Достижения и проблемы химии лигнина (обзор)

В обзоре рассмотрено современное состояние вопросов биохимии, химии, строения и валоризации второго на Земле после целлюлозы биополимера – лигнина. Отмечается эволюция взглядов на формирование макромолекул этого полимера. Как оказалось, биосинтез монолигнолов очень пластичен, что позволяет растениям заменять монолигнолы, когда функционирование одного или нескольких генов нарушено, так что состав и количество лигнина часто одновременно изменяются. Помимо канонических монолигнолов (кониферилового, синапового и кумарового спиртов), в биосинтезе лигнина могут участвовать и другие соединения. В клетке ведется тщательный контроль за подачей монолигнолов и условиями полимеризации, однако этот контроль не следует путать с контролем сборки полимера лигнина. Приводятся наиболее перспективные направления валоризации технических лигнинов: гидрогели лигнина, использование лигнина в медицине и фармакологии, 3D-печать, углеродные волокна, биотопливо и биоуголь, наноматериалы из лигнина, композиционные материалы и производные лигнина, углеродные квантовые точки, реагент для буровых растворов, синтез лигнофенолоформальдегидных смол. В заключение рассмотрены экономические проблемы валоризации лигнина.

1. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина. Химия, ультраструктура, реакции. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 512 с.

2. Adipic Acid Market Size, Share // Fortune Business Insights: Consulting & Growth Advisory Services. URL: https://www.fortunebusinessinsights.com/adipic-acidmarket-110336 (дата обращения: 10.09.2025).

3. Balakshin M., Capanema E.A., Zhu X., Sulaeva I., Potthast A., Rosenau T., Rojas O.J. Spruce milled wood lignin: linear, branched or cross-linked? // Green Chemistry. 2020. Vol. 22. P. 3985–4001. DOI: 10.1039/D0GC00926A. Catenane // Wikimedia Commons. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Catenane_ChemComm_244_1985.jpg (дата обращения: 26.08.2025).

4. Crestini C., Melone F., Sette M., Saladino R. Milled wood lignin: A linear oligomer // Biomacromolecules. 2011. Vol. 12. P. 3928–3935. DOI: 10.1021/bm200948r.

5. Evstigneyev E.I. Selective depolymerization of lignin: Assessment of yields of monomeric products // J. Wood Chem. Technol. 2018. Vol. 38. P. 409-415. DOI: 10.1080/02773813.2018.1500607.

6. Evstigneyev E.I., Kalugina A.V., Ivanov A.Yu., Vasilyev A.V. Contents of α-O-4 and β-O-4 bonds in native lignin and isolated lignin preparations // J. Wood Chem. Technol. 2017. Vol. 37. P. 294-306. DOI: 10.1080/02773813.2017.1297832.

7. Evstigneyev E.I., Grinenko E.V., Mazur A.S., Vasilyev A.V. Study of the formation of lignin hydrogels with metal cations // J. Wood Chem. Technol. 2021. Vol. 41, iss. 2, 3. P. 73-82. DOI: 10.1080/02773813.2021.1873389.

8. Gan J., Chen L., Chen Z., Zhang J., Yu W., Huang C., Wu Y., Zhang K. Lignocellulosic Biomass-Based Carbon Dots: Synthesis Processes, Properties, and Applications // Small. 2023. Vol. 19. Art. no. 2304066. DOI: 10.1002/smll.202304066.

9. Gellerstedt G., Li J., Eide I., Kleinert M., Barth T. Chemical structures present in biofuel obtained from lignin // Energy & Fuels. 2008. Vol. 22. P. 4240-4244. DOI: 10.1021/ef800402f.

10. Griffith W.L., Compere A.L., Leitten C.F., Shaffer J.T. Low-cost, lignin-based carbon fiber for transportation applications // 35th ISTC Conference. Dayton, OH, 2003. P. 1-8.

11. Mainkaa H., Tägera O., Körnera O., Hilfert L., Busseb S., Edelmannb F.T., Herrmannc A.S. Lignin – an alternative precursor for sustainable and cost-effective automotive carbon fiber // J. Mater. Res. Technol. 2015. Vol. 4. P. 283-296. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.03.004.

12. Martínez V., Mitjans M., Vinardell M.P. Pharmacological applications of lignins and lignins related compounds: an overview // Current Organic Chem. 2012. Vol. 16. P. 1863-1870. DOI: 10.2174/138527212802651223.

13. Mastrolitti S., Borsella E., Giuliano A., Petrone M.T., De Bari I., Gosselink R.J.A., van Erven G., Annevelink E., Triantafyllidis K.S., Stichnothe H. Sustainable lignin valorization. IEA Bioenergy, 2021. 194 p. DOI: 10.13140/RG.2.2.34874.67520.

14. Nguyen N.A., Barnes S.H., Bowland C.C., Meek K.M., Littrell K.C., Keum J.K., Naskar A.K. A path for lignin valorization via additive manufacturing of high-performance sustainable composites with enhanced 3D printability // Sci. Adv. 2018. Vol. 4. P. 1-15. DOI: 10.1126/sciadv.aat4967.

15. Nimz H.H. Analytical methods in wood, pulping and bleaching chemistry // Proc. of 8th Int. Symp. Wood and Pulp. Chem. Helsinki, 1995. Vol. 1. P. 1-32.

16. Ralph J., Lapierre C., Boerjan W. Lignin structure and its engineering // Current Opinion in Biotechnology. 2019. Vol. 56. P. 240-249. DOI: 10.1016/j.copbio.2019.02.019.

17. Rinaldi R., Jastrzebski R., Clough M.T., Ralph J., Kennema M., Bruijnincx P.C.A., Weckhuysen B.M. Paving the way for lignin valorisation: recent advances in bioengineering, biorefining and catalysis // Angew. Chem. Int. Ed. 2016. Vol. 55. P. 8164 – 8215. DOI: 10.1002/anie.201510351.

18. Rotaxane // Wikipedia. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Rotaxane_Crystal_Structure_EurJOrgChem_page2565_year1998.png (дата обращения: 26.08.2025).

19. Sakakibara A. Chemistry of lignin // Wood and Cellulosic Chemistry. NYC, 1991. P. 111-175.

20. Tarabanko V.E., Tarabanko N. Catalytic oxidation of lignins into the aromatic aldehydes: general process trends and development prospects // Int. J. Mol. Sci. 2017. Vol. 18. P. 2421-2450. DOI: 10.3390/ijms18112421.

21. Tarasov D., Leitch M., Fatehi P. Lignin–carbohydrate complexes: properties, applications, analyses, and methods of extraction: a review // Biotechnol. Biofuels. 2018. Vol. 11. Art. no. 269. DOI: 10.1186/s13068-018-1262-1.

22. Tolbert A., Akinosho H., Khunsupat R., Naskar A.K., Ragauskas A.J. Characterization and analysis of the molecular weight of lignin for biorefining studies // Biofuels, Bioprod. Bioref. 2014. Vol. 8. P. 836-856. DOI: 10.1002/bbb.1500.

23. Vardon D.R., Franden M.A., Christopher W., Johnson C.W., Karp E.M., Michael T., Guarnieri M.T., Linger J.G., Salm M.J., Timothy J., Strathmann T.J., Beckham G.T. Adipic acid production from lignin // Energy Environ. Sci. 2015. Vol. 8. P. 617–628. DOI: 10.1039/C4EE03230F.

24. Vardon D.R., Rorrer N.A., Salvachúa D., Settle A.E., Johnson C.W., Menart M.J., Cleveland N.S., Ciesielski P.N., Steirer K.X., Dorgan J.R., Beckham G.T. cis, cis- Muconic acid: separation and catalysis to bioadipic acid for nylon-6,6 polymerization // Green Chem. 2016. Vol. 18. P. 3397–3413. DOI: 10.1039/C5GC02844B.

25. Wang H., Ruan H., Pei H., Wang H., Chen X., Tucker M.P., Cort J.R., Yang B. Biomass-derived lignin to jet fuel range hydrocarbons via aqueous phase hydrodeoxygenation // Green Chem. 2015. Vol. 7, iss. 12. P. 5131-5135. DOI: 10.1039/C5GC01534K.

26. Wu X., Fan X., Xie S., Lin J., Cheng J., Zhang Q., Chen L., Wang Y. Solar energydriven lignin-first approach to full utilization of lignocellulosic biomass under mild conditions // Nature Catalysis. 2018. Vol. 1. P. 772–780. DOI: 10.1038/s41929-018-0148-8.

27. Wu Y., Yang J., Wu G., Gao W., Silva Lora E.E., Isa Y.M., Subramanian K.A., Kozlov A., Zhang S., Huang Y. Benzene, Toluene, and Xylene (BTX) Production from Catalytic Fast Pyrolysis of Biomass // ACS Sustainable Chem. Eng. 2023. №32. P. 11700– 11718. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c01202.

28. Xu Z., Jin M. Polyhydroxyalkanoate production from lignin by Pseudomonas putida NX-1 // Bioresource Technology. 2021. Vol. 319. Art. no. 124210. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124210.

29. Zakusilo D.N., Evstigneyev E.I., Ivanov A.Yu., Mazur A.S., Bessonova E.A., Mammeri O.A., Vasiliev A.V. Structure of oxidized hydrolysis lignin // J. Wood Chem. Technol. 2023. Vol. 43, iss. 2. P. 103-115. DOI: 10.1080/02773813.2023.2187064.

30. Zhang M., Ogale A.A.J. Effect of temperature and concentration of acetylated‐lignin solutions on dry‐spinning of carbon fiber precursors // Appl. Polym. Sci. 2016. Vol. 133. Art. no. 43663. DOI: 10.1002/app.43663.