Целлюлоза

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Целлюлоза
Cellulose Sessel.svg
Целлюлоза
Целлюлоза
Общие
Хим. формула (C6H10O5)n
Физические свойства
Состояние белый порошок
Молярная масса 324.3 г/моль
Плотность ~ 1.5 г/см³
Классификация
Рег. номер CAS 9004-34-6
PubChem 14055602
Рег. номер EINECS 232-674-9
SMILES
InChI
Рег. номер EC 232-674-9
Кодекс Алиментариус E460
RTECS FJ5691460
ChemSpider 19205056; 21238442; 21239054
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Целлюло́за (фр. cellulose от лат. cellula — «клетка») — углевод, полимер с формулой (C6H10O5)n[1], белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение, структурная единица — остаток β-глюкозы6Н7О2(OH)3]n. Полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

История[править | править вики-текст]

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Не растворима в воде и слабых кислотах.

Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300—10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность, при сохранении эластичности.

Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n + nH2O Biochem reaction arrow forward NNNN horiz med.svg nC6H12O6

Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод — только в коричневый.[источник не указан 1954 дня]

При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):

Nitrocellulose ru.svg

В процессе этерификации целлюлозы уксусной кислотой получается триацетат целлюлозы:

Cellulose acetate preparation etherification.svg

Целлюлозу крайне сложно растворить и подвергнуть дальнейшим химическим превращениям, однако в среде подходящего растворителя, например, в ионной жидкости, такой процесс можно осуществить эффективно.[2]

Получение[править | править вики-текст]

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

  • Кислые:
  • Щелочные:
    • Натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.[источник не указан 1954 дня]
    • Сульфатный. Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для XX века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

  • обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
  • обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:

Применение[править | править вики-текст]

Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.

Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.[1]

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Целлюлоза является одним из основных компонентов клеточных стенок растений, хотя содержание данного полимера в различных клетках растений или даже частях стенки одной клетки сильно варьирует. Так, например, клеточные стенки клеток эндосперма злаков содержат всего около 2 % целлюлозы, в то же время хлопковые волокна, окружающие семена хлопчатника, состоят из целлюлозы более чем на 90 %. Клеточные стенки в области кончика удлиненных клеток, характеризующихся полярным ростом (пыльцевая трубка, корневой волосок), практически не содержат целлюлозы и состоят в основном из пектинов, в то время как базальные части этих клеток содержат значительные количества целлюлозы. Кроме того, содержание целлюлозы в клеточной стенке изменяется в ходе онтогенеза, обычно вторичные клеточные стенки содержат больше целлюлозы, чем первичные.

Организация и функция в клеточных стенках[править | править вики-текст]

Отдельные макромолекулы целлюлозы включат от 2 до 25 тысяч остатков D-глюкозы. Целлюлоза в клеточных стенках организована в микрофибриллы, представляющие собой паракристаллические ансамбли из нескольких отдельных макромолекул (около 36) связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Макромолекулы находящиеся в одной плоскости и связанные между собой водородными связями формируют лист в пределах микрофибриллы. Между собой листы макромолекул также связаны большим числом водородных связей. Хотя сами по себе водородные связи достаточно слабые, за счёт того, что их много микрофибриллы целлюлозы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к действию различных ферментов. Индивидуальные макромолекулы в микрофибрилле начинаются и заканчиваются в разных местах, поэтому длина микрофибриллы превышает длину отдельных макромолекул целлюлозы. Следует отметить, что макромолекулы в микрофибрилле ориентированы одинаково, то есть редуцирующие концы (концы со свободной, аномерной OH-группой при C1 атоме) расположены с одной стороны. Современные модели организации микрофибрилл целлюлозы предполагают, что в центральной области она имеет высокоорганизованную структуру, а к периферии расположение макромолекул становится более хаотичным.

Между собой микрофибриллы связаны сшивочными гликанами (гемицеллюлозы) и в меньшей степени пектинами. Целлюлозные микрофибриллы, связанные сшивочными гликанами, формируют трехмерную сеть погружённую в гелеобразный матрикс из пектинов и обеспечивающую высокую прочность клеточных стенок.

Во вторичных клеточных стенках микрофибриллы могут быть ассоциированы в пучки, которые называют макрофибриллами. Подобная организация дополнительно увеличивает прочность клеточной стенки.

Биосинтез[править | править вики-текст]

Образование макромолекул целлюлозы клеточных стенок высших растений катализирует мультисубъединичный мембранный целлюлозосинтазный комплекс, расположенный на конце удлиняющихся микрофибрилл. Полный комплекс целлюлозосинтазы состоит из каталитической, поровой и кристаллизационной субъединиц. Каталитическая субъединица целлюлозосинтазы кодируется мультигенным семейством CesA (cellulose synthase A), которое входит в суперсемейство Csl (cellulose synthase-like), включающее также гены CslA, CslF, CslH и CslC ответственные за синтез других полисахаридов.

При изучении поверхности плазмалеммы растительных клеток методом замораживания-скалывания в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать так называемые розетки или терминальные комплексы размером около 30 нм и состоящие из 6 субъединиц. Каждая такая субъединица розетки является в свою очередь суперкомплексом образованным из 6 целлюлозосинтаз. Таким образом, в результате работы подобной розетки формируется микрофибрилла, содержащая на поперечном срезе около 36 макромолекул целлюлозы. У некоторых водорослей суперкомплексы синтеза целлюлозы организованы линейно.

Интересно, что роль затравки для начала синтеза целлюлозы играет гликозилированный ситостерин. Непосредственным субстратом для синтеза целлюлозы является UDP-глюкоза. За образование UDP-глюкозы отвечает сахарозосинтаза, ассоциированная с целлюлозосинтазой и осуществляющая реакцию:

Сахароза + UDP UDP-глюкоза + D-фруктоза

Кроме того UDP-глюкоза, может образовываться из пула гексозофосфатов в результате работы УДФ-глюкозопирофосфорилазы:

Глюкозо-1-фосфат + UTP UDP-глюкоза + PPi

Направление синтеза микрофибрилл целлюлозы обеспечивается за счёт движения целлюлозосинтазных комплексов по микротрубочкам прилежащим со внутренней стороны к плазмалемме. У модельного растения, резуховидка Таля, обнаружен белок CSI1 отвечающий за закрепление и движение целлюлозосинтазных комплексов по кортикальным микротрубочкам.

Разрушение в природе[править | править вики-текст]

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид. Расщепление целлюлозы связано с действием в расщепляющих организмах фермента целлюлазы. Бактерии, расщепляющие целлюлозу, называемые целлюлозоразрушающими (англ. cellulolytic bacteria), это часто актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами[3][4], аэробные бактерии рода Cellvibrio[5]. Однако, например, для бумажных книг они представляют опасность только при их намокании, когда кожа и клей начинают разрушаться гнилостными бактериями, а бумага и ткани — целлюлозоразрушающими[6]. Очень опасными для бумажных книг являются плесневые грибы, разрушающие целлюлозу. За три месяца они могут разрушить 10—60% волокон бумаги, благоприятные условия для их развития — влага и воздух повышенной влажности, наиболее благоприятная температура — от 22 до 27 градусов Цельсия, они могут распространяться от поражённых ими книг на другие[6]. Активно расщепляющие целлюлозу плесневые грибы — это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata[7].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Глинка Н.Л. Общая химия. — 22 изд., испр. — Ленинград: Химия, 1977. — 719 с.
  2. Ignatyev, Igor; Charlie Van Doorslaer, Pascal G.N. Mertens, Koen Binnemans, Dirk. E. de Vos (2011). «Synthesis of glucose esters from cellulose in ionic liquids». Holzforschung 66 (4): 417-425. DOI:10.1515/hf.2011.161.
  3. Melissa R. Christopherson, et al. (2013). «The Genome Sequences of Cellulomonas fimi and “Cellvibrio gilvus” Reveal the Cellulolytic Strategies of Two Facultative Anaerobes, Transfer of “Cellvibrio gilvus” to the Genus Cellulomonas, and Proposal of Cellulomonas gilvus sp. nov». DOI:10.1371/journal.pone.0053954.
  4. Muhammad Irfan, et al. (2012). «Isolation and screening of cellulolytic bacteria from soil and optimization of cellulase production and activity». Turkish Journal of Biochemistry 37 (3): 287-293. DOI:10.5505/tjb.2012.09709.
  5. Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. — Springer Science & Business Media, 2007. — Vol. 2. The Proteobacteria, Part B: The Gammaproteobacteria. — P. 402-403.
  6. 1 2 И. К. Белая. Гигиена и реставрация библиотечных фондов. — Рипол Классик, 2013. — С. 13-21.
  7. Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Microorganisms in Home and Indoor Work Environments: Diversity, Health Impacts, Investigation and Control. — 2nd ed. — CRC Press, 2016. — P. 77.

Ссылки[править | править вики-текст]