Lignocellulose

Définition

La lignocellulose est un complexe de lignine et de cellulose présent dans les parois cellulaires des plantes ligneuses. La matière lignocellulosique est le composant principal et le tissu de soutien de la paroi cellulaire végétale.

La lignocellulose est largement distribuée dans la biomasse végétale. Elle est la matière organique la plus abondante sur Terre. Elle se trouve dans les résidus de culture tels que les cannes de maïs, la paille de blé, les copeaux de bois, les branches mortes, les feuilles mortes (litière) et les herbes. La quantité totale de lignocellulose représente 30 % à 50 % du poids sec total des plantes.

Les substrats lignocellulosiques et la lignocellulose :

Les substrats lignocellulosiques sont les fruits, légumes et toute matière ligneuse. À droite, structure de la lignocellulose.

Explications

La lignocellulose est formée directement à partir de la photosynthèse des plantes et contient principalement de la cellulose, de l'hémicellulose et de la lignine. Ces trois composants forment la composition principale de la paroi cellulaire végétale.

Les parois cellulaires végétales sont des structures complexes composées principalement de lignocellulose qui est une matrice de réseaux de polysaccharides réticulés, de protéines glycosylées et de lignine. Cette matrice a trois composants principaux : la cellulose (38–50 %), l'hémicellulose (17–32 %) et la lignine (15–30 %).

Les polymères de cellulose, d'hémicellulose, de pectine (glucides) et de lignine (non glucidiques) sont les principaux substrats des enzymes dégradant la lignocellulose. Ils sont présents en grande quantité dans la paroi cellulaire primaire et les fibres alimentaires des principaux fruits et légumes.

La lignocellulose représente une matière première vitale pour la production de nombreux métabolites utilisés pour obtenir des produits de consommation importants dans la vie moderne. Il s'agit d'un biomatériau renouvelable composé de nutriments réutilisables qui peuvent être métabolisés et séparés en divers composés par des champignons. La lignocellulose étant issue de sous-produits agricoles, agro-industriels et de résidus domestiques, cette matière première présente une variabilité dans les composants et leurs quantités respectives. Néanmoins, l'hétérogénéité de la structure lignocellulosique, les champignons la métabolisent par leur machinerie enzymatique et la biotransforment en blocs de construction chimiques et en acides organiques pour les biomatériaux, les additifs alimentaires, les aliments pour animaux et les biocarburants.

Caractéristiques des ressources lignocellulosiques

La matière lignocellulosique a les caractéristiques suivantes :

1. Renouvelabilité : tant que le rayonnement solaire est présent, la photosynthèse des plantes vertes ne s'arrêtera pas; ainsi, les ressources lignocellulosiques ne tariront jamais. Les lignocelluloses sont donc inépuisables.
2. Richesse : on estime que la quantité de lignocellulose produite par la photosynthèse des plantes sur la terre est d'environ 2 × 10¹¹ tonnes par an.
3. Alternative : l'énergie lignocellulosique est une ressource carbonée qui est une alternative aux combustibles fossiles via la conversion en combustibles liquides et gazeux et autres produits chimiques et produits. Cela réduit donc la dépendance aux ressources fossiles.
4. Performances de nettoyage : les ressources lignocellulosiques peuvent réduire les émissions de SO₂, de CO2 et d'autres polluants en remplaçant les combustibles fossiles, et donc améliorer la qualité de l'environnement. Il n'y a presque pas de SO₂ produit au cours du bioraffinage de la lignocellulose. Le CO2 libéré est approximativement équivalent à la quantité de CO2 absorbée par la photosynthèse, et les émissions de CO2 provenant de l'application du traitement de la lignocellulose peuvent être considérées comme nulles.
5. dégradation : la lignocellulose dérivée de la nature peut être dégradée par les microbes et, par conséquent, elle ne créera pas de déchets solides et ne polluera pas l'environnement.
6. La lignocellulose contient trois types d'éléments - le carbone, l'hydrogène et l'oxygène - et est un matériau polymère organique. Il présente les caractéristiques générales d'un polymère organique, telles que l'inflammabilité, le poids moléculaire et l'inhomogénéité de la distribution du poids moléculaire. Pendant ce temps, il peut être associé au groupe fonctionnel de la chimie des polymères et a un état de structure d'agrégation différent.
7. La biomasse lignocellulosique peut réagir chimiquement avec des groupes fonctionnels liés au polymère, qui est une base importante pour modifier la lignocellulose. Selon le groupe fonctionnel de la lignocellulose, les bonnes réactions chimiques peuvent être conçues pour obtenir une lignocellulose modifiée. Par exemple, sur la base de l'estérification des groupes hydroxyle de la cellulose, diverses celluloses modifiées - y compris la nitrocellulose, l'acétate de cellulose et l'ester sulfonate de cellulose - peuvent être préparées.
8. L'impact de l'humidité sur les performances de la lignocellulose est évident. L'effet de l'eau sur la lignocellulose est plus important que la plupart des matériaux polymères synthétiques, car les lignocelluloses ont de riches groupes hydroxyle, amino, carboxyle et hydrophiles. Ces groupes hydrophiles sont reliés par une liaison hydrogène, ce qui entraîne des effets évidents d'absorption d'humidité dans la lignocellulose. D'un point de vue macro, il présente une expansion après absorption d'humidité et un retrait après séchage, accompagnés de changements de propriétés.

Cellulose, hémicellulose et lignine

La cellulose est un polysaccharide constitué d'une chaîne linéaire jusqu'à 10 000 unités de d-glucose liées par des liaisons β-1,4. Ce motif de liaison diffère de la liaison glucose α-1,4 de l'amidon.

L'hémicellulose est également un polysaccharide, mais elle est généralement constituée de chaînes de xylose entrecoupées de chaînes latérales contenant de l'arabinose, du galactose, du mannose, du glucose, de l'acétyle et d'autres groupes de sucre, selon le type de plante.

La lignine est une macromolécule réticulée composée de trois types de phénols substitués (phénylpropanoïdes).

Variabilité dans les résidus végétaux

La concentration de lignocellulose dans les résidus de plantes agricoles (qui sont fréquemment utilisés comme agents de charge) se compose généralement de 50 % à 90 % de la matière organique totale : l'herbe et le maïs ont une concentration relativement faible de lignocellulose et les déchets de paille, de bois et de thé une concentration élevée.

La structure de la lignocellulose varie entre les différents types de biomasse, c'est-à-dire les tiges de maïs, le bois, les tiges de plantes et les vieux papiers, de sorte que la dégradabilité des biomasses avec une concentration de lignocellulose similaire peut donc varier en fonction de la structure de la lignine.

Le fumier de bétail contient entre 30 % et 80 % de lignocellulose, la teneur est affectée par leur régime alimentaire ainsi que par la teneur en paille du fumier (par exemple, pour la litière), c'est-à-dire que le fumier de porcelet contient une faible concentration de lignocellulose en raison de la faible teneur en fibres alimentaires, tandis que les vaches laitières et les buffles ont une concentration élevée car ces animaux sont nourris avec des matières végétales à haute teneur en fibres. En conséquence, la biodégradabilité du fumier varie de 0,38 % à 0,93 % selon le régime alimentaire des animaux et le fumier de bovin a une biodégradabilité inférieure à celle du fumier de porc, en raison de sa teneur plus élevée en lignine et en lignocellulose.

Enzymes lignocellulolytiques

Lors de la transformation des fruits et légumes en produits alimentaires finaux correspondants, les substrats lignocellulosiques sont hydrolysés par différentes enzymes lignocellulolytiques. Actuellement, les enzymes lignocellulolytiques telles que les cellulases, les xylanases, les pectinases et les laccases sont largement utilisées lors de la transformation des fruits et légumes, dans des applications telles que la texturation et l'aromatisation des produits dans les industries alimentaires. Le présent article fournit un aperçu actualisé des applications fonctionnelles des enzymes lignocellulolytiques dans les industries de transformation des jus, d'extraction d'huile et de transformation des boissons alcoolisées.

L'utilisation intensive d'enzymes lignocellulolytiques dans différentes industries de transformation des aliments accélère non seulement les taux de production, mais améliore également la qualité des produits. Il est également possible d'assurer l'utilisation efficace des fruits et légumes à l'échelle mondiale en employant des enzymes lignocellulolytiques dans les industries de transformation correspondantes pour les convertir en denrées alimentaires, ce qui non seulement augmentera leur valeur économique sur le marché mondial, mais augmentera également la disponibilité alimentaire, ce qui aider à atténuer les problèmes nutritionnels dans le monde entier.

Technologies de conversion de la lignocellulose

La technologie de conversion physique de la biomasse de lignocellulose fait référence à la technologie qui modifie la lignocellulose par une méthode ou un processus physique pour produire des produits de grande valeur, réalisant ainsi les valeurs élevées de la lignocellulose.

Les technologies de conversion physique de la lignocellulose sont principalement appliquées à la production de carburant lignocellulosique moulé par compression, de panneaux artificiels, de matériaux de construction et de matières plastiques à base de bois.

La technologie de conversion physique ne nécessite pas de processus de conversion biochimique complexes ni de processus technologique compliqué. En conséquence, il est facile de réaliser l'industrialisation dans certaines régions riches en ressources en lignocellulose, telles que les zones rurales ou les régions forestières de montagne.

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