Материал: 4082

26

Лекция 3

Химия гемицеллюлоз

Пл а н

1.Общие сведения и классификация гемицеллюлоз.

2.Гемицеллюлозы древесины хвойных и лиственных пород.

3.Характеристика отдельных гемицеллюлоз.

4.Использование гемицеллюлоз.

Общие сведения и классификация гемицеллюлоз

К гемицеллюлозам относят группу нецеллюлозных полисахаридов клеточных стенок высших растений. Они способны извлекаться из древесины водными растворами щелочей и гидролизоваться разбавленными кислотами при кипячении. Поэтому их относят к легкогидролизируемым полисахаридам.

В холодной воде гемицеллюлозы нерастворимы. По составу гемицеллюлозы делятся на [4]: пентозаны (ксилан и арабан) с общей формулой (C5H8O4)n и гексозаны (маннан и галактан) с общей формулой (C6H10O5)n.

Макромолекулы гемицеллюлоз древесины содержат в качестве элементарных звеньев остатки сравнительно немногих моносахаридов, а именно: D

– глюкопиранозы, D – маннопиранозы, D – галактопиранозы, D – ксилопиранозы, L – арабофуранозы, D – галактуроновой, D – глюкуроновой и 4-0-ме- тил-D-глюкуроновой кислот ( рис. 4).

Таким образом, пентозаны представляют собой смешанные полисахариды гемицеллюлоз, главная цепь которых состоит в основном из звеньев пентоз; гексозаны представляют собой полисахариды гемицеллюлоз, главная цепь которых состоит из звеньев гексоз. В целом макромолекулы гемицеллюлоз включают остатки гексоз, пентоз, метилпентоз и уроновых кислот.

По химическому характеру гемицеллюлозы подразделяются на две группы: кислые и нейтральные. В состав макромолекул кислых полисахаридов входят уроновые кислоты, присоединенные к остаткам пентоз и гектоз.

Гемицеллюлозы древесины можно разделить на три основные группы: ксиланы, маннаны и галактаны. Все они подобно целлюлозе имеют между элементарными звеньями основной цепи β - связь в положении 1→ 4.

Гемицеллюлозы вместе с целлюлозой составляют холоцеллюлозу. По степени полимеризации (30...200), гемицеллюлозы занимают промежуточное положение между крахмалом и целлюлозой.

29

Наиболее распространены гемицеллюлозы, в которых звенья главной цепи соединены связью 1-4. Остатки пентоз и гексоз боковых ответвлений чаще всего соединены связью 1-3 или 1-2.

В молекулах гемицеллюлоз преобладают β - связи, поэтому для них характерно отрицательное значение угла вращения поляризованного света.

Содержание гемицеллюлоз в древесине некоторых отечественных пород представлено в табл. 4.

По химическому составу полисахариды гемицеллюлоз хвойных пород древесины сильно отличаются от гемицеллюлоз лиственных пород. В гемицеллюлозах хвойных пород преобладают гексозаны – глюкоманнаны и галактоглюкоманнаны. В гемицеллюлозах древесины лиственных пород преобладают пентозаны. В табл. 5 приведен химический состав гемицеллюлоз кедра сибирского, осины и сосны обыкновенной.

Таблица 5

Химический состав гемицеллюлоз, % от абсолютно сухой древесины

Характеристика отдельных гемицеллюлоз

Ксиланы представляют собой основной компонент гемицеллюлоз лиственной древесины и однолетних растений.

Макромолекулы ксиланов сравнительно невелики. Они построены по единой схеме, в которой основную неразветвленную часть составляют остатки β-D-ксилопираноз, соединенных в положении 1-4. С основной цепью в положении 1-2 и 1-3 соединяются остатки β-D-ксилопиранозы, L-арабофурано- зы, D-глюкуроновой кислоты и 4-O-метилглюкуроновой кислоты.

30

Ксилопиранозные остатки составляют пространственную группировку, состоящую из трех остатков. Эти группировки распологаются под углом 120° друг к другу.

Маннаны разделяют на собственно маннаны, глюкоманнаны, галактоманнаны и глюкогалактоманнаны.

Маннаны распространенны в природе, их содержание в составе гемицеллюлоз хвойной древесины достигает 8-12%, в древесине лиственных пород – около 1%. Строение маннана древесины ели можно представить следующей формулой:

Степень полимеризации маннана равна 130-160.

Глюкоманнаны входят в состав лиственной и хвойной древесины; содержание их в древесине ели составляет 11,6%. Глюкоманнаны различаются соотношением остатков маннозы и глюкозы. Глюкоманнаны древесины имеют разветвленную структуру.

Использование гемицеллюлоз

Гемицеллюлозы используются по следующим основным направлениям:

1)для химической переработки с получением моносахаридов, фурфурола, органических кислот, многоатомных спиртов и других соединений;

2)для микробиологической переработки получаемых из гемицеллюлоз моносахаридов с получением кормовых дрожжей, этилового спирта и других продуктов;

3)для выделения совместно с целлюлозой.

При химической переработке на основе гемицеллюлоз получают ряд низкомолекулярных соединений. Для этого используют реакции гидролиза гемицеллюлоз, а затем дегидратации, окисления, восстановления.

Для микробиологической переработки используют, наряду с лиственной древесиной, отходы древесины, сельскохозяйственные отходы (хлопковая шелуха, кукурузные кочерыжки, подсолнечная лузга и др.). Из такого пентозансодержащего сырья вырабатывают дрожжи, фурфурол, ксилозу, ксилит и другие продукты.