Гемицеллюлоза (также известная как полиоза ) — один из ряда гетерополимеров (матричных полисахаридов), таких как арабиноксиланы , присутствующих вместе с целлюлозой в клеточных стенках почти всех наземных растений . [1] Целлюлоза кристаллическая, прочная и устойчивая к гидролизу . Гемицеллюлозы разветвлены, короче целлюлозы и также проявляют склонность к кристаллизации. [2] Они могут гидролизоваться разбавленной кислотой или основанием , а также множеством ферментов гемицеллюлаз .
Известны различные виды гемицеллюлоз. Важные примеры включают ксилан , глюкуроноксилан , арабиноксилан , глюкоманнан и ксилоглюкан .
Гемицеллюлозы — это полисахариды , часто связанные с целлюлозой , но с различными составами и структурами. В то время как целлюлоза получается исключительно из глюкозы , гемицеллюлозы состоят из различных 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, а иногда и небольшое количество L-сахаров. Ксилоза в большинстве случаев является мономером сахара, присутствующим в наибольшем количестве, хотя в древесине хвойных пород манноза может быть наиболее распространенным сахаром. В гемицеллюлозе можно найти не только обычные сахара, но и их подкисленные формы, например, глюкуроновую кислоту и галактуроновую кислоту . [3] [4]
В отличие от целлюлозы, гемицеллюлозы состоят из более коротких цепей – 500–3000 единиц сахара. Напротив, каждый полимер целлюлозы состоит из 7000–15000 молекул глюкозы. [5] Кроме того, гемицеллюлозы могут быть разветвленными полимерами , в то время как целлюлоза неразветвлена. Гемицеллюлозы встроены в клеточные стенки растений, иногда в цепи, которые образуют « землю » – они связываются с пектином целлюлозы, образуя сеть сшитых волокон. [ требуется цитата ]
На основании структурных различий, таких как связи в основной цепи и боковые группы, а также других факторов, таких как распространенность и распределение в растениях, гемицеллюлозы можно разделить на четыре группы следующим образом: [4] 1) ксиланы, 2) маннаны ; 3) β-глюканы со смешанными связями ; 4) ксилоглюканы.
Ксиланы обычно состоят из остова β-(1→4)-связанных остатков ксилозы и могут быть далее разделены на гомоксиланы и гетероксиланы. Гомоксиланы имеют остов из остатков D-ксилопиранозы, связанных β(1→4) гликозидными связями. Гомоксиланы в основном имеют структурные функции. Гетероксиланы, такие как глюкуроноксиланы, глюкуроноарабиноксиланы и сложные гетероксиланы, имеют остов из D-ксилопиранозы и коротких углеводных ветвей. Например, глюкуроноксилан имеет замену с α-(1→2)-связанными остатками глюкуронозила и 4-O-метилглюкуронозила. Арабиноксиланы и глюкуроноарабиноксиланы содержат остатки арабинозы, прикрепленные к остову [6]
Гемицеллюлозу маннанового типа можно разделить на два типа на основе различий в их основных цепях: галактоманнаны и глюкоманнаны. Галактоманнаны имеют только β-(1→4)-связанные остатки D-маннопиранозы в линейных цепях. Глюкоманнаны состоят как из β-(1→4)-связанных остатков D-маннопиранозы, так и из β-(1→4)-связанных остатков D-глюкопиранозы в основных цепях. Что касается боковых цепей, остатки D-галактопиранозы, как правило, 6-связаны с обоими типами в качестве одиночных боковых цепей с различным количеством. [1]
Конформация цепей глюкана со смешанными связями обычно содержит блоки β-(1→4) D-глюкопиранозы, разделенные одиночной β-(1→3) D-глюкопиранозой. Популяция β-(1→4) и β-(1→3) составляет около 70% и 30%. Эти глюканы в основном состоят из сегментов целлотриозила (C 18 H 32 O 16 ) и целлотраозила (C 24 H 42 O 21 ) в случайном порядке. Некоторые исследования показывают молярное соотношение целлотриозила/целлотраозила для овса (2,1-2,4), ячменя (2,8-3,3) и пшеницы (4,2-4,5). [1] [5]
Ксилоглюканы имеют скелет, похожий на целлюлозу с остатками α-D-ксилопиранозы в положении 6. Для лучшего описания различных боковых цепей для каждого типа боковой цепи используется однобуквенное кодовое обозначение. G — неразветвленный остаток Glc; X — α-d-Xyl-(1→6)-Glc. L — β-Gal, S — α-l-Araf, F — α-l-Fuc. Это наиболее распространенные боковые цепи. [5]
Два наиболее распространенных типа ксилоглюканов в клеточных стенках растений обозначены как XXXG и XXGG. [1]
Гемицеллюлозы синтезируются из сахарных нуклеотидов в аппарате Гольджи клетки . [8] Две модели объясняют их синтез: 1) «модель из 2 компонентов», где модификация происходит в двух трансмембранных белках, и 2) «модель из 1 компонента», где модификация происходит только в одном трансмембранном белке. После синтеза гемицеллюлозы транспортируются к плазматической мембране через пузырьки Гольджи.
Каждый вид гемицеллюлозы биосинтезируется специализированными ферментами. [8] [9]
Маннановые цепи остовов синтезируются семейством белков, подобных целлюлозосинтазе А (CSLA), и, возможно, ферментами семейства белков, подобных целлюлозосинтазе D (CSLD). [8] [9] Маннансинтаза, особый фермент в CSLA, отвечает за добавление единиц маннозы к остову. [8] [9] Галактозные боковые цепи некоторых маннанов добавляются галактоманнан галактозилтрансферазой. [8] [9] Ацетилирование маннанов опосредуется маннан-О-ацетилтрансферазой, однако этот фермент окончательно не идентифицирован. [9]
Синтез основной цепи ксилоглюкана опосредован целлюлозоподобным белком семейства C (CSLC), в частности глюкансинтазой , которая добавляет единицы глюкозы к цепи. [8] [9] Синтез основной цепи ксилоглюкана также опосредован в некотором роде ксилозилтрансферазой , но этот механизм отделен от его трансферазной функции и остается неясным. [9] Однако ксилозилтрансфераза в своей трансферазной функции используется для добавления ксилозы к боковой цепи. [8] [9] Другие ферменты, используемые для синтеза боковой цепи ксилоглюкана, включают галактозилтрансферазу (которая отвечает за добавление [галактозы и из которой используются две разные формы), фукозилтрансферазу (которая отвечает за добавление фукозы) и ацетилтрансферазу (которая отвечает за ацетилирование). [8] [9]
Синтез остова ксилана, в отличие от синтеза других гемицеллюлоз, не опосредован какими-либо белками, подобными целлюлозосинтазе. [9] Вместо этого за синтез остова отвечает ксилансинтаза, облегчая добавление ксилозы. [9] Было идентифицировано несколько генов для ксилансинтаз. [9] Несколько других ферментов используются для добавления и модификации боковых цепей звеньев ксилана, включая глюкуронозилтрансферазу (которая добавляет [звенья глюкуроновой кислоты], ксилозилтрансферазу (которая добавляет дополнительные звенья ксилозы), арабинозилтрансферазу (которая добавляет арабинозу), метилтрансферазу (ответственную за метилирование ) и ацетилтрансферазу (ответственную за ацетилирование). [9] Учитывая, что глюкан со смешанными связями является неразветвленным гомополимером глюкозы, синтез боковой цепи отсутствует, а происходит только присоединение глюкозы к основной цепи в двух связях, β1-3 и β1-4. [9] Синтез основной цепи опосредуется ферментами семейств F и H белков, подобных целлюлозосинтазе (CSLF и CSLH), в частности глюкансинтаза. [8] [9] Было идентифицировано несколько форм глюкансинтазы из CSLF и CSLH. [8] [9] Все они отвечают за присоединение глюкозы к основной цепи, и все они способны образовывать как β1-3, так и β1-4 связи, однако неизвестно, насколько каждый конкретный фермент вносит вклад в распределение β1-3 и β1-4 связей. [8] [9]
В процессе сульфитной целлюлозы гемицеллюлоза в значительной степени гидролизуется кислотным раствором варки целлюлозы, попадая в коричневый раствор, где ферментируемые гексозные сахара (около 2%) могут быть использованы для производства этанола . Этот процесс в первую очередь применялся к коричневым растворам сульфита кальция. [10]
Арабиногалактаны могут использоваться в качестве эмульгаторов , стабилизаторов и связующих веществ в соответствии с Федеральным законом о пищевых продуктах, лекарственных средствах и косметических средствах. Арабиногалактаны также могут использоваться в качестве связующего вещества в подсластителях . [11]
Пленки на основе ксилана демонстрируют низкую проницаемость для кислорода и поэтому представляют потенциальный интерес в качестве упаковки для продуктов, чувствительных к кислороду. [12]
Агар используется для приготовления желе и пудингов. Он также является питательной средой для микроорганизмов с другими питательными веществами . [13]
Курдлан может использоваться в качестве заменителя жира для производства диетических продуктов, при этом сохраняя вкус и ощущение во рту настоящих жиросодержащих продуктов. [13]
b-глюканы играют важную роль в пищевых добавках , а также перспективны в решении проблем, связанных со здоровьем, особенно при иммунных реакциях и лечении рака. [14]
Ксантан, с другими полисахаридами может образовывать гели, которые имеют высокую вязкость раствора , который может использоваться в нефтяной промышленности для загущения бурового раствора. В пищевой промышленности ксантан используется в таких продуктах, как заправки и соусы. [15]
Альгинат играет важную роль в разработке антимикробных тканей благодаря своей экологичности и высокому уровню индустриализации как устойчивого биополимера . [16]
Как полисахаридное соединение в клеточных стенках растений, подобное целлюлозе, гемицеллюлоза помогает целлюлозе в укреплении клеточных стенок растений. [6] Гемицеллюлоза взаимодействует с целлюлозой , обеспечивая сшивание микрофибрилл целлюлозы : гемицеллюлоза будет искать пустоты в клеточной стенке во время ее формирования и обеспечивать поддержку вокруг целлюлозных фибрилл , чтобы снабдить клеточную стенку максимально возможной прочностью, которую она может обеспечить. [6] Гемицеллюлоза доминирует в средней пластинке растительной клетки, в отличие от целлюлозы , которая в основном находится во вторичных слоях. Это позволяет гемицеллюлозе обеспечивать среднюю поддержку для целлюлозы на внешних слоях растительной клетки. В некоторых клеточных стенках гемицеллюлоза также будет взаимодействовать с лигнином , обеспечивая структурную тканевую поддержку большего количества сосудистых растений. [3] [17]
Существует много способов получения гемицеллюлозы; все они основаны на методах экстракции через лиственные или хвойные деревья, измельченные в более мелкие образцы. В лиственных породах основным экстрактом гемицеллюлозы является глюкуронокслан (ацетилированные ксиланы), тогда как в хвойных породах содержится галактоглюкоманнан. [18] [19] Перед экстракцией древесину обычно необходимо измельчить в щепу разного размера в зависимости от используемого реактора. После этого используется процесс экстракции горячей водой, также известный как автогидролиз или гидротермальная обработка, с добавлением кислот и оснований для изменения размера и свойств выхода. [18] [19] Главное преимущество экстракции горячей водой заключается в том, что она предлагает метод, в котором единственным необходимым химикатом является вода, что делает его экологически чистым и дешевым. [20]
Цель обработки горячей водой — удалить из древесины как можно больше гемицеллюлозы. Это делается путем гидролиза гемицеллюлозы для получения более мелких олигомеров и ксилозы. Ксилоза при дегидратации становится фурфуролом. [21] Когда целью являются ксилоза и фурфурол [ проверьте написание ] , добавляются кислотные катализаторы, такие как муравьиная кислота, для увеличения перехода полисахарида в моносахариды. Было также показано, что этот катализатор также использует эффект растворителя для содействия реакции. [21]
Одним из методов предварительной обработки является замачивание древесины в разбавленных кислотах (с концентрацией около 4%). Это преобразует гемицеллюлозу в моносахариды. Когда предварительная обработка проводится с помощью оснований (например, гидроксида натрия или калия), это разрушает структуру лигнина. [19] Это изменяет структуру с кристаллической на аморфную. Гидротермальная предварительная обработка является другим методом. [ необходимо дополнительное объяснение ] Это дает такие преимущества, как отсутствие необходимости в токсичных или едких растворителях, а также в специальных реакторах и отсутствие дополнительных затрат на утилизацию опасных химикатов. [18]
Процесс извлечения горячей водой осуществляется в реакторах периодического действия, полунепрерывных реакторах или реакторах непрерывного действия с использованием суспензии. Для реакторов периодического действия и полунепрерывных реакторов образцы древесины могут использоваться в таких условиях, как щепа или гранулы, в то время как реактор с использованием суспензии должен иметь частицы размером от 200 до 300 микрометров. [19] При уменьшении размера частиц снижается и выход продукции. [22] Это происходит из-за увеличения содержания целлюлозы. [ требуется ссылка ]
Процесс с горячей водой осуществляется при температуре от 160 до 240 градусов Цельсия для поддержания жидкой фазы. Это делается выше нормальной температуры кипения воды для увеличения растворимости гемицеллюлозы и деполимеризации полисахаридов. [21] Этот процесс может занять от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от температуры и pH системы. [19] Более высокие температуры в сочетании с более длительным временем экстракции приводят к более высоким выходам. Максимальный выход достигается при pH 3,5. [18] Если ниже, выход экстракции экспоненциально уменьшается. Для контроля pH обычно добавляют бикарбонат натрия. [18] Бикарбонат натрия ингибирует автолиз ацетильных групп, а также ингибирует гликозильные связи. В зависимости от температуры и времени гемицеллюлоза может быть далее преобразована в олигомеры, мономеры и лигнин. [18]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )