Целлюлоза [(C 6 H 10 O 5 ) n ] – это органическое соединение и самый распространенный биополимер на Земле. Это сложный углевод или полисахарид, состоящий из сотен и тысяч молекул глюкозы, связанных вместе в цепь. Хотя животные не производят целлюлозу, ее производят растения, водоросли, а также некоторые бактерии и другие микроорганизмы. Целлюлоза является основной структурной молекулой в клеточных стенках растений и водорослей.
История
Французский химик Ансельм Пайен обнаружил и выделил целлюлоза в 1838 году. Пайен также определил химическую формулу. В 1870 году первый термопластический полимер, целлулоид, был произведен компанией Hyatt Manufacturing Company с использованием целлюлозы. Отсюда целлюлоза использовалась для производства вискозы в 1890-х годах и целлофана в 1912 году. Герман Штаудингер определил химическую структуру целлюлозы в 1920 году. В 1992 году Кобаяши и Шода синтезировали целлюлозу без использования каких-либо биологических ферментов.
Химическая структура и свойства
Целлюлоза образуется через β (1 → 4) -гликозидные связи между звеньями D-глюкозы. Напротив, крахмал и гликоген образуются за счет α (1 → 4) -гликозидных связей между молекулами глюкозы. Связи в целлюлозе делают ее полимером с прямой цепью. Гидроксильные группы в молекулах глюкозы образуют водородные связи с атомами кислорода, удерживая цепи на месте и придавая волокнам высокую прочность на разрыв. В стенках растительных клеток множество цепей связываются вместе, образуя микрофибриллы.
Чистая целлюлоза не имеет запаха, вкуса, гидрофильна, нерастворима в воде и биоразлагаема. Он имеет температуру плавления 467 градусов Цельсия и может разлагаться до глюкозы при кислотной обработке при высокой температуре.
Функции целлюлозы
Целлюлоза – это структурный белок растений и водорослей. Волокна целлюлозы опутаны полисахаридной матрицей для поддержки стенок растительных клеток. Стебли растений и древесина поддерживаются целлюлозными волокнами, распределенными в лигниновой матрице, где целлюлоза действует как арматурный стержень, а лигнин действует как бетон. Самая чистая натуральная форма целлюлозы – это хлопок, который на 90% состоит из целлюлозы. Напротив, древесина состоит на 40-50% из целлюлозы.
Некоторые виды бактерий выделяют целлюлозу для образования биопленок. Биопленки обеспечивают поверхность прикрепления для микроорганизмов и позволяют им организовываться в колонии.
Хотя животные не могут производить целлюлозу, это важно для их выживания. Некоторые насекомые используют целлюлозу в качестве строительного материала и пищи. Жвачные животные используют симбиотические микроорганизмы для переваривания целлюлозы. Люди не могут переваривать целлюлозу, но это основной источник нерастворимых пищевых волокон, которые влияют на усвоение питательных веществ и способствуют дефекации..
Важные производные
Существует много важных производных целлюлозы. Многие из этих полимеров поддаются биологическому разложению и являются возобновляемыми ресурсами. Соединения, производные целлюлозы, как правило, нетоксичны и не вызывают аллергию. К производным целлюлозы относятся:
- Целлулоид
- Целлофан
- Вискоза
- Ацетат целлюлозы
- Триацетат целлюлозы
- Нитроцеллюлоза
- Метилцеллюлоза
- Целлюлоза сульфат
- Этулоза
- Этилгидроксиэтилцеллюлоза
- Гидроксипропилметилцеллюлоза
- Карбоксиметилцеллюлоза (целлюлозная камедь)
Коммерческое использование
Основным коммерческим использованием целлюлозы является производство бумаги, где крафт-процесс используется для отделяют целлюлозу от лигнина. Волокна целлюлозы используются в текстильной промышленности. Хлопок, лен и другие натуральные волокна могут использоваться напрямую или обрабатываться для производства вискозы. Микрокристаллическая целлюлоза и порошковая целлюлоза используются в качестве наполнителей лекарств и пищевых загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов. Ученые используют целлюлозу для фильтрации жидкостей и тонкослойной хроматографии. Целлюлоза используется в качестве строительного материала и электроизолятора. Он используется в повседневных бытовых материалах, таких как кофейные фильтры, губки, клеи, глазные капли, слабительные средства и пленки. В то время как целлюлоза из растений всегда была важным топливом, целлюлозу из отходов животноводства также можно перерабатывать для производства бутанольного биотоплива.
Источники
- Дхингра, Д; Майкл, М; Раджпут, H; Патил, Р. Т. (2011). «Пищевые волокна в продуктах питания: обзор». Журнал пищевой науки и технологий . 49 (3): 255–266. DOI: 10.1007/s13197-011-0365-5
- Клемм, Дитер; Хойблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и экологически чистое сырье». Энгью. Chem. Int. Эд . 44 (22): 3358–93. doi: 10.1002/anie.200460587
- Меттлер, Мэтью С .; Mushrif, Samir H .; Полсен, Алекс Д .; Javadekar, Ashay D .; Vlachos, Dionisios G .; Дауэнхауэр, Пол Дж. (2012). «Выявление химии пиролиза для производства биотоплива: превращение целлюлозы в фураны и малые оксигенаты». Energy Environ. Sci. 5: 5414–5424. DOI: 10.1039/C1EE02743C
- Нишияма, Ёсихару; Ланган, Пол; Шанзи, Анри (2002). «Кристаллическая структура и система водородных связей в целлюлозе Iβ по данным синхротронной рентгеновской дифракции и дифракции нейтронного волокна». Дж. Являюсь. Chem. Соц. . 124 (31): 9074–82. doi: 10.1021/ja0257319
- Стениус, Пер (2000). Химия лесных товаров . Бумажная наука и технология. Vol. 3. Финляндия: Fapet OY. ISBN 978-952-5216-03-5.