rozkład biomasy lignino-celulozowej jest potrzebny do ułatwienia przeprowadzenia wielu procesów ale jest także źródłem wielu związków chemicznych

1. Biodegradacja biomasy lignino-
celulozowej
Hanna Wybrańska
Anna Malec

2. Biomasa lignino-celulozowa
● Najbardziej rozpowszechniony surowiec na świecie, występuje w różnych częsciach roślin jako sucha biomasa
● Materiał jest wykorzystywany do produkcji biopaliw, głównie bioetanolu
● Składa się z polimerów węglowodanów (celuloza, hemiceluloza) oraz polimerów związków cyklicznych (lignina)
● Główny składnik drewna i włókien roślinnych

3. Celuloza
Celuloza – błonnik, nierozgałęziony polisacharyd zbudowany liniowo z 2000 - 14000 cząsteczek glukozy połączonych
wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Łańcuchy te mają długość ok. 7 μm. Wiązanie β przyczynia się do utworzenia sztywnych,
długich nitek, które układają się równolegle, tworząc micele powiązane mostkami wodorowymi.
● Pełni funkcje strukturalne w roślinach
● W czystej postaci jest białą, pozbawioną smaku i zapachu
substancją, nierozpuszczalną w wodzie
● Jej trawienie umożliwia grupa enzymów tzw. celulazy
● Wykorzystywana do produkcji papieru,
w przemyśle kosmetycznym oraz włókienniczym
● Nieprzyjswajalna przez człowieka

4. Celobioza i hemiceluloza
Celobioza - dwucukier, zbudowany z dwóch cząsteczek glukozy, połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Stanowi
jednostkę strukturalną celulozy oraz jest jej produktem częściowej hydrolizy.
★ Dwucukier redukujący,
★ Nie występuje powszechnie w stanie wolnym w roślinach
★ Disacharyd nieprzyswajalny przez człowieka.
Hemiceluloza - niejednorodna grupa polisacharydów i ich pochodnych, połączonych wiązaniami β-glikozydowymi
tworzących rozgałęzione łańcuchy. Są one jednym z głównych składników ściany komórkowej roślin.Wchodzą w skład m.in.
drewna, słomy, nasion i otrąb. Ich nazwa wywodzi się stąd, że chemicznie
i strukturalnie bliskie są celulozie.

5. Lignina
Lignina - wata celulozowa, substancja lepiszczowa,
nadaje drewnu wytrzymałość na ściskanie i utrzymuje jego
sztywność. Usunięcie ligniny z drewna (tzw. delignifikacja),
poprzez dodatek związków sodu prowadzi do zmiękczenia substancji
drzewnej, co jest procesem niezbędnym podczas produkcji papieru.
Ponad to jest bardzo ważnym źródłem aromatycznych reszt kwasów
huminowych gleb, torfów czy lignitów.
Polimer zbudowany z podjednostek pochodnych alkoholi fenolowych
(koniferylowego, synapinowego oraz kumarylowego)
Struktura jest stabilizowana wiązaniami eterowymi oraz
kowalencyjnymi węgiel-węgiel (C-C)
Rozkład prowadzony przez grzyby białej i brązowej zgnilizny

6. Zastosowanie biomasy lignino-celulozowej
Biomasa lignino-
celulozowa
Produkcja
biopaliw
Hodowla SCP
na makulaturze
Energia
elektryczna
i cieplna
Produkcja
papieru,
włókien
Biogaz
Miazga
drzewna
Chemikalia
Źródło bioproduktów
pozyskiwanych z
ropy naftowej

7. Enzymy rozkładające celulozę i ligninę
Celuloza Lignina
Lakaza
LiP
MnP
Celulazy
Celobiohydrolazy
ß - glukozydazy

8. Enzymy rozkładające celulozę
1. Celulazy - działają wewnątrz łańcucha hydrolizując wiązanie ß-1,4-glikozydowe w sposób przypadkowy
2. Celobiohydrolazy - odłączają kolejne reszty celobiozy lub glukozy od nieredukujących końców celulozy
3. ß-glukozydazy - katalizują reakcję rozkładu celobiozy do dwóch cząsteczek glukozy i odszczepiają
cząsteczki glukozy od nieredukujących końców celulozy

10. 4. Dehydrogenaza celobiozowa (CDH) - posiada zdolności do wytwarzania wolnych rodników, dzięki
którym może ona degradować i modyfikować wszystkie składniki ligninocelulozy; utlenia redukujący
koniec celobiozy, celodekstranu, mannodekstranu, laktozy i innych sacharydów do odpowiednich 1,5-
laktonów, które są następnie hydrolizowane do odpowiednich kwasów karboksylowych
Enzymy rozkładające celulozę

11. Lakaza
● Należy do oksydoreduktaz występujących m. in. w roślinach wyższych, u większości grzybów oraz w
niektórych bakteriach.
● Enzymy te katalizują utlenianie szerokiego spektrum związków organicznych i nieorganicznych,
któremu towarzyszy redukcja tlenu cząsteczkowego do wody.
● Lakazy pochodzenia roślinnego są białkami biorącymi udział w syntezie ligniny i regeneracji
uszkodzonych tkanek.
● Naturalne funkcje lakaz grzybowych to przede wszystkim udział w:
➔ degradacji kompleksu ligninowego drewna,
➔ morfogenezie grzybów i roślin (procesie tworzenia zarodników i organizmu dorosłego)
➔ procesie melanizacji

12. Peroksydaza managanozależna MnP
Glikozylowane, zewnątrzkomórkowe enzymy zawierające hem jako grupę prostetyczną
Katalizują reakcje degradacji ligniny, charakteryzują się zdolnością utleniania głównie związków
fenolowych, ale nie tylko, biodegradacją PAHs, kwasów humidowych, sztucznych barwników oraz
zdolnością do detoksyfikacji mykotoksyn
Potrafią wnikać w strukturę kompleksu lignino-celulozowego i katalizować reakcję utleniania struktur
aromatycznych w ligninie
Są intensywnie badane w kierunku neutralizacji aflatoksyny B1. MnP z grzyba białej zgnilizny
Phanerochaete sordida prowadzi jej utlenianie do epoksydu (AFB1-8,9-epoxide), który następnie jest
hydrolizowany do alkoholu AFB1-8,9-hihydrodiol. Proces ten zachodzi z dużą wydajnością

13. Peroksydaza ligninozależna LiP
Katalizują rozpad wiązań kowalencyjnych między atomami węgla C-C w bocznych łańcuchach
podjednostek ligniny, rozpad wiązań w pierścieniach aromatycznych, utlenienie alkoholu
weratrylowego i podobnych związków do aldehydów czy ketonów, są w stanie hydroksylować grupy
metylenowe
Podczas degradacji ligniny nie wymagają do swojego działania żadnych mediatorów, utleniają
bezpośrednio struktury aromatyczne
Do swojego działania enzymy te wymagają natomiast obecności H2O2 , zapewnia on przemianę enzymu w
stan o wyższym potencjale utleniania substratu

14. kwas 3-hydroksy
antranilowy

15. LIGNIN

17. Podsumowanie
• Rozkład biomasy lignino – celulozowej zwiększy wydajność wielu procesów od
delignifikacji pulpy drzewnej po produkcję energii
• Oddzielenie ligniny oraz jej degradacja stanowi źródło wielu związków
chemicznych
• Degradacja enzymatyczna biomasy zmniejszy ilość odpadów chemicznych oraz
zmniejszy zanieczyszczenie wód stosowanych do tego chemicznej metody procesu
• Enzymy degradujące lignino-celulozę mogą być także wykorzystane do innych
celów, np. produkcja biosensorów, synteza i rozkład barwników i innych
związków

18. Bibliografia
1. Koperwas Lidia, Badanie właściwości celulozy, http://laboratoria.net/artykul/13909.html
2. Sulej Justyna, Dehydrogenaza celobiozowa – właściwości oraz perspektywy zastosowania w
biotechnologii
3. Świątek Karolina i in., Doskonalenie warunków hydrolizy enzymatycznej polisacharydów
zawartych w słomie rzepakowej
4. Martinez A. i in., Biodegradation of ligninocellulosis: microbial, chemical and enzymatic
aspects of fungal attack of lignin
5. Polak Jolanta i in., Reakcje katalizowane przez lakazę – mechanizm i zastosowanie w
biotechnologii