Целулоза - Биология
Димер на глюкоза, показан в конформация на стол (целобиозна единица)
неразтворим във вода [1]
The Целулоза (често също целулоза) е основният компонент на растителните клетъчни стени (масова част приблизително 50%) и по този начин най-често срещаното органично съединение, а също и най-често срещаният полизахарид (полизахарид). Той е неразклонен и се състои от няколкостотин до десет хиляди молекули β-D-глюкоза (β-1,4-гликозидна връзка) или целобиозни единици. Целулозните молекули се натрупват, образувайки висши структури, които като устойчиви на разкъсване влакна в растенията често имат статични функции. Целулозата е важна като суровина за производството на хартия, но също така и в химическата промишленост и други области.
история
Целулозата е открита през 1838 г. от френския химик Анселме Пайен, който я изолира от растенията и определя химическата им формула. [2] Целулозата е направена през 1870 г. от Hyatt Manufacturing Company използва се за направата на първия пластомер, целулоид. Херман Щаудингер определя структурата на целулозата през 1920 година. През 1992 г. целулозата за първи път е синтезирана химически от Kobayashi и Shoda (без помощта на биологично базирани ензими). [3]
химия
Целулозата е полимер (Полизахарид „Множествена захар“) от мономерната целобиоза, дизахарид („двойна захар“). Мономерите са свързани помежду си чрез β-1,4-гликозидни връзки. Самата целобиоза се състои от две молекули на монозахаридната („проста захар“) глюкоза. Тук също има β-1,4-гликозидна връзка, така че глюкозата често се определя и като мономер на целулозата.
Мономерите са свързани чрез реакция на кондензация, при която две хидроксилни групи (-OH) образуват водна молекула (H2O), а останалият кислороден атом свързва пръстеновидната основна структура (пиран пръстен) на двата мономера. В допълнение към тази силна, ковалентна връзка, по-малко силните водородни връзки също се образуват вътремолекулно. [4] Целулозната молекула често се състои от няколко хиляди глюкозни единици.
характеристики
Целулозата е неразтворима във вода и в повечето органични разтворители. Въпреки това, разтворители като диметилацетамид/литиев хлорид или диметилсулфоксид/тетрабутиламониев флуорид и амоняк/Cu 2+ (реагент на Schweizer) могат да разтворят целулозата. Може да се раздели от силни киселини. С концентрирани киселини при повишени температури целулозата може да се разгради до глюкоза чрез разрушаване на гликозидните връзки.
Химическата компания BASF разработи инжекционен процес, при който целулозата се разтваря физически в йонна течност. Този разтвор може да се използва за химически синтези, които преди това не са били възможни. [5]
биосинтеза
В повечето растения целулозата е от основно значение като структурно вещество. Влакната в дървесни и недървесни растения се състоят от голям брой фибрили, които от своя страна се състоят от множество целулозни молекули, разположени успоредно една на друга. Целулозните микрофибрили се синтезират в плазмената мембрана на клетка в така наречените розетни комплекси. Те съдържат ензима целулозна синтаза, който произвежда β-D-глюкани (D-глюкозни полимери с β-връзка) и по този начин свързва първия въглероден атом на една D-глюкозна молекула с четвъртия въглероден атом на друга D-глюкозна молекула. Производството на глюкановата верига изисква две основни стъпки. Първо, захарозната синтаза разделя дизахаридната (двойна захар) захароза в нейните мономери глюкоза и фруктоза, за да осигури глюкоза. Сега глюкозата е свързана от целулозната синтаза с уридин дифосфат (UDP), за да образува UDP-глюкоза. В следващ етап, свързаната глюкоза сега се прехвърля в нередуциращата захар на нарастващата глюканова верига. След това глюкановата верига или ензимът се придвижват, за да може да се осъществи по-нататъшен етап на синтез.
Целулозата се образува в плазмената мембрана и се свързва, образувайки влакнести структури. Тогава пространственото подреждане на целулозните фибрили се осъществява чрез микротубули.
използване
Растителният материал, състоящ се предимно от целулоза, се използва от хората като гориво за готвене и отопление поне от епохата на палеолита. Целулозата също е важна суровина за материални цели, но е важна и като естествен или добавен компонент на храни и фуражи. Тъй като целулозата се среща и в почти всички видове растителна биомаса, тя е важна и в много други области, като напр Б. в дърво (лигноцелулоза) като строителен материал и др.
суров материал
Целулозата е важна суровина за производството на хартия. Дървесината, богата на лигнин и целулоза, служи като суровина. От него се прави дървесна маса, която се използва за хартия с по-ниско качество. Чрез премахване на лигниновата част може да се използва пулпа, която е предимно целулозна и може да се използва за хартии с по-високо качество.
В производството на облекло растителните влакна, които се състоят главно от целулоза, се използват за различни тъкани. Примери за това са памучни и лилави влакна от лен, които се преработват в лен.
Друг регенериран целулозен материал е целофанът (целулозен хидрат), който е обикновен опаковъчен материал под формата на фолиа. Могат да се произвеждат и синтетични целулозни влакна ("изкуствена коприна"). За тази цел алкален разтвор на ксантогенизирана целулоза („вискозен разтвор“) се преработва в нишки, така наречените регенерирани влакна (например вискоза).
Голямо разнообразие от целулозни производни се използват по много начини, като напр. Б. метил целулоза, целулозен ацетат и целулозен нитрат в строителството, текстилната и химическата промишленост. Целулоидът, първият термопласт, се получава от целулозен нитрат.
Тъй като целулозата се предлага в големи количества в природата, правят се опити да се използва тази възобновяема суровина, напр. Б. да предостави целулозен етанол като биогориво. В момента се провеждат интензивни изследвания за разработване на растителна биомаса, особено дървесина и слама, за тази цел.
Целулозата може да служи и като естествен изолационен материал. [6] За тази цел сортираната вестникарска хартия първо се настъргва в механичен процес. Полученият целулозен изолационен материал може да се вдухва безпроблемно и да се използва за топлоизолация и звукоизолация. Процесът на продухване се използва в Канада и САЩ от около 1940 г. Предимството на този изолационен материал е екологичното производство и по-нататъшното използване на сортиран вестник.
В лабораторията може да се използва като пълнеж за колонна хроматография при разделяне на смеси от вещества.
храна
Всички висши живи организми, включително типичните растителноядни животни, не могат да разграждат целулозата в червата, за разлика от нишестето, въпреки че и двете молекули са изградени от молекули глюкоза. Те притежават само ензимите, които α-1,4- или α-1,6-гликозидни връзки (напр. В нишестето) могат да се разделят (амилази), но не и тези с различна структура β-1,4-гликозидни връзки на целулоза. Ето защо тези същества (напр. Крави) могат да използват високото енергийно съдържание на този въглехидрат само с помощта на симбиотични бактерии, които осигуряват подходящите целулази и живеят в червата им.
Хората също нямат храносмилателни ензими, които да разграждат целулозата. С помощта на анаеробни бактерии в първата част на дебелото черво, апендикса и възходящото дебело черво, само част от целулозата от храната се разгражда до късоверижни мастни киселини. Те се абсорбират през лигавицата на дебелото черво и се използват от метаболизма. В допълнение към хемицелулозите, пектина и лигнина, целулозата е важно растително влакно в храненето на човека.
Други организми със сходна структура на храносмилателната система (моногастрални животни), като прасета, също не могат да усвоят целулозата ефективно.
Преживните животни смилат голяма част от целулозата и други полизахариди в червея. И тук участват анаеробни бактерии, които превръщат целулозата в мастни киселини. Същото се отнася и за коне и водни птици, където обработката се извършва в дебелото черво. Някои насекоми, като сребърната рибка (Лепизма), са способни да смилат целулозата със собствените целулази на организма и не зависят от ендосимбионтите.
Повечето бактерии и гъбички обаче могат да разграждат целулозата само чрез целулазите си до глюкозния димер целобиоза. Няколко протозои и гъбички като Aspergillus-, Пеницилиум- и Фузариум-Видовете също имат необходимото β-1,4-глюкозидази или Целобиази, които разделят целобиозата на глюкоза. [7] Някои гъби, разлагащи дървесина като Ceriporiopsis subvermispora може също да използва целобиоза чрез Целобиоза дехидрогеназа (CDH), извънклетъчен хемофлавоензим, се разгражда оксидативно. Това създава глюконова киселина вместо глюкоза. [8-ми]
Хранителна добавка
Целулозата или целулозните производни се използват също в хранителната и фармацевтичната промишленост, напр. Б. като сгъстител, носител, пълнител, освобождаващ агент, покриващ агент и пяна. Като хранителна добавка целулозата има обозначенията E 460 до E 466:
E 460i - микрокристална целулоза E 460ii - целулоза на прах E 461 - метил целулоза E 463 - хидроксипропил целулоза E 464 - хидроксипропил метил целулоза E 465 - етил метил целулоза E 466 - карбоксиметил целулоза
Доказателствата се предоставят чрез разтвор на йод-цинков хлорид (син цвят).