Кіріспе

Өсімдік жасуша қабырғаларының полисахаридтері класы. Гемицеллюлоза (полиоза деп те аталады) – арабиноксиландар сияқты көптеген гетерополимерлердің (матрицалық полисахаридтердің) бірі болып табылады және дерлік барлық құрлықтағы өсімдік жасуша қабырғаларында целлюлозамен бірге кездеседі. Целлюлоза кристалдық, берік және гидролизге төзімді. Гемицеллюлозалар тармақталған, целлюлозадан қысқарақ және кристалдануға бейім. Оларды сұйылтылған қышқыл немесе сілте, сондай-ақ көптеген гемицеллюлаза ферменттерімен гидролиздейді.

Құрамы

Гемицеллюлозаның әртүрлі түрлері белгілі. Маңызды мысалдарға ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксилан, глюкоманнан және ксилоглюкан жатады. Гемицеллюлозалар – көбінесе целлюлозамен байланысты полисахаридтер, бірақ олардың құрамы мен құрылымы ерекше. Целлюлоза тек глюкозадан тұрады, ал гемицеллюлозалар әртүрлі қанттардан құралған, олардың ішінде бес көміртекті қанттар – ксилоза мен арабиноза, алты көміртекті қанттар – глюкоза, манноза және галактоза, сондай-ақ алты көміртекті дезоксиқант – рамноза бар. Гемицеллюлозаларда көбінесе D пентозалы қанттар кездеседі, кейде аз мөлшерде L қанттары да болуы мүмкін. Ксилоза көбінесе ең көп мөлшерде кездесетін қант мономеры болып табылады, бірақ жұмсақ ағаштарда манноза басым болуы мүмкін. Гемицеллюлозада тек тұрақты қанттар ғана емес, сонымен қатар олардың қышқылданған түрлері де кездеседі, мысалы, глюкурон қышқылы және галактурон қышқылы. Бұған қоса, гемицеллюлозалар тармақталған полимерлер болуы мүмкін, ал целлюлоза тармақталмайды. Гемицеллюлозалар өсімдіктердің жасушалық қабырғаларында орналасқан, кейде "негіз" құрайтын тізбектер түзеді – олар пектинмен целлюлозаға байланысып, өзара байланысқан талшықтардың желісін құрайды. Құрылымдық ерекшеліктеріне, мысалы, тірек байланыстары мен қосымша топтарға, сондай-ақ өсімдіктердегі мөлшері мен таралу сияқты факторларға сүйене отырып, гемицеллюлозаларды төрт топқа жіктеуге болады: 1) ксиландар, 2) маннандар; 3) аралас байланыстағы β-глюкандар; 4) ксилоглюкандар.

Ксиландар

Ксиландар әдетте β (1→4) байланысқан ксилоза қалдықтарынан тұрады және гомоксиландар мен гетероксиландарға бөлінеді. Гомоксиланның тірек сүйегі β (1→4) гликозидтік байланыстар арқылы байланысқан D ксилопираноза қалдықтарынан құралған. Гомоксиланның басты функциясы – құрылымдық. Глюкуроноксилан, глюкуроноарабиноксилан және күрделі гетероксиландар сияқты гетероксиландардың тірек сүйегі D ксилопиранозадан және қысқа көмірсутектік тармақтардан тұрады. Мысалы, глюкуроноксилан α (1→2) байланысқан глюкуронозил және 4-O-метилглюкуронозил қалдықтарымен алмастырылған. Арабиноксиландар мен глюкуроноарабиноксиландар тірек сүйекке бекітілген арабиноза қалдықтарын қамтиды.

Табиғи функциялар

Өсімдік жасуша қабырғаларында целлюлозаға ұқсас полисахаридтік қосылыс ретінде гемицеллюлоза, өсімдік жасуша қабырғаларын нығайтуда целлюлозаға көмектеседі.

Экстракциялау

Гемицеллюлозаны алудың көптеген жолдары бар; олардың барлығы ұсақ үлгілерге ұнтақталған қатты немесе жұмсақ ағаштарды пайдалану арқылы экстракция әдістеріне негізделген. Қатты ағаштарда негізгі гемицеллюлоза экстракты – глюкуроноксилан (ацетилденген ксилан), ал жұмсақ ағаштарда – галактоглюкоманнан кездеседі. Экстракция алдында ағаш, қолданылатын реактор түріне қарай, әртүрлі өлшемдегі ағаш ұнына дейін ұнтақталуы керек. Содан кейін, өнімділік мөлшері мен қасиеттерін өзгерту үшін қышқылдар мен негіздер қосылатын ыстық сумен экстракция процесі, сондай-ақ автогидролиз немесе гидротермиялық өңдеу қолданылады. Ыстық сумен өңдеудің мақсаты – ағаштан мүмкіндігінше көп гемицеллюлозаны алу. Бұл гемицеллюлозаны кіші олигомерлер мен ксилозаға дейін гидролиз арқылы жүзеге асырылады. Ксилозадан су шығарылғанда фурфурал пайда болады. Егер мақсат ксилоза мен фурфурал болса, полисахаридтің моносахаридке өтуін арттыру үшін құмырсқа қышқылы сияқты қышқыл катализаторлары қосылады. Бұл катализатор реакцияға көмектесу үшін еріткіштік әсерін де қолданатыны дәлелденді, бұл целлюлозаның артуына байланысты. Ыстық су процесі сұйық фазаны сақтау үшін 160-240 градус Цельсий температура диапазонында жүргізіледі. Бұл гемицеллюлозаның ерігіштігін және полисахаридтердің деполимерленуін арттыру үшін судың қалыпты қайнау температурасынан жоғары температурада жасалады. Бұл процесс жүйенің температурасы мен pH деңгейіне байланысты бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін созылуы мүмкін. Жоғары температурамен ұзақ экстракция уақыты жоғары өнімділікке әкеледі. pH 3,5 болғанда максималды өнімділікке жетеді. Егер pH төмен болса, экстракция өнімділігі экспоненциалды түрде төмендейді. pH деңгейін бақылау үшін әдетте натрий бикарбонаты қосылады. Натрий бикарбонаты ацетил тобының автолизін, сондай-ақ гликозидтік байланыстарды тежейді. Температура мен уақытқа байланысты гемицеллюлоза олигомерлерге, мономерлерге және лигнинге айналуы мүмкін.