Целлюлоза — природный полимер¶
Целлюлоза — это природный полимер, один из самых распространённых органических веществ на Земле. Простыми словами, целлюлоза — это «каркас» растений: именно она придаёт стеблям, веткам и коре прочность и позволяет деревьям расти вверх, не сгибаясь под собственным весом. Химически целлюлоза представляет собой полисахарид — длинную цепь, собранную из повторяющихся звеньев молекулы глюкозы. Молекулярная формула целлюлозы — (C₆H₁₀O₅)ₙ, где n (степень полимеризации) может достигать десятков тысяч.
¶Строение и свойства
Молекула целлюлозы состоит из остатков β-глюкозы, соединённых между собой 1,4-гликозидными связями. Из-за такого строения цепи вытянуты в прямые нити, которые упаковываются в пучки — микрофибриллы. Между цепями образуются многочисленные водородные связи, и именно они обеспечивают целлюлозе высокую механическую прочность.
Основные свойства целлюлозы:
- Нерастворимость в воде. Целлюлоза не растворяется в воде, хотя состоит из глюкозных звеньев, содержащих гидроксильные группы. Причина — плотная система водородных связей между цепями.
- Нерастворимость в большинстве органических растворителей. Растворителями служат лишь некоторые специальные системы, например раствор Швайцера (комплексный растворитель на основе гидроксида меди и аммиака) или ионные жидкости.
- Термостойкость. Целлюлоза не плавится при нагреве — при температуре около 260–280 °C она разлагается, а при 350 °C обугливается.
- Гидрофильность. Несмотря на нерастворимость, целлюлоза активно впитывает воду: гидроксильные группы на поверхности волокон притягивают молекулы воды. Это свойство лежит в основе действия бумажных полотенец и ваты.
- Устойчивость к многим химикатам. Целлюлоза не подвергается гидролизу в нейтральной и слабокислой среде, но разрушается концентрированными кислотами и щелочами.
¶Распространённость в природе
Целлюлоза — главный structural компонент клеточных стенок растений. Содержание целлюлозы в древесине составляет 40–50 %, в хлопке — до 95 % (в пересчёте на сухую массу), в соломе злаков — 30–45 %. Мировые запасы целлюлозы огромны: ежегодно растения синтезируют миллиарды тонн этого полимера. Клеточные стенки бактерий некоторых видов (например, Gluconacetobacter xylinus) также состоят из целлюлозы — так называемая бактериальная целлюлоза, обладающая особо высокой чистотой и прочностью.
¶Получение
В промышленности целлюлозу получают из древесины, хлопка, соломы и другого растительного сырья. Основной способ — сульфитная или щелочная (крафт) варка, в которой лигнин, «цементующий» целлюлозные волокна в древесине, удаляется химическим путём. Остаточный продукт варки — лигнин — используется для производства пластиков, клеёв и синтетического ванилина.
¶Применение
Целлюлоза — одно из важнейших сырьевых веществ промышленности:
- Бумага и картон. Около 90 % мирового производства целлюлозы идёт на бумагу. Древесную целлюлозу отбеливают, измельчают в пульпу и формуют в лист.
- Текстиль. Из целлюлозы получают вискозу, ацетатный шёлк, льоцелл и медно-аммиачные волокна — искусственные ткани, в которых молекулы целлюлозы растворены и заново сформованы в нити.
- Взрывчатые вещества. Нитроцеллюлоза (продукт нитрования целлюлозы) применяется в пироксилине и коллоксилине — компонентах порохов и ракетного топлива.
- Пищевая промышленность. Целлюлоза и её производные (карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза) используются как загустители и стабилизаторы (Е460–Е468). Сама целлюлоза относится к неперевариваемым пищевым волокнам и необходима для нормальной работы кишечника.
- Фармацевтика. Целлюлоза служит наполнителем таблеток и основой для некоторых систем пролонгированного высвобождения лекарств.
- Строительство. Целлюлозное волокно добавляют в штукатурные смеси, а из целлюлозы изготавливают арболит — лёгкий бетон на древесном заполнителе.
¶Целлюлоза в пищеварении
У человека нет ферментов, расщепляющих β-1,4-гликозидные связи целлюлозы, поэтому она не усваивается и проходит через желудочно-кишечный тракт, выполняя функцию пищевых волокон. Способность переваривать целлюлозу есть у травоядных животных — не благодаря собственным ферментам, а благодаря симбиотическим бактериям и простейшим, обитающим в преджелудках и слепой кишке.
¶Целлюлоза и бумага в истории
Целлюлоза была открыта французским химиком Ансем де Пэем в 1838 году, а в 1839 году её изучением занялся швейцарский химик Анри Браконно. В 1857 году немецкий химик Маттиас Шлейхер ввёл термин «целлюлоза». Промышленное производство бумаги на целлюлозной основе началось в 1840-х годах, а массовое — после запуска первой целлюлозно-бумажной фабрики в Германии в 1860-х годах. В России крупные целлюлозно-бумажные комбинаты были построены в конце XIX — начале XX века, в том числе в Светогорске, Кондопоге и Братске.
¶Экологическое значение
Целлюлоза биоразлагаема: в природе её расщепляют бактерии и грибы, выделяющие ферменты целлюлазы. Разложение целлюлозы — ключевой этап углеродного цикла. Одновременно целлюлозная промышленность является источником загрязнения: варка целлюлозы требует больших объёмов воды и сопровождается выбросами сернистого газа и других соединений. В последние десятилетия разрабатываются безхлорные методы отбеливания и замкнутые циклы водопользования на целлюлозно-бумажных производствах.
Источники:
- Грандберг И. И. «Химия природных соединений»
- Павлов А. Ф. «Биохимия растений»
- Фрумкин Л. М. «Химия целлюлозы»
- Большая медицинская энциклопедия, статья «Целлюлоза»
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона