هيميسليلوز

إستخلاص

وعلى صعيد آخر، يتم تشغيل عملية الماء الساخن في نطاق درجة حرارة من 160 إلى 240 درجة مئوية من أجل الحفاظ على المرحلة السائلة. يتم ذلك فوق نقطة الغليان العادية للماء لزيادة إذابة الهيميسليلوز وإزالة البلمرة من السكريات. يمكن أن تستغرق هذه العملية عدة دقائق إلى عدة ساعات حسب درجة حرارة النظام ودرجة حموضتهPH. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة المقترنة بأوقات الاستخراج الأعلى إلى إنتاجية أعلى. يتم الحصول على عائد أقصى عند درجة حموضة 3.5. إذا كان أدناه، فإن عائد الاستخراج ينخفض إلى حدّ كبير. من أجل التحكم في الرقم الهيدروجيني، تتم إضافة بيكربونات الصوديوم بشكل عام. يمنع بيكربونات الصوديوم التحلل الذاتي لمجموعات الأسيتيل وكذلك يمنع روابط الغليكوسيد. اعتماداً على درجة الحرارة والوقت، يمكن تحويل الهيميسليلوز إلى أوليغومرات ومونومرات ولغنين.

وفي السياق ذاته، الهدف من معالجة الماء الساخن هو إزالة أكبر قدر ممكن من الهيميسليلوز من الخشب. يتم ذلك من خلال التحلل المائي للهيميسليلوز للحصول على أوليغومرات وزيلوز أصغر. الزيلوز عندما يصبح مجففا يصبح فورفورال. عندما يكون الهدف من الزيلوز والفورفور، تتم إضافة محفزات الحمض، مثل حمض الفورميك، لزيادة انتقال السكاريد إلى السكريات الأحادية. وقد ثبت كذلك أن هذا المحفز يستعمل كذلك تأثير مذيب للمساعدة في التفاعل.

ومن جهة أخرى، تتمثل إحدى طرق المعالجة المسبقة في نقع الخشب بالأحماض المخففة (بتركيزات نحو 4٪). هذا يحول الهيميسليلوز إلى سكريات أُحادية. عندما تتم المعالجة المسبقة بقواعد (مثلًا هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم) فإن هذا يدمر بنية اللجنين. هذا يغير الهيكل من متبلور إلى غير متبلور. المعالجة المائية الحرارية هي طريقة أخرى. هذا يوفر مزايا مثل عدم الحاجة إلى مذيبات سامة، ولا توجد مفاعلات خاصة، ولا توجد تكاليف إضافية للتخلص من المواد الكيميائية الخطرة.

ومن ناحية أخرى، هناك طرق عديدة للحصول على هيميسليلوز. كلها تعتمد على طرق الاستخراج من خلال الأخشاب الصلبة أو أشجار الأخشاب اللينة المطحونة في عينات أصغر في الأخشاب الصلبة، يكون مستخلص الهيميسليلوز الرئيسي هو الجلوكورونوكسليان (زيلان الأسيتيل)، بينما يوجد الجالاكتوغلوكومانان في الأخشاب اللينة قبل الاستخراج ، يجب عادةً طحن الخشب إلى شرائح خشبية بأحجام مختلفة اعتماداً على المفاعل المستعمل. لاحقًا يتم استخدام عملية استخراج الماء الساخن، والمعروفة كذلك باسم التحلل الذاتي أو المعالجة الحرارية المائية، مع إضافة الأحماض والقواعد لتغيير حجم المحصول وخصائصه. الميزة الرئيسية لاستخراج الماء الساخن هي أنه يوفر طريقة حيث تكون المادة الكيميائية الوحيدة المطلوبة هي الماء، مما يجعله صديقاً للبيئة ورخيصاً.

• انظر كذلك
• السليلوز
• الليغنين
• السكريات المتعددة

في هذا الإطار، تتم عملية استخلاص الماء الساخن في مفاعلات دفعية أو مفاعلات شبه مستمرة أو مفاعلات طينية مستمرة. بالنسبة للمفاعلات الدفعية وشبه المستمرة، يمكن استخدام عينات الخشب في ظروف مثل الرقائق أو الكريات بينما يجب أن يحتوي مفاعل الطين على جزيئات صغيرة مثل 200 إلى 300 ميكرومتر. في حين أن حجم الجسيمات يقلل من إنتاج العائد كذلك. هذا يرجع إلى زيادة السليلوز.

تركيب

ومن جهة أخرى، هيميسيلولوز هو عديد السكاريد يرتبط غالباً بالسليلوز، ولكن بهياكل وتركيبات مميزة. في حين أن السليلوز مشتق حصرياً من الجلوكوز، فإن الهيميسليلوز تتكون من سكريات متنوعة، ويمكن أن تشمل السكريات المكونة من خمسة كربون مثل الزيلوز والعربيلوز، والسكريات المكونة من ستة كربون مثل الجلوكوز، والمانوز والجلاكتوز، وسكر الرامنوز المكون من ستة كربونات. يحتوي الهيميسليلوز على أغلب السكريات D-البنتوز، وأحياناً كميات صغيرة من السكريات L كذلك. الزيلوز هو في أغلب الحالات مونومر السكر الموجود بأكبر كمية، على الرغم من أن المانوز في الأخشاب اللينة يمكن أن يكون السكر الأكثر وفرة. لا يمكن العثور على السكريات العادية في الهيميسليلوز فحسب، بل يمكن كذلك العثور على أشكالها المحمضة، مثلًا حمض الجلوكورونيك وحمض الجالاكتورونيك.

ومن ناحية أخرى، من المعروف أن أنواعاً متنوعة من الهيميسليلوز. تشمل الأمثلة المهمة: زيلان، جلوكورونوكسيلان، أرابينوكسيلان، جلوكومانان، وإكسيلوغلوكان.

أرابينوجالاكتان

من جانب آخر، يمكن استخدام أرابينوجالاكتانس كمستحلبات ومثبتات ومواد رابطة بحسب قانون الغذاء والدواء ومستحضرات التجميل الفيدرالي. يمكن كذلك استخدام أرابينوجالاكتانز كعامل ربط في المحليات.

بيتا جلوكان

ومن جهة أخرى، يلعب بيتا جلوكان دوراً مهماً في المكملات الغذائية بينما يعد بيتا جلوكان كذلك واعداً في القضايا المتعلقة بالصحة، خاصة في التفاعلات المناعية وعلاج السرطان.

مانانس

وفي هذا السياق، يمكن تصنيف الهيميسيلولوز من نوع المنان إلى نوعين استناداً إلى فَرق السلسلة الرئيسي، غالاكتومانانس وجلوكومانانس. غالاكتومانس لديها فقط β-(1→4) ترتبط D- مانوبيرانوز المخلفات في سلاسل خطية. تتكون جلوكومانانس من كل من β-(1→4) المرتبطة D- مانوبيرانوز و β-(1→4) المرتبطة D- جلوكوبيرانوز المخلفات في السلاسل الرئيسية. أما بالنسبة للسلاسل الجانبية فإن بقايا د- جالاكتوبيرانوز تميل إلى أن تكون مرتبطة ب 6 أنواع كسلاسل جانبية واحدة مع كمية مختلفة.

التطبيقات

وعلى صعيد آخر، في عملية اللب الكبريتيت، يتحلل الهيميسليلوز إلى حد كبير بالماء بواسطة سائل اللب الحمضي الذي ينتهي في السائل البني حيث يمكن استخدام السكريات السداسية المخمرة (نحو 2٪) لإنتاج الإيثانول. تم تطبيق هذه العملية بشكل أساسي على السوائل البنية كبريتات الكالسيوم.

زانثان

ومن ناحية أخرى، الزانثان، مع السكريات الأخرى يمكن أن يشكل مواد هلامية ذات لزوجة عالية للمحلول والتي يمكن استخدامها في صناعة النفط لتكثيف طين الحفر. في صناعة المواد الغذائية، يستعمل الزانثان في منتجات مثل الضمادات والصلصات.

الجينات

الوظائف الطبيعية

من جهة ثانية، تلعب الألجينات دوراً مهماً في تطوير المنسوجات المضادة للميكروبات نظراً لخصائصها الصديقة للبيئة، ومستوى التصنيع العالي باعتباره بوليمر حيوي مستدام.

مقارنة هيكلية مع السليلوز

كذلك، بناءً على الاختلافات الهيكلية مثل: روابط العمود الفقري، والمجموعات الجانبية، فضلًا عن عوامل أخرى مثل: الوفرة والتوزيع في النباتات، يمكن تصنيف الهيميسليلوز إلى أربع مجموعات على النحو التالي: 1) الزيلان، 2) المانان، 3) الارتباط المختلط β جلوكان، 4) الزيلوغلوكان.

إضافةً إلى ذلك، على عكس السليلوز، تتكون الهيميسليلوز من سلاسل أقصر 500-3000 وحدة سكر. في المقابل يتكون كل بوليمر من السليلوز من 7000-15000 جزيء جلوكوز. فضلًا عن ذلك قد تكون الهيميسليلوز عبارة عن بوليمرات متفرعة، بينما السليلوز غير متفرع. يتم تضمين الهيمسيلولوز في جدران الخلايا للنباتات، وأحياناً تشكل سلاسل "أرضية فهي ترتبط في البكتين، في السليلوز لتشكيل شبكة من الألياف المتشابكة.

الربط المختلط β-الجلوكان

ومن ناحية أخرى، عادةً ما يحتوي تشكيل سلاسل جلوكان الوصلة المختلطة على كتل من D- جلوكوبيرانوزβ- (1 → 4) مفصولة بـD- جلوكوبيرانوز β- (1 → 3). يبلغ عدد سكان β- (1 → 4) و β- (1 → 3) نحو 70٪ و 30٪. تتكون هذه الجلوكان بشكل أساسي من شرائح السيلوتريوزيل (C18H32O16) والسيلوتراوزيل (C24H42O21) بترتيب عشوائي. هناك بعض الدراسات تظهر النسبة المولية لسيلوتريوزيل/سيلوتراوزيل للشوفان (2.1-2.4)، الشعير (2.8-3.3)، والقمح (4.2-4.5).

الزيلان

من جهة ثانية، على الأغلب تتكون الزيلانات من العمود الفقري لمخلفات الزيلوز المرتبطة β-(1→4). ويمكن تقسيمها إلى هوموكسيلانس وهيتروكسيلان. الهوموكسيلانات لديها العمود الفقري للمخلفات D- زيلوبيرانوز المرتبطة β(1→3) أو مختلطةβ(1→3، 1→4)-الروابط الجليكوسيدية. هوماكسيلانس تحمل أساس الوظائف الهيكلية. الهتروكسيلانات مثل الجلوكورونوكسيلانات، جلوكورونوارابينوكسيلانس، والهيدروكسيلانات المعقدة، لديها العمود الفقري لفروع د-زيلوبيرانوس والكربوهيدرات القصيرة. مثلًا جلوكورونوكسيلان لديه استبدال مع α-(1→2) المرتبطة جلوكورونوزيل و 4-O-ميثيل جلوكورونوسيل المخلفات. وأرابينوكسيلانس وجلوكورونوارابينوكسيلان تحتوي على بقايا أرابينوس تُعَلق على العمود الفقري.

هيميسيلولوز في الخلايا النباتية

وعلى صعيد آخر، الهيميسيليلوز كذلك مركب متعدد السكاريد في جدران الخلايا النباتية على غرار السليلوز.

وعلى صعيد آخر، يسمح هذا للهيميسليلوز بتوفير دعم أرضي وسطي للسليلوز على الطبقات الخارجية للخلية النباتية.

وفي هذا السياق، يبحث الهيميسليلوز عن الفراغات في جدار الخلية أثناء تكوينه ويوفر الدعم حول ألياف السليلوز.

وفي السياق ذاته، في عدد قليل من جدران الخلايا، سيتفاعل الهيميسليلوز كذلك مع اللجنين لتوفير دعم هيكلي للأنسجة لمزيد من نباتات الأوعية الدموية.

وفي هذا الصدد، تتم هذه العملية عن طريق الهيميسليلوز لتجهيز جدار الخلية بأقصى قوة ممكنة يمكن أن توفرها.

وفي هذا السياق، جنباً إلى جنب مع السليلوز في جدران الخلايا النباتية، يساعد الهيميسليلوز على تقوية جدار خلية الهيميسليلوز

وفي السياق ذاته، يهيمن الهيميسليلوز على الصفيحة الوسطى للخلية النباتية، على عكس السليلوز الموجود أساساً في الطبقات الثانوية.

علاوةً على ذلك، يتفاعل مركب الهيميسليلوز مع السليلوز من خلال توفير الربط المتبادل لألياف السليلوز الدقيق.

أغار

ومن جهة أخرى، يستعمل أغار في صنع الجيلي والحلويات. إنه كذلك وسط نمو مع مغذيات أخرى للكائنات الحية الدقيقة.

زيلوجلوكانز

في هذا الإطار، يتم تحديد النوعين الأكثر شيوعاً من زيلوجلوكانز في جدران الخلايا النباتية كما XXXG وXXGG.

إضافةً إلى ذلك، زيلوجلوكانز لديها العمود الفقري مماثلة للسليلوز معα-D- زيلوبيرانوز المخلفات في الموقف 6. لوصف سلاسل جانبية مختلفة بشكل أفضل، يتم استخدام رمز حرف واحد لكل نوع سلسلة جانبية. G -- بقايا Glc غير المكشطة؛ X -- α-d-Xyl-(1→6)-Glc. L -- β-Gal , S -- α-l-Araf, F-- α-l-Fuc.هذه هي السلاسل الجانبية الأكثر شيوعاً.

زيلان

من جهة ثانية، تُظهر الأفلام التي تعتمد على مادة الزيلان نفاذية منخفضة للأكسجين، وبالتالي فهي ذات أهمية محتملة كتغليف للمنتجات الحساسة للأكسجين.

كوردلان

ومن ناحية أخرى، يمكن استخدام كوردل في استبدال الدهون لإنتاج غذاء عند تذوقه يضفي إحساس في الفم بوجود منتجات تحتوي على دهون حقيقية.

التخليق الحيوي

علاوةً على ذلك، يتم تصنيع العمود الفقري لسلسلة منان بواسطة عائلة بروتين شبيهة بالسليلوز A (CSLA) وربما إنزيمات في عائلة بروتين D (CSLD) تشبه السليلوز. منان سينثيزهو إنزيم معين في CSLA، وهو مسؤول عن إضافة وحدات مانوز إلى العمود الفقري. تتم إضافة سلاسل الجالاكتوز الجانبية لبعض المانان بواسطة غالاكتومانان جالاكتوزيل ترانسفيراز. يتوسط أسيتيل مانان بواسطة مانان O-أسيتيل ترانسفيراسي، ومع ذلك لم يتم تحديد هذا الإنزيم بشكل نهائي.

من جهة ثانية، يتم تصنيع كل نوع من أنواع الهيميسليلوز حيوياً بواسطة إنزيمات متخصصة.

كذلك، يتم التوسط في تخليق العمود الفقري لـزيوغلوكان عن طريق عائلة البروتين C الشبيه بمركب السليلوز (CSLC)، وخاصة سينسيز جلوكان، والذي يضيف وحدات الجلوكوز إلى السلسلة. يتم كذلك التوسط في تخليق العمود الفقري لـزيلوغلوكان بطريقة ما عن طريق زيلوسيل ترانسفيراسي، ولكن هذه الآلية منفصلة عن وظيفة الناقل ولا تزال غير واضحة. ومع ذلك يتم استخدام زيلوزيل ترانسفيراز في وظيفة ترانسفيراز الخاصة به لإضافة الزيلوز إلى السلسلة الجانبية. تشمل الإنزيمات الأخرى المستعملة في تخليق السلسلة الجانبية للزيلوجلوكان الجالاكتوزيل ترانسفيراز (المسؤول عن إضافة الجالاكتوز والذي يتم استخدام شكلين مختلفين منه)، وفوكوسيل ترانسفيراز (المسؤول عن إضافة الفوكوز)، وأسيتيل ترانسفيراسي (المسؤول عن الأستلة).

وفي هذا السياق، يتم تصنيع الهميسيليلوز من نيوكليوتيدات السكر في جهاز جولجي بالخلية. يشرح نموذجان تركيبهما: 1) «نموذج مكون من مكونين» حيث يحدث التعديل في بروتينين عبر الغشاء، و 2) «نموذج من مكون واحد» حيث يحدث التعديل فقط في بروتين واحد عبر الغشاء. بعد التوليف يتم نقل الهيميسليلوز إلى غشاء البلازما عبر حويصلات جولجي.

وفي السياق ذاته، لا يتم التوسط في تركيب العمود الفقري لـزيلان، على عكس تلك الموجودة في الهميسليلوز الأخرى، بواسطة أي بروتينات تشبه السليلوز. بدلاً من ذلك يعتبر الزيلان سينثيز مسؤولاً عن تخليق العمود الفقري، مما يسهل إضافة الزيلوز. تم تحديد الكثير من الجينات لتصنيع الزيلان. يتم استخدام الكثير من الإنزيمات الأخرى لإضافة وتعديل وحدات السلسلة الجانبية من الزيلان، بما في ذلك غلوكورونوسيل ترانسفيراز (الذي يضيف وحدات حمض الغلوكورونيك)، زيلوسيل ترانسفيراز (الذي يضيف وحدات زيلوز إضافية)، أرابينوسيل ترانسفيراز (الذي يضيف أرابينوز)، ميثيل ترانسفيراز (المسؤول عن مثيلة)، وأسيتيل ترانسفيراز (مسؤولة عن أستلة). بالنظر إلى أن جلوكان الارتباط المختلط عبارة عن بوليمر متجانس غير متفرع من الجلوكوز، فلا يوجد تخليق سلسلة جانبية؛ فقط إضافة الجلوكوز إلى العمود الفقري في رابطين، β1-3 و 1-4. يتم التوسط في تخليق العمود الفقري عن طريق الإنزيمات الموجودة في عائلات البروتين الشبيه بمركب السليلوز F و H (CSLF و CSLH)، وتحديداً سينسيز الجلوكان. تم تحديد عدة أشكال من سينسيز جلوكان من CSLF و CSLH. كلهم مسؤولون عن إضافة الجلوكوز إلى العمود الفقري وجميعهم قادرون على إنتاج روابط 1-3 و β1-4، ومع ذلك من غير المعروف مدى مساهمة كل إنزيم محدد في توزيع β1-3 و β1-4 الروابط.