Hemicellulose macht 20–30 % des Trockengewichts der pflanzlichen Zellwand aus und ist nach der Cellulose das zweithäufigste Polysaccharid. Sie weist eine heterogene Struktur auf, die aus verschiedenen Pentose- und Hexose-Zuckern besteht, und bildet eine verzweigte Matrix, die Cellulose-Mikrofibrillen über Wasserstoffbrückenbindungen und Ferulasäure-Brücken mit Lignin vernetzt. Diese Wechselwirkungen tragen zur Flexibilität und mechanischen Festigkeit der pflanzlichen Zellwand bei.

Molekulare Zusammensetzung

Hemicellulosen besitzen β-(1→4)-verknüpfte Rückgrate aus Xylose, Mannose oder Glucose, mit Seitenketten aus Arabinose, Galactose, Glucuronsäure und anderen. Ihr Polymerisationsgrad liegt typischerweise zwischen 80 und 200, deutlich kürzer als bei Cellulose. Wichtige Typen sind:

• Xylane: Vorherrschend in Harthölzern, gekennzeichnet durch β-D-Xylopyranose-Rückgrate mit verschiedenen Substitutionen.
• Glucomannane: Reichlich in Weichhölzern vorhanden und aus Glucose- und Mannose-Einheiten aufgebaut.
• Arabinoxylane: Häufig in Getreidekörnern und reich an arabinose-substituierten Xylan-Ketten.

Die Hemicellulose-Zusammensetzung variiert zwischen Pflanzenarten – beispielsweise überwiegen Xyloglucane bei zweikeimblättrigen Pflanzen, während gemischte Glucane typisch für Gräser sind.

Strukturelle und funktionelle Eigenschaften

Im Gegensatz zur linearen und hochgradig kristallinen Cellulose ist Hemicellulose verzweigt und besitzt ein geringeres Molekulargewicht. Diese Merkmale verleihen ihr Löslichkeit unter alkalischen Bedingungen bei gleichzeitiger Wasserunlöslichkeit. Dadurch kann Hemicellulose Cellulose-Mikrofibrillen einbetten und zur Bildung eines kohärenten und flexiblen Wandnetzwerks beitragen. Bei Hydrolyse durch die Darmmikrobiota oder enzymatische Systeme liefert Hemicellulose vergärbare Zucker, die zu den Vorteilen von Ballaststoffen beitragen, wie z. B. der Regulierung des Darmtransits.

Ihre Fähigkeit, über Ferulasäure-Quervernetzungen mit Lignin zu interagieren, erhöht zudem die strukturelle Stabilität von lignocellulosischer Biomasse.

Biologische Synthese und Anwendungen

Hemicellulose wird im Golgi-Apparat synthetisiert, anschließend transportiert und in der Zellwand abgelagert, wo sie durch kontinuierliche Umgestaltung bei der Zellexpansion und der Pathogenabwehr hilft. Industriell besitzt Hemicellulose erheblichen Wert: Sie dient als Rohstoff für die Biokraftstoffproduktion, als lösliche Ballaststoffe in Lebensmitteln und als Ausgangsmaterial für biobasierte Textilien und biologisch abbaubare Materialien. Landwirtschaftliche Nebenprodukte wie Getreidekleie sind besonders reich an Arabinoxylanen, die in gesundheitsfördernden Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden.