Celuloza - Biologie
Un dimer de glucoză, prezentat într-o conformație a scaunului (unitate de celobioză)
insolubil în apă [1]
Celuloză (deseori, de asemenea celuloză) este componenta principală a pereților celulelor vegetale (fracție de masă aproximativ 50%) și, prin urmare, cel mai comun compus organic și, de asemenea, cel mai comun polizaharid (polizaharid). Nu este ramificat și constă din câteva sute până la zece mii de molecule β-D-glucoză (legătură β-1,4-glicozidică) sau unități de celobioză. Moleculele de celuloză se acumulează pentru a forma structuri superioare care, ca fibre rezistente la rupere în plante, au deseori funcții statice. Celuloza este importantă ca materie primă pentru producția de hârtie, dar și în industria chimică și în alte domenii.
poveste
Celuloza a fost descoperită în 1838 de chimistul francez Anselme Payen, care a izolat-o de plante și a stabilit formula lor chimică. [2] Celuloza a fost fabricată în 1870 de către Compania Hyatt Manufacturing folosit pentru a produce primul plastomer, celuloidul. Hermann Staudinger a determinat structura celulozei în 1920. În 1992, celuloza a fost sintetizată chimic pentru prima dată de Kobayashi și Shoda (fără ajutorul enzimelor pe bază biologică). [3]
chimie
Celuloza este un polimer (Polizaharidă „Zahar multiplu”) din monomer celobioză, o dizaharidă („zahăr dublu”). Monomerii sunt legați între ei prin legături β-1,4-glicozidice. Celobioză în sine constă din două molecule de glucoză monozaharidică („zahăr simplu”). Și aici există o legătură β-1,4-glicozidică, astfel încât glucoza este adesea definită și ca un monomer de celuloză.
Monomerii sunt legați de o reacție de condensare în care două grupări hidroxil (-OH) formează o moleculă de apă (H2O), iar atomul de oxigen rămas conectează structura de bază în formă de inel (inelul piran) a celor doi monomeri. Pe lângă această legătură puternică, covalentă, legăturile de hidrogen mai puțin puternice se formează și intramolecular. [4] O moleculă de celuloză constă adesea din câteva mii de unități de glucoză.
caracteristici
Celuloza este insolubilă în apă și în majoritatea solvenților organici. Cu toate acestea, solvenți precum dimetilacetamidă/clorură de litiu sau dimetil sulfoxid/fluorură de tetrabutilamoniu și amoniac/Cu 2+ (reactiv Schweizer) pot dizolva celuloza. Poate fi împărțit de acizi puternici. Cu acizi concentrați la temperaturi ridicate, celuloza poate fi descompusă în glucoză prin ruperea legăturilor glicozidice.
Compania chimică BASF a dezvoltat un proces de injecție în care celuloza este dizolvată fizic într-un lichid ionic. Această soluție poate fi utilizată pentru sinteze chimice care anterior nu erau posibile. [5]
biosinteza
Celuloza are o importanță fundamentală ca substanță structurală la majoritatea plantelor. Fibrele din plantele lemnoase și ne-lemnoase constau dintr-un număr mare de fibrile, care la rândul lor constau din numeroase molecule de celuloză dispuse paralel una cu alta. Microfibrilele de celuloză sunt sintetizate în membrana plasmatică a unei celule în așa-numitele complexe de rozetă. Acestea conțin enzima celuloză sintază, care produce β-D-glucani (polimeri D-glucoză cu legătură β) și astfel leagă primul atom de carbon al unei molecule D-glucoză cu al patrulea atom de carbon al altei molecule D-glucoză. Producția lanțului de glucan necesită două etape esențiale. În primul rând, zaharoza sintază împarte zaharoza zaharoză (zahăr dublu) în monomerii săi glucoză și fructoză pentru a furniza glucoză. Glucoza este acum legată de celuloză sintază cu uridină difosfat (UDP) pentru a forma UDP-glucoză. Într-o etapă suplimentară, glucoza legată este acum transferată în zahărul nereducător al lanțului de glucan în creștere. Lanțul glucanic sau enzima se deplasează apoi, astfel încât să poată avea loc o nouă etapă de sinteză.
Celuloza se formează în membrana plasmatică și se leagă pentru a forma structuri fibroase. Apoi, dispunerea spațială a fibrilelor de celuloză are loc prin microtubuli.
utilizare
Materialul vegetal constând în principal din celuloză a fost folosit de oameni ca combustibil pentru gătit și încălzire cel puțin încă din epoca paleolitică. Celuloza este, de asemenea, o materie primă importantă pentru utilizarea materialelor, dar este importantă și ca componentă naturală sau adăugată a alimentelor și furajelor. Deoarece celuloza apare în aproape toate tipurile de biomasă vegetală, este importantă și în multe alte domenii, cum ar fi B. în lemn (lignoceluloză) ca material de construcție etc.
materii prime
Celuloza este o materie primă importantă pentru producția de hârtie. Lemnul și lemnul bogat în celuloză sunt utilizate ca materie primă. Aceasta este utilizată pentru a produce pastă de lemn, care este utilizată pentru hârtie mai puțin de înaltă calitate. Prin îndepărtarea porțiunii de lignină, se poate utiliza pulpa, care este în principal celuloză și poate fi utilizată pentru hârtii de calitate superioară.
În industria confecțiilor, fibrele vegetale, care constau în principal din celuloză, sunt utilizate pentru diferite țesături. Exemple sunt fibrele de bumbac și bast din in, care sunt prelucrate în in.
Un alt material de celuloză regenerat este celofanul (hidratul de celuloză), care este un material obișnuit de ambalare sub formă de folii. Se pot produce și fibre sintetice de celuloză („rayon”). În acest scop, o soluție alcalină de celuloză xantogenizată („soluție de viscoză”) este procesată în fire, așa-numitele fibre regenerate (de exemplu, viscoză).
O mare varietate de derivați de celuloză sunt utilizați în multe moduri, cum ar fi. B. metilceluloză, acetat de celuloză și azotat de celuloză în industria construcțiilor, textilă și chimică. Celuloidul, primul termoplastic, este derivat din azotatul de celuloză.
Deoarece celuloza este disponibilă în mod natural în cantități mari, se încearcă utilizarea acestei materii prime regenerabile, de ex. B. pentru a face disponibil etanolul celulozic ca biocombustibil. În acest moment sunt în curs de cercetare intensivă pentru a dezvolta biomasă vegetală, în special lemn și paie, în acest scop.
Celuloza poate servi și ca material izolator natural. [6] În acest scop, hârtia de ziar sortată este mai întâi mărunțită într-un proces mecanic. Materialul de izolare a celulozei obținut poate fi suflat fără probleme și utilizat pentru izolare termică și izolare fonică. Procesul de suflare a fost utilizat în Canada și SUA încă din 1940. Avantajul acestui material de izolare este producția ecologică și utilizarea în continuare a ziarului sortat.
În laborator poate fi folosit ca material de umplere pentru cromatografia pe coloană la separarea amestecurilor de substanțe.
alimente
Toate organismele superioare, inclusiv erbivorele tipice, spre deosebire de amidon, nu pot descompune celulozele în intestin, deși ambele molecule sunt formate din molecule de glucoză. Ei dețin doar enzimele care α-1,4- sau α-Legăturile 1,6-glicozidice (de exemplu, în amidon) se pot diviza (amilaze), dar nu și cele cu o structură diferită β-Legături 1,4-glicozidice ale celulozei. Acesta este motivul pentru care aceste creaturi (de exemplu, vacile) pot folosi conținutul ridicat de energie al acestui carbohidrat numai cu ajutorul bacteriilor simbiotice care furnizează celulazele adecvate și care trăiesc în intestinele lor.
De asemenea, oamenii nu au enzime digestive care să descompună celuloza. Cu ajutorul bacteriilor anaerobe din prima parte a intestinului gros, a apendicelui și a colonului ascendent, doar o parte din celuloză din alimente este descompusă în acizi grași cu lanț scurt. Acestea sunt absorbite prin mucoasa colonului și utilizate de metabolism. Pe lângă hemiceluloză, pectină și lignină, celuloza este o fibră vegetală importantă în alimentația umană.
Alte ființe vii cu un sistem digestiv structurat în mod similar (animale monogastrice), cum ar fi porcii, nici nu pot digera celuloza eficient.
Rumegătoarele digeră o mare parte din celuloză și alte polizaharide din rumen. Și aici sunt implicate bacterii anaerobe, care transformă celuloza în acizi grași. Același lucru este valabil și pentru cai și păsări de apă, unde prelucrarea are loc în intestinul gros. Unele insecte, cum ar fi peștele argintiu (Lepisma), sunt capabili să digere celuloza cu propriile celulaze ale organismului și nu depind de endosimbionți.
Majoritatea bacteriilor și ciupercilor, totuși, pot descompune celuloza numai prin celulaze până la dimerul de glucoză celobioză. Câteva protozoare și ciuperci ca Aspergillus-, Peniciliu- și Fusarium-De asemenea, speciile au necesarul β-1,4-glucozidaze sau Celobiile, care împart celobioză în glucoză. [7] Unele ciuperci care descompun lemnul, cum ar fi Ceriporiopsis subvermispora poate utiliza, de asemenea, celobioză prin intermediul Celobioză dehidrogenază (CDH), o hemoflavoenzimă extracelulară, se descompune oxidativ. Acest lucru creează acid gluconic în loc de glucoză. [A 8-a]
Aditiv alimentar
Celuloza sau derivații de celuloză sunt utilizați și în industria alimentară și farmaceutică, de ex. B. ca agent de îngroșare, purtător, umplutură, agent de eliberare, agent de acoperire și agent de spumă. Ca aditiv alimentar, celuloza are denumirile E 460 până la E 466:
E 460i - celuloză microcristalină E 460ii - pulbere de celuloză E 461 - metil celuloză E 463 - hidroxipropil celuloză E 464 - hidroxipropil metil celuloză E 465 - etil metil celuloză E 466 - carboximetil celuloză
Dovezile sunt furnizate cu ajutorul unei soluții de clorură de iod-zinc (culoare albastră).