Введение

Класс полисахаридов клеточной стенки растений. Гемицеллюлоза (также известная как полиоза) — один из множества гетерополимеров (полисахаридов матрицы), таких как арабиноксиланы, присутствующих вместе с целлюлозой почти во всех клеточных стенках наземных растений. Целлюлоза является кристаллической, прочной и устойчивой к гидролизу. Гемицеллюлозы разветвлены, короче целлюлозы по длине и также склонны к кристаллизации. Они могут быть гидролизованы разбавленной кислотой или щелочью, а также множеством ферментов гемицеллюлаз.

Состав

Известны различные виды гемицеллюлоз. Важными примерами являются ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксилан, глюкоманнан и ксилоглюкан. Гемицеллюлозы – это полисахариды, часто ассоциированные с целлюлозой, но обладающие отличным составом и структурой. В то время как целлюлоза состоит исключительно из глюкозы, гемицеллюлозы состоят из разнообразных сахаров и могут включать пятиуглеродные сахара – ксилозу и арабинозу, шестиуглеродные сахара – глюкозу, маннозу и галактозу, а также шестиуглеродный дезоксисахар – рамнозу. Гемицеллюлозы содержат большую часть D-пентозных сахаров, и иногда небольшое количество L-сахаров. Ксилоза в большинстве случаев является сахаром-мономером, присутствующим в наибольшем количестве, хотя в хвойных породах древесины манноза может быть наиболее распространенным сахаром. В гемицеллюлозе можно обнаружить не только обычные сахара, но и их кислотные формы, например, глюкуроновую и галактуроновую кислоты. Кроме того, гемицеллюлозы могут быть разветвленными полимерами, в то время как целлюлоза неразветвлена. Гемицеллюлозы встроены в клеточные стенки растений, иногда в виде цепочек, формирующих «основную массу» – они связываются с пектином и целлюлозой, образуя сеть переплетенных волокон. Основываясь на структурных различиях, таких как тип связей в основной цепи и боковые группы, а также других факторах, таких как распространенность и распределение в растениях, гемицеллюлозы можно классифицировать на четыре группы следующим образом: 1) ксиланы, 2) мананы, 3) β-глюканы со смешанными связями, 4) ксилоглюканы.

Ксилоны

Ксиланы обычно состоят из цепи β (1→4)-связанных остатков ксилозы и могут быть далее разделены на гомоксиланы и гетероксиланы. Гомоксиланы имеют цепь, состоящую из остатков D-ксилопиранозы, соединенных β(1→4)-гликозидными связями. Гомоксиланы в основном выполняют структурные функции. Гетероксиланы, такие как глюкуроноксиланы, глюкуроноарабиноксиланы и сложные гетероксиланы, имеют цепь из D-ксилопиранозы и короткие углеводные ветви. Например, глюкуроноксилан содержит замещения α(1→2)-связанными остатками глюкуронозила и 4-O-метилглюкуронозила. Арабиноксиланы и глюкуроноарабиноксиланы содержат остатки арабинозы, присоединенные к цепи.

Естественные функции

Как полисахаридное соединение в клеточных стенках растений, сходное с целлюлозой, гемицеллюлоза способствует укреплению клеточных стенок растений вместе с целлюлозой.

Экстракция

Существует множество способов получения гемицеллюлозы; все они основаны на методах извлечения из твердой или мягкой древесины, измельченной на более мелкие образцы. В твердой древесине основным экстрагируемым гемицеллюлозным компонентом является глюкуроноксилан (ацетилированный ксилан), а в мягкой древесине – галактоглюкоманнан. Перед извлечением древесину обычно измельчают в древесную щепу различного размера в зависимости от используемого реактора. Далее применяют процесс экстракции горячей водой, также известный как автогидролиз или гидротермальная обработка, с добавлением кислот и щелочей для изменения выхода и свойств продукта. Целью обработки горячей водой является максимальное удаление гемицеллюлозы из древесины. Это достигается путем гидролиза гемицеллюлозы с образованием более мелких олигомеров и ксилозы. При обезвоживании ксилоза превращается в фурфураль. Если целью являются ксилоза и фурфураль, добавляют кислотные катализаторы, такие как муравьиная кислота, для увеличения перехода полисахаридов в моносахариды. Этот катализатор также проявляет растворяющий эффект, способствуя реакции, что связано с увеличением содержания целлюлозы. Процесс с горячей водой проводят при температуре от 160 до 240 градусов Цельсия для поддержания жидкой фазы. Это делается при температуре выше нормальной точки кипения воды для увеличения растворимости гемицеллюлозы и деполимеризации полисахаридов. Процесс может занимать от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от температуры и pH системы. Более высокие температуры в сочетании с более длительным временем экстракции приводят к более высоким выходам. Максимальный выход достигается при pH 3,5. При более низких значениях pH выход экстракции экспоненциально снижается. Для контроля pH обычно добавляют бикарбонат натрия, который ингибирует аутолиз ацетильных групп и гликозидные связи. В зависимости от температуры и времени гемицеллюлоза может быть дополнительно преобразована в олигомеры, мономеры и лигнин.