Lignina: struttura, analisi e applicazioni innovative

Definizione e struttura della lignina

Con il termine “lignina” si è soliti indicare una tipologia di struttura macro-molecolare di origine vegetale, costituita da una rete bi- o tridimensionale complessa, di natura principalmente aromatica, formata da unità monomere fra loro diverse (per la presenza di sostituenti) ma accomunate da un comune scheletro fenilproprionico.
Il legame fra le unità fenilproprioniche è solitamente di tipo eterico, aperto o più raramente chiuso in anello eterociclico, oppure di tipo bifenilico, più raramente esterico; le sostituzioni sugli anelli aromatici e sulle catene alifatiche sono di tipo ossidrilico o (solo sugli anelli) metossilico.

Nella maggior parte dei casi la lignina risulta chimicamente legata ad altri polimeri fibrosi, quali emicellulose (es. xilani, arbinoxilani, glucomannani, ecc) o cellulosa, ma anche a molecole non classificabili come fibra.

“La lignina di per sé non contiene porzioni glucidiche. Essa è un polimero polimorfo di acidi fenolici legati fra loro con vari tipi di legami diversi. La molecola della lignina forma, attraverso i suoi radicali esterni, dei ponti covalenti esterici con i gruppi ossidrilici OH della cellulosa e dell'emicellulosa, per mezzo di due acidi che fungono da ponte, il ferulico e il p-cumarico. Legami covalenti sono presenti anche con altri residui glucidici della parete cellulare. I glucidi sono quindi esterni e tutt'al più inframezzati alla lignina.”

(Carlo Bruschi, ICGEB, Trieste)

Caratteristiche e classificazione delle lignine

In considerazione di questo fatto ma, soprattutto, delle caratteristiche specifiche della porzione ligninica propriamente detta, è possibile valutare, differenziare e classificare le lignine reperibili in natura e/o modificate sulla base di diversi fattori che potrebbero essere chiamati in causa al momento della scelta fra più lignine fra loro alternative in considerazione della possibilità che questi fattori potenzialmente hanno di influenzare le caratteristiche chimico-fisiche e forse anche nutrizionali del prodotto:

1) Distribuzione dei pesi molecolari dei polimeri di lignina

2) Ripartizione delle abbondanze fra il conteuto delle principali unità monomere (alcol coniferilico, para-cumarilico e sinapilico)

3) Grado di metossilazione (contenuto di metanolo legato)

4) Identificazione ed abbondanza di eventuali leganti non ligninici (es. carboidrati)

5) Abbondanza di gruppi sulfurei

6) Eventuale potere antiossidante

Analisi indiretta della lignina

Analisi indiretta come fibra ADL - L’analisi del contenuto di lignina di un alimento non è eseguita in modo diretto (ovvero non esiste un test in grado di fornire come responso la “concentrazione di lignina”), bensì in modo indiretto, valutando la percentuale in peso del campione che rimane dopo la rimozione acida e/o enzimatica di tutti gli altri componenti. Tale test segue di norma la procedura per la determinazione della Fibra Acido Detersa (ADL).

I suoi limiti derivano da 2 fattori principali:

1) Non tutti i componenti diversi dalla lignina si sciolgono e vengono rimossi nelle condizioni previste dall’analisi (es. le ceneri rimangono);

2) La lignina può subire alcune trasformazioni tali da modificarne seppur in modo contenuto il peso.

Analisi diretta e qualificazione della lignina

Analisi diretta e qualificazione tipologica - Tecniche più avanzate di analisi, in grado di effettuare una quantificazione diretta della lignina ed una sua qualificazione in diverse categorie, sono ragionevolmente pensabili ma necessitano di tutte le fasi proprie della ricerca in campo chimico analitico, ovvero ricerca bibliografica sulle esperienze precedenti, scelta fra le metodiche sperimentali finora proposte, sperimentazione mediante la strumentazione analitica a noi accessibile, adeguamento del metodo alle nostre matrici reali ed alla tipologia di informazioni richieste, collaudo del metodo su campioni a composizione nota.

In sede preliminare, gli approcci che ritengo più ragionevoli per l’analisi diretta e la qualificazione del substrato ligninico sono i seguenti:

1) Analisi HPLC-MS dei prodotti di decompostone della lignina in condizioni di pH estremo o di attacco enzimatico o microbiologico;

2) Analisi spettroscopico-molecolare nel campo IR della materia prima originale, con interpretazione manuale dello spettro.

Utilizzi e modifiche della lignina

E’ possibile utilizzare tal quali i prodotti di origine naturale contenenti una quantità di lignina sufficiente e sufficientemente pura, o in alternativa è possibile estrarla e portarla al grado di purezza desiderato per allontanare altre tipologie di fibre ed eventuali sostanze non ascrivibili alla categoria “fibre”, che possono presentare criticità dal punto di vista organolettico e/o tossicologico.

E’ infine possibile, entro certi limiti, operare interventi di modifica della struttura molecolare della lignina, ad esempio per rimuoverne i gruppi metossilici (potenziali sorgenti di metanolo nell’organismo), la cellulosa e le emicellulose ad essa legate e per ridurne il peso molecolare.

Almeno in linea di principio e a prescindere da considerazioni di natura legale, la lignina potrebbe inoltre essere chimicamente modificata anche in modo funzionale, in analogia agli amidi ed alla cellulosa, per attribuirle caratteristiche chimico-fisiche, reologiche ed eventualmente nutrizionali ad hoc.

La lignina è attualmente utilizzata come materia prima a basso costo per la preparazione di sostanze pure quali: vanillina, aldeide siringica, dimetilsolfossido.

E’ inoltre il punto di partenza per la preparazione di alcuni materiali plastici a base fenolica, per stabilizzare emulsioni nel campo degli asfalti e per la precipitazione di proteine.