Celulóza - biológia
Dimér glukózy zobrazený v konformácii stoličky (celobiózová jednotka)
nerozpustný vo vode [1]
The Celulóza (často tiež celulóza) je hlavnou zložkou bunkových stien rastlín (hmotnostný podiel asi 50%), a teda najbežnejšou organickou zlúčeninou a tiež najbežnejším polysacharidom (polysacharidom). Je nerozvetvený a pozostáva z niekoľkých stoviek až desaťtisíc molekúl β-D-glukózy (β-1,4-glykozidová väzba) alebo cellobiózových jednotiek. Molekuly celulózy sa hromadia a vytvárajú vyššie štruktúry, ktoré ako vlákna odolné proti roztrhnutiu v rastlinách majú často statické funkcie. Celulóza je dôležitá ako surovina na výrobu papiera, ale aj v chemickom priemysle a ďalších oblastiach.
príbeh
Celulózu objavil v roku 1838 francúzsky chemik Anselme Payen, ktorý ju izoloval z rastlín a určil ich chemický vzorec. [2] Celulózu vyrobila v roku 1870 spoločnosť Spoločnosť Hyatt Manufacturing Company použitý na výrobu prvého plastoméru, celuloidu. Hermann Staudinger stanovil štruktúru celulózy v roku 1920. V roku 1992 bola celulóza prvýkrát chemicky syntetizovaná Kobayashim a Shodou (bez pomoci biologicky založených enzýmov). [3]
chémia
Celulóza je polymér (Polysacharid „Viacnásobný cukor“) z monoméru celobiózy, disacharidu („dvojitý cukor“). Monoméry sú navzájom spojené p-1,4-glykozidovými väzbami. Samotná celobióza sa skladá z dvoch molekúl monosacharidovej („jednoduchý cukor“) glukózy. Aj tu existuje β-1,4-glykozidová väzba, takže glukóza je často tiež definovaná ako monomér celulózy.
Monoméry sú spojené kondenzačnou reakciou, pri ktorej dve hydroxylové skupiny (-OH) tvoria molekulu vody (H2O) a zvyšný atóm kyslíka spája kruhovú základnú štruktúru (pyránový kruh) dvoch monomérov. Okrem tejto silnej kovalentnej väzby sa intramolekulárne vytvárajú aj menej silné vodíkové väzby. [4] Molekula celulózy často pozostáva z niekoľkých tisíc jednotiek glukózy.
charakteristiky
Celulóza je nerozpustná vo vode a vo väčšine organických rozpúšťadiel. Avšak rozpúšťadlá, ako je dimetylacetamid/chlorid lítny alebo dimetylsulfoxid/tetrabutylamóniumfluorid a amoniak/Cu 2+ (Schweizerovo činidlo), môžu celulózu rozpustiť. Môže sa štiepiť silnými kyselinami. Pri koncentrovaných kyselinách pri zvýšených teplotách sa môže celulóza štiepiť na glukózu štiepením glykozidových väzieb.
Chemická spoločnosť BASF vyvinula proces vstrekovania, pri ktorom sa celulóza fyzicky rozpúšťa v iónovej kvapaline. Toto riešenie sa môže použiť na chemické syntézy, ktoré predtým neboli možné. [5]
biosyntéza
Vo väčšine rastlín má celulóza zásadný význam ako štrukturálna látka. Vlákna v drevinách a nedrevných rastlinách pozostávajú z mnohých fibríl, ktoré naopak pozostávajú z mnohých molekúl celulózy usporiadaných navzájom rovnobežne. Celulózové mikrofibrily sa syntetizujú v plazmatickej membráne bunky v takzvaných ružicových komplexoch. Tieto obsahujú enzým celulóza syntáza, ktorý produkuje β-D-glukány (polyméry D-glukózy s β-väzbou) a tým spája prvý atóm uhlíka jednej molekuly D-glukózy so štvrtým atómom uhlíka inej molekuly D-glukózy. Výroba glukánového reťazca si vyžaduje dva základné kroky. Najskôr sacharóza syntáza štiepi disacharid (dvojitý cukor) sacharózu na svoje monoméry glukózu a fruktózu, aby sa získala glukóza. Glukóza je teraz spojená s celulózovou syntázou s uridíndifosfátom (UDP) za vzniku UDP-glukózy. V ďalšom kroku sa naviazaná glukóza teraz prevedie na neredukujúci cukor rastúceho glukánového reťazca. Glukánový reťazec alebo enzým potom postupujú ďalej, takže môže prebehnúť ďalší krok syntézy.
Celulóza sa tvorí v plazmatickej membráne a vzájomne sa spája, aby vytvorila vláknité štruktúry. Potom dôjde k priestorovému usporiadaniu celulózových vlákien cez mikrotubuly.
použitie
Rastlinný materiál, ktorý sa skladá hlavne z celulózy, ľudia používali ako palivo na varenie a kúrenie minimálne od paleolitu. Celulóza je tiež dôležitou surovinou pre materiálové použitie, ale je tiež dôležitá ako prírodná alebo pridaná zložka potravín a krmív. Keďže sa celulóza vyskytuje tiež takmer vo všetkých druhoch rastlinnej biomasy, je dôležitá aj v mnohých ďalších oblastiach, ako napr B. v dreve (lignocelulóza) ako stavebný materiál atď.
Surový materiál
Celulóza je dôležitou surovinou na výrobu papiera. Ako surovina sa používa drevo bohaté na lignín a celulózu. Používa sa na výrobu drevnej hmoty, ktorá sa používa pre menej kvalitný papier. Odstránením obsahu lignínu je možné použiť buničinu, ktorá pozostáva hlavne z celulózy a je možné ju použiť na kvalitnejšie papiere.
V odevnom priemysle sa rastlinné vlákna, ktoré pozostávajú hlavne z celulózy, používajú na rôzne tkaniny. Príkladom sú bavlnené a lykové vlákna z ľanu, ktoré sa spracúvajú na plátno.
Ďalším regenerovaným celulózovým materiálom je celofán (hydrát celulózy), ktorý je bežným obalovým materiálom vo forme fólií. Môžu sa tiež vyrábať vlákna zo syntetickej celulózy („hodváb“). Za týmto účelom sa alkalický roztok xantogenizovanej celulózy („roztok viskózy“) spracuje na vlákna, takzvané regenerované vlákna (napr. Viskóza).
Široká škála derivátov celulózy sa používa mnohými spôsobmi, ako napr. B. metylcelulóza, acetát celulózy a dusičnan celulózy v stavebníctve, textilnom a chemickom priemysle. Celulid, prvý termoplast, je odvodený od dusičnanu celulózy.
Pretože je celulóza prirodzene dostupná vo veľkých množstvách, objavujú sa pokusy o použitie tejto obnoviteľnej suroviny napr. B. sprístupniť celulózový etanol ako biopalivo. V súčasnosti prebiehajú intenzívne výskumy zamerané na vývoj rastlinnej biomasy, najmä dreva a slamy, na tento účel.
Celulóza môže slúžiť aj ako prírodný izolačný materiál. [6] Za týmto účelom je triedený novinový papier najskôr drvený mechanickým spôsobom. Získaný celulózový izolačný materiál je možné bez problémov vyfúknuť a použiť na tepelnú izoláciu a zvukovú izoláciu. Fúkací proces sa v Kanade a USA používa približne od roku 1940. Výhodou tohto izolačného materiálu je ekologická výroba a ďalšie použitie triedených novín.
V laboratóriu sa môže použiť ako výplňový materiál pre stĺpcovú chromatografiu pri oddeľovaní zmesí látok.
jedlo
Na rozdiel od škrobu nemôžu všetky vyššie živé organizmy vrátane typických bylinožravcov rozkladať celulózu samy v čreve, hoci obe molekuly sú tvorené glukózou. Vlastnia iba enzýmy, ktoré α-1,4- alebo α-1,6-glykozidové väzby (napr. V škrobe) sa môžu štiepiť (amylázy), ale nie také, ktoré majú inú štruktúru β-1,4-glykozidové väzby celulózy. To je dôvod, prečo tieto tvory (napr. Kravy) môžu využívať vysoký obsah energie v tomto uhľohydrátu iba pomocou symbiotických baktérií, ktoré poskytujú príslušné celulázy a žijú v ich črevách.
Ľudia tiež nemajú tráviace enzýmy, ktoré by štiepili celulózu. Pomocou anaeróbnych baktérií v prvej časti hrubého čreva, slepého čreva a stúpajúceho hrubého čreva sa iba časť celulózy z potravy štiepi na mastné kyseliny s krátkym reťazcom. Vstrebávajú sa cez sliznicu hrubého čreva a využívajú sa pri metabolizme. Okrem hemicelulóz, pektínu a lignínu je celulóza dôležitým rastlinným vláknom vo výžive človeka.
Aj iné organizmy s podobne štruktúrovaným tráviacim systémom (monogastrické zvieratá), ako napríklad ošípané, nemôžu celulózu efektívne tráviť.
Prežúvavce trávia veľkú časť celulózy a ďalších polysacharidov v bachore. Aj tu sú zapojené anaeróbne baktérie, ktoré premieňajú celulózu na mastné kyseliny. To isté platí pre kone a vodné vtáky, ktoré sa spracovávajú v hrubom čreve. Niektorý hmyz, napríklad striebristka (Lepisma), sú schopné stráviť celulózu s vlastnými bunkovými bunkami v tele a nezávisia od endosymbiontov.
Väčšina baktérií a húb však môže rozkladať celulózu iba cez svoje celulázy až na glukózový dimér cellobiózu. Niekoľko prvokov a húb Aspergillus-, Penicillium- a Fusarium-Druhy majú tiež potrebné β-1,4-glukozidázy alebo Cellobiasy, ktoré štiepili celobiózu na glukózu. [7] Niektoré huby rozkladajúce drevo, ako napr Ceriporiopsis subvermispora môžete tiež použiť celobiózu prostredníctvom Celobióza dehydrogenáza (CDH), extracelulárny hemoflavoenzým, sa oxidačne rozkladá. Takto vzniká namiesto glukózy kyselina glukónová. [8]
Potravinárska prídavná látka
Celulóza alebo deriváty celulózy sa používajú aj v potravinárskom a farmaceutickom priemysle, napr. B. ako zahusťovadlo, nosič, plnivo, separačný prostriedok, náterový prostriedok a penový prostriedok. Ako prísada do potravín má celulóza označenie E 460 až E 466:
E 460i - mikrokryštalická celulóza E 460ii - prášková celulóza E 461 - metylcelulóza E 463 - hydroxypropylcelulóza E 464 - hydroxypropylmetylcelulóza E 465 - etylmetylcelulóza E 466 - karboxymetylcelulóza
Dôkazy sa poskytujú pomocou roztoku jódu a chloridu zinočnatého (modrá farba).