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.
A hemicellulose (also known as polyose) is one of a number of heteropolymers (matrix polysaccharides), such as arabinoxylans, present along with cellulose in almost all terrestrial plant cell walls. Cellulose is crystalline, strong, and resistant to hydrolysis. Hemicelluloses are branched, shorter in length than cellulose, and also show a propensity to crystallize. They can be hydrolyzed by dilute acid or base as well as a myriad of hemicellulase enzymes.
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.