Введение к работе
Актуальность проблемы. Лигнин является одним из наиболее распространенных в природе биополимеров и представляет собой сложную смесь макромолекул с различным набором микроструктур-ньгх элементов.
Несмотря на многолетние исследования, вопрос о строении лигнина, как биополимера, до сих пор остается предметом дискуссий. В настоящее время промышленное использование лигнина весьма ограничено, что является следствием недостаточной изученности его химической, топологической и надмолекулярной структуры. Успешное решение проблемы установления основных принципов формирования структурной организации лигнина невозможно без понимания закономерностей биосинтеза и процессов самоорганизации, управляющих образованием хаотических объектов биологического происхождения.
В связи с этим важными задачами химии лигнина являются исследование процесса ферментативной дегидрогенизационной полимеризации мономерных предшественников лигнина (монолигнолов) в условиях, моделирующих биосинтез природного лигнина, а также изучение структуры лигнина.
Одним из основных промышленных способов получения целлюлозы из древесины является сульфатная варка, поэтому исследования процесса делигнификации клеточных оболочек открывают новые возможности для ее оптимизации и дальнейшего совершенствования. Таким образом, сравнительное исследование надмолекулярной структуры лигнина до и после сульфатной варки, а также разработка новых подходов для количественной характеристики лигнина клеточных оболочек являются актуальными задачами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Института химии Коми НЦ УрО РАН на 1996 - 2000 гг. «Исследование структуры, физико-химических свойств и закономерностей образования макромолекул природного лигнина» № Г.Р. 01.960.010010 по проблеме «Научные основы процессов полимеризации, структура и физико-химические свойства полимерных веществ и макромолекул синтетического и природного происхождения».
Цель работы. Исследование надмолекулярной организации природного лигнина и закономерностей ферментативной полимеризации его мономерных предшественников - монолигнолов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение процессов самоорганизации при полимеризации
монолигнолов и лигнификации клеточных оболочек;
исследование надмолекулярной структуры лигнина клеточных
оболочек древесины до и после сульфатной делигнификации;
исследование динамики полимеризации кониферилового спир-
та и феруловой кислоты в условиях, моделирующих биосинтез природного лигнина.
Научная новизна. Развит новый подход для количественной характеристики надмолекулярной структуры природного лигнина, основанный на применении методов нелинейной динамики к анализу микрофотографий ультратонких срезов лигнинных скелетов растительной клетки. Установлена нетривиальная форма упорядоченности надмолекулярной организации лигнина, которая аппроксимируется зависимостью типа С(г)~ґ*, где d— дробное число (2
Впервые проведено исследование динамики процесса дегидро-полимеризации кониферилового спирта при моделировании биосинтеза лигнина in vitro. Получены новые экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что дегидрополимеризация монолигнолов гваяцильного типа (феруловая кислота, конифериловый спирт) протекает в хаотическом динамическом режиме. Установлены характеристики самоорганизации, наблюдаемой при исследовании процесса полимеризации монолигнолов.
Практическая ценность. Разработан комплекс программного обеспечения для математического анализа экспериментальных данных, применение которого позволяет использовать современные ме-
тоды нелинейной динамики и синергетики для создания научных основ технологий химической переработки высокомолекулярных соединений растительного происхождения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 16-м Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 1998 г.), V-м Европейском совещании по лигноцеллюлозам (Авейру, Португалия, 1998 г.), Ш-м Всероссийском совещании «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар, 1998 г.), ХГХ-ой Международной конференции по полифенолам (Лиль, Франция, 1998 г.)
Публикации. По результатам работы опубликовано 2 статьи и тезисы 5 докладов.
Объем и структура работы. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 11 таблиц, 55 рисунков и состоит из введения, литературного обзора, методической части, обсуждения результатов, выводов. Список литературы содержит 115 наименований.