Гемицеллюлоза (также известная как polyose ) является одним из ряда гетерополимера (матричные полисахариды), такие как арабиноксиланы , присутствующие наряду с целлюлозой в почти все наземные растениях клеточных стенок . [1] В то время как целлюлоза кристаллическая, прочная и устойчивая к гидролизу , гемицеллюлозы имеют беспорядочную аморфную структуру с небольшой прочностью. Они легко гидролизуются разбавленной кислотой или основанием, а также множеством ферментов гемицеллюлазы .
Состав [ править ]
Известны самые разные виды гемицеллюлоз. Важные примеры включают ксилан , глюкуроноксилан , арабиноксилан , глюкоманнан и ксилоглюкан .
Гемицеллюлозы - это полисахариды, часто связанные с целлюлозой , но целлюлоза и гемицеллюлоза имеют разные составы и структуры. Разнообразные сахара включают гемицеллюлозу, тогда как целлюлоза получается исключительно из глюкозы. Например, помимо глюкозы, сахарные мономеры в гемицеллюлозах могут включать пятиуглеродные сахара ксилозу и арабинозу , шестиуглеродные сахара маннозу и галактозу и шестиуглеродный дезоксисахар рамнозу . Гемицеллюлозы содержат большую часть сахаров D- пентозы , а иногда и небольшие количества L-сахаров. Ксилозав большинстве случаев мономер сахара присутствует в наибольшем количестве, хотя в хвойных породах самым распространенным сахаром может быть манноза. В гемицеллюлозе можно найти не только обычные сахара, но также могут присутствовать их подкисленные формы, например глюкуроновая кислота и галактуроновая кислота . [2] [3]
Структурное сравнение с целлюлозой [ править ]
В отличие от целлюлозы гемицеллюлозы состоят из более коротких цепей - 500–3000 сахарных единиц. Напротив, каждый полимер целлюлозы составляет от 7000 до 15000 молекул глюкозы. [4] Кроме того, гемицеллюлоза может быть разветвленными полимеры , в то время как целлюлоза является неразветвленной. Гемицеллюлозы встроены в клеточные стенки растений, иногда в цепочки, которые образуют « землю » - они связываются с пектином с целлюлозой, образуя сеть из поперечно сшитых волокон.
Основываясь на структурных различиях, таких как звенья основной цепи и боковые группы, а также других факторов, таких как численность и распределение в растениях, гемицеллюлозу можно разделить на четыре группы следующим образом: [3] 1) ксиланы , 2) маннаны ; 3) β-глюканы со смешанными связями ; 4) Ксилоглюканы .
Ксиланы
Ксиланы обычно состоят из основной цепи остатков ксилозы, связанных с β- (1 → 4) . И его можно разделить на гомоксиланы и гетероксиланы. Homoxylans имеет основу из остатков D-ксилопиранозы, связанных β (1 → 3) или смешанными β (1 → 3, 1 → 4) -гликозидными связями. Гомоксиланы в основном несут структурные функции. Гетероксиланы, такие как глюкуроноксиланы , глюкуроноарабиноксиланы и сложные гетероксиланы, имеют основу из D-ксилопиранозы и короткие углеводные ответвления. Например, глюкуроноксилан имеет замещение α- (1 → 2) -связанными глюкуронозильными и 4-O-метилглюкуронозильными остатками. И арабиноксиланы и glucuronoarabinoxylans содержат арабинозы остатков , прикрепленные к позвоночнику [5]
Маннаны
Гемицеллюлозу маннанового типа можно разделить на два типа в зависимости от разницы 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 имеют тенденцию быть 6-связанными с обоими типами в виде одинарных боковых цепей с различным количеством. [1]
Β-глюканы со смешанной связью
Конформация глюкановых цепей со смешанными связями обычно содержит блоки β- (1 → 4) D-глюкопиранозы, разделенные одной β- (1 → 3) D-глюкопиранозой. Население 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 целлотриозил / целлотраозил для овса (2,1–2,4), ячменя (2,8–3,3) и пшеницы (4,2–4,5). [1] [4]
Ксилоглюканы
Ксилоглюканы имеют основу, аналогичную целлюлозе, с остатками α-D-ксилопиранозы в положении 6. Чтобы лучше описать различные боковые цепи, для каждого типа боковой цепи используется обозначение однобуквенного кода. G - неразветвленный остаток Glc; Х - α-d-Ксил- (1 → 6) -Glc. L - β-Гал, S - α-1-Араф, F- α-1-Фук. Это самые распространенные боковые цепи. [4]
Два наиболее распространенных типа ксилоглюканов в стенках растительных клеток обозначаются как XXXG и XXGG. [1]
Биосинтез [ править ]
Гемицеллюлозы синтезируются из нуклеотидов сахара в аппарате Гольджи клетки . [7] Две модели объясняют их синтез: 1) «2-компонентная модель», где модификация происходит в двух трансмембранных белках, и 2) «1-компонентная модель», где модификация происходит только в одном трансмембранном белке. После синтеза гемицеллюлозы транспортируются к плазматической мембране через везикулы Гольджи.
Каждый вид гемицеллюлозы биосинтезируется специальными ферментами. [7] [8]
Маннан цепных остовы синтезируются целлюлозы синтаза-подобный белок семейства А (CSLA) и , возможно , ферменты в целлюлозном синтазе-подобное семейство белков D (CSLD). [7] [8] Маннан-синтаза, особый фермент CSLA, отвечает за добавление единиц маннозы к основной цепи. [7] [8] В галактозах боковых цепях некоторых маннанов добавляют Галактоманнан галактозилтрансфераза. [7] [8] Ацетилирование из маннанов опосредуются маннан O-ацетилтрансфераза, однако, этот фермент не был окончательно идентифицирован. [8]
Ксилоглюкан синтез магистрального опосредуются целлюлозы синтаза-подобное семейство белков C (CSLC), в частности , глюкан - синтазы , который добавляет глюкозы единиц в цепи. [7] [8] Основной синтез ксилоглюкана также каким-то образом опосредуется ксилозилтрансферазой , но этот механизм не связан с его функцией трансферазы и остается неясным. [8] Ксилозилтрансфераза в своей трансферазной функции, однако, используется для добавления ксилозы к боковой цепи. [7] [8] Другие ферменты, используемые для синтеза боковой цепи ксилоглюкана, включают галактозилтрансферазу.(который отвечает за добавление галактозы и из которых используются две разные формы), фукозилтрансфераза (которая отвечает за добавление фукозы ) и ацетилтрансфераза (которая отвечает за ацетилирование ). [7] [8]
Синтез основной цепи ксилана , в отличие от синтеза других гемицеллюлоз, не опосредуется какими-либо белками, подобными синтазе целлюлозы. [8] Вместо этого ксилансинтаза отвечает за синтез основной цепи, облегчая добавление ксилозы . [8] Было идентифицировано несколько генов ксилансинтаз. [8] Несколько других ферментов используются для добавления и модификации боковых звеньев ксилана , включая глюкуронозилтрансферазу (которая добавляет единицы глюкуроновой кислоты ), ксилозилтрансферазу (которая добавляет дополнительные единицы ксилозы ), арабинозилтрансферазу (которая добавляетарабиноза ), метилтрансфераза (ответственная за метилирование ) и ацетилтрансфераза (ответственная за ацетилирование ). [8] Учитывая, что глюкан со смешанными связями представляет собой неразветвленный гомополимер глюкозы , не происходит синтеза боковой цепи, а только добавление глюкозы к основной цепи в двух связях, β1-3 и β1-4. [8] Синтез Магистрали опосредовано ферментов в целлюлозных синтазах-подобный белковым семейства F и H (ФС и CSLH), в частности , глюкан - синтазы . [7] [8] Несколько форм глюкансинтазыот CSLF и CSLH. [7] [8] Все они несут ответственность за добавление глюкозы к основной цепи, и все они способны продуцировать связи как β1-3, так и β1-4, однако неизвестно, насколько каждый конкретный фермент способствует распределению β1 -3 и β1-4 связи. [7] [8]
Приложения [ править ]
В процессе сульфитной целлюлозы гемицеллюлоза в значительной степени гидролизуется кислым щелоком варки целлюлозы, попадая в коричневый щелок, где сбраживаемые гексозные сахара (около 2%) можно использовать для производства этанола . Этот процесс в основном применялся для коричневых щелоков на основе сульфита кальция. [ необходима цитата ]
- Арабиногалактан
Арабиногалактаны могут использоваться в качестве эмульгаторов , стабилизаторов и связующих веществ в соответствии с Федеральным законом о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах . Арабиногалактаны также можно использовать в качестве связующего для множества вещей, таких как подсластители . [9]
- Ксилан
Пленки на основе ксилана обладают низкой проницаемостью для кислорода и поэтому представляют потенциальный интерес в качестве упаковки для чувствительных к кислороду продуктов. [10]
- Агар
Агар используется для приготовления желе и пудингов. Это также питательная среда с другими питательными веществами для микроорганизмов . [11]
- Курдлан
Курдлан можно использовать в качестве заменителя жира для производства диетического питания, при этом он имеет вкус и ощущение во рту настоящих жиросодержащих продуктов. [11]
- бета-глюкан
β-глюканы играют важную роль в добавках к пище, в то время как β-глюканы также перспективны в вопросах, связанных со здоровьем, особенно в иммунных реакциях и лечении рака. [12]
- Ксантан
Ксантан вместе с другими полисахаридами может образовывать гели с высокой вязкостью раствора, которые можно использовать в нефтяной промышленности для загущения бурового раствора. В пищевой промышленности ксантан используется в таких продуктах, как заправки и соусы. [13]
- Альгинат
Альгинат играет важную роль в разработке антимикробных тканей из-за его характеристик экологичности и высокого уровня индустриализации в качестве устойчивого биополимера . [14]
Естественные функции [ править ]
Гемицеллюлоза в клетках растений
- Наряду с целлюлозой в стенках растительных клеток гемицеллюлоза способствует укреплению клеточной стенки.
- Гемицеллюлоза также представляет собой полисахаридное соединение в стенках растительных клеток, подобное целлюлозе [5]
- Соединение гемицеллюлозы взаимодействует с целлюлозой , обеспечивая сшивание микрофибрилл целлюлозы.
- Гемицеллюлоза будет искать пустоты в клеточной стенке во время ее образования и обеспечивать поддержку вокруг фибрилл целлюлозы [5]
- Этот процесс осуществляется гемицеллюлозой, чтобы придать клеточной стенке максимально возможную прочность.
- Гемицеллюлоза доминирует среднюю ламель из растительной клетки, в отличие от целлюлозы , которая в основном содержится во вторичных слоях.
- Это позволяет гемицеллюлозе обеспечивать промежуточную поддержку целлюлозы на внешних слоях растительной клетки.
- Гемицеллюлоза будет искать пустоты в клеточной стенке во время ее образования и обеспечивать поддержку вокруг фибрилл целлюлозы [5]
- В немногих клеточных стенках гемицеллюлоза также будет взаимодействовать с лигнином, обеспечивая структурную тканевую поддержку большего количества сосудистых растений [2]
Извлечение [ править ]
Есть много способов получить гемицеллюлозу; все они основаны на методах экстракции из твердых или мягких пород деревьев, измельченных на более мелкие образцы. В древесине лиственных пород основным экстрактом гемицеллюлозы является глюкуронокслян (ацетилированные ксиланы), тогда как галактоглюкоманнан содержится в древесине хвойных пород. [15] [16] Перед экстракцией древесину обычно необходимо измельчить в древесную щепу различных размеров 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 значительного изменения размера и свойств выхода. [15] [16]Основным преимуществом экстракции горячей водой является то, что он предлагает метод, при котором единственным необходимым химическим веществом является вода, что делает его экологически безопасным и дешевым. [ необходима цитата ]
Цель обработки горячей водой - добиться как можно большего удаления гемилекулозы из древесины. Это осуществляется путем гидролиза гемицеллюлозы с получением олигомеров меньшего размера и моносахаридной ксилозы. Ксилоза при обезвоживании превращается в фурфурол. [17] Когда целью является ксилоза и фуфурол [ проверьте правописание ] , добавляются кислотные катализаторы, такие как муравьиная кислота, для увеличения перехода полисахарида в моносахарид. Было также показано, что этот катализатор также использует эффект растворителя для облегчения реакции. [17]
Один из методов предварительной обработки - пропитать древесину разбавленными кислотами (с концентрацией около 4%). Это превращает hydroloze [ Проверка орфографии ] гемицеллюлозы в monosaccharaides. Когда предварительная обработка выполняется основаниями (например, гидроксидом натрия или калия), это разрушает структуру собственного лигнина. [16] Это изменяет структуру с кристаллической на аморфную. Другой метод предварительной обработки - это предварительная гидротермическая обработка. Это дает такие преимущества, как отсутствие необходимости в токсичных или коррозионных растворителях, в специальных реакторах и в дополнительных затратах на утилизацию опасных химикатов. [15]
Процесс экстракции горячей водой осуществляется в реакторах периодического действия, полунепрерывных реакторах или суспензионных реакторах непрерывного действия. Для реакторов периодического и полунепрерывного действия можно использовать образцы древесины в таких условиях, как щепа или гранулы, в то время как суспензионный реактор должен иметь частицы размером от 200 до 300 микрометров. [16] При уменьшении размера частиц снижается и выход продукции. [18] Это связано с увеличением количества целлюлозы. [ необходима цитата ]
Процесс горячей воды работает в диапазоне температур от 160 до 240 градусов Цельсия, чтобы сохранить жидкую фразу. Это делается при температуре выше нормальной температуры кипения воды для увеличения солюбилизации гемицеллюлозы и деполимеризации полисахаридов. [17] Этот процесс может занять от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от температуры и pH системы. [16] Более высокие температуры в сочетании с более длительным временем экстракции приводят к более высокому выходу. Максимальный выход достигается при pH 3,5. [15] Если ниже, выход экстракции экспоненциально уменьшается. Для регулирования pH обычно добавляют бикарбонаты натрия. [15] Биокарбонаты натрия ингибируют автодиолиз ацетильных групп, а также ингибируют гликозилирование.[ проверить орфографию ] облигации. В зависимости от температуры и времени гемицеллюлоза может быть далее преобразована в олигомеры, мономеры и лигнин. [15]
См. Также [ править ]
- Целлюлоза
- Лигнин
- Полисахариды
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d Шеллер Х.В., Ульвсков П. Гемицеллюлозы. // Annu Rev Plant Biol. 2010; 61: 263-89. DOI: 10.1146 / annurev-arplant-042809-112315 .
- ^ a b Эбрингерова, Анна; Громадкова, Зденка; Хайнце, Томас (2005), Хайнце, Томас, "Гемицеллюлоза" ( под ред.) Полисахариды I: Структура, характеристика и использование , Прогресс в Polymer Science, Springer, С. 1-67. DOI : 10.1007 / b136816 , ISBN 978-3-540-31583-4
- ^ a b Полисахариды I: структура, характеристика и применение . Хайнце, Томас, 1958-. Берлин: Springer. 2005. ISBN 978-3-540-31583-4. OCLC 262681325 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ а б в Гибсон LJ (2013). «Иерархическая структура и механика растительного сырья» . Журнал Интерфейса Королевского общества . 9 (76): 2749–2766. DOI : 10,1098 / rsif.2012.0341 . PMC 3479918 . PMID 22874093 .
- ^ a b c Шеллер, Хенрик Вайб; Ульвсков, Петр (02.06.2010). «Гемицеллюлозы». Ежегодный обзор биологии растений . 61 (1): 263–289. DOI : 10,1146 / annurev-arplant-042809-112315 . ISSN 1543-5008 . PMID 20192742 .
- ^ Нимц, Хорст H; Шмитт, Уве; Шваб, Эккарт; Виттманн, Отто; Вольф, Франц (2000-06-15), "Wood", в Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (ред.), Энциклопедия промышленной химии Ульманна , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, стр. A28_305, DOI : 10.1002 / 14356007.a28_305 , ISBN 978-3-527-30673-2
- ^ Б с д е е г ч я J K Чжу, Сяоюй; Синь, Сяорань; Гу, Инь (2019), Коэн, Ефрем; Merzendorfer, Hans (ред.), "Целлюлоза и гемицеллюлоза Синтез и их регулирование в клетках растений", Внеклеточные на основе сахар Биополимеры матрицы , Спрингер International Publishing, 12 , стр 303-353,. DOI : 10.1007 / 978-3-030- 12919-4_7 , ISBN 978-3-030-12918-7
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Паули, Маркус; Гилле, Саша; Лю, Лифэн; Мансури, Насим; де Соуза, Амансио; Шультинк, Алекс; Сюн, Гуанян (2013). «Биосинтез гемицеллюлозы». Planta . 238 (4): 627–642. DOI : 10.1007 / s00425-013-1921-1 . ISSN 0032-0935 . PMID 23801299 . S2CID 17501948 .
- ^ WHISTLER, RL (1993). ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ. In Industrial Gums (стр. 295–308). Эльзевир. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-092654-4.50015-2
- ^ Grondahl, М., & Gatenholm, P. (2007). Пленки кислородного барьера на основе ксиланов, выделенных из биомассы. В серии симпозиумов ACS (стр. 137–152). Американское химическое общество. https://doi.org/10.1021/bk-2007-0954.ch009
- ^ a b Спиридон, И., и Попа, VI (2008). Гемицеллюлозы: основные источники, свойства и применение. В мономерах, полимерах и композитах из возобновляемых ресурсов (стр. 289–304). Эльзевир. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-045316-3.00013-2
- ^ Vetvicka, В., Vannucci, Л., Сим, П., и Рихтер, J. (2019). Бета-глюкан: добавка или лекарство? От лаборатории к клиническим испытаниям. Molecules, 24 (7), 1251. https://doi.org/10.3390/molecules24071251.
- ^ Наваррете, RC, Химес, RE, и Seheult, JM (2000). Применение ксантановой камеди для контроля потери жидкости и связанного с ней повреждения пластами. Конференция SPE по добыче нефти и газа Пермского бассейна. Конференция SPE по добыче нефти и газа Пермского бассейна. https://doi.org/10.2118/59535-ms
- Перейти ↑ Li, J., He, J., & Huang, Y. (2017). Роль альгината в антибактериальной отделке тканей. Международный журнал биологических макромолекул, 94, 466–473. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.10.054
- ^ a b c d e f Галлина, Джанлука; Кабеса, Альваро; Гренман, Хенрик; Биази, Пьердоменико; Гарсия-Серна, Хуан; Салми, Тапио (2018-03-01). «Экстракция гемицеллюлозы путем предварительной обработки горячей водой под давлением при 160ºC для 10 различных пород древесины: выход и молекулярная масса» . Журнал сверхкритических жидкостей . Фракционирование биомассы субкритической и сверхкритической водой. 133 : 716–725. DOI : 10.1016 / j.supflu.2017.10.001 . ISSN 0896-8446 .
- ^ a b c d e Li Z, Qin M, Xu C, and Chen X (2013). «Извлечение гемицеллюлозы горячей водой из древесной щепы осины разной крупности :: Биоресурсы» . bioresources.cnr.ncsu.edu . Проверено 24 апреля 2020 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ a b c Тунч, М. Сефик; ван Хейнинген, Адриан Р.П. (17 сентября 2008 г.). «Экстракция гемицеллюлозы из смешанной южной твердой древесины с водой при 150 ° C: влияние времени». Промышленные и инженерные химические исследования . 47 (18): 7031–7037. DOI : 10.1021 / ie8007105 . ISSN 0888-5885 .
- ^ Ayrilmis N, Kwon J, Хан Т (октябрь 2017 г.). «Влияние размера древесной стружки на извлечение гемицеллюлозы и технологические свойства древесноволокнистых плит» . Турецкий журнал сельского хозяйства и лесоводства . 41 : 331–337. DOI : 10,3906 / тар-1704-63 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки [ править ]
- Структура и свойства гемицеллюлозы / Класс химии древесины Дэвида Ванга