина, используется для изучения распределения лигнина в клеточных стенках.

Состав лигнинов иногда представляют в виде общих, или эмпириче-ских формул (брутто-формул), но поскольку любой препарат лигнина яв-ляется смесью родственных по химическому строению полимерных со-единений, общая формула служит лишь среднестатистической характерис-тикой. Общие формулы лигнина принято выражать в пересчете на одну ФПЕ (единицу С9) с выделением отдельно метоксильных групп. Например, для елового лигнина (ЛМР), по данным Бьеркмана, состав можно представить общей формулой, а для березового ЛМР — Общие формулы зависят как от природы лигнина (древесной породы), так и от метода его выделения

2.8. Функциональные группы лигнина

Лигнин в отличие от полисахаридов — полифункциональный полимер. Его функциональные группы весьма разнообразны: метоксильные, гидроксильные фенольные и алифатические, карбонильные альдегидные и кетонные, карбоксильные, а также двойные связи алкенового типа. Для функциональных групп лигнина характерны все свойства и закономерности химических реакций, известные в органической химии. Эти реакции используются и для количественного определения различных функцио-нальных групп. Однако в последнее время все большее распространение для определения функциональных групп приобретают различные спектро-скопические методы: дифференциальная УФ-спектроскопия, ИК-спектроскопия, ПМР (1Н-ЯМР)-спектроскопия и 13С-ЯМР-спектроскопи. При рассмотрении методов определения функциональных групп будут изложены лишь общие понятия.

Метоксильные группы (-ОСН3). В лигнине — это группы с арилалкильной простой эфирной связью. В лигнинах хвойных пород (гваяцильных лигнинах) массовая доля метоксильных групп составляет 15… 17%, в лигнинах лиственных пород (гваяцил-сирингильных) — до 20…22%. Эта массовая доля при выделении лигнина из древесины несколько уменьшается. Содержание метоксильных групп служит критерием чистоты препарата лигнина (доли нелигнинных примесей) и отсутствия в нем значительных химических изменении.

Для определения метоксильных групп используют реакцию разложения простых эфиров концентрированной иодоводородной кислотой при нагревании Аг-ОСН3 + HI = Аг-ОН + СН3I

Выделяющийся летучий метилиодид определяю гравиметрическим, титриметрическим и хроматографическим методами.

Гидроксильные группы (-ОН). Они в лигнине не одинаковы — присутствуют фенольные и алифатические (спиртовые) гидроксильные группы в свободном состоянии, и в связанном. Общее содержание свободных гидроксильных групп составляет примерно 1,1… 1,2 группы на ФПЕ (1 10.. 120 групп на 100 ФПЕ), что соответствует их массовой доле примерно 10…11%, (с интервалом от 10,4 до 14,6%), причем эти значения зависят не только от древесной породы, но и от методов выделения препаратов лигнина и анализа.

Для определения общего содержания гидроксильных групп используют в основном два метода — метилирование и ацетилирование. Применяют метод исчерпывающего (многократного) метилирования диметил-сульфатом в присутствии щелочи до достижения постоянного значения массовой доли метоксильных групп

R-ОН + (СН3О)2S02 + NаОН = R-ОСН3 + Nа (СН3)SО4 + H2О Содержание гидроксильных групп рассчитывают по увеличению со-держания метоксильных групп.

Ацетилирование лигнина проводят уксусным ангидридом в пи-ридине (пиридин служит катализатором реакции ацетилирования) Выделившуюся уксусную кислоту оттитровывают

Фенольные гидроксилы. Каждая молекула мономерных пред-шественников лигнина содержит один фенольный гидроксил. Однако в лигнинах массовая доля свободных фенольных гидроксилов невелика (1…3%). Для лигнинов хвойных пород число свободных фенольных гидроксилов по разным данным может составлять до 0,2…0,3 на ФПЕ.

Остальные фенольные гидроксилы находятся в связанном состоянии, т. е. участвуют в образовании простых эфирных связей между структурными единицами лигнина и частично связей с гемицеллюлозами. Данные о числе свободных фенольных гидроксилов в лиственных лигнинах более противоречивы: от 0,10…0,15 до 0,26…0,38 группы на ФПЕ. Структурные единицы лигнина со свободными фенольными гидроксилами называют фенольными единицами, а структурные единицы со связанными фенольными гидроксилами — нефенольными единицами. Фенольные гидроксильные группы относятся к кислым гидроксильным группам, причем кислотность фенольных гидроксилов лигнина зависит от характера других заместителей в бензольном кольце.

Для определения свободных фенольных гидроксилов предложен ряд методов:

1. Метилирование диазометаном Массовую долю фенольных гидроксильных групп рассчитывают по увеличению содержания метоксильных групп. Диазометан метилирует не только фенольные гидроксилы, но и другие кислые группы — карбоксильные и фенольные. Образующийся при метилировании карбоксильных групп сложный метиловый эфир разлагают щелочью, а затем реакционную смесь подкисляют.

2. Хемосорбционный метод, основанный на ионном обмене между кислыми группами лигнина и раствором гидроксида бария. Реакция практически необратима Аг-ОН + 0,5Ва (ОН)2 = Аг-ОВа 0,5 + 0,5Н2О

R-СООН+ 0,5Ва (ОН)2 = R-СООВа 0,5+ 0,5H 0

Избыток гидроксида бария оттитровывают кислотой и рассчитывают суммарное содержание кислых групп (ОНфен + СООН), а затем вносят поправку на карбоксильные группы, которые определяют хемосорбционным методом с ацетатом кальция см. ниже).

В модифицированном барий-хлоридном методе проводят обработку лигнина сначала раствором гидроксида натрия, а затем — раствором хлорида бария

Избыток гидроксида натрия оттитровывают. Вследствие нерастворимости бариевых солей (фенолятов) лигнина равновесие первой реакции полностью сдвигается вправо.

3. Потенциометрическое кислотно-основное титрование. Проводят прямое по-тенциометрическое титрование лигнина основаниями в неводных растворителях (в водных растворах феноляты, как соли очень слабых кислот, гидролизуются).

4. Кондуктометрическое титрование, осуществляемое чаще всего гидроксидом лития в различных средах.

5. Окисление периодатом натрия (йодной кислотой). Предполагают, что реакция идет через промежуточный эфир йодной кислоты и полуацеталь о-хинона с последующим его деметоксилированием. В результате образуется метанол в количестве, эквивалентном свободным фенольным гидроксилам. Метанол определяют колориметрическим или газохроматографическим методами. Можно также определить спектрофотометрически образовавшиеся группировки о-хинона. Метод периодатного окисления пригоден только для гваяцильных лигнинов.

6. Ацетилирование с последующим аминолизом. Метод основан на том, что ацетаты фенольных гидроксилов быстро и количественно расщепляются под действием пирролидина по сравнению с ацетатами алифатических гидроксилов. Адетилпирролидан, образующийся при обработке ацетилированного (уксусным ангидридом в пиридине) образца лигнина пирролидином, определяют методом газовой хроматографии.

Метод используют также для определения фенольных гидро-ксилов в природном лигнине и остаточных лигнинах технических целлюлоз.

7. Дифференциальная УФ-спектроскопия

8. Применение 'Н-и 13С-ЯМР-спектроскопии Следует подчеркнуть, что разные методы дают различающиеся данные для од-ного и того же препарата лигнина из-за неодинаковой степени ионизации фенольных гидроксилов Фенольные гидроксильные группы лигнина обладают всеми свойствами фенолов. Наибольшее практическое значение в химии лигнина имеет реакция образования фенолятов под действием щелочей, играющая важную роль при варке целлюлозы щелочными способами.

Алифатические (спиртовые) гидроксильные группы находятся в пропановых цепях. Число свободных спиртовых гидроксилов, рассчитанное по разности между общими свободными гидроксилами и свободными фенольными гидроксильными группами составляет примерно 0,8…0,9 группы на ФПЕ, т. е. почти каждая фенилпропановая структурная единица лигнина имеет свободный спиртовой гидроксил (схема1.7). В лигнине содержатся первичные спиртовые группы вположении (1,2) и вторичные — вположении (3,4). Вторичные спиртовые группы вположении в природном лигнине, по-видимому, отсутствуют. Однако в препаратах лигнина, полученных в условиях ацидолиза и этанолиза могут появиться группировки кетолов с гидроксилом вположении и кетонной группой в положении (5,6). Из спиртовых гидроксильных групп наиболее высокую реакционную способность имеют вторичные гидроксильные группы вположении, называемые бензилспиртовыми группами, особенно в фенольных единицах (группы n-гидроксибензилового спирта). Высокая реакционная способность обусловлена влиянием бензольного кольца, благодаря чему бензилспиртовые группы легко вступают в реакции нуклео-фильного замещения. Они способны метилироваться метанолом в присутствии НСL при комнатной температуре, причем в эту реакцию вступают не только свободные гидроксилы, но и связанные, т. е. происходит переалкилирование бензилэфирных групп. Подобным образом бензилспиртовые и бензилэфирные группы взаимодействуют с этанолом, в том числе при этанолизе, и в лигнине появляются этоксильные группы. Бензилспиртовые группы участвуют во взаимодействии с тиогликолевой кислотой при получении препарата тиогликолево-кислотного лигнина. Бензилспиртовые и бензилэфирные группы ответственны за реакцию сульфирования лигнина — важнейшую реакцию при сульфитной варке целлюлозы.