Hemicelulozy - Polski Serwis Naukowy

Hemicelulozy – niejednorodna grupa polisacharydów i ich pochodnych, połączonych wiązaniami β-glikozydowymi tworzących rozgałęzione łańcuchy. Są one jednym z głównych składników ściany komórkowej roślin, mogą stanowić ok. 20% suchej masy ściany pierwotnej oraz ok. 30% suchej masy ściany wtórnej. Wchodzą w skład m.in. drewna, słomy, nasion i otrąb. Ich nazwa wywodzi się stąd, że chemicznie i strukturalnie bliskie są celulozie.

Kwas nadjodowy (nazwa systematyczna IUPAC: kwas jodowy(VII)) – związek nieorganiczny związek chemiczny, kwas tlenowy jodu na stopniu utlenienia +VII. W zależności od zawartości wody w cząsteczce występuje w postaci orto (o wzorze H5IO6) i meta (o wzorze HIO4).

Hydroliza - reakcja chemiczna polegająca na rozpadzie cząsteczek związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną. W przypadku soli jonowych przez hydrolizę rozumie się zbiór wtórnych reakcji jonów powstałych w wyniku solwolizy tej soli, które niekiedy prowadzą do zmiany pH środowiska.

Systematyka

Drewno poza celulozą zawiera inne substancje polisacharydowe, do których należą hemicelulozy. Charakteryzują się one mniejszą odpornością na działanie rozcieńczonych kwasów, które hydrolizują i w przeciwieństwie do celulozy rozpuszczają się w rozcieńczonych alkaliach. Ponieważ hemicelulozy są substancjami reprezentującymi wszystkie polisacharydy i ich pochodne występujące w drewnie oprócz celulozy i skrobi, zaproponowano wiele kryteriów ich klasyfikacji.

Skrobia – węglowodan, polisacharyd roślinny, składający się wyłącznie z merów glukozy, pełniący w roślinach rolę magazynu energii. Skrobia ma budowę ziarnistą. (C6H10O5)n n>300

Glukoza (dokładniej: D-glukoza), C6H12O6 – węglowodan należący do cukrów prostych z grupy aldoheksoz. Jest białym, drobnokrystalicznym ciałem stałym, z roztworów wodnych łatwo krystalizuje jako monohydrat. Bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie (nie zmienia pH roztworu), nierozpuszczalna w etanolu. Ma słodki smak, nieco mniej intensywny od sacharozy.

Podział ze względu na łatwość hydrolizy

Najogólniejszym jest podział na hemicelulozy łatwo i trudno hydrolizujące. W odróżnieniu od celulozy, makrocząsteczki hemiceluloz zbudowane są nie tylko z samych reszt glukozowych, ale także innych reszt cukrów prostych, takich jak ksyloza, mannoza i galaktoza. Hemicelulozy mają mniejszy stopień polimeryzacji (SP <300) niż celuloza, mniejszą regularność budowy i stopień uporządkowania struktury, co sprawia, że są mniej odporne na degradacje. Cechą charakterystyczną wszystkich hemiceluloz jest dobra rozpuszczalność w rozcieńczonych alkaliach. Nazwę hemicelulozy wprowadził Schulze w 1891 roku dla niecelulozowej części węglowodanów zawartych w roślinach. Powszechnie przyjętą koncepcją podziału hemiceluloz przedstawił Rogwin. Jako kryterium podziału hemiceluloz przyjął on budową ich podstawowych jednostek i makrocząsteczek.

Kwas glukuronowy (z gr. γλυκερός – słodki) – organiczny związek chemiczny z grupy kwasów uronowych, pochodna glukozy zawierająca grupę karboksylową (-COOH) przy atomie węgla C6 glukozy (powstaje w reakcji utleniania węgla C6 glukozy). Naturalnie występuje w konfiguracji D.

Ściana komórkowa - martwy składnik komórki, otoczka komórki o funkcji ochronnej i szkieletowej. Ściana komórkowa występuje u roślin, grzybów, bakterii i niektórych protistów. U każdej z tych grup jest zbudowana z innych substancji, np. u grzybów jest to chityna, a u roślin celuloza i jej pochodne (hemiceluloza i pektyna) oraz lignina, natomiast u bakterii podstawowym składnikiem jest mureina. Ściana komórkowa leży na zewnątrz błony komórkowej. W tkankach ściany komórkowe sąsiadujących ze sobą komórek są zlepione pektynową substancją tworzącą blaszkę środkową. Między komórkami istnieją wąskie połączenia w postaci plasmodesm - wąskich pasm cytoplazmy przenikających ściany i zawierających fragmenty retikulum endoplazmatycznego. Młode komórki roślin otoczone są ścianą pierwotną, której strukturę wewnętrzną stanowią ułożone w sposób nieuporządkowany łańcuchy celulozowe wypełnione hemicelulozą i pektyną. W starszych komórkach obserwuje się również ścianę wtórną - powstającą po wewnętrznej stronie ściany pierwotnej, zwykle grubszą i bardziej wytrzymałą niż pierwotna, o uporządkowanej budowie szkieletu celulozowego, również wypełnionego hemicelulozą i pektyną. Ulega ona inkrustacji (węglan wapnia, krzemionka lub lignina) i adkrustacji (kutyna, suberyna, woski).

Podział ze względu na budowę chemiczną

Opierając się na budowie chemicznej hemicelulozy możemy podzielić na:

jednorodne

składające się z reszt tych samych cukrów prostych

składające się z kwasów poliuronowych

niejednorodne

składające się z reszt różnych cukrów prostych

składające się z reszt różnych cukrów prostych i kwasów uronowych

Podział wg Schulzego

celulozany – obejmują one polisacharydy o stosunkowo krótkich łańcuchach (SP 150-200) i dzielą się one na pentozany i

heksozany o ogólnych wzorach:

Sucha masa - jest to pozostałość pewnego produktu po usunięciu z niego wody poprzez wykorzystanie do tego różnych procesów technologicznych, fizycznych i chemicznych.

Arabinoza (cukier pektynowy) - pięciowęglowy cukier prosty (monosacharyd) należący do aldoz (aldopentoza). Jest to węglowodan o wzorze sumarycznym: C5H10O5. Jest składnikiem polisacharydów, pektyn, żywic i gum roślinnych, występuje w śluzach, gumie arabskiej i hemicelulozach. Wykazuje czynność optyczną (konfiguracja D(-)). Występuje najczęściej w formie L. D-Arabinoza jest rzadko spotykana w przyrodzie. Występuje jako składnik niektórych glikozydów. Otrzymuje się ją głównie przez degradację D-glukozy.

pentozany - (C5H8O4)n

heksozany - (C6H10O5)n

W obecności kwasów nieorganicznych pentozany hydrolizują do pentoz: (C5H8O4)n + nH2O → n C5H10O5

a heksozany w tych samych warunkach hydrolizują do heksoz: (C6H10O5)n + nH2O → n C6H12O6

Heksozany i pentozany są polimerami zbudowanymi z reszt pentozowych lub heksozowych powiązanych glikozydowo. Celulozany stanowią tę część hemiceluloz, która znacznie trudniej hydrolizują. Składają się głównie z ksylanu i mannanu. Mogą także występować jako celulozany mieszane, np. arabogalaktan, galaktomannan, galaktomannoksylan.

Kwas solny, kwas chlorowodorowy (H Cl) (pot. zalzajer, zajzajer od niem. Salzsäure) - kwas beztlenowy, będący roztworem chlorowodoru w wodzie. Jest to nieorganiczny związek chemiczny. Czasami kwasem solnym nazywa się też roztwór chlorowodoru w innych rozpuszczalnikach polarnych np: w acetonie. Rozcieńczony kwas solny znajduje się w żołądku człowieka i ssaków - umożliwia trawienie białek, aktywując proteazy w żołądku. Nazwa "kwas solny" pochodzi od dawnej metody jego otrzymywania ze stężonego kwasu siarkowego(VI) i chlorku sodu (kwas z soli).

Furfural (dawna nazwa: furfurol), C4H3O-CHO, organiczny związek chemiczny z grupy aldehydów. Jest związkiem heterocyklicznym z 5-członowym pierścieniem zawierającym atom tlenu (formalnie pochodna furanu). Nazwa związku pochodzi od surowca, z którego furfural jest otrzymywany (łac. furfur - otręby).

poliuronidy – są to substancje bezpostaciowe, zawierające znaczne ilości kwasów heksauronowych, pewną ilość grup metoksylowych, acetylowych oraz wolnych grup karboksylowych. Hydroliza poliuronidów prowadzi do otrzymania kwasów uronowych. Do najczęściej występujących kwasów uronowych zalicza się kwas β-D-glukuronowy, β-D-mannuronowy i α-D-galakturonowy. Do ważniejszych reakcji kwasów uronowych należy dekarboksylacja, która zachodzi podczas ogrzewania ich z kwasami nieorganicznymi. Powstają wówczas odpowiednie pentozy.

Charakterystyka

Pentozany – polisacharydy zbudowane z pentoz. Zawartość pentozanów w materiale roślinnym określa się na podstawie ilości znalezionych w wyniku hydrolizy cukrów prostych przemienionych za pomocą ogrzewania z 12% HCl w furfuralu. Podstawowymi cukrami budującymi pentozany są: D-ksyloza, i L-arabinoza.

Mannoza – organiczny związek chemiczny z grupy aldoheksoz. Metabolizm mannozy zachodzi poprzez fosforylację jej przez heksokinazę do mannozo-6-fosforanu, który potem przekształcany jest przez izomerazę fosforanu mannozy do fruktozo-6-fosforanu.

Cukry proste (inaczej: monosacharydy) – węglowodany, w których strukturze występuje od 3 do 7 atomów węgla. Monosacharydy mogą występować w postaci pierścieniowej jeśli posiadają co najmniej 4 atomy węgla w cząsteczce.

Ksylany - polisacharydy zbudowane z reszt β-D-ksylopiranozy połączonych glikozydowymi między 1 i 4 atomami węgla. Należą do bardzo rozpowszechnionych w przyrodzie polisacharydów. Zawartość ksylanów w drewnie i innych roślinach ma dwojakie znaczenie. Z jednej strony wpływa na pęcznienie masy, co ułatwia jej mielenie i wpływa na właściwości wytrzymałościowe. Z drugiej strony podczas przerobu chemicznego jego obecność jest niepożądana, gdyż zachowuje się inaczej niż celuloza. Ksylan jest bardzo cenny jako surowiec chemiczny. Pod wpływem kwasu nadjodowego utlenia się do dwualdehydoksylanu, z którego otrzymujemy glicerynę oraz glikol.

Arabany – polisacharydy zbudowane z reszt arabinozy. Występują w mniejszych ilościach, łatwo hydrolizują do arabinozy.

Heksozany – polisacharydy zbudowane z heksoz. Podstawowymi monosacharydami wchodzącymi w skład heksozanów są mannoza, galaktoza i glukoza. Najważniejszym heksozanem jest mannan.

Wiązania O-glikozydowe – rodzaj wiązania glikozydowego, wiązanie chemiczne łączące grupę hydroksylową (-OH) pierścieniowej formy cukru prostego z grupą hydroksylową innego związku. Najczęściej występują w dwucukrach lub wielocukrach. Z chemicznego punktu widzenia O-glikozydy są acetalami.

Drewno, ksylem (z gr. ksylos - drewno) - złożona tkanka roślinna roślin naczyniowych, zajmująca przestrzeń między rdzeniem, a kambium. Jej główną funkcją jest rozprowadzanie wody i rozpuszczonych w niej soli mineralnych, pobieranych przez korzenie, po całej roślinie. U roślin strefy klimatów umiarkowanych wiosną, gdy rozpoczyna się okres wegetacji transportuje również substancje odżywcze z elementów spichrzowych (są to głównie korzenie i pnie) do rozwijających się pędów i liści. Większość komórek wchodzących w skład drewna ma zdrewniałe ścianki, przez co drewno pełni również funkcję mechaniczną.