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Die historische Geschichte von Lignin: Warum wird es die „Seele des Holzes“ genannt?!
Lignin ist ein komplexes organisches Polymer, das hauptsächlich ein wichtiges Strukturmaterial für pflanzliche Stützgewebe bildet. Es ist besonders wichtig für die Bildung von Zellwänden in Holz und Rinde, da es ihm Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Fäulnis verleiht. Durch das Verständnis der Struktur, Geschichte und biologischen Funktionen von Lignin werden wir seine Schlüsselrolle in Natur und Wirtschaft erforschen.
Die Geschichte von Lignin
Die Geschichte von Lignin lässt sich bis ins Jahr 1813 zurückverfolgen, als der Schweizer Botaniker A. P. de Candolle diesen Stoff erstmals erwähnte. Er beschrieb es als faserig, geruchlos und in Wasser und Alkohol unlöslich, in leicht alkalischen Lösungen jedoch löslich und durch Säure ausfällbar. Deshalb nannte er es „Lignin“, abgeleitet vom lateinischen „lignum“, was Holz bedeutet.
Lignin ist nach Cellulose und Chitin eines der am häufigsten vorkommenden organischen Polymere auf der Erde.
Lignin macht 30 % des terrestrischen nichtfossilen organischen Kohlenstoffs der Erde und 20 % bis 35 % des Holztrockengewichts aus. Die Studie ergab, dass Lignin auch in Rotalgen vorkommt, was darauf hindeutet, dass der gemeinsame Vorfahre von Pflanzen und Rotalgen möglicherweise die angeborene Fähigkeit zur Ligninsynthese besaß. Die Entdeckung legt auch nahe, dass die ursprüngliche Funktion von Lignin möglicherweise darin bestand, strukturelle Unterstützung zu bieten, wie dies bei der Rotalge Calliarthron der Fall ist, indem es Verbindungen zwischen verkalkten Teilen unterstützt.
Zusammensetzung und Struktur
Die Zusammensetzung von Lignin variiert je nach Art. Beispielsweise besteht die Zusammensetzung einer Espenprobe aus 63,4 % Kohlenstoff, 5,9 % Wasserstoff, 0,7 % Asche (Mineralzusammensetzung) und 30 % Sauerstoff (abgeleitet aus der Differenz), was der chemischen Formel (C31H34O11)n entspricht. Lignin ist ein äußerst heterogenes Polymer, das aus wenigen Vorläufern, den Holzalkoholen, vernetzt ist. Es gibt drei Haupttypen dieser vernetzten Holzalkohole, die alle von Phenylpropan abgeleitet sind.
Lignin hat ein Molekulargewicht von über 10.000 u und seine strukturelle Vielfalt und der Vernetzungsgrad haben einen erheblichen Einfluss auf seine Eigenschaften.
Biologische Funktionen
Lignin füllt die Lücken in Zellwänden, insbesondere mit den Bestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Pektin, insbesondere in Leitbündeln und Stützgeweben. Lignin spielt eine Schlüsselrolle bei der Leitung von Wasser und wasserlöslichen Nährstoffen in Pflanzenstängeln. Der Polysaccharidbestandteil pflanzlicher Zellwände ist stark hydrophil und daher sehr wasserdurchlässig, wohingegen Lignin hydrophober ist.
Die häufigste Funktion von Lignin besteht darin, Pflanzen strukturelle Unterstützung zu bieten, indem es das Holz stärkt.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die weltweite kommerzielle Produktion von Lignin stammt aus der Papierindustrie. Im Jahr 1988 wurden weltweit mehr als 220 Millionen Tonnen Papier produziert, der Großteil davon wurde delignifiziert. Lignin macht etwa ein Drittel der Masse des Zellulosevorläufers aus, muss jedoch häufig während des Papierherstellungsprozesses entfernt werden, da es zu Verfärbungen und einem Verlust der Papierfestigkeit führt. Der Prozess der Delignifizierung ist eine der Kerntechnologien der Papierindustrie und wirft erhebliche Umweltprobleme auf.
Biosynthese
Die Ligninbiosynthese beginnt im Zytoplasma mit der Synthese von glykiertem Holzalkohol aus der Aminosäure Phenylalanin. Dieser Prozess teilt die erste Reaktion mit dem Phenylpropanoid-Weg. Es gibt noch viele unbeantwortete Fragen zur Ligninsynthese, einschließlich der spezifischen Rolle der Oxidase-Enzyme, die die Polymerisationsreaktion katalysieren.
Biologischer Abbau
Im Vergleich zu anderen Biopolymeren ist Lignin etwas resistent gegen Abbau, was es in der Umwelt stabiler macht. Während einige Pilze in der Lage sind, Lignin effizient abzubauen, sind Bakterien in dieser Fähigkeit eingeschränkt, vor allem weil Ligninderivate das Bakterienwachstum hemmen.
Chemie und Analyse
In der Papierindustrie erfolgt die Ligninquantifizierung üblicherweise mithilfe von Klason-Lignin- und säurelöslichen Lignin-Tests. Diese standardisierten Verfahren ermöglichen eine effiziente Analyse und Quantifizierung der Ligninzusammensetzung und fördern das Verständnis seiner Eigenschaften und Anwendungen.
Die Geschichte und Rolle von Lignin beschränkt sich nicht nur auf seine chemische Struktur und Funktion. Es ist ein Element, das eng mit der Umwelt, der Wirtschaft und den Ökosystemen verbunden ist. Können wir diese kostbare Ressource in Zukunft effizienter nutzen und umweltfreundlichere Materialien und verbesserte Technologien entwickeln?
