Атлас

Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы это младшие родственники целлюлозы. Их цепи короче, ветвятся и собраны из разных сахаров. Они обволакивают нити целлюлозы и сцепляют их с лигнином.

Гемицеллюлозы это гетерополисахариды клеточной стенки со степенью полимеризации порядка 100-200. В отличие от целлюлозы они разветвлены, аморфны, легче гидролизуются и растворяются в щелочах. Набор гемицеллюлоз у хвойных и лиственных принципиально разный.

Схема строения главных гемицеллюлоз. Соотношение звеньев примерное.

Из каких сахаров

Целлюлоза собрана только из глюкозы. В гемицеллюлозах сахаров несколько: глюкоза, манноза, галактоза, ксилоза, арабиноза, а ещё сахарные кислоты и остатки уксусной кислоты.

В состав гемицеллюлоз входят гексозы (D-глюкоза, D-манноза, D-галактоза), пентозы (D-ксилоза, L-арабиноза), уроновые кислоты (прежде всего 4-O-метил-D-глюкуроновая) и ацетильные группы. По главной цепи различают в основном маннаны и ксиланы; в древесине лиственницы много водорастворимого арабиногалактана.

Гемицеллюлозы хвойных

У сосны и ели главная гемицеллюлоза это галактоглюкоманнан: цепь из маннозы и глюкозы с редкими боковыми звеньями галактозы. Второе место занимает ксилан с боковыми группами арабинозы и кислоты.

Галактоглюкоманнаны (около 20% древесины хвойных) имеют главную цепь из β-(1→4)-связанных звеньев D-маннопиранозы и D-глюкопиранозы с боковыми α-(1→6)-звеньями галактозы; часть гидроксилов ацетилирована. Различают фракции с низким и высоким содержанием галактозы. Арабино-4-O-метилглюкуроноксилан (5-10%) имеет цепь из β-(1→4)-ксилозы с боковыми звеньями 4-O-метилглюкуроновой кислоты и арабинофуранозы и не ацетилирован.

Гемицеллюлозы лиственных

У берёзы и осины почти все гемицеллюлозы это ксилан: цепь из ксилозы, на которой висят остатки уксусной кислоты и изредка кислотные группы. Глюкоманнана совсем немного.

O-ацетил-4-O-метилглюкуроноксилан составляет 15-30% древесины лиственных. На 10 звеньев ксилозы приходится около 7 ацетильных групп при C2 или C3 и около одного звена 4-O-метилглюкуроновой кислоты при C2. Глюкоманнан (2-5%) состоит из глюкозы и маннозы в соотношении от 1:2 до 1:1.

Роль в клеточной стенке

Гемицеллюлозы работают как прослойка. Они липнут к нитям целлюлозы и химически связаны с лигнином. А ещё они сильнее всего притягивают воду, поэтому от них зависит набухание древесины.

Гемицеллюлозы адсорбируются на поверхности микрофибрилл и образуют ковалентные лигнин-углеводные связи (эфирные, сложноэфирные, гликозидные). Благодаря аморфности и большому числу доступных гидроксилов они вносят основной вклад в сорбцию воды клеточной стенкой.

При варке и в биорефайнинге

При варке целлюлозы гемицеллюлозы страдают первыми: часть растворяется, и выход волокна падает. Зато из них можно получить ценные вещества: ксилит, фурфурол, уксусную кислоту.

В щелочной среде полисахариды деполимеризуются с восстанавливающего конца (реакция ступенчатого отщепления концевых звеньев, peeling); глюкоманнаны теряются сильнее ксиланов, а часть растворённого ксилана снова сорбируется на волокне. При кислотном гидролизе ксиланы дают ксилозу, из которой гидрированием получают ксилит, а дегидратацией фурфурол; ацетильные группы отщепляются в виде уксусной кислоты.

Главное в цифрах

СП
~100-200
хвойные: ГГМ
около 20%
хвойные: ксилан
5-10%
лиственные: ксилан
15-30%
ацетил в ксилане
~7 на 10 Xyl
главная цепь
β-(1→4)

Источники главы

  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.