Cellulóz - biológia
Glükóz dimer, a szék konformációjában (cellobióz egység)
vízben oldhatatlan [1]
A Cellulóz (gyakran szintén cellulóz) a növényi sejtfalak fő alkotóeleme (tömegfrakció kb. 50%), így a leggyakoribb szerves vegyület és egyben a leggyakoribb poliszacharid (poliszacharid). Nem elágazó és több száz-tízezer β-D-glükóz molekulából (β-1,4-glikozidos kötés) vagy cellobióz egységekből áll. A cellulózmolekulák felhalmozódva magasabb struktúrákat képeznek, amelyek a növények szakadásálló rostjaiként gyakran statikus funkciókkal rendelkeznek. A cellulóz fontos alapanyag a papírgyártásban, de a vegyiparban és más területeken is.
sztori
A cellulózt 1838-ban Anselme Payen francia vegyész fedezte fel, aki izolálta a növényektől és meghatározta kémiai képletüket. [2] A cellulóz 1870-ben készült Hyatt Gyártó Vállalat az első plasztomer, a celluloid előállításához használják. Hermann Staudinger 1920-ban meghatározta a cellulóz szerkezetét. 1992-ben a cellulózt először kémiai úton szintetizálták Kobayashi és Shoda (biológiai alapú enzimek segítsége nélkül). [3]
kémia
A cellulóz egy polimer (Poliszacharid Diszacharid monomer cellobiózból („többszörös cukor”). A monomerek β-1,4-glikozidos kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Maga a cellobióz a monoszacharid („egyszerű cukor”) glükóz két molekulájából áll. Itt is van egy β-1,4-glikozidos kötés, így a glükózt gyakran a cellulóz monomerjeként is meghatározzák.
A monomereket egy kondenzációs reakció kapcsolja össze, amelyben két hidroxilcsoport (-OH) képez egy vízmolekulát (H2O), és a fennmaradó oxigénatom összeköti a két monomer gyűrű alakú alapszerkezetét (pirángyűrűt). Ezen az erős, kovalens kötésen kívül a kevésbé erős hidrogénkötések intramolekulárisan is kialakulnak. [4] A cellulóz molekula gyakran több ezer glükóz egységből áll.
jellemzők
A cellulóz vízben és a legtöbb szerves oldószerben oldhatatlan. Azonban olyan oldószerek, mint a dimetil-acetamid/lítium-klorid vagy a dimetil-szulfoxid/tetrabutil-ammónium-fluorid és az ammónia/Cu 2+ (Schweizer-reagens) képesek feloldani a cellulózot. Erős savakkal osztható fel. Magas hőmérsékleten tömény savakkal a cellulóz glükózzá bontható a glikozidos kötések megszakításával.
A BASF vegyipari vállalat kifejlesztett egy injekciós eljárást, amelyben a cellulóz fizikailag feloldódik egy ionos folyadékban. Ez az oldat olyan kémiai szintézisekhez használható, amelyek korábban nem voltak lehetségesek. [5]
bioszintézis
A legtöbb növényben a cellulóz alapvető fontosságú, mint szerkezeti anyag. A fás és nem fás növények rostjai sokféle fibrillából állnak, amelyek viszont számos, egymással párhuzamosan elrendezett cellulózmolekulából állnak. A cellulóz mikrofibrillákat egy sejt plazmamembránjában szintetizálják úgynevezett rozetta komplexekben. Ezek tartalmazzák a cellulóz-szintáz enzimet, amely β-D-glükánokat (β-kötéssel rendelkező D-glükóz polimerek) termel, és ezáltal összeköti az egyik D-glükóz molekula első szénatomját egy másik D-glükóz molekula negyedik szénatomjával. A glükánlánc előállításához két alapvető lépés szükséges. Először is, a szacharóz-szintáz feloszlatja a diszacharid (kettős cukor) szacharózt glükóz és fruktóz monomereivé glükóz biztosítása céljából. A glükózt most a cellulóz-szintáz összekapcsolja az uridin-difoszfáttal (UDP), hogy UDP-glükózt képezzen. Egy további lépésben a megkötött glükóz átkerül a növekvő glükánlánc nem redukáló cukrába. Ezután a glükánlánc vagy az enzim továbbhalad, így további szintézis lépésre kerülhet sor.
A cellulóz a plazmamembránban képződik és összekapcsolódik, hogy rostos struktúrákat képezzen. Ezután a cellulózszálak térbeli elrendezése mikrotubulusokon keresztül történik.
használat
A főként cellulózból álló növényi anyagokat az emberek legalább a paleolitikum óta használják üzemanyagként főzéshez és fűtéshez. A cellulóz szintén fontos alapanyag az anyagok felhasználásához, de fontos az élelmiszer és a takarmány természetes vagy hozzáadott összetevőjeként is. Mivel a cellulóz szinte minden növényi biomasszában is előfordul, számos más területen is fontos, mint pl B. fában (lignocellulóz) építőanyagként stb.
nyersanyag
A cellulóz a papírgyártás fontos alapanyaga. Nyersanyagként a lignint és a cellulózban gazdag fát használják. Ezt fapép előállítására használják, amelyet kevésbé jó minőségű papírhoz használnak. A lignintartalom eltávolításával a cellulóz felhasználható, amely főként cellulózból áll, és jobb minőségű papírokhoz használható.
A ruhaiparban a főleg cellulózból álló növényi rostokat különféle szövetekhez használják. Ilyenek például a lenből előállított pamut- és háncsrostok, amelyeket vászonná dolgoznak fel.
Egy másik regenerált cellulóz anyag a celofán (cellulóz-hidrát), amely fólia formájában gyakori csomagolóanyag. Szintetikus cellulózrostok ("műselyem") is előállíthatók. Ebből a célból a xantogenizált cellulóz lúgos oldatát ("viszkózoldat") szálakká, úgynevezett regenerált szálakká (pl. Viszkóz) dolgozzák fel.
A cellulózszármazékok széles skáláját alkalmazzák sokféleképpen, mint pl. B. metil-cellulóz, cellulóz-acetát és cellulóz-nitrát az építőiparban, a textiliparban és a vegyiparban. A celluloid, az első hőre lágyuló műanyag cellulóz-nitrátból származik.
Mivel a cellulóz természetesen nagy mennyiségben áll rendelkezésre, próbálják felhasználni ezt a megújuló nyersanyagot pl. B. hogy a cellulóz-etanolt bioüzemanyagként hozzáférhetővé tegyék. Jelenleg intenzív kutatások folynak a növényi biomassza, főleg a fa és a szalma e célból történő fejlesztése érdekében.
A cellulóz természetes szigetelőanyagként is szolgálhat. [6] Ebből a célból a válogatott újságpapírt először mechanikai folyamatban aprítják. A kapott cellulózszigetelő anyagot zökkenőmentesen be lehet fújni, és felhasználható hőszigetelésre és hangszigetelésre. A fújási folyamatot Kanadában és az USA-ban 1940 körül alkalmazzák. Ennek a szigetelőanyagnak az előnye a környezetbarát gyártás és a válogatott újságpapír további felhasználása.
A laboratóriumban oszlopkromatográfia töltőanyagaként használható az anyagok keverékeinek elválasztásakor.
étel
A keményítővel ellentétben az összes magasabb rendű élő szervezet, beleértve a tipikus növényevőket sem képes önmagát lebontani a cellulózban a belekben, bár mindkét molekula glükózmolekulákból áll. Csak az enzimeket birtokolják α-1,4- vagy α-Az 1,6-glikozidos kötések (például keményítőben) megoszthatók (amilázok), de nem más szerkezetűek β-A cellulóz 1,4-glikozidos kötései. Ezért ezek a lények (pl. Tehenek) csak a megfelelő cellulázokat biztosító és a belükben élő szimbiotikus baktériumok segítségével használhatják fel a szénhidrát magas energiatartalmát.
Az embereknek nincsenek emésztőrendszerük sem a cellulóz lebontására. A vastagbél első részében, a vakbélben és a felemelkedő vastagbélben lévő anaerob baktériumok segítségével az étkezésből származó cellulóznak csak egy részét bontják rövid láncú zsírsavakká. A vastagbél nyálkahártyáján keresztül felszívódnak, és az anyagcsere felhasználja őket. A hemicellulózok, a pektin és a lignin mellett a cellulóz fontos növényi rost az emberi táplálkozásban.
Más, hasonló szerkezetű emésztőrendszerrel rendelkező organizmusok (monogasztrikus állatok), például sertések sem képesek hatékonyan megemészteni a cellulózt.
A kérődzők a bendőben lévő cellulóz és más poliszacharidok nagy részét megemésztik. Itt is anaerob baktériumok vesznek részt, amelyek a cellulózt zsírsavakká alakítják. Ugyanez vonatkozik a lovakra és a vízi szárnyasokra, ahol a feldolgozás a vastagbélben történik. Néhány rovar, például az ezüsthal (Lepisma), képesek megemészteni a cellulózt a szervezet saját cellulázaival, és nem függenek az endoszimbiontoktól.
A legtöbb baktérium és gomba azonban csak a cellulázjain keresztül képes lebontani a cellulózt a glükóz dimer cellobiózig. Néhány protozoa és gomba tetszik Aspergillus-, Penicillium- és Fusarium-A fajoknak is megvan a szükséges β-1,4-glükozidázok vagy Cellobiasisok, amelyek a cellobiózt glükózra osztják. [7] Néhány fa lebontó gomba, mint pl Ceriporiopsis subvermispora cellobiózt is használhat a Cellobióz-dehidrogenáz (CDH), egy extracelluláris hemoflavoenzim, oxidatív módon lebomlik. Ez glükóz helyett glükonsavat hoz létre. [8.]
Élelmiszer-adalék
Cellulózt vagy cellulózszármazékokat az élelmiszeriparban és a gyógyszeriparban is alkalmaznak, pl. B. mint sűrítő, hordozó, töltőanyag, felszabadító, bevonó és habosító szer. Élelmiszer-adalékanyagként a cellulóz az E 460 – E 466 jelöléseket tartalmazza:
E 460i - mikrokristályos cellulóz E 460ii - cellulózpor E 461 - metil-cellulóz E 463 - hidroxi-propil-cellulóz E 464 - hidroxi-propil-metil-cellulóz E 465 - etil-metil-cellulóz E 466 - karboxi-metil-cellulóz
A bizonyítékokat jód-cink-klorid oldattal (kék szín) nyújtják.