Гомополисахариды

Целлюлоза. Строение целлюлозы

Целлюлоза производится в природе в количестве100 млрд. тонн в год. Она является основной составляющейрастительных клеток, поэтому целлюлозу называют также клетчаткой. В сочетании с другими соединениями (гемицеллюлозами, лигнином, пектином, липидами, смолами и т.д.) целлюлоза обеспечивает высокую механическую прочность клеточных стенок растений. Наиболее чистыми образцами целлюлозы, с которыми встречаются в обыденной жизни, являются очищенная вата, получаемая из хлопка, и фильтрованная бумага. Клетчатка составляет от 40 до55% тканей древесины, 60 – 85 % волокон льна, конопли, джута. В зелёных листьях и траве её содержание несколько ниже: 10 – 25 %. В качестве пищевого продукта целлюлоза человеком не используется, так как в его организме отсутствуют необходимые гидролитические ферменты.

Целлюлоза в чистом виде – белое волокнистое вещество без запаха и вкуса. Не растворяется в воде, эфире, спирте. В обычных условиях она устойчива к действию разбавленных кислот, щелочей и слабых окислителей, но растворяется в реактиве Швейцера (разбавленный раствор Cu(OH)2) в концентрированном аммиаке), солянокислом растворе хлористого цинка при нагревании и в концентрированной серной кислоте. Устойчивость целлюлозы к действию растворителей объясняется её структурой: молекулы целлюлозы представляют собой длинные неразветвленные цепи глюкозных остатков, причём кислородные мостики, соединяющие эти остатки, соединяют первый углеродный атом одного остатка с четвёртым атомом углерода следующего глюкозного остатка. Все глюкозные фрагменты клетчатки находятся в β - форме. Общее число глюкозных фрагментов в молекуле целлюлозы, то есть степень полимеризации, колеблется в довольно широких пределах: от 300 до 800 для гидратцеллюлозных волокон и от 10000 до 15000 для целлюлозы хлопка и льна.

Строение участка молекулы целлюлозы можно выразить следующей формулой:

D – глюкоза в составе целлюлозы находится в креслообразной конформации и это исключает возможность спирализации полиглюкозидной цепи, поэтому молекула целлюлозы сохраняет строго линейное строение.

В клеточных стенках растений молекулы целлюлозы собраны в пучки – микрофибриллы, в которых они расположены параллельно друг другу и связаны водородными связями. На поперечном разрезе микрофибрилла имеет овальную форму.

В центре микрофибриллы молекулы (около 50) составляют называемое «ядро». В нем молекулы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Вокруг «ядра» около 100 молекул также расположены параллельно, но не столь упорядоченно. Это паракристаллическая область. Здесь находится некоторое количество молекул матрикса оболочки, чаще гемицеллюлоз. Их содержание увеличивается от «ядра» к периферии паракристаллической зоны. Немногие молекулы целлюлозы проходят по всей длине микрофибриллы. В микрофибриллах есть участки, где одни молекулы заканчиваются, а другие начинаются.

Деполимеризация таких прочных структур на отдельные молекулы целлюлозы весьма затруднена. При гидролизе целлюлозы в присутствии концентрированных кислот образуется только β – глюкоза. Возможен также частичный гидролиз целлюлозы с образованием восстанавливающего дисахарида целлобиозы, в котором между двумя остатками глюкозы – β-1,4-глюкозидная связь. Отличительной особенностью обладают жвачные животные (например, коровы), которые могут питаться целлюлозой, поскольку в одном из отделов их желудка (рубце) есть бактерии, продуцирующие фермент целлюлазу. Этот фермент расщепляет её и превращает в D – глюкозу.

Химические свойства целлюлозы

Благодаря наличию свободных гидроксильных групп целлюлоза вступает в реакции с кислотами и спиртами, что ведёт к образованию различных эфиров. При действии на целлюлозу смеси уксусного ангидрида, уксусной кислоты и серной кислоты, которую используют в качестве катализатора, получают ацетат целлюлозы. Возможно получение моно-, ди-, и триацетата целлюлозы. При производстве волокон используют как триацетат, так и диацетат целлюлозы. Для получения диацетата вначале получают триацетат, который частично омыляют до диацетата целлюлозы:

Ацетатное волокно используют преимущественно для изготовления трикотажных изделий, подкладочных тканей, а штапельное ацетатное волокно применяют для изготовления сигаретных фильтров. Ацетат целлюлозы используют также для получения кино- и фотоплёнки.

Целлюлоза служит сырьём для получения не только ацетатного, но и других искусственных волокон, например, вискозного, медноаммиачного, гидратцеллюлозных.

Целлюлоза хорошо растворяется в щелочи в присутствии сероуглерода, образуя ксантогенаты:

При подкислении полученного раствора (вискозы) опять выделяется целлюлоза. Если вискозу продавливать через тонкие отверстия (фильеры) в водный раствор сильной кислоты, получаются тонкие нити, из которых прядением делают искуственное волокно – вискозный шелк. При продавливании вискозы через тонкие щели получают прозрачную пленку – целлофан.

Продуктами нитрования целлюлозы смесью азотной и серной кислот являются нитраты целлюлозы (нитроклетчатки). В зависимости от условий реакции получают нитроцеллюлозы с различным содержанием нитрогрупп:

Нитроцеллюлозу с малым содержанием азота используют для изготовления нитроцеллюлозных лаков. Раствор целлюлозы с большим содержанием азота в смеси спирта и эфира представляет собой клейкую жидкость – коллодий, который был первым изобретённым жидким пластырем. Нитроклетчатка с максимальным содержанием азота обладает взрывчатыми свойствами, поэтому её используют для изготовления бездымного пороха.

Целлюлозу, у которой небольшое число гидроксильных групп подвергнуто метилированию, применяют для придания густоты шампуням и другим косметическим средствам.

В ионообменной хроматографии широко используют производные целлюлозы – карбоксиметилцеллюлозу (катионообменник) и диэтиламиноэтилцеллюлозу (анионообменник) для разделения аминокислот, белков, нуклеиновых кислот.

В технологии пищи целлюлоза находит применение в качестве пищевой добавки как эмульгатор, текстуратор и как добавка, препятствующая слеживанию и комкованию. В качестве добавки используют микрокристаллическую и порошкообразную целлюлозу. Микрокристаллическую целлюлозу получают путём измельчения продукта частичного кислотного гидролиза целлюлозы по аморфным участкам полимерной цепи. Этот продукт отличается невысокой молекулярной массой. Порошкообразную целлюлозу получают из растительного сырья удалением сопутствующих целлюлозе веществ (лигнина, гемицеллюлозы) и последующим измельчением.

Статус пищевых добавок имеют семь химически модифицированных целлюлоз. Все модификации являются простыми эфирами целлюлозы. Образование простых эфиров протекает по гидроксильным группам глюкозидных остатков. Из трёх гидроксильных групп наибольшую реакционную способность проявляет гидроксильная группа при шестом атоме углерода. Активность ОН- группы при втором атоме углерода несколько ниже. Наименьшую активность обнаруживает гидроксильная группа при третьем атоме углерода. Для применения в пищевой технологии получают простые эфиры целлюлозы с одной или двумя эфирными связями, соответственно вводя в реакцию гидроксильные группы при С6 или С6 и С2. В общем виде мономерное звено модифицированной целлюлозы можно представить в следующем виде:

n

Заместители Х, У, а также технологические функции продуктов химической модификации целлюлозы представлены в таблице 4.

Таблица 4. Модифицированные целлюлозы и их технологические функции

Название продукта	Х	У	Технологическая функция
Метилцеллюлоза		Н	Загуститель, стабилизатор, эмульгатор
Этилцеллюлоза		Н	Наполнитель, связующий агент
Гидроксипропилцеллюлоза		Н	Загуститель, стабилизатор,эмульгатор
Гидроксипропилметилцеллюлоза			Загуститель, стабилизатор
Метилэтилцеллюлоза			Загуститель, стабилизатор,эмульгатор, пенообразователь
Карбоксиметилцеллюлоза (натриевая соль)		Н	Загуститель, стабилизатор
Этилгидроксиэтилцеллюлоза			Загуститель, стабилизатор, эмульгатор

Среди пищевых добавок целлюлозной природы наибольшее распространение получила карбоксиметилцеллюлоза. Из общего объёма её производства более 25% расходуется на пищевые цели.

Пищевые добавки на основе целлюлозы используют в технологиях безалкогольных напитков, хлебобулочных и кондитерских изделий, молочных продуктов, где они выступают в качестве эмульгаторов и стабилизаторов многокомпонентных дисперсных систем, суспензий и эмульсий.

Целлюлозу начали использовать для изготовления целлобетона, который получают смешиванием цемента с волокнистым растительным сырьем – рисовой соломой, бамбуком, кокосовыми волокнами, коноплей, джутом. Из смеси готовят панели, которые обладают всеми качествами железобетона, но дешевле, легче и удобней для строительства жилых домов.

Дата добавления: 2015-07-13