Целлюлоза

Полимер клеточной стенки растений и зеленых водорослей

Целлюлоза

Идентификаторы
Номер CAS	9004-34- 6
ChEMBL	ChEMBL2109009
ChemSpider	Нет
ECHA InfoCard	100.029.692
Номер EC	232-674-9
Номер E	E460 (загустители,...)
PubChem CID	14055602
UNII	SMD1X3XO9M
CompTox Dashboard (EPA )	DTXSID3050492
Свойства
Химическая формула	(C. 6H. 10O. 5). n
Молярная масса	162,1406 г / моль на единицу глюкозы
Внешний вид	белый порошок
Плотность	1,5 г / см
Точка плавления	260–270 ° C, 500–518 ° F, 533–543 K Разлагается
Растворимость в воде	нет
Термохимия
Стандартная энтальпия образования. (ΔfH298)	−963000 Дж / моль
Стандартная энтальпия. горения (ΔcH298)	−2828000 Дж / моль
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 1 0
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (допустимое)	TWA 15 мг / м (всего) TWA 5 мг / м (соответственно)
REL (рекомендуется)	TWA 10 мг / м (всего) TWA 5 мг / м (соответственно)
IDLH (непосредственная опасность)	ND
Родственные соединения
Родственные соединения	Крахмал
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
N (что такое ?)
Ссылки в информационном окне

Целлюлоза - это органическое соединение с формулой (C. 6H. 10O. 5). n, a полисахарид, состоящий из линейной цепи от нескольких сотен до многих тысяч β (1 → 4) связанных D-глюкозных единиц. Целлюлоза является важным структурным компонентом первичной клеточной стенки зеленых растений, многих форм водорослей и оомицетов. Некоторые виды бактерий секретируют его с образованием биопленок. Целлюлоза - это самый распространенный органический полимер на Земле. Содержание целлюлозы в волокне хлопка составляет 90%, в древесине - 40–50%, а в сушеной конопле - примерно 57%.

Целлюлоза в основном используется для производства картона и бумаги. Небольшие количества превращаются в широкий спектр производных продуктов, таких как целлофан и вискоза. Преобразование целлюлозы из энергетических культур в биотопливо, такое как целлюлозный этанол, находится в стадии разработки в качестве возобновляемого источника топлива. Целлюлозу для промышленного использования получают в основном из древесной массы и хлопка.

. Некоторые животные, в частности жвачные животные и термиты, могут переваривать целлюлозы с помощью симбиотических микроорганизмов, обитающих в их кишечнике, таких как трихонимфа. В питании человека целлюлоза представляет собой неперевариваемый компонент нерастворимых пищевых волокон, действующий как гидрофильный наполнитель для фекалий и потенциально способствующих дефекации.

Содержание

• 1 История
• 2 Структура и свойства
• 3 Обработка
  • 3.1 Биосинтез
  • 3.2 Нарушение ( целлюлолиз)
  • 3.3 Распад (термолиз)
• 4 Гемицеллюлоза
• 5 Регенерированная целлюлоза
• 6 Сложные и простые эфиры целлюлозы
• 7 Коммерческое применение
  • 7.1 Аспирация
• 8 См. также
• 9 Ссылки
• 10 Внешние ссылки

История

Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном, который выделил ее из растительного вещества и определил ее химическую формулу. Целлюлоза была использована для производства первого успешного термопластичного полимера, целлулоида, компанией Hyatt Manufacturing Company в 1870 году. Производство вискозы («искусственный шелк ") из целлюлозы началось в 1890-х годах, а целлофан был изобретен в 1912 году. Герман Штаудингер определил полимерную структуру целлюлозы в 1920 году. Это соединение было впервые синтезировано химическим путем (без использования любые биологически полученные ферменты ) в 1992 г., Кобаяси и Шода.

Расположение целлюлозы и других полисахаридов в растении клеточная стенка.

Структура и свойства

Целлюлоза под микроскопом.

Целлюлоза не имеет вкуса, запаха, гидрофильна с углом контакта 20–30 градусов, нерастворима в воде и большинство органических растворителей, является хиральным и биоразлагаемым. В импульсных испытаниях, проведенных Дауэнхауэром и др., Было показано, что он плавится при 467 ° C. (2016). Его можно химически расщепить на глюкозные единицы путем обработки концентрированными минеральными кислотами при высокой температуре.

Целлюлоза получается из D-глюкозных единиц, которые конденсируются через β (1 → 4) - гликозидные связи. Этот мотив связи контрастирует с мотивом α (1 → 4) -гликозидных связей, присутствующих в крахмале и гликогене. Целлюлоза - это полимер с прямой цепью. В отличие от крахмала, не происходит скручивания или разветвления, и молекула принимает протяженную и довольно жесткую стержнеобразную конформацию, чему способствует экваториальная конформация остатков глюкозы. Множественные гидроксильные группы на глюкозе из одной цепи образуют водородные связи с атомами кислорода в той же или в соседней цепи, прочно удерживая цепи вместе и образуя микрофибриллы. с высокой прочностью на разрыв. Это обеспечивает предел прочности на разрыв клеточных стенок, где микрофибриллы целлюлозы объединены в полисахаридную матрицу. Высокая прочность на разрыв стеблей растений и древесины деревьев также является следствием расположения целлюлозных волокон, плотно распределенных в матрице лигнина. Механическую роль целлюлозных волокон в древесной матрице, ответственной за ее сильное структурное сопротивление, можно сравнить с ролью арматурных стержней в бетоне, лигнине здесь роль затвердевшего цементного теста, действующего как «клей» между целлюлозными волокнами. Механические свойства целлюлозы в первичной клеточной стенке растений коррелируют с ростом и размножением растительных клеток. Методы живой флуоресцентной микроскопии являются многообещающими для исследования роли целлюлозы в растущих клетках растений.

Тройная нить целлюлозы с водородными связями (голубые линии) между нитями глюкозы Волокна хлопка представляют собой чистейшую природную форму целлюлозы, содержащую более 90% этой полисахарид.

По сравнению с крахмалом целлюлоза также гораздо более кристаллическая. В то время как крахмал претерпевает переход от кристалла к аморфному при нагревании выше 60–70 ° C в воде (как при варке), для целлюлозы требуется температура 320 ° C и давление 25 МПа до становятся аморфными в воде.

Известно несколько типов целлюлозы. Эти формы различаются по расположению водородных связей между нитями и внутри них. Природная целлюлоза - это целлюлоза I со структурами I α и I β. Целлюлоза, продуцируемая бактериями и водорослями, обогащена I α, тогда как целлюлоза высших растений состоит в основном из I β. Целлюлоза в волокнах регенерированной целлюлозы представляет собой целлюлозу II. Превращение целлюлозы I в целлюлозу II необратимо, что позволяет предположить, что целлюлоза I метастабильна, а целлюлоза II стабильна. С помощью различных химических обработок можно получить структуры целлюлозы III и целлюлозы IV.

Многие свойства целлюлозы зависят от длины ее цепи или степени полимеризации, количества единиц глюкозы, образующих на одну молекулу полимера. Целлюлоза из древесной массы имеет типичную длину цепочки от 300 до 1700 единиц; хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц. Молекулы с очень малой длиной цепи, возникающие в результате разложения целлюлозы, известны как целлодекстрины ; в отличие от длинноцепочечной целлюлозы, целлодекстрины обычно растворимы в воде и органических растворителях.

Химическая формула целлюлозы: (C 6H10O5) n, где n - степень полимеризации и представляет количество групп глюкозы.

Целлюлоза растительного происхождения обычно содержится в смеси с гемицеллюлозой, лигнином, пектином и другими веществами, в то время как бактериальная целлюлоза является довольно чистой, имеет гораздо более высокое содержание воды и более высокий предел прочности прочность за счет более длинной цепи.

Целлюлоза состоит из фибрилл с кристаллическими и аморфными участками. Эти фибриллы целлюлозы можно индивидуализировать путем механической обработки целлюлозной массы, часто с помощью химического окисления или ферментативной обработки, в результате чего получают полугибкие нанофибриллы целлюлозы, как правило, от 200 нм до Длина 1 мкм в зависимости от интенсивности обработки. Пульпа целлюлозы также может быть обработана сильной кислотой для гидролиза областей аморфных фибрилл, в результате чего получаются короткие жесткие нанокристаллы целлюлозы длиной несколько 100 нм. Эти наноцеллюлозы представляют высокий технологический интерес благодаря их самосборке в холестерические жидкие кристаллы, производству гидрогелей или аэрогелей., использовать в нанокомпозитах с превосходными термическими и механическими свойствами и использовать в качестве стабилизаторов Пикеринга для эмульсий.

Обработка

Биосинтез

В растениях целлюлоза синтезируется на плазматической мембране терминальными комплексами розетки (RTC). RTC представляют собой гексамерные белковые структуры, приблизительно 25 нм в диаметре, которые содержат ферменты синтазы целлюлозы, которые синтезируют отдельные цепи целлюлозы. Каждый RTC плавает в плазматической мембране клетки и «закручивает» микрофибриллы в клеточную стенку..

RTC содержат не менее трех различных синтаз целлюлозы, кодируемых CesA (Ces - сокращение от «целлюлозосинтаза» ") гены неизвестной стехиометрии. Отдельные наборы генов CesA участвуют в биосинтезе первичной и вторичной клеточной стенки. Известно, что в надсемействе растений CesA имеется около семи подсемейств, некоторые из которых включают более загадочные, предварительно названные ферменты Csl (целлюлозосинтазоподобные). Эти синтезы целлюлозы используют UDP-глюкозу для образования β (1 → 4) -связанной целлюлозы.

Бактериальная целлюлоза производится с использованием того же семейства белков, хотя ген называется BcsA для «бактериальной целлюлозосинтазы» или CelA во многих случаях означает «целлюлозу». Фактически, растения приобрели CesA в результате эндосимбиоза, в результате которого образовался хлоропласт. Все известные целлюлозосинтазы принадлежат к глюкозилтрансферазам семейству 2 (GT2).

Синтез целлюлозы требует инициации и удлинения цепи, и эти два процесса являются отдельными. Синтаза целлюлозы (CesA) инициирует полимеризацию целлюлозы с использованием праймера стероид, ситостерин -бета- глюкозид и UDP-глюкозу. Затем он использует предшественники UDP -D-глюкозы для удлинения растущей цепи целлюлозы. целлюлаза может функционировать, отщепляя праймер от зрелой цепи.

Целлюлоза также синтезируется оболочкой животных, особенно в тестах из асцидии (где целлюлоза исторически называлась «туницином» (туницином)).

Распад (целлюлолиз)

Целлюлолиз - это процесс разрушения целлюлозы на более мелкие полисахариды, называемые целлодекстрины или полностью в глюкозных единицах; это реакция гидролиза . Поскольку молекулы целлюлозы прочно связываются друг с другом, целлюлолиз относительно труден по сравнению с распадом других полисахаридов. Однако этот процесс можно значительно усилить в подходящем растворителе, например в ионной жидкости.

Большинство млекопитающих имеют ограниченную способность переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза. Некоторые жвачные животные, такие как коровы и овцы, содержат определенные симбиотические анаэробные бактерии (например, Cellulomonas и Ruminococcus spp. ) во флоре рубца, и эти бактерии продуцируют ферменты, называемые целлюлазами, которые гидролизуют целлюлозу. Затем продукты распада используются бактериями для размножения. Бактериальная масса позже переваривается жвачным животным в его пищеварительной системе (желудок и тонкий кишечник ). Лошади используют целлюлозу в своем рационе ферментацией в задней части кишечника. Некоторые термиты содержат в своих задних кишках определенные флагелляты простейшие, вырабатывающие такие ферменты, тогда как другие содержат бактерии или могут продуцировать целлюлазу.

Ферменты, используемые для расщепления гликозидной связи в целлюлозе, представляют собой гликозидгидролазы, включая эндо-действующие целлюлазы и экзо-действующие глюкозидазы. Такие ферменты обычно секретируются как часть мультиферментных комплексов, которые могут включать докерины и углеводсвязывающие модули.

Разрушение (термолиз)

При температурах выше 350 ° C целлюлоза подвергается термолиз (также называемый «пиролиз »), разложение на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углерод диоксид. Максимальный выход паров, которые конденсируются в жидкость, называемую бионефть, достигается при 500 ° C.

Полукристаллические полимеры целлюлозы вступают в реакцию при температурах пиролиза (350–600 ° C) в несколько секунд; это преобразование, как было показано, происходит через переход твердое тело-жидкость-пар, при этом жидкость (называемая промежуточной жидкой целлюлозой или расплавленной целлюлозой) существует только доли секунды. Разрыв гликозидной связи дает короткие целлюлозные цепи из двух-семи мономеров, составляющих расплав. Барботирование паров промежуточной жидкой целлюлозы дает аэрозоли, которые состоят из ангидроолигомеров с короткой цепью, полученных из расплава.

Продолжающееся разложение расплавленной целлюлозы приводит к образованию летучих соединений, включая левоглюкозан, фураны, пираны, легкие оксигенаты и газы посредством первичных реакций. В толстых образцах целлюлозы летучие соединения, такие как левоглюкозан, подвергаются «вторичным реакциям» с образованием летучих продуктов, включая пираны и легкие оксигенаты, такие как гликолевый альдегид.

гемицеллюлоза

Гемицеллюлозы являются полисахариды, относящиеся к целлюлозе, которые составляют около 20% биомассы наземных растений. В отличие от целлюлозы, гемицеллюлозы получают из нескольких сахаров, помимо глюкозы, особенно из ксилозы, но также из маннозы, галактозы, рамноза и арабиноза. Гемицеллюлозы состоят из более коротких цепочек - от 500 до 3000 сахарных единиц. Кроме того, гемицеллюлозы являются разветвленными, а целлюлоза - неразветвленной.

Регенерированная целлюлоза

Целлюлоза растворима в нескольких типах сред, некоторые из которых являются основой коммерческих технологий. Этот процесс растворения является обратимым и используется при производстве регенерированной целлюлозы (такой как вискоза и целлофан ) из растворяющейся целлюлозы.

. важным солюбилизирующим агентом является сероуглерод в присутствии щелочи. Другие агенты включают реагент Швейцера, N-оксид N-метилморфолина и хлорид лития в диметилацетамиде. Обычно эти агенты модифицируют целлюлозу, делая ее растворимой. Затем агенты удаляются одновременно с образованием волокон. Целлюлоза также растворима во многих видах ионных жидкостей.

История регенерированной целлюлозы часто упоминается как начало с Джорджа Одемарса, который впервые произвел регенерированные нитроцеллюлозные волокна в 1855 году. Хотя эти волокна были мягкими и прочный - напоминающий шелк - у них был недостаток - они были легковоспламеняемыми. Илер де Шардоне усовершенствовал производство нитроцеллюлозных волокон, но производство этих волокон по его способу было относительно неэкономичным. В 1890 году Л. Х. Деспейссис изобрел купраммониевый процесс, который использует раствор купраммония для солюбилизации целлюлозы - метод, который до сих пор используется для производства искусственного шелка. В 1891 году было обнаружено, что обработка целлюлозы щелочью и сероуглеродом дает растворимое производное целлюлозы, известное как вискоза. Этот процесс, запатентованный основателями компании Visosis Development, является наиболее широко используемым методом производства продуктов из регенерированной целлюлозы. Курто приобрел патенты на этот процесс в 1904 году, что привело к значительному росту производства вискозного волокна. К 1931 году истечение срока действия патентов на процесс вискозы привело к его распространению во всем мире. Мировое производство регенерированного целлюлозного волокна достигло пика в 1973 г. и составило 3 856 000 тонн.

Регенерированная целлюлоза может использоваться для производства самых разных продуктов. Хотя регенерированная целлюлоза впервые применялась в производстве одежды текстиль, этот класс материалов также используется в производстве одноразовых медицинских устройств, а также в производстве искусственных мембран.

сложные эфиры и простые эфиры целлюлозы.

гидроксильные группы (-ОН) целлюлозы могут частично или полностью взаимодействовать с различными реагентами с получением производных с полезными свойствами, такими как, в основном, эфиры целлюлозы и простые эфиры целлюлозы (-OR). В принципе, хотя и не всегда в современной промышленной практике, целлюлозные полимеры являются возобновляемыми ресурсами.

Сложноэфирные производные включают:

Сложный эфир целлюлозы	Реагент	Пример	Реагент	Группа R
Органические сложные эфиры	Органические кислоты	Ацетат целлюлозы	Уксусная кислота и уксусный ангидрид	H или - (C = O) CH 3
		Триацетат целлюлозы	Уксусная кислота и уксусная кислота ангидрид	- (C = O) CH 3
		пропионат целлюлозы	пропионовая кислота	H или - (C = O) CH 2CH3
		пропионат ацетата целлюлозы (CAP)	Уксусная кислота и пропановая кислота	H или - (C = O) CH 3 или - (C = O) CH 2CH3
		Бутират ацетата целлюлозы (CAB)	Уксусная кислота и масляная кислота	H или - (C = O) CH 3 или - (C = O) CH 2CH2CH3
Неорганические сложные эфиры	Неорганические кислоты	Нитроцеллюлоза (нитрат целлюлозы)	Азотная кислота или другой мощный нитрующий агент	H или -NO 2
		Сульфат целлюлозы	Серная кислота или другое мощное сульфатирование агент	H или -SO 3H

Ацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы представляют собой пленкообразующие и волокнообразующие материалы, которые находят множество f использует. Первоначально нитроцеллюлоза использовалась как взрывчатое вещество и была одним из первых пленкообразующих материалов. С камфорой нитроцеллюлоза дает целлулоид.

Простые производные включают:

эфиры целлюлозы	Реагент	Пример	Реагент	Группа R = H или	Растворимость в воде	Применение	E номер
Алкил	Галогеноалканы	Метилцеллюлоза	Хлорметан	-CH 3	Водорастворимый в холодной воде		E461
		Этилцеллюлоза	Хлорэтан	-CH2CH3	Водонерастворимый	Коммерческий термопласт, используемый в покрытиях, чернилах, связующих и контролируемых- высвобождающие лекарственные препараты	E462
		Этилметилцеллюлоза	Хлорметан и хлорэтан	-CH 3 или -CH 2CH3			E465
Гидроксиалкил	эпоксиды	Гидроксиэтилцеллюлоза	Этиленоксид	-CH 2CH2OH	Растворим в холодной / горячей воде	Загуститель и загуститель
		Гидроксипропилцеллюлоза (HPC)	Пропиленоксид	-CH 2 CH (OH) CH 3	Растворим в холодной воде		E463
		Гидроксиэтилметилцеллюлоза	Хлорметан и оксид этилена	-CH 3 или -CH 2CH2OH	Растворим в холодной воде	Производство целлюлозных пленок
		Гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC)	Хлорметан и оксид пропилена	-CH 3 или -CH 2 CH (OH) CH 3	Растворим в холодной воде	Модификатор вязкости, гелеобразователь, пенообразователь и связующий агент	E464
		Этилгидроксиэтилцеллюлоза	Хлорэтан и оксид этилена	-CH 2CH3или -CH 2CH2OH			E467
Карбоксиалкил	Галогенированные карбоновые кислоты	Карбоксиметилцеллюлоза (CMC)	Хлоруксусная кислота	-CH 2 COOH	Растворимая в холодной / горячей воде	Часто используется в качестве натрия соль, карбоксиметилцеллюлоза натрия (NaCMC)	E466

Карбоксиметилцеллюлоза натрия может быть сшитой с образованием натрийкроскармеллозы (E468) для использования в качестве разрыхлителя в фармацевтических составах.

Коммерческое применение

Нить целлюлозы (конформация I α), показывающая водородные связи (пунктир) внутри и между молекулами целлюлозы.

Целлюлоза для промышленного использования в основном получают из древесной массы и из хлопка.

• Бумажные изделия: целлюлоза является основным компонентом бумаги, картона и карточки. Электроизоляционная бумага : Целлюлоза используется в различных формах в качестве изоляции в трансформаторах, кабелях и другом электрическом оборудовании.
• Волокна: Целлюлоза является основным ингредиентом текстиля. Хлопок и синтетика (нейлон) составляют около 40% рынка по объему каждая. Другие растительные волокна (джут, сизаль, конопля) составляют около 20% рынка. Вискоза, целлофан и другие «регенерированные целлюлозные волокна » составляют небольшую часть (5%).
• Расходные материалы: микрокристаллическая целлюлоза (E460i ) и порошкообразная целлюлоза (E460ii) используются в качестве неактивных наполнителей в таблетках с лекарственными средствами, а широкий спектр растворимых производных целлюлозы, с номерами E461 - E469, используется в качестве эмульгаторы, загустители и стабилизаторы в обработанных пищевых продуктах. Порошок целлюлозы, например, используется в плавленом сыре для предотвращения слеживания внутри упаковки. Целлюлоза естественным образом встречается в некоторых пищевых продуктах и ​​является добавкой к промышленным пищевым продуктам, внося свой вклад в неперевариваемый компонент, используемый для текстуры и объема, потенциально способствуя дефекации.
• Строительный материал: Гидроксильное связывание целлюлозы в воде дает формуемый материал, который можно распылять. альтернатива использованию пластмасс и смол. Перерабатываемый материал может быть водо- и огнестойким. Он обеспечивает достаточную прочность для использования в качестве строительного материала. Целлюлозная изоляция из переработанной бумаги становится популярной в качестве экологически предпочтительного материала для строительной изоляции. Его можно обрабатывать борной кислотой как антипирен.
• Прочие: целлюлозу можно превратить в целлофан, тонкую прозрачную пленку. Это основной материал для целлулоида, который использовался для фото- и кинофильмов до середины 1930-х годов. Целлюлоза используется для изготовления водорастворимых клеев и связующих, таких как метилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза, которые используются в обоях. вставить. Целлюлоза также используется для изготовления гидрофильных и хорошо впитывающих губок. Целлюлоза является сырьем при производстве нитроцеллюлозы (нитрат целлюлозы), которая используется в бездымном порохе.
• Фармацевтические препараты: производные целлюлозы, такие как микрокристаллическая целлюлоза (MCC), обладают преимуществами удержания воды, будучи стабилизатором и загустителем, а также в усилении лекарственных таблеток.

Аспирационные

энергетические культуры:

Основным горючим компонентом непродовольственных энергетических культур является целлюлоза, с лигнином вторым. Непродовольственные энергетические культуры производят больше полезной энергии, чем съедобные энергетические культуры (которые имеют большой компонент крахмала ), но по-прежнему конкурируют с продовольственными культурами за сельскохозяйственные земли и водные ресурсы. К типичным непродовольственным энергетическим культурам относятся техническая конопля, просо, мискантус, Salix (ива ) и Populus (тополь ) виды. Штамм бактерий Clostridium, обнаруженный в отходах зебры, может превращать практически любую форму целлюлозы в бутанол топливо.

См. Также

• Глюконовая кислота
• Изосахариновая кислота, продукт разложения целлюлозы
• Лигнин
• Зеоформ

Ссылки

Внешние ссылки

• «Целлюлоза». Encyclopædia Britannica. 5(11-е изд.). 1911.
• Структура и морфология целлюлозы Сержа Переса и Уильяма Маки, CERMAV- CNRS
• Целлюлоза, Мартин Чаплин, Лондонский университет Саут-Бэнк
• Четкое описание метода анализа целлюлозы в отделе Cotton Fiber Biosciences USDA.
• Целлюлозные пленки могут обеспечить хлопающие крылья и дешевые искусственные мышцы для роботов - TechnologyReview.com