Hemicellulose là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại

Hemicellulose là một tập hợp polysaccharide phức tạp, tồn tại chủ yếu trong thành tế bào thực vật bên cạnh cellulose và lignin. Khác với cellulose có cấu trúc mạch thẳng và đồng nhất, hemicellulose là một mạng lưới các chuỗi ngắn, phân nhánh với độ tuần hoàn thấp hơn và hỗn hợp nhiều loại đường khác nhau.

Thành phần cơ bản của hemicellulose bao gồm các monosaccharide như xylose, arabinose, mannose, glucose và galactose. Các liên kết giữa các đơn vị đường thường là β-(1→4) hoặc β-(1→3), kèm theo nhiều liên kết nhánh dạng α-(1→2), α-(1→3) hoặc α-(1→6).

Phân loại hemicellulose dựa trên thành phần đường và cấu trúc liên kết chính gồm:

• Xylan: chiếm ưu thế ở gỗ cứng, mạch chính là β-(1→4)-D-xylan với các nhóm arabinofuranosyl hoặc axit uronic phân nhánh.
• Mannan: chủ yếu trong gỗ mềm, mạch chính là β-(1→4)-D-mannan hoặc galactomannan.
• β-Glucan: mạch hỗn hợp β-(1→3) và β-(1→4)-D-glucan, thường gặp ở lúa mì và lúa mạch.
• Xyloglucan: có trong vách tế bào sơ cấp, mạch chính giống cellulose nhưng có nhánh xylose.

Cấu trúc hóa học

Cấu trúc hemicellulose rất đa dạng do sự pha trộn của nhiều đơn vị đường và mức độ phân nhánh khác nhau. Mạch chính thường là chuỗi pentose hoặc hexose, với độ dài trung bình từ 50 đến 200 đơn vị đường tùy nguồn gốc.

Nhiều hemicellulose chứa các nhóm chức như este axit uronic (axit 4-O-metylglucuronic) hoặc axit acetic gắn vào vị trí C2 hoặc C3 của đơn vị đường, làm tăng tính phân nhánh và khả năng tương tác với lignin.

Công thức phân tử tổng quát của mạch chính hemicellulose có thể biểu diễn dưới dạng:

$(C_5H_8O_4)_n$ với n thường dao động trong khoảng 50–200.

Loại Hemicellulose	Đơn vị mạch chính	Nhóm phân nhánh
Xylan	β-(1→4)-D-xylan	Arabinofuranosyl, Metylglucuronic
Mannan	β-(1→4)-D-mannan	Galactose
β-Glucan	β-(1→3), β-(1→4)-D-glucan	Ít hoặc không có
Xyloglucan	β-(1→4)-D-glucose	Xylose, Galactose

Nguồn gốc và sự phân bố

Hemicellulose chủ yếu được tổng hợp trong tế bào thực vật, đặc biệt tại vùng vách tế bào sơ cấp. Hàm lượng của hemicellulose biến đổi tùy loài thực vật và giai đoạn phát triển:

• Gỗ cứng (hardwood): 20–35% khối lượng khô, chủ yếu là xylan.
• Gỗ mềm (softwood): 15–30% khối lượng khô, dominant mannan và glucomannan.
• Thực vật không gỗ (grass, rơm, vỏ hạt): 20–40%, nhiều β-glucan và arabinoxylan.

Hemicellulose kết hợp với lignin thông qua liên kết cộng hóa trị và tương tác liên phân tử, đồng thời liên kết cơ học với cellulose, tạo nên cấu trúc vững chắc và có khả năng chống chịu áp lực cơ học của thành tế bào.

Ngoài vai trò cơ cấu, hemicellulose còn tham gia điều chỉnh tính thấm, trao đổi khí và tích lũy nước trong thành tế bào, góp phần quan trọng vào sinh lý thực vật.

Phương pháp chiết xuất

Chiết xuất hemicellulose từ nguyên liệu lignocellulosic thường áp dụng các phương pháp hóa học, vật lý và sinh học. Mục tiêu chính là phá vỡ liên kết với lignin và cellulose, đồng thời bảo toàn cấu trúc phân nhánh của polysaccharide.

• Phương pháp kiềm loãng: Sử dụng dung dịch NaOH hoặc KOH 1–5% ở nhiệt độ 60–90 °C. Kiềm phá vỡ liên kết este giữa axit uronic và lignin, giải phóng hemicellulose hòa tan.
• Phương pháp axit loãng: Dùng HCl hoặc H₂SO₄ 0.5–1% ở 100–120 °C. Axit thủy phân nhẹ các liên kết ether giữa hemicellulose và lignin, nhưng hạn chế làm hư mạch chính.
• Phương pháp soi siêu tới hạn (SFE): Siêu tới hạn CO₂ với co-solvent (etanol) tách hemicellulose ở điều kiện áp suất 100–200 bar, nhiệt độ 40–60 °C.
• Phương pháp enzym: Xylanase, mannanase cắt mạch chính, hemicellulase xử lý nhánh, thu được sản phẩm phân đoạn có kích thước đồng nhất và hoạt tính sinh học cao.

Phương pháp	Điều kiện chính	Ưu điểm	Nhược điểm
Kiềm loãng	NaOH 1–5%, 60–90 °C	Khả năng hòa tan cao	Ô nhiễm kiềm, cần trung hòa
Axit loãng	HCl/H2SO4 0.5–1%, 100–120 °C	Chi phí thấp	Một số mạch chính bị thủy phân
Siêu tới hạn CO2	100–200 bar, 40–60 °C	Sạch, không dung môi độc hại	Thiết bị đắt đỏ
Enzym	Xylanase, Mannanase	Bảo toàn cấu trúc, kích thước đồng nhất	Chi phí enzyme cao

Tính chất vật lý-hóa học

Hemicellulose có tính chất vật lý và hóa học đặc trưng bởi độ hòa tan thay đổi theo pH và nhiệt độ. Trong dung dịch kiềm loãng (pH > 10), các nhóm este axit uronic bị thủy phân, làm hemicellulose dễ tan, trong khi ở môi trường axit nhẹ, một phần liên kết glycosidic có thể bị phá vỡ nhưng vẫn giữ được cấu trúc phân nhánh chính [ACS Review].

Nhiệt độ chuyển thủy tinh (T_g) của hemicellulose dao động trong khoảng 150–200 °C, thấp hơn nhiều so với cellulose (T_g ~ 270 °C). Khả năng hút ẩm cao do các nhóm hydroxyl tự do, dẫn đến thay đổi tính chất cơ học khi độ ẩm thay đổi [Sci. Direct].

• Độ hòa tan: Tan trong dung dịch kiềm loãng và dung môi hữu cơ phân cực (DMSO, DMAc/LiCl).
• Độ nhớt: Tỷ lệ nghịch với độ phân tử trung bình; hemicellulose phân nhánh ít nhớt hơn so với mạch thẳng.
• Độ bền nhiệt: Khởi đầu phân hủy ở ~220 °C dưới khí trơ.

Chức năng sinh học và phân hủy

Trong thành tế bào thực vật, hemicellulose hoạt động như “mái vòm” che phủ cellulose, điều chỉnh tính đàn hồi và độ bền cơ học. Nó kết nối với các vi sợi cellulose qua các liên kết hydro, tạo nên mạng lưới linh hoạt hơn so với sự dày đặc của cellulose thuần túy [NREL].

Hemicellulose là cơ chất ưa thích của nhiều nhóm vi sinh vật (vi khuẩn, nấm) nhờ hệ enzyme hemicellulase phong phú. Quá trình phân hủy bao gồm:

1. Xâm nhập enzyme (xylanase, mannanase) vào thành tế bào.
2. Thủy phân liên kết glycosidic, giải phóng oligosaccharide.
3. Thuỷ phân tiếp tục thành monosaccharide và lên men thành CO₂ hoặc CH₄.

Khả năng phân hủy nhanh giúp tái chế chất hữu cơ trong đất và sinh khí sinh học, đồng thời giảm tích tụ phụ phẩm nông nghiệp [Wiley Biotech].

Ứng dụng công nghiệp

Hemicellulose ngày càng được quan tâm trong nhiều ngành công nghiệp do tính năng sinh học, phân hủy và khả năng chức năng hoá học đa dạng.

Ngành	Ứng dụng	Lợi ích chính
Năng lượng sinh học	Lên men ethanol, butanol từ monosaccharide pentose/glucose	Tăng hiệu suất nguyên liệu; tối ưu hóa chuỗi đường pentose [Renew. Sust. Energy Rev.]
Vật liệu sinh học	Màng mỏng, composite phân hủy sinh học	Tính cơ học tốt; khả năng thay đổi chức năng bề mặt
Thực phẩm – Mỹ phẩm	Chất ổn định nhũ tương, chất tạo gel, prebiotic	Không độc; cải thiện cấu trúc, cảm quan sản phẩm [MDPI Foods]
Dược phẩm	Máy nang giải phóng kéo dài, vật liệu mang thuốc	Kiểm soát giải phóng; tương thích sinh học cao

Phương pháp phân tích

Để hiểu rõ thành phần và cấu trúc, các kỹ thuật phân tích chính được triển khai gồm:

• Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Xác định hàm lượng monosaccharide sau thủy phân axit [Sci. Direct].
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Phân tích cấu trúc mạch chính và nhánh (1D, 2D NMR).
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận diện nhóm chức –OH, –CO, ester axit uronic.
• Phân tích nhiệt trọng (TGA, DSC): Đánh giá độ bền nhiệt và nhiệt độ chuyển pha.

Đối với nguyên liệu thô, bổ sung bước phân lập sơ bộ qua sắc ký thẩm thấu hoặc tách chiết lỏng-lỏng để loại tạp chất và lignin.

Tác động môi trường và tính phân hủy

Hemicellulose có khả năng phân hủy sinh học cao, không để lại chất độc hại hoặc tích tụ trong môi trường. Dư lượng sau chiết xuất có thể:

• Được ủ sinh khí sinh học, sinh metan phục vụ sản xuất năng lượng.
• Chuyển hóa thành humic và fulvic acid, bổ sung độ phì nhiêu đất [Wiley Remediation].
• Sinh vật liệu geo-polymer hoặc than sinh học bằng phương pháp carbothermic.

Quá trình xử lý tối ưu cần cân bằng giữa yêu cầu công nghiệp và tiêu chí bền vững, giảm tối đa phát thải khí nhà kính và sử dụng hóa chất độc hại.

Tài liệu tham khảo

• PubChem. “Hemicellulose.” U.S. National Library of Medicine. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Hemicellulose
• Visakh, P.M., et al. “Hemicellulose Biorefinery: A Review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 98, 2018, pp. 74–84.
• Sun, R., et al. “Structure and Reactivity of Hemicelluloses.” Journal of Applied Polymer Science, vol. 127, no. 3, 2015, pp. 1943–1952.
• Zhu, J.Y.; Pan, X.J. “Woody Biomass Pretreatment for Cellulosic Ethanol.” Fuel Processing Technology, vol. 87, 2006, pp. 395–410.
• Sixto, H.C. “Techno-Economic Analysis of Hemicellulose Utilization.” Biofuels, Bioproducts and Biorefining, vol. 12, no. 1, 2018, pp. 23–36.