Гемицеллюлозы

Впротивоположность целлюлозе, представляющей химически вполне определенное вещество, гемицеллюлоза включает целый ряд полисахаридов. Приставка «геми» по-гречески означает «половина», что указывает на меньший размер молекул. Термин «гемицеллюлоза» фактически относится к несколько неопределенному классу полисахаридов, которые наряду с лигнином сопутствуют целлюлозе в растительных тканях. Макромолекулы гемицеллюлоз значительно меньше макромолекул нативной целлюлозы. Одним из факторов, облегчающих растворимость гемицеллюлозы в щелочах, является присутствие в ней кислого компонента, который образует растворимую соль со щелочью; другим фактором, способствующим растворению, является относительно низкая молекулярная масса гемицеллюлозы (обычно между 10000 и 40000).

Основные компоненты в экстрактах гемицеллюлозы: ксиланы и другие пентозаны, уроновые кислоты (например, полиглюкуроновая), маннаны, арабогалактаны и лигнин.

Гемицеллюлозы исследованы еще не полностью. Это объясняется рядом причин: очень трудно изолировать чистый ксилан или арабан; их состав зависит от источника; некоторые из продуктов следует рассматривать как продукты окислительного расщепления целлюлозы. Последнее замечание применимо к некоторым кислым компонентам гемицеллюлозы. Известно, что частичное окисление целлюлозы может происходить под влиянием кислорода воздуха, особенно при облучении ультрафиолетовым светом, а также при отбеливании окислительными агентами – при таком окислении образуются карбоксильные группы. В некоторых гемицеллюлозах, например в соломе, также найдена полиглюкуроновая кислота. По химической структуре полиглюкуроновая кислота очень похожа на целлюлозу, но углерод в положении 6 окисляется в карбоксильную группу в каждом ангидроглюкозном остатке:

Ксиланы более распространены, чем полиглюкуроновые кислоты. Большая часть цепи ксилана состоит из D-ксилопиранозных остатков, которые соединены 1,4-b-связями:

Наиболее богаты ксиланом кукурузные кочерыжки, овсяная шелуха и древесина бука (28 – 34%).

Чистый маннан представляет собой стереоизомер целлюлозы, т.е. в цепи связаны не ангидроглюкозные, а ангидроманнопиранозные остатки. Маннаны не волокнисты, они представляют собой белые порошки, что указывает на умеренную степень полимеризации. Согласно Хуземану [32], степень полимеризации маннанов ели равна только 160.

При производстве бумаги и целлюлозы часть гемицеллюлоз наряду с лигнином растворяется и таким образом отделяется от целлюлозы; однако другая часть остается. Существует мнение, что определенное количество гемицеллюлозы полезно для качества бумажной пульпы. Для производства волокон и пластмасс гемицеллюлоза не имеет большого значения, так как ее макромолекулярные цепи относительно короткие. В определенных случаях применения очищенной целлюлозы и ее производных, как, например, в случае ДЭАЭ-целлюлозных ионообменников, присутствие растворимой целлюлозы (гемицеллюлозы) очень нежелательно. Очень тщательная обработка производных целлюлозы щелочью и кислотой требуется для удаления последних следов растворимых полисахаридов.

Лигнин

Лигнин является не полисахаридом, а ароматическим полимером, который сопутствует полисахаридам в растительных тканях. Существуют химические связи между лигнином и полисахаридом. Количество и качество лигнина в разных образцах и тканях различны. В древесине сухой сосны, например, содержится 28 % лигнина, часть которого экстрагируется из превращенной в порошок древесины горячим спиртом или аналогичными растворителями. Более полная экстракция требует более жесткой обработки, например, смесью едкого натра и сульфида натрия при высоких температурах.

Лигнин представляет собой желтое или коричневое аморфное вещество с высоким содержанием углерода (62 – 65 %); его спектр поглощения в ультрафиолетовой области указывает на присутствие ароматических групп. Это подтверждено исследованием состава продуктов химической деградации, при которой в зависимости от метода получаются такие вещества, как эвгенол, пирокатехин, фенол, н-пропилгваякол, ванилин и т. д. Фрейденберг доказал, что лигнин представляет собой продукт конденсации кониферилового спирта и подобных ароматических мономеров [17].

Согласно Расселлу [33], лигнин имеет полифлавоновую структуру. Биосинтез лигнина точно неизвестен, но есть достаточно веская причина предполагать, что он образуется в цитоплазме из подобных эвгенолу мономеров, которые полимеризуются в стенках клетки. Лигнин в растительной ткани служит своего рода основным веществом или связывающим материалом и подобно каучуку в обмене не участвует. На лигнин могут действовать только некоторые виды бактерий и грибков.