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Hemicellulosen

Hemicellulosen sind die jüngeren Verwandten der Cellulose. Ihre Ketten sind kürzer, verzweigt und aus mehreren Zuckern aufgebaut. Sie umhüllen die Cellulosefäden und verbinden sie mit dem Lignin.

Hemicellulosen sind Heteropolysaccharide der Zellwand mit einem Polymerisationsgrad von etwa 100-200. Im Gegensatz zur Cellulose sind sie verzweigt und amorph, werden leichter hydrolysiert und lösen sich in Alkali. Nadel- und Laubhölzer enthalten grundlegend verschiedene Hemicellulosen.

Schematische Struktur der wichtigsten Hemicellulosen. Die Verhältnisse der Einheiten sind Näherungswerte.

Welche Zucker

Cellulose besteht nur aus Glucose. Hemicellulosen enthalten mehrere Zucker: Glucose, Mannose, Galactose, Xylose, Arabinose, dazu Zuckersäuren und Essigsäurereste.

Hemicellulosen enthalten Hexosen (D-Glucose, D-Mannose, D-Galactose), Pentosen (D-Xylose, L-Arabinose), Uronsäuren (vor allem 4-O-Methyl-D-glucuronsäure) und Acetylgruppen. Nach der Hauptkette unterscheidet man vor allem Mannane und Xylane; Lärchenholz enthält zudem viel wasserlösliches Arabinogalactan.

Hemicellulosen der Nadelhölzer

Bei Kiefer und Fichte ist die wichtigste Hemicellulose das Galactoglucomannan: eine Kette aus Mannose und Glucose mit vereinzelten Galactose-Seitengruppen. An zweiter Stelle steht ein Xylan mit Arabinose- und Säure-Seitengruppen.

Galactoglucomannane (etwa 20 % des Nadelholzes) besitzen eine Hauptkette aus β-(1→4)-verknüpften D-Mannopyranose- und D-Glucopyranose-Einheiten mit α-(1→6)-gebundenen Galactose-Seitengruppen; ein Teil der Hydroxylgruppen ist acetyliert. Man unterscheidet galactosearme und galactosereiche Fraktionen. Arabino-4-O-methylglucuronoxylan (5-10 %) hat eine β-(1→4)-Xylose-Hauptkette mit 4-O-Methylglucuronsäure- und Arabinofuranose-Seitengruppen und ist nicht acetyliert.

Hemicellulosen der Laubhölzer

Bei Birke und Espe ist fast die gesamte Hemicellulose Xylan: eine Xylosekette mit Essigsäureresten und vereinzelten Säuregruppen. Glucomannan gibt es nur sehr wenig.

O-Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan macht 15-30 % des Laubholzes aus. Auf 10 Xylose-Einheiten kommen etwa 7 Acetylgruppen an C2 oder C3 und etwa eine 4-O-Methylglucuronsäure-Einheit an C2. Glucomannan (2-5 %) besteht aus Glucose und Mannose im Verhältnis zwischen 1:2 und 1:1.

Rolle in der Zellwand

Hemicellulosen wirken als Zwischenschicht. Sie haften an den Cellulosefäden und sind chemisch an das Lignin gebunden. Außerdem ziehen sie Wasser am stärksten an, daher hängt die Quellung des Holzes weitgehend von ihnen ab.

Hemicellulosen adsorbieren an den Oberflächen der Mikrofibrillen und bilden kovalente Lignin-Kohlenhydrat-Bindungen (Ether-, Ester-, glykosidische Bindungen). Da sie amorph sind und viele zugängliche Hydroxylgruppen besitzen, leisten sie den Hauptbeitrag zur Wassersorption der Zellwand.

Beim Aufschluss und in der Bioraffinerie

Beim Zellstoffaufschluss werden die Hemicellulosen als Erste angegriffen: Ein Teil löst sich, und die Faserausbeute sinkt. Andererseits lassen sie sich in wertvolle Produkte umwandeln: Xylit, Furfural, Essigsäure.

Im alkalischen Milieu werden Polysaccharide vom reduzierenden Ende her abgebaut (Peeling-Reaktion); Glucomannane gehen dabei stärker verloren als Xylane, und ein Teil des gelösten Xylans wird an den Fasern wieder adsorbiert. Saure Hydrolyse wandelt Xylane in Xylose um, die durch Hydrierung Xylit und durch Dehydratisierung Furfural liefert; die Acetylgruppen werden als Essigsäure freigesetzt.

Wichtige Fakten

DP
~100-200
Nadelholz: GGM
etwa 20 %
Nadelholz: Xylan
5-10 %
Laubholz: Xylan
15-30 %
Acetyl im Xylan
~7 pro 10 Xyl
Hauptkette
β-(1→4)

Quellen zu diesem Kapitel

  1. Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
  2. Ek M., Gellerstedt G., Henriksson G. (eds.) Wood Chemistry and Wood Biotechnology. Pulp and Paper Chemistry and Technology, vol. 1. Berlin: De Gruyter, 2009.
  3. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  4. Fengel D., Wegener G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin; New York: De Gruyter, 1984.