О природе связи лигнина с углеводами

Когда Пайен в 1838 г. указал на лигнин как на особое вещество или, как теперь считают, смесь близких веществ ароматического строения, он полагал, что лигнин как бы механически внедрен («прорастает») в угле­водную часть клеточной стенки и не связан химически с целлюлозой. Так была создана «инкрустационная» теория чисто механической связи лигнина с углеводами в клеточной стенке. Сторонники этой теории при­менили микроскопическое исследование остатков клеточных оболочек после удаления из них углеводов гидролизом концентрированной кисло­той (например 64—72%-й серной кислотой). При этом было отмечено, что лигниновые остатки еще заметно сохраняют структуру клеточных стенок [10]. Это сохранение формы клеток можно видеть, если удалить углеводы не крепкой кислотой, а более мягким методом Фрейденберга, заключающимся в попеременной обработке древесины кипящей 1%-й серной кислотой и холодным медноаммиачным раствором, извлекающим углеводы. Лигнинные остатки показывали наличие как бы сморщенной, деформированной, но все же еще явственной клеточной структуры [п]. Н. И. Никитин и Руднева [50, стр. 228J также отмечали, что лигнинные ос­татки сохраняли форму клеток при обработке измельченной древесшш окисью этилена в присутствии щелочи по схеме

R0H + СН2—СН2 Na0H > R—О—СН2—СН2ОН

Оксиалкилированные полисахариды

Полисахариды дцроесины

о/

С последующим мягким гидролизом и удалением оксиалкилированных углеводов 5%-й серной кислотой при 90—100°.

При обратном процессе удаления лигнина из древесных клеточных оболочек различными методами полученная волокнистая целлюлоза тоже — сохраняет клеточное строение, так что получается впечатление тесной механической смеси, «взаимного прорастания» веществ клеточной обо­лочки.

Оптические методы исследования клеточных оболочек с помощью поляризационного микроскопа и рентгеновских лучей тоже как бы го­ворят в пользу механической «инкрустационной» теории связи компонен­тов клеточных оболочек. Лигнин, по-видимому, является весьма слабо ориентированным или аморфным веществом. Фрейденберг [12], еще в 1931 г. применив поляризационный микроскоп для исследования древесных воло­кон, показал, что после осторожного удаления углеводной части мяг­ким гидролизом клеточные стенки обнаруживают способность к двойному лучепреломлению. Последнее, по-видимому, обусловлено не наличием, самого лигнина, который аморфен и изотропен, а формой пустот, остаю­щихся после удаления микрофибрилл целлюлозы. Таким образом, при одревеснении происходит как бы внедрение лигнинных веществ в клеточ­ные стенки.

В последнее время исследователи все более и более приходят к мне­нию о существовании химической связи лигнина с углеводами. В пользу теории химической связи лигнина с углеводами говорят следую­щие факты. Хегглунд I52′ стр. 277] обратил внимание на то, что при реакции древесины с сернистой кислотой и бисульфитом кальция во время суль­фитной варки сперва происходит связывание сернистой кислоты с образо­ванием твердой лигносульфоновой кислоты. Только после гидролиза лигносульфоновая кислота переходит в раствор в виде кальциевой соли. Необходимость гидролиза для перевода лигносульфоновой кислоты в ра­створ привела Хегглунда к убеждению, что лигнин химически связан, с углеводами.

Плетц [13] обратил внимание на то, что энзимы из пищеварительных соков виноградной улитки Helix pomatia слабо действуют на механи­чески измельченную древесину липы и растворяют за 8 дней только 14% древесины; энзиматнческому гидролизу подвергается в основном гемицеллюлозная часть. Если же из измельченной древесины выделить углеводную часть каким-нибудь методом, например экстрагированием раствором гидрата окиси меди в этилен диамине, то осажденная подкис — лением углеводная фракция весьма легко поддается гидролизу под дей­ствием этого же энзима. Этот факт также говорит о химической связи между лигнином и углеводной частью.

Исследования Н. И. Никитина с сотрудниками [14] по мягкому способу извлечения хвойного и лиственного лигнина диоксаном показали, что — лигнин

СН2—О—СИ,

I I

Сн2—О—СН2

Диоксан

Извлекается им из древесины лишь в присутствии малого количества кислого катализатора, например 0.1%-й соляной кислоты. Это также приводит к заключению о существовании химической связи между лигни­ном и углеводами древесины. Роговин и Конкин [15] установили, что’ после обработки еловой древесины 1 %-й соляной кислотой при кипяче — нпи в течение двух часов при последующем нагревании древесины с эти — ленгликолем при 160° растворяется до 55% лигнина. Подобный же резуль­тат получили Кавамура и Хигучи [16], подвергая древесину бука пред — гидролизу с 1%-й серной кислотой, а затем извлекая лигнин диоксаном. Было показано, что во всех случаях извлечения лигнина из клеточных стенок органическими растворителями (фенолом, спиртами, ледяной уксусной кислотой и др.) необходимы хотя бы малые количества кислого катализатора, который, по-видимому, разрушает химическую связь между углеводами и лигнином.

Известно также, что извлечение целлюлозы медноаммиачпьтм раст­вором из древесины несравненно лучше идет, если ему предшествует предварительное кипячение опилок с 1 %-й серной кислотой. Кислота не только удаляет часть гемицеллюлоз, облегчая доступ реагента в толщу клеточных стенок, но и, по-видимому, расщепляет химические связи между углеводами и лигнином. Также было показано [17], что термофиль­ные бактерии не ращепляют целлюлозу в древесине, но хорошо гидроли — .зуют уже выделенную целлюлозу.

Многочисленные эксперименты различных исследователей показы­вают, что невозможно извлекать углеводы из древесины без одновремен­ного хотя бы частичного удаления лигнина и полностью делигнифициро- вать древесину без удаления некоторого количества углеводов. Так, например, Уайз [18] при осторожном выделении из древесины углевод­ного комплекса (холоцеллюлозы) путем обработки хлоритом натрия в уксуснокислой среде нашел, что при падении содержания лигнина в холо — целлюлозе ниже 3% начинается заметное растворение самих углеводов.

Таким образом, гипотеза о том, что главная часть лигнина химически •связана с углеводами, приобретает все большую и большую поддержку. В пользу этого говорит и получение лигнинуглеводных комплексов Бьеркманом [42] и рядом других исследователей.

Небольшой процент лигнина, по-видимому, находится в древесине в свободном состоянии. Этот лигнин может извлекаться подходящими индиферентными растворителями, такими, как диоксан или спирт, в от- -сутствие катализаторов [19]. Добавочное небольшое количество такого лигнина может быть извлечено этим же путем из древесины, подверг­шейся действию бурой гнили. Однако предположение [20′ 144], что этот энзиматически выделенный лигнин присутствует в древесине в свободном состоянии, может быть признано правильным только после доказатель­ства того, что энзимы гнили не расщепляют возможную лигнин-углевод­ную химическую связь. Остается в силе утверждение, что главная часть лигнина может быть выделена из растительных тканей только путем применения жестких реакций, которые, без сомнения, в какой-то степени изменяют природу самого лигнина.

Не решено еще окончательно, с какими именно углеводами связан лигнин.

Рядом исследователей обсуждался вопрос о возможной химической связи лигнина с целлюлозой. В настоящее время большинством исследо­вателей, за исключением некоторых [21], эта возможность отрицается, в частности из-за ориентированного («кристаллического») строения цел­люлозного волокна, препятствующего особенно тесному контакту молекул целлюлозы и лигнина, имеющего аморфное строение. Возможно, как это предполагает Уордроп в новейших работах (1959—1960), что трудность извлечения целлюлозы из одревесневших клеточных стенок объясняется глубиной проникновения лигнина внутрь микрофибрилл (см. стр. 19).

В последнее время многие исследователи склоняются к предположе­нию о существовании химических связей лигнина с гемицеллюлозами. Распределение лигнина и гемицеллюлоз в клеточной стенке не противо­речит этому предположению, оно подтверждается практическим полу­чением лигнинуглеводных комплексов, содержащих связанные гемицеллю­лозы.

Так, например, Кавамура и Хигучи [22] получили диоксанлигнин бука, очистили его от примесей углеводов, подвергли исчерпывающему метилированию, а затем гидролизу с 5%-й соляной кислотой и идентифи­цировали в гидролизате трпметил ксилозу. Эти результаты, по мнению Меревезера [23], говорят о том, что лигнин химически связан с ксиланом, причем эта связь более прочная, чем глюкозидные связи в молекуле кси­лана. Лигноуглеводные комплексы, выделенные Бьеркманом из тонко измельченной древесины, содержали химически связанные гемицеллю­лозы (стр. 439).

Норман [24] высказал предположение о наличии химической связи между лигнином и полиуронидами, образующими с ним, по-видимому, еднный комплекс. Высказывались подобные предположения и позднее, например, что лигнпн связан с полиуронидами сложноэфирными связями, в которых участвуют карбоксильные группы полиуронидов [25]. Для окончательного разрешения вопроса, с какими именно углеводами связан лигнин в древесине, необходимы дальнейшие исследования.

Вопрос о характере связи лигнина с углеводами до последнего вре­мени также не решен однозначно. Простые эфирные связи слишком устой­чивы, чтобы расщепляться в тех условиях, которые применяются при выделении лигнина. Поэтому их присутствие маловероятно. Сложноэфир — ная связь между лигнином и уроновой кислотой, казалось бы, наоборот, была бы слишком нестабильной.

Некоторые авторы, например Шорыгина I160′ стр.658], считают, что лиг­нпн связан с углеводами древесины при помощи полуацетальных связей. Известно, что альдегиды способны давать со спиртами ацетали и полуаце — талн по схемам

,0 НОСоН5 /ОС2Н5

R—С<f + —> R—СН< +Н20

н НОС2Н5 чос2н5

Ацеталь

/Р /ОС2Н5

П—С<? +НОС2НБ R—СН<

н он

Полуацеталь

Ацетали и полуацетали легко расщепляются кислотами, даже раз­бавленными. Можно предположить, что карбонильные группы лигнина образуют с гидроксильными группами углеводов такие же легко — гидролизуемые полуацетальные или гемикетальные связи

НО—СН2-СО—СН2ОН —°-2> НО—^ СН2—С(ОН)—СН2ОН,

/ I

CH30 CH30 OR

Где К — остаток углевода. 28 н. и. Никитин

В последнее время все больше внимания уделяется обсуждению возможности р-фенилглюкозидной связи f26J, которую можно представить схематически следующим образом

СН30Ч

-n—S

—СНОН

СН

VI

0 =/

Гемицеллю — лозная часть

Лигиинная часть

Как экспериментальное подтверждение этого предположения можно рассматривать получение 2,3,4-триметилксилозы при гидролизе мети­лированного диоксанлигнина в опытах Кавамуры и Хигучи [16]. Воз­можно также, что связи лигнина с углеводами являются связями типа бензиловых эфиров

I

R—О—СН

I

Уосн3

0

1

Где R — остаток углевода.

Кислородный мостик в таком эфире легко расщепляется кислотой в отличие от обычных эфиров. Однако до настоящего времени имеются лишь косвенные подтверждения возможности существования этих двух типов структур. Обзор литературы [23], кроме того, показывает, что многие эксперименты, ранее считавшиеся надежными доказательствами существования лигнинуглеводных связей, при дальнейшем исследова­нии не приводят к однозначным выводам.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв