Целюлоза - біологія
Димер глюкози, показаний у конфігурації стільця (целобіозна одиниця)
нерозчинний у воді [1]
Целюлоза (часто також целюлоза) є основним компонентом клітинних стінок рослин (масова частка приблизно 50%), а отже, найпоширенішою органічною сполукою, а також найпоширенішим полісахаридом (полісахаридом). Він нерозгалужений і складається з декількох сотень - десяти тисяч молекул β-D-глюкози (β-1,4-глікозидний зв’язок) або целобіозних одиниць. Молекули целюлози накопичуються, утворюючи вищі структури, які, як стійкі до розриву волокна у рослин, часто виконують статичні функції. Целюлоза важлива як сировина для виробництва паперу, а також у хімічній промисловості та інших сферах.
історія
Целюлозу відкрив у 1838 р. Французький хімік Ансельме Пайен, який виділив її з рослин і визначив їх хімічну формулу. [2] Целюлоза була виготовлена в 1870 р Виробнича компанія Hyatt використовується для отримання першого пластомеру - целулоїду. Герман Штаудінгер визначив структуру целюлози в 1920 році. У 1992 році целюлоза була вперше хімічно синтезована Кобаясі та Шодою (без допомоги ферментів, що містять біологічну основу). [3]
хімія
Целюлоза - це полімер (Полісахарид "Багаторазовий цукор") з мономеру целобіоза, дисахарид ("подвійний цукор"). Мономери пов'язані між собою за допомогою β-1,4-глікозидних зв'язків. Сама целобіоза складається з двох молекул глюкози моносахаридів («простого цукру»). Тут також існує β-1,4-глікозидний зв’язок, так що глюкоза часто також визначається як мономер целюлози.
Мономери пов'язані реакцією конденсації, в якій дві гідроксильні групи (-OH) утворюють молекулу води (H2O), а залишок атома кисню з'єднує кільцеподібну основну структуру (піранове кільце) двох мономерів. На додаток до цього міцного, ковалентного зв’язку, менш міцні водневі зв’язки також утворюються внутрішньомолекулярно. [4] Молекула целюлози часто складається з декількох тисяч одиниць глюкози.
характеристики
Целюлоза не розчиняється у воді та більшості органічних розчинників. Однак такі розчинники, як диметилацетамід/хлорид літію або диметилсульфоксид/фторид тетрабутиламмонію та аміак/Cu 2+ (реагент Швейцера) можуть розчиняти целюлозу. Він може розщеплюватися сильними кислотами. З концентрованими кислотами при підвищених температурах целюлоза може розщеплюватися на глюкозу, розриваючи глікозидні зв’язки.
Хімічна компанія BASF розробила процес ін'єкції, при якому целюлоза фізично розчиняється в іонній рідині. Цей розчин можна використовувати для хімічних синтезів, які раніше були неможливі. [5]
біосинтез
Целюлоза має принципове значення як структурна речовина у більшості рослин. Волокна деревних і недревесних рослин складаються з безлічі фібрил, які, в свою чергу, складаються з численних молекул целюлози, розташованих паралельно одна одній. Целюлозні мікрофібрили синтезуються в плазматичній мембрані клітини у так званих розеткових комплексах. Вони містять фермент целюлозосинтазу, який виробляє β-D-глюкани (полімери D-глюкози з β-зв’язком) і тим самим пов'язує перший атом вуглецю однієї молекули D-глюкози з четвертим атомом вуглецю іншої молекули D-глюкози. Виробництво ланцюга глюкану вимагає двох важливих етапів. По-перше, сахароза синтаза розщеплює дисахарид (подвійний цукор) сахарозу на її мономери глюкозу та фруктозу для забезпечення глюкози. Тепер глюкоза зв’язана синтазою целюлози з дифосфатом уридину (UDP) з утворенням UDP-глюкози. На наступному етапі зв’язана глюкоза тепер переноситься до невідновлюваного цукру зростаючого ланцюга глюкану. Потім глюканова ланцюг або фермент рухаються далі, так що може відбутися подальший етап синтезу.
Целюлоза утворюється в плазматичній мембрані і зв’язується, утворюючи волокнисті структури. Тоді просторове розташування целюлозних фібрил відбувається через мікротрубочки.
використання
Рослинний матеріал, що складається в основному з целюлози, використовувався людиною як паливо для приготування їжі та опалення, принаймні, з палеоліту. Целюлоза також є важливою сировиною для використання в матеріалах, але вона також важлива як природний або доданий компонент їжі та кормів. Оскільки целюлоза також зустрічається майже у всіх типах рослинної біомаси, це також важливо в багатьох інших областях, таких як Б. у деревині (лігноцелюлоза) як будівельний матеріал тощо.
сирий матеріал
Целюлоза є важливою сировиною для виробництва паперу. В якості сировини використовується деревина, багата лігніном і целюлозою. З цього виготовляється деревна маса, яка використовується для менш якісного паперу. Видаляючи вміст лігніну, можна використовувати целюлозу, яка складається переважно з целюлози і може бути використана для паперів вищої якості.
У швейній промисловості рослинні волокна, які в основному складаються з целюлози, використовуються для різних тканин. Прикладами можуть слугувати бавовняні та луб’яні волокна з льону, які переробляються на льон.
Іншим регенерованим целюлозним матеріалом є целофан (гідрат целюлози), який є звичайним пакувальним матеріалом у вигляді фольги. Також можуть вироблятися синтетичні целюлозні волокна ("віскоза"). Для цього лужний розчин ксантогенізованої целюлози («розчин віскози») переробляється в нитки, так звані регенеровані волокна (наприклад, віскоза).
Широке різноманіття похідних целюлози використовується багатьма способами, такими як. B. метилцелюлоза, ацетат целюлози та нітрат целюлози в будівельній, текстильній та хімічній промисловості. Целюлоїд, перший термопласт, отримують із нітрату целюлози.
Оскільки целюлоза в природі доступна у великих кількостях, робляться спроби використовувати цю відновлювану сировину, наприклад B. зробити целюлозний етанол доступним як біопаливо. В даний час проводяться інтенсивні дослідження з метою розвитку рослинної біомаси, особливо деревини та соломи, для цієї мети.
Целюлоза також може служити природним ізоляційним матеріалом. [6] Для цього відсортований газетний папір спочатку подрібнюється в механічному процесі. Отриманий целюлозний ізоляційний матеріал можна плавно вдувати і використовувати для теплоізоляції та звукоізоляції. Процес продувки застосовується в Канаді та США приблизно з 1940 року. Перевагою цього ізоляційного матеріалу є екологічно чисте виробництво та подальше використання сортованої газети.
У лабораторії його можна використовувати як наповнювач для колоночної хроматографії при розділенні сумішей речовин.
їжа
На відміну від крохмалю, всі вищі живі організми, включаючи типових рослиноїдних, не можуть розщеплювати целюлозу самі в кишечнику, хоча обидві молекули складаються з молекул глюкози. Вони володіють лише тими ферментами, які α-1,4- або α-1,6-глікозидні зв'язки (наприклад, у крохмалі) можуть розщеплюватися (амілази), але не ті, що мають іншу структуру β-1,4-глікозидні зв’язки целюлози. Ось чому ці істоти (наприклад, корови) можуть використовувати високий вміст енергії в цьому вуглеводі лише за допомогою симбіотичних бактерій, які забезпечують відповідні целюлази і живуть у їх кишечнику.
У людей також відсутні травні ферменти, що розщеплюють целюлозу. За допомогою анаеробних бактерій у першій частині товстого кишечника, апендикса та висхідної ободової кишки лише частина целюлози з їжі розщеплюється на коротколанцюгові жирні кислоти. Вони всмоктуються через слизову оболонку товстої кишки і використовуються метаболізмом. Крім геміцелюлози, пектину та лігніну, целюлоза є важливим рослинним волокном у харчуванні людини.
Інші організми з подібною структурою травної системи (одношлункові тварини), такі як свині, також не можуть ефективно перетравлювати целюлозу.
Жуйні тварини перетравлюють значну частину целюлози та інших полісахаридів у рубці. Тут також беруть участь анаеробні бактерії, які перетворюють целюлозу в жирні кислоти. Те саме стосується коней та водоплавних птахів, де переробка відбувається у товстому кишечнику. Деякі комахи, такі як срібні рибки (Лепізма), здатні перетравлювати целюлозу власними клітинами організму і не залежать від ендосимбіонтів.
Більшість бактерій і грибів, однак, можуть розщеплювати целюлозу через свої целюлази аж до димеру глюкози целобіози. Кілька найпростіших і грибів, як Aspergillus-, Пеніцил- і Фузаріоз-Види також мають необхідне β-1,4-глюкозидази або Целобіази, які розщеплюють целобіозу на глюкозу. [7] Деякі гриби, що розкладаються на дереві, такі як Ceriporiopsis subvermispora також може використовувати целобіозу через Целбіоза дегідрогеназа (CDH), позаклітинний гемофлавофермент, розщеплюється окисно. Це створює глюконову кислоту замість глюкози. [8-й]
Харчова добавка
Целюлоза або похідні целюлози також використовуються у харчовій та фармацевтичній промисловості, наприклад Б. як загусник, носій, наповнювач, засіб для вивільнення, засіб для покриття та піноутворювач. Як харчова добавка целюлоза має позначення E 460 - E 466:
E 460i - мікрокристалічна целюлоза E 460ii - целюлозна пудра E 461 - метилцелюлоза E 463 - гідроксипропілцелюлоза E 464 - гідроксипропілметилцелюлоза E 465 - етилметилцелюлоза E 466 - карбоксиметилцелюлоза
Докази надаються за допомогою розчину йод-цинку хлориду (синього кольору).