GDK 813.14
Prispelo /ÄeceiVerf: 14. 03. 2000	Pregledni znanstveni članek
Sprejeto/Accepted: 23. 04. 2000	Overview scientific paper
LESNE POLIOZE LISTAVCEV
Vesna TIŠLER', Matjaž PAVLIC^ Izvleček
Prispevek obravnava lesne polioze (hemiceluloze) listavcev. Le-te so poleg celuloze eden od obnovljivih naravnih organskih snovi. Lesovi listavcev imajo drugačno vsebnost in sestavo lesnih polioz kot iglavci. Delež polioz v lesu listavcev se giblje do 40 %. Predstavljajo zanimivi vir kemikalij: ksiloze, ksilitola, furfurala, hidroksimetilfurfurala, levulinske kisline in drugih. Za uspešno uporabo lesnih polioz je vsekakor potrebno izredno dobro poznavanje njihove kemijske zgradbe.
Ključne besede: polioze (hemiceluloze) listavcev
HARDWOOD POLYOSES
Abstract
The article studies hardwood polyoses (hemicelluloses). being one of renewable natural organic materials, next to cellulose. Hardwood polyoses differ from softwood ones with regard to their content and composition; their portion in hardwoods being up to 40%. Polyoses could be converted to primary chemicals: xylose, xylitol, furfural, hydroxymethylfurfural, levulinic acid, etc. To use wood polyoses successfully we have to understand their chemical structure well.
Key words: hardwood polyoses (hemicelluloses)
' prof., dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. Vm/34, 1001 Ljubljana, SVN. ^ asist., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo. Rožna dolina c. VIIl/34, 1001 Ljubljana, SVN.
VSEBINA
CONTENTS
1	UVOD
INTRODUCTION............................................................................123
2	KSILANI
XYLANS..........................................................................................125
3	MANANI
MANNANS......................................................................................129
4	GLUKANI
GLUCANS.......................................................................................130
5	PEKTINI
PECTINS..........................................................................................131
6	GALAKTANI
GALACTANS..................................................................................132
7	RAZPOREDITEV POLIOZ
DISTRIBUTION OF THE POLYOSES..........................................134
8	POLIOZE SKORJE
BARK POLYOSES..........................................................................136
9	IZOLACIJA, DOLOČANJE, ANALIZA
ISOLATION, DETERMINATION, ANALYSIS............................137
10	POVZETEK....................................................................................138
11	SUMMARY.....................................................................................139
12	VIRI
REFERENCES.................................................................................139
1 UVOD
INTRODUCTION
Poleg celuloze so v lesu, podobno kot tudi v drugih rastlinskih tkivih, prisotni številni drugi polisaharidi, ki jih imenujemo polioze ali hemiceluloze. Ime polioze (Holzpolyosen) sta prvič uporabila Staudinger in Reineke, ime hemiceluloze pa zasledimo že pri Schulzu s predpostavko, da so ti polisaharidi predhodniki celuloze. Te domneve pri nadaljnjih raziskavah sicer niso potrdili, obe imeni pa sta ostali še vedno v uporabi (FENGEL / WEGENER 1989).
Polioze se od celuloze razlikujejo po sestavi različnih saharidnih enot, po veliko krajših molekulskih verigah in po razvejanosti le teh. Sladkorje oz. saharidne enote, ki sestavljajo polioze, lahko razdelimo v več skupin: pentoze, heksoze, heksuronske kisline in deoksi-heksoze. Najpomembnejše so pentoze: ß-D-ksiloza, a-L-arabinopiranoza, oc-L-arabinofuranoza. Prav tako pomembne, vendar ne preveč zastopane, so heksoze: ß-D-glukoza, ß-D-manoza, a-D-galaktoza in heksuronske kisline: ß-D-glukuronska kislina, a-D-4-O-metilglukuronska kislina, a-D-galakturonska kislina. Deoksi-heksoze, kot sta a-L-ramnoza in a-L-fruktoza, so manj pomembne in se večkrat pojavljajo le kot stranske skupine glavnih verig. Glavna veriga polioz je lahko sestavljena samo iz ene vrste sladkorjev, npr. pri ksilanih, ki so zgrajeni iz zaporedno povezanih ksiloznih enot. Takšen polimer imenujemo homopolimer. Iz dveh oziroma več vrst sladkorjev so sestavljeni heteropolimeri, npr. glukomanani iz glukoze in manoze.
Imena sladkornih komponent polioz lahko zapišemo z uveljavljenimi okrajšavami: glukoza (Glu), ksiloza (Xyl), ramnoza (Rha), manoza (Man), arabinoza (Ara), galakturonska kislina (GalA ali GalU), 4-O-metil-glukuronska kislina (Me-GluA ali Me-GluU), glukonska kislina (GluU),...
Prav tako kot monosaharidi, tudi polioze vsebujejo kiralne ogljikove atome, zaradi katerih se kaže optična rotacija v raztopini. Optična rotacija je pomembna lastnost ogljikovih hidratov in jo s pridom izkoriščamo za njihovo določevanje. Specifična rotacija polioz je rezultat njihove sestave in narave ter pogostosti stranskih verig oziroma skupin. Vsi naravni ksilani in večina mananov ima negativno specifično rotacijo, medtem ko imajo poligalakturonani pozitivno specifično rotacijo, ki jo pogosto določamo v 6 %
raztopini natrijevega hidroksida. Marchessault in soavtorji (1963) ter Fu, Gutmann in Timell (1972) so razvili enačbe za določitev specifične rotacije na podlagi kemične sestave, predvsem za ksilane.
Iglavci in listavci se razlikujejo po celokupni količini polioz. Poleg tega se razlikujejo po sami sestavi polioz. Tako imajo iglavci več manoznih in galaktoznih enot, listavci več ksiloznih enot in acetilnih skupin, kar prikazuje preglednica 1.
Preglednica 1: Neglukozidne enote polioz v različnih lesovih (FENGEL / WEGENER 1989)
Table 1: Non-glucosic units of the polyoses in various woods (FENGEL / WEGENER 1989)
Vrsta Species	Man (%)	Xyl (%)	Gal (%)	Ara (%)	UronA (%)	Rha (%)	Acetyl (%)
Acer rubrum	3,3	18,1	.............1,0............^	1,0	4,9		3,6
Betula verrucosa	3,2	24,9	0,7	0,4	3,6	0,6	
Fagus sylvatica	0,9	19,0	.............M.............	0,7	4,8	0,5	
Populus tremuloides	3,5	21,2	1,1	0,9	3,7		3,9
Ulmus americana	3,4	15,1	0,9	0,4	4,7		3,0
Do podobnih rezuhatov pri japonskih drevesnih vrstah (preglednica 2) je prišel tudi Shimizu (1991). Delež hemiceluloz pri teh drevesnih vrstah se pri iglavcih giblje med 16 in 27 %, pri listavcih pa med 20 in 37 %.
Preglednica 2: Sladkorne komponente nekaterih japonskih listavcev (SHIMIZU 1991) Table 2: Sugar composition of some Japanese hardwoods (SHIMIZU 1991)
Vrsta Species	Rha (%)	Man (%)	Ara (%)	Gal (%)	Xyl (%)	Glu (%)
Betula plathyphylla		3,3		1,3	34,2	61,2
Quercus serrata	0,1	2,0	1,0	2,3	25,9	68,8
Acer mono		2,8	1,1	1,1	27,5	67,5
Fagus crenata	0,5	2,1	0,9	1,6	33,3	61,6
Populus maximowiczii		5,1	0,5	0,8	25,5	68,1
Castanea crenata		1,9		2,3	23,6	72,1
Tilia japonica		2,8	1,0	1,1	27,7	67,6
Aesculus turbinata	1,1	4,2	0,8	1,7	20,5	71,8
Fraxinus commemoralis		3,5	1,7	1,0	21,6	72,3
2 KSILANI
XYLANS
Ksilani so homopolimeri, katerih glavna veriga je sestavljena iz ksiloznih enot, ki so med sabo povezane z ß-(1^4)-glikozidnimi vezmi. Pri ksilanih listavcev se na glavno verigo v neenakomemih intervalih vežejo na ksilozne enote še skupine 4-O-metilglukuronske kisline z a-( 1->2)-glikozidnimi vezmi (TIMELL 1964). Številne OH skupine na C2 in C3 atomu na ksiloznih enotah pa so nadomeščene z O-acetilnimi skupinami. 4-0-metilglukuronoksilan je glavna komponenta polioz listavcev (slika 1).
Večina ksilanov, izoliranih iz različnih vrst lesa listavcev ima v povprečju na vsako deseto enoto ksiloze vezano eno stransko skupino 4-O-metilglukuronske kisline. Razmerje med Xyl in Me-GluU enotami je 10 : 1. Tropski listavci imajo ta razmerja nekoliko drugačna (LEE et al. 1981): Shorea 6 : \, Dipterocarpus rhizophora 11:1.
crcH
a-D-Me-GlupU
Ac	1	Ac	Ac
i ; i i 3	2	3	2
->4-ß-D-Xylp-1^4-ß-D-Xylp-1^.4-ß-D-Xylp-l-^4-ß-D-Xylp-l->4-ß-D-Xylp-l-
Slika 1: Kemijska zgradba dela O-acetil-4-O-metilglukuronoksilana listavcev (FENGEL / WEGENER 1989)
Figure 1: Partial chemical structure of O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan from hardwood (FENGEL / WEGENER 1989)
Delež acetilnih skupin nekoliko variira. Razmerje med Xyl in O-Ac se giblje od 1 : 0,5 do 1 : 0,6. Acetilne skupine so enakovredno razporejene na C2 in C3 atom. Lindberg in soavtorja (1973) so določili razmerje med ksiloznimi enotami, ksiloznimi enotami z acetilno skupino na C2 atomu, ksiloznimi enotami z acetilno skupino na C3 atomu ter ksiloznimi enotami z acetilnimi skupinami na C2 in C3 atomu v ksilanu breze. Znašalo je 44 : 24 : 22 : 10.
Z eksperimenti razgradnje in metiliranja so določili razporeditev stranskih skupin in tudi stopnjo razvejanosti. Ugotovili so, da imajo ksilani listavcev 2 ali 3 mesta na katera se vežejo kratke stranske verige na C3 atom glavne verige (KOSHIJIMA / TIMELL / ZINBO 1965, TIMELL 1965).
Povprečna stopnja polimerizacije glavne verige ksilana variira med 100 in 200, odvisno od vrste lesa in modela izolacije. Stopnja polimerizacije ksilana breze se giblje med 20 in 200 (LeBEL / GORING 1963). Frakcije alkalnih ekstraktov iz lesa breze in bukve, dobljene s sedimentacijo, ekstrakcijo ali ionsko izmenjevalno kromatografijo, imajo
različno razmerje med enotami ksiloze in 4-O-metilglukuronsko kislino (KIRILLOVA / BEINART 1974, FENGEL / PRZYKLENK 1976). Iz lesa bukve so izolirali frakcije z razmerjem 3 : 1 med Xyl in Me-GluU enotami.
Ksilani listavcev poleg ksiloznih enot v glavni verigi vsebujejo še majhen delež ramnoze in galakturonske kisline (SAMUELSON / WICTORIN 1966, SHIMIZU / SAMUELSON 1973). Nadaljnje raziskave so pokazale, da je reducirajoči konec verige ksilanov sestavljen iz kombinacije ksiloze, ramnoze in galakturonske kisline po naslednjem zaporedju (JOHANSSON / SAMUELSON 1977):
ß-D-Xylp-1 ^4-ß-D-Xylp-1 ->3-a-L-Rhap-1 ^2-a-D-GalpU-1 -^4-ß-D Xyl
Ta struktura je očitno razlog za odpornost ksilanskih molekul proti alkalijam (ERICSSON / PETTERSON / SAMUELSON 1977). Po odstranitvi reducirajoče ksilozne enote galakturonska kislina ponovno stabilizira molekulo.
Ksilani, prisotni v koreninah, so očitno drugačni od tistih v deblu. Bardalaye in Hay (1974) sta v koreninah sladkornega javorja {Acer saccharum) odkrila 4-0-metilglukoronoksilan s heteropolimemo verigo, sestavljeno iz glukoznih in ksiloznih enot.
2.1 NADMOLEKULSKA ZGRADBA
SUPRAMOLECULAR STRUCTURE
Študije Marchessaulta (MARCHESSAULT 1964; MARCHESSAULT / HOLOVA / TIMELL 1963) kažejo, daje ksilan, posebno, če je deacetiliran in če so prisotne skupine uronske kisline, sposoben kristalizirati v heksagonalne strukture z več sloji do debeline 5 nm.
Voda ima pomembno vlogo pri nastanku kristalov ksilana. Z rentgensko difrakcijsko analizo so ugotovili dimenzije heksagonalne osnovne celice ksilana: a = c = 0,916 nm b = 1,485 nm ß =60°
Šest monomemih enot se veže v prostorsko enoto, verige ksilanov se razporejajo v vijačno strukturo v vertikalni osi. Molekule so med sabo povezane z medmolekulskimi vodikovimi vezmi (05...03). Direktne povezave med sosednjimi verigami ksilanov z vodikovimi vezmi niso možne, domneva pa se, da v mrežo vključene molekule vode dodatno stabilizirajo celotno strukturo (slika 2) (NIEDUSZYNSKI / MARCHESSAULT 1971).
Acetil-4-O-metilglukuronoksilan v holocelulozi je sposoben kristalizirati znotraj vlaken v smeri njihovega poteka (MARCHESSAULT 1964).
Iz molekulske zgradbe lahko sklepamo, da pravilna urejenost daljših struktur ni možna zaradi neenakomerne razporeditve stranskih acetilnih skupin ter enot arabinoze in uronske kisline. Prav tako so zaradi pomanjkanja CH20H-skupin verige ksilanov bolj fleksibilne kot verige heksozanov (FENGEL / WEGENER 1989).
- a = 0.92 nn
Slika 2: Heksagonalna osnovna celica ksilana (NIEDUSZYNSKI / MARCHESSAULT 1971)
Figure 2: Hexagonal unit cell ofxylan (NIEDUSZYNSKI/MARCHESSA ULT1971)
Molekule ksilana se uredijo tako, da tvorijo vlakna s fleksibilno zgradbo, ki se razlikuje od strukture celuloznih fibril. Precipitat frakcije ksilana listavcev in iglavcev vsebuje prosto razporejene fleksibilne fibrile (FENGEL 1976, FENGEL / PRZYKLENK 1976).
3 MANANI
MANNANS
Manane lahko opredelimo kot heteropolimere manoznih in glukoznih enot. Pravimo jim tudi glukomanani. Listavci vsebujejo do 4 % glukomananov (SHIMIZU 1991).
Glukomanani imajo enostavno zgradbo. Sestavljajo jo samo glukozne in manozne enote vezane v verigah z majhno razvejanostjo. Manozne in glukozne enote so povezane z ß-(1—>4)-glukozidnimi vezmi. Razmerje med manoznimi in glukoznimi enotami je pri večini listavcev okoli 1,5-2 : 1. Seveda nekaj drevesnih vrst od tega razmerja odstopa (FENGEL / WEGENER 1989).
Stopnja polimerizacije glukomananov listavcev se giblje med 60 in 70 (EBRINGEROVÄ / KRAMAR / DOMANSKY 1972). V primerjavi z deležem ksilanov imajo glukomanani s 3-5 % deležem v lesovih manjši pomen, kar tudi pojasnjuje njihovo neraziskanost.
3.1 NADMOLEKULSKA ZGRADBA
SUPRAMOLECULAR STRUCTURE
Mananov lesa še nikomur ni uspelo pridobiti v kristalni obliki. Iz drugih tkiv pa so že pridobili manane, ki so sposobni kristalizirati. To so manani iz guarjevih semen, lešnikov ivori in morske trave (FREI / PRESTON 1957). Glavno verigo imajo sestavljeno pretežno iz enot manoze. Dimenzije osnovne celice mananov se večajo z višjo vlažnostjo zaradi vključevanje molekul vode v strukturo (MARCHESSAULT 1964). Manani morske trave imajo ortorombsko osnovno celico (slika 3), v kateri so prisotne vodikove vezi (FREI / PRESTON 1957).
I--a = 0,72 nra------1
Slika 3: Ortorombska osnovna celica manana (FREI / PRESTON 1957) Figure 3: Orthorhombic unit cell ofmannan (FREI/PRESTON 1957)
Meier (1962) je dokazal, daje en del manana ivori lešnika v kristalnem stanju, drug pa v amorfhem. Za kristalizacijo nizkomolekulskih mananov iz lešnika ivori so uporabili različne metode.
Youndtu je leta 1951 prvemu uspelo kristalizirati glukomanan s selektivno hidrolizo borovih polioz. Deacetilirani glukomanani bora (Pinus sylvestris) in sekvoje {Sequoia sempervirens) kristalizirajo v enaki obliki kot manani lešnikov ivori in prav tako lahko tvorijo kristalno strukturo s celulozo (FENGEL / WEGENER 1989).
4 GLUKANI
GLUCANS
Poleg celuloze so v lesu, kot v drugih rastlinskih tkivih, prisotni tudi drugi polisaharidi, ki so sestavljeni iz glukoze. Najpomembnejši med temi rezervnimi polisaharidi je škrob, ki se v lesnem tkivu nahaja v parenhimskih celicah. Poleg njega so v lesu še naslednji glukani: kaloza, laricinan in ksiloglukani.
Škrob je sestavljen iz različnih komponent, ki se med sabo razlikujejo po zgradbi in molekulski masi. To so linearne amiloze in razvejan amilopektin. Glukozne enote amiloze so povezane z a-(l-^4) glukozidnimi vezmi. Pri amilopektinih pa so prisotne še a-(l->6) glukozidne vezi. a-glukozidne vezi se z lahkoto razcepijo, kar je zelo pomembno za proces metabolizma. Škrob obstaja samo v obliki granul in ne fibril. Nekaj amiloz pa je sposobnih kristalizirati (MARCHESSAULT 1964).
Kaloza je sestavljena iz glukoznih enot, ki so med sabo vezane z ß-(l-^3) glukozidnimi vezmi (FU / GUTMANN / TIMELL 1972). Kalozne molekule se združujejo v fibrilame strukture (FENGEL 1966).
Ksiloglukani z osnovno verigo glukoz, ki so med sabo vezane z ß-(1^4) glukozidnimi vezmi, na katere so vezane posamezne a-ksilozne enote in ostanki galaktoze in flikoze, so prisotni v številnih rastlinah. Našli pa so jih tudi v celični kulturi gorskega javorja {Acer pseudoplatanus) (ALBERSHEIM et al. 1973) (slika 4).
a-L-Fucp 1 i
ß-D-Xylp ß-D-Xylp ß-D-Xylp 1 1 1 ^ i i
_>4-ß-D-Glup-1 ->4-ß-D-Glup-1 ->4-ß-D-Glup-1 ^4-ß-D-Glup-1 ^4-ß-D-Glup-1 -
Slika 4: Delna struktura ksiloglukana celične kulture gorskega javorja {Acer pseudoplatanus) (FENGEL / WEGENER 1989)
Figure 4: Partial chemical structure of xyloglucan from a cell culture of maple (Acer pseudoplatanus) (FENGEL / WEGENER 1989)
5 PEKTINI
PECTINS
Pektini obsegajo galakturonane, galaktane in arabinane.
Galakturonani različne sestave so sestavni del številnih rastlin, predvsem se pojavljajo v lupini sadežev in raznih smolah. Vsebnost galakturonanov v listavcih in iglavcih je manjša od 1 %. V glavnem se nahajajo v srednji lameli in v torusu pikenjske membrane obokanih pikenj (BAUCH / LIESE / SCHOLZ 1968).
Pektini, izoliram iz celične kulture gorskega javorja {Acer pseudoplatanus), so sestavljeni iz arabinana in ramnogalakturonana (TALMADGE et al. 1973). Omenjene sestavine
imajo v osnovni verigi z a-(l—>4) vezmi vezane enote galakturonske kisline in ramnoze na vsakih 8 enot. Na polovico ramnoznih enot se vežejo stranske verige, ki so sestavljene iz enot galakturonskih kislin, vezanih z a-(1^2) in a-(l->4) vezmi (slika 5).
-I
4
ß-D-Galp 1
4-
4
>4-a-D-GalUp-1 ^4-a-D-GalUp-1 ->2-a-L-Rhap-1 ->4-a-D-GalUp-1 -»4-a-D-GalUp-
Slika 5: Delna kemijska struktura ramnogalakturonana iz celične kulture gorskega javorja
{Acer pseudoplatanus) (FENGEL / WEGENER 1989) Figure 5: Partial chemical structure of rhamnogalacturonan from a cell culture of maple (Acer pseudoplatanus) (FENGEL / WEGENER 1989)
V drugih rastlinskih tkivih in smolah so galakturonani iz homopolimerov ali iz heteropolimerov s stranskimi verigami iz galaktoznih, arabinoznih, ksiloznih in fiikoznih enot (ASPINALL 1964).
6 GALAKTANI
GALACTANS
Galaktani so znani že dolgo, še posebej dobro znan je arabinogalaktan iz macesnovine. Te polioze so vodotopne in jih lahko izoliramo v količinah od 10-25 % (TIMELL 1969). Prav tako je v lesovih borov, javorjev, bukev in brez od 0,5 do 3 % galaktanov (ASPINALL 1964, SHIMIZU 1975). Povečan delež galaktanov lahko najdemo v kompresijskem in tenzijskem lesu (RUEL / BARNOUD 1978).
Na splošno so galaktani zelo razvejani. Poleg znanega arabinogalaktana iz macesnovine sta Jiang in Timell (1972) izolirala dehio razvejan galaktan iz kompresijskega lesa macesna {Larix laricina). Te molekule so sestavljene iz 200-300 ß-(l->4) vezanih galaktopiranoznih enot. Ena od 20 galaktoznih enot pa nosi ostanek galakturonske kisline, ki je na osnovno verigo vezana na C6 atom.
Za galaktane listavcev so značilne ramnozne enote. Adams (1964) je v sladkornem javorju (Acer saccharum) našel vodotopen ramnoarabinogalaktan z molskim razmerjem 1,7 : 1 : 0,2 (Gal: Ara : Rha). Molekula je bila rahlo razvejana, galaktozne enote so bile vezane z ß-( 1^3) vezmi.
Galaktan iz tenzijskega lesa bukve (Fagus sylvatica, F. grandifolia) ima v osnovni verigi ß-(l-»4) vezi in je zelo razvejan (slika 6). Poleg galaktopiranoznih in ramnopiranoznih enot so v molekuli, ki je sestavljena iz 350-400 enot, prisotne še enote arabinofuranoze, 4-0-metilglukuronske kisline ter galakturonske kisline (KUO / TIMELL 1969).
4-O-Me-ß-D-GIuUp 1
4. 6
ß-D-Galp 1 ; 4
ß-D-Galp I
4. 6
ß-D-Galp I ;
o
OiCH
ß-D-GalUp-1 -^2-a-L-Rhap 1
4.
4
a-D-GalUp-1^2-a-L-Rhap 1
4-4
ß-D-Galp 1 4.
OtCH
ß-L-Araf 1
4.
5
a-L-Araf 1
4-
Pi
ß-D-Galp 1
4-6
ß-D-Galp 1
4 6
ß-D-Galp 1
4
-O
Slika 6: Del kemijske zgradbe galaktana tenzijskega lesa bukve (Fagus sylvatica)
(FENGEL / WEGENER 1989) Figure 6: Partial chemical structure of galactan from tension wood of beech (Fagus sylvatica) (FENGEL / WEGENER 1989)
Iz lesa sladkornega javorja {Acer saccharum) ter iz drugih rastlin so izolirali arabinogalaktane z ß-(l->3) vezanimi galaktoznimi enotami v osnovni verigi in z različnimi stranskimi verigami iz arabinoze, ramnoze ter galakturonske in 4-0-metilglukuronske kisline (ASPINALL 1964).
1 RAZPOREDITEV POLIOZ
DISTRIBUTION OF THE POLYOSES
Les je heterogen material. Prav tako kot anatomska zgradba variira tudi sama kemična sestava lesa. Tako se že v lesu istega drevesa kažejo velike razlike od stržena proti skorji, med ranim in kasnim lesom in pa v sami celični steni. Se večje razlike so opazne med lesovi različnih drevesnih vrst ter med normalnim in reakcijskim lesom.
Kemično sestavo lesa petih hstavcev podaja preglednica 3. Največji je delež celuloze. Giblje se od 42 do 51 %, sledita mu deleža lignina ter 4-0-metilglukuronoksilana, ki sta skoraj enakovredna. Ostalih komponent je manj kot 5 %.
Preglednica 3: Kemična sestava lesa nekaterih listavcev (COTE 1984) Table 3: Chemical composition of some hardwoods (COTE 1984)
iKomponenta (%) IComponent (%)	Acer rubrum	Betula papyrifera	Fagus grandifolia	Populus tremuloides	Ulmus americana
celuloza cellulose	45	42	45	48	51
lignin lignin	24	19	22	21	24
4-0-metilglukuronoksilan 4-0-methylglucuronoxylan	25	35	26	24	19
glukomanani glucomannans	4	3	3	3	4
pektini, škrob, pepel,... pectins, starch, ash,...	2	1	4	4	2
Prav tako so vse te komponente različno razporejene v celični steni (preglednica 4). Galaktani in arabinani so najbolj zastopani v srednji lameh (M) in primarni steni (P). Največji delež glukomananov in celuloze najdemo v notranjem delu srednjega sloja sekundarne stene (S2) ter v terciarni steni (T) oziroma notranjem sloju sekundarne stene (S3). 4-0-metliglukuronoksilan je najbolj zastopan v zunanjem sloju sekundarne stene (SI) in zunanjem delu srednjega sloja sekundarne stene (S2).
Preglednica 4: Polisaharidna sestava celične stene vlaken in traheid lesa breze {Betula
verrucosa) (COTE 1984) Table 4: Polysaccharide composition of the cell wall of fibers and tracheids from Betula verrucosa (COTE et al 1984)
Komponenta (%) Component (%)	M + P	SI	S2 zunanji sloj S2 outer part	S2 notranji sloj + T S2 inner part + T
celuloza cellulose	41,4	49,8	48,0	60
4-0-metilglukuronoksilan 4-0-methylglucuronoxylan	25,2	44,1	47,7	35,1
glukomanani glucomannans	3,1	2,8	2,1	5,1
galaktani galactans	16,9	1,2	0,7	0,0
arabinani arabinans	13,4	1,0	1,5	0,0
Vidne razlike so tudi med normalnim in tenzijskim lesom (COTE 1984) (preglednica 5). V tenzijskem lesu breze {Betula pubescens) in bukve {Fagus sylvatica) lahko najdemo večji delež galaktoze in glukoze. Normalen les istih drevesnih vrst vsebuje večji delež manoze in ksiloze. Vsebnost arabinoze je premajhna, da bi lahko govorili o kakih bistvenih razlikah.
Preglednica 5: Sladkorne komponente normalnega in tenzijskega lesa breze {Betula
pubescens) in bukve {Fagus sylvatica) (COTE 1984) Table 5: Sugar composition of normal and tension wood from Betula pubescens and Fagus sylvatica (COTE 1984)
Komponenta (%) Component (%)	Betula pubescens		Fagus sylvatica	
	normalen les normal wood	tenzijski les tension wood	normalen les normal wood	tenzijski les tension wood
galaktoza galactose	2,6	11,6	1,3	4,9
glukoza glucose	57,6	73,5	57,6	73,3
manoza mannose	0,9	0,4	4,3	0,0
arabinoza arabinose	0,9	0,0	1,0	2,0
ksiloza xylose	38,0	14,5	35,8	18,8
8 POLIOZE SKORJE
BARK POLYOSES
Prav tako kot kemična sestava lesa variira kemična sestava skorje. Delež polioz v skorji je pri različnih drevesnih vrstah drugačen. Skorja hrasta vsebuje (Quercus robur) 9,3 % polioz, skorja bukve {Fagus sylvatica) celo 23,1 %. Na zunanjem delu skorje zasledimo manjši delež polioz kot v notranjosti. Floem skorje hrasta {Quercus prinus) vsebuje 16,9 % polioz, ritidom 13,1 % (FENGEL / WEGENER 1989).
Glavna komponenta polioz skorij listavcev je metilglukuronoksilan. Njegova sestava je podobna sestavi ksilanov lesov listavcev. Stopnja polimerizacije je nekoliko višja in se giblje med 171 in 234 (FENGEL / WEGENER 1989). V manjših količinah se pojavljajo galakturonani (3-4 %), manani (2 %), arabinani ter galaktani. Vse študije kažejo, da imajo polioze skorje enako kemično zgradbo kot poHoze lesov, obstaja pa nekaj razlik v sestavi.
9	IZOLACIJA, DOLOČANJE, ANALIZA
ISOLATION, DETERMINATION, ANALYSIS
Nekatere polioze so topne že kar v vodi, npr. arabinogalaktani macesnov. Kljub temu jih ne moremo pridobivati neposredno z alkalno ekstrakcijo iz lesa, ker se pri tem poleg polioz izločijo številne druge ekstraktivne snovi. Zato pri analizi lesa največkrat polioze ekstrahiramo iz holoceluloze s poprejšnjo delignifikacijo (TIŠLER 1991). Zaradi kompleksne tridimenzionalne stukture lignina in njegove kemične vezave na molekule polisaharidov (ligninsko polisaharidni kompleks - LPC) zelo težko izoliramo popolnoma čiste komponente lesa. Celo v celulozi vedno najdemo ostanke polisaharidov in ostanke lignina. Pri iglavcih je poprejšnja delignifikacija nujna.
Izjema so arabinogalaktani in ksilani listavcev, ki jih je mogoče ekstrahirati iz lesa brez predhodne delignifikacije. Tako lahko iz lesa topola {Populus tremuloides) ekstrahiramo ves ksilan, iz lesa bukve {Fagus sylvatica) le polovico. Z zadovoljivimi izkoristki lahko ekstrahiramo ksilane iz lesa breze, ameriške lipe in trepetlike. Manjše izkoristke, manj kot
10	%, dosegamo pri direktni ekstrakciji ksilanov nekaterih drugih listavcev, kot so brest, kafrovec, divji kostanj in jesen (SHIMIZU 1991). Do te razlike v izkoristkih prihaja najverjetneje zaradi različne razporeditve komponent v celični steni.
Za alkalno ekstrakcijo največkrat uporabimo 10-12 % vodno raztopino kalijevega hidroksida. Ta je od natrijevega hidroksida in dimetilsulfoksida učinkovitejši, saj lahko z njim dosegamo bolj selektivno ekstrakcijo. Tako ekstrahirani ksilan po nevtralizaciji z ocetno kislino oborimo z etanolom. Oborino zberemo s centrifugiranjem, speremo z etanolom, etrom, razredčeno ocetno kislino, vodo, acetonom ter jo posušimo v vakuumu (TIŠLER 1998). Da se izognemo alkalni razgradnji polisaharidov, lahko izvajamo ekstrakcijo v dušikovi atmosferi pri sobni ali nekoliko nižji temperaturi (SHIMIZU 1991).
Poleg alkalne ekstrakcije lahko ksilane izoliramo iz lesa še z vodno paro pri povišani temperaturi in tlaku.
Japonci so razvili dve možnosti izolacije ksilanov iz lesa (ISHIHARA 1999). Sekance lahko izpostavimo visoki temperaturi od 180 do 230 °C v Asplundrovem digestoriju ali izvedemo parno eksplozijo v temperaturnem območju 210-230 °C. Zatem sekance
defibriramo, rafiniramo in stisnemo. V dobljenem ekspresatu je ksilan. Glavnina ksilana se zaradi delovanja ocetne kisline, ki se sprosti pri zvišam temperaturi, samohidrolizira do ksiloze in ksilooligomerov.
Večkrat nas zanima le količina in vrsta polioz v vzorcu, ne da bi jih želeli izolirati. V tem primeru naredimo popolno hidrolizo polisaharidov ter postopno določimo monosaharide (TIŠLER 1991). Fengel in Wegener (1989) sta razvila postopek hidrolize s tetrafluorocetno kislino. Mogoča pa je tudi hidroliza z žveplovo(VI) kislino ter razgradnja ogljikohidratnega dela lesa z encimi do enostavnih sladkorjev (SARANPÄÄ / HÖLL 1989). Mogoča je še encimska hidroliza, pri kateri lahko dosegamo boljše izkoristke v primerjavi s kislinsko. Njena prednost je selektivna razgradnja in s tem pridobivanje čistejših produktov (ISHIHARA 1999).
Ne glede na način izoliranja in razgradnje ogljikovih hidratov je potrebno pridobljeno zmes monosaharidov in morebiti disaharidov s primemo kemijsko metodo analizirati. Najboljše so kromatografske metode, ki so zaradi svoje učinkovitosti in univerzalnosti prerasle številne znane klasične analize (TIŠLER 1991). Lahko uporabimo tankoplastno kromatografijo, plinsko kromatografijo in tekočinsko kromatografijo, kamor spada tudi ionska izmenjalna kromatografija.
10 POVZETEK
Lesne poUoze ali hemiceluloze so necelulozni polisaharidi, sestavljeni iz pentoz, heksoz, heksuronskih kislin in deoksi-heksoz. Lesovi listavcev imajo drugačno vsebnost in sestavo lesnih polioz kot iglavci.
Glavna komponenta lesnih polioz listavcev je 4-O-metilglukuronoksilan, kjer so D-ksilozne enote povezane z ß-(l-4) glikozidnimi vezmi. Približno na vsako deseto enoto ksiloze v glavni verigi se v neenakomernih intervalih vežejo skupine 4-0-metilglukuronske kisline. Številne OH skupine na C2 in C3 atomu na ksiloznih enotah pa so nadomeščene z O-acetilnimi skupinami.
V manjših količinah so prisotni še glukomanani, glukani, galaktani ter pektini. Manani oz. glukomanani so heteropolimeri manoznih in glukoznih enot. Glukani so, tako kot celuloza, sestavljeni iz glukoznih enot. Najpomembnjejši med njimi so škrob, kaloza, laricinan in ksiloglukan. Za galaktane listavcev je značilna prisotnost ramnoznih enot. Večjo vsebnost galaktanov zasledimo v kompresijskem in tenzijskem lesu. Pektini obsegajo galakturonane, galaktane in arabinane.
11 SUMMARY
Wood polyoses or hemicelluloses are non-cellulosic polysaccharides consisting of pentoses, hexoses, hexuronic acids and deoxy-hexoses. Hardwood polyoses differ from softwood ones with regard to their content and composition.
The dominating hardwood polyose is 4-O-methylglucuronoxylan, where D-xylose units are linked by ß-(l-4) glycosidic bonds. On the average every tenth xylose unit is linked in irregular intervals to a side group of 4-O-methylglucuronic acid. Many of the OH groups at C2 and C3 of the xylose units are substituted by 0-acetyl groups.
In a small proportion glucomannans, glucans, galactans and pectins are also present. Mannans or glucomannans are heteropolymers consisting of mannose and glucose units. Glucans consist of glucose units as well as cellulose units. The most important glucans are starch, callose, laricinan and xyloglucan. The galactans of hardwoods are characterized by the content of rhamnose units. Higher portion of galactans can be found in compression and tesion wood. Pectins comprises the galacturonans, the galactans and the arabinans.
12 VIRI
REFERENCES
ADAMS, G. A., 1964. Water-soluble polysaccharides of Sugar Maple {Acer
saccharum).- Svensk Papperstid., 67, 3, s. 82-88. ALBERSHEIM, P. / BAUER, W. D. / KEEGSTRA, K. / TALMADGE, K. W., 1973. The Structure of the Walls of Suspension-Cultured Sycamore Cells.- V: Loewus, F.
(ed.). Biogenesis of Plant Cell Wall Polysaccharides, New York, London, Academic Press, s. 117-147.
ASPINALL, G. O., 1964. Some recent Developments in the Chemistry of Arabinogalactans, Chimie et Biochimie de la Lignine, de la Cellilose et des Hemicelluloses.- V: Actes du Symposium International de Grenoble, Chambery, Les emprimeries reunies, s. 89-97.
BARDALAYE, P. C. / HAY, G. W., 1974. Structural studies on the hemicelluloses of the roots of the Sugar Maple {Acer saccharum). Part 2. Two (4-O-methyl-D-glucurono) glucoxylans from the sapwood of mature lateral roots..- Carbohyd. Res., 37, 2, s. 339-350.
BAUCH, J. / LIESE, W. / SCHOLZ, F., 1968. Über die Entwicklung und stoffliche Zusammenset2xing der Hoftüpfeemembranen von Längstracheiden in Coniferen.-Holzforschung, 22, 5, s. 145-153.
CÖTE, W. A., 1984. Chemical composition of Wood. Principles of Wood Science and Technology 1, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, s. 55-78.
EBRINGEROVÄ, A. / KRAMÄR, A. / DOMANSKY, R., 1972. Glukomannan aus dem Holz der Hagebuche {Carpinus betulus L.).- Holzforschung, 26, 3, s. 89-92.
ERICSSON, T. / PETTERSON, G. / SAMUELSON, O., 1977. Galacturonic acid groups in birch xylan.- Wood Sei. Technol., 11, 3, s. 219-223.
FENGEL, D., 1966. Die Feinstruktur der Tüpfel in Buchenholz.- Holz Roh-Werkstoff, 24, 6, s. 245-253.
FENGEL, D., 1976. Fractionation experiments on the alkali extract from Spruce holocellulose. II. Optimising the ion exchange chromatographic fractionation.-Holzforschung, 30, 5, s. 143-148.
FENGEL, D. / PRZYKLENK, M., 1976. Studies on the alkali extract from Beech holocellulose.- Wood Sei. Technol., 10, 4, s. 311-320.
FENGEL, D. / WEGENER, G., 1989. Wood, Chemistry, Ultrastructure, Reactions.-Berlin-New York, Walter de Gruyter, 613 s.
FREI, E. / PRESTON, R. D., 1957. The fme structure of the walls of conifer tracheids. VI. Electron microscope investigations of sections.- J. exp. Bot., 22, 8, s 139-146.
FU, Y. L. / GUTMANN, P. J. / TIMELL, T. E., 1972. Polysaccharides in secondary phloem of Scotch Pine {Pinns sylvestris L.). (1) Isolation and characterization of callose. (2) Structure of an arabinan. (3) Constitution of a galactoglucomannan.-Cell. Chem. Technol., 6, 5, s. 507-512.
ISHIHARA, M., 1999. Utilization of Wood Polysaccharides as Sugars:- Les, 51, 6, s. 165-168.
JIANG, K. S. / TIMELL, T. E., 1972. Polysaccharides in compression wood of Tamarack (Larix laricina). 4. Constitution of an acidic galactan.- Svensk Papperstid., 75, 14, s. 592-594.
JOHANSSON, M. H. / SAMUELSON, O., 1977. Reducing end groups in birch xylan and their alkaline degradation.- Wood Sei. Techno!., 11, 4, s. 251-263.
KIRILLOVA, V. V. / BEINART, I. 1., 1974. Uniformity of the structure of the macromolecules of Birch glucuronoxylan.- Khim Drev., 15, s. 27-31.
KOSHIJIMA, T. / TIMELL, T. E. / ZINBO, M., 1965. The number average molecular weight of native hardwood xylans.- Polym. Sei,, 11, s. 265-279.
KUO, C. M. / TIMELL, T. E., 1969. Isolation and characterisation of a galactan from tension wood of American beech (Fagus grandifolia).- Svensk Papperstid., 72, s. 703-716.
LeBEL, R. G. / GORING, D. A. I., 1963. Solution properties of Birch {Betula papyrifera) xylan, I. Measurement of molecular weight. II. Fractionation and configuration.-Polym. Sei., 2, s. 29-48,
LEE, J. Y. / CHO, N. S. / ISHIZU, A. / NAKANO, J., 1981. Studies on the xylans of tropical hardwoods.- Journal of the Japan Wood Research Society. , 27, 10, s. 745-749.
LINDBERG, B. / ROSELL, K. G. / SVENSSON, S., 1973. Positions of the O-acetyl groups in [natural acetylated] Birch xylan.- Svensk Papperstid, 76, 1, s. 30-32.
MARCHESSAULT, R. H., 1964. Texture and Morphology of Xylans, Chimie et Biochimie de la Lignine, de la Cellulose et des Hemicelluloses,- V: Actes du Symposium International de Grenoble, Chambery, Les emprimeries reunies, s. 287-301.
MARCHESSAULT, R. H. / HOLOVA, H. / TIMELL, T. E., 1963. Correlation of chemical composition and optical rotation of native xylans.- Can. J. Chem., 41, 6, s. 1612-1618.
MEIER, H., 1962. Studies on a galactan from tension wood of beech (Fagus sylvatica L.).- Acta. Chem. Scand., 16, s. 2275-2282.
NIEDUSZYNSKI, I. / MARCHESSAULT, R, H., 1971. Structure of beta-D-(l-4)xylan hydrate.- Nature, 232, 5305, s, 46-47.
RUEL, K. / BARNOUD, F., 1978. Recherchues sur la Quantification du Bois de Tension chez le Hetre: Signification Statistique de la Teneur en Galactose.- Holzforschung, 32,4, s. 149-156.
SAMUELSON, O. / WICTORIN L., 1966. Uronic acid in birch hemicellulose.- Svensk Papperstid., 69, s. 777-782.
SARANPÄÄ, P. / HOLL, W., 1989. Soluble carbohydrates of Pinus sylvestris L. sapwood and heartwood,- Trees Structure and Function, 3, 3, s. 138-143.
SHIMIZU, K., 1975. Basic studies on wood hemicellulose.- Bull. Gov. Forest Exp. Station, Meguro, 272, s. 1-78.
SHIMIZU, K., 1991. Chemistry of Hemicelluloses.- V: Hon, D. N. S. (ed.). Wood and Cellulosic Chemistry, New York, Basel: Marcel Dekker, s. 177-214.
SHIMIZU, K. / SAMUELSON, O., 1973. Uronic acids in Birch hemicellulose.- Svensk Papperstid., 76,4, s. 150-155.
TALMADGE, K. W. / KEEGSTRA, K. / BAUER, W. D. / ALBERSHEIM, P., 1973. The structure of plant cell walls. III. A model of the walls of suspension-cultured Sycamore cells based on the interconnections of the macromolecular components.-Plant Physiol., 51, 1, s. 158-173.
TIMELL, T. E., 1964. Wood hemicelluloses. Part I.- Adv. Carbohydr. Chem., 19, s. 247-302.
TIMELL, T. E., 1965. Wood hemicelluloses. Part II.- Adv. Carbohydr. Chem., 20, s. 409-483.
TIMELL, T. E., 1969. The chemical composition of tension wood.- Svensk Papperstid., 72, 3, s. 45-70.
TIMELL, T. E., ZINBO, M., 1967. Studies on a native xylan from Norway spruce {Picea abies).- Svensk Papperstid., 70, 2, s. 597-605.
TIŠLER, v., 1991. Kemijska analiza polisaharidov lesa z ionsko izmenjalno kromatografijo.- Zbornik gozdarstva in lesarstva, 38, s. 275-286.
TIŠLER, V., 1998. Uporaba lesnih sladkorjev,- Les, 51, 7-8, s. 216.