Cellulose

Cellulose


Generel
Chem. formel ( C6H10O5 ) n _ _ _ _
Fysiske egenskaber
Stat Hvidt pulver
Molar masse 162,1406 masse glucosemonomer g/ mol
Massefylde ~1,5 g/cm³
Termiske egenskaber
Temperatur
 •  smeltning 467°C
 • nedbrydning 260±1 og 270±1 °C
Damptryk 0 ± 1 mmHg [en]
Klassifikation
Reg. CAS nummer 9004-34-6
Reg. EINECS nummer 232-674-9
Codex Alimentarius E460
RTECS FJ5691460
CHEBI 18246
Sikkerhed
NFPA 704 NFPA 704 firfarvet diamant en en 0
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Cellulose , fiber ( fr.  cellulose fra lat.  cellula  - "celle") - en organisk forbindelse , kulhydrat , polysaccharid med formlen (C 6 H 10 O 5 ) n . Molekyler  er uforgrenede kæder af β - glucoserester forbundet med β-(1→4) glykosidbindinger . Hvidt fast stof, uopløseligt i vand. Hovedkomponenten i cellemembranerne i alle højere planter .

Historie

Cellulose blev opdaget og beskrevet af den franske kemiker Anselme Payen i 1838. [2]

Bygning

Cellulose er en lineær homopolymer af hundreder eller titusinder af D-glucoserester . Forbindelsen af ​​glucosefragmenter tilvejebringes af β (1→4) - glykosidbinding . En sådan forbindelse af monomerenheder adskiller cellulose fra α (1 → 4)-glykosidbindinger, der er karakteristiske for andre glucosehomopolymerer: stivelse og glykogen . I modsætning til stivelse amylose , hvis molekyler er oprullet, har cellulosemakromolekylet en tendens til at antage en langstrakt stavkonformation.

Fysiske egenskaber

Cellulose er et hvidt fast, stabilt stof, der ikke nedbrydes ved opvarmning (op til 200 °C). Det er et brændbart stof, nedbrydningstemperaturen er 275 °C [3] , selvantændelsestemperaturen er 420 °C (bomuldscellulose). I 2016 blev smeltningen af ​​cellulose ved 467 °C eksperimentelt vist [4] .

Uopløseligt i vand, svage syrer og de fleste organiske opløsningsmidler. Men på grund af det store antal hydroxylgrupper er den hydrofil ( kontaktvinklen er 20-30 grader) [5] .

Cellulose har ingen smag eller lugt. Registreret som fødevaretilsætning E460.

Cellulose undergår biologisk nedbrydning med deltagelse af mange mikroorganismer .

Kemiske egenskaber

Cellulose består af rester af glucosemolekyler , som dannes under hydrolyse af cellulose:

(C 6 H 10 O 5 ) n + n H 2 O → n C 6 H 12 O 6

Svovlsyre med jod , på grund af hydrolyse , farve cellulose blå.

Ved reaktion med salpetersyre dannes nitrocellulose ( cellulosetrinitrat ) :

Forestringen af ​​cellulose med eddikesyre producerer cellulosetriacetat :

Cellulose er ekstremt vanskelig at opløse og gennemgår yderligere kemiske omdannelser, men i et passende opløsningsmiddelmiljø, for eksempel i en ionisk væske , kan en sådan proces udføres effektivt [6] .

Henter

Pulp opnås ved den industrielle metode ved at koge flis på papirmassefabrikker, der er en del af industrielle komplekser ( mejetærskere ). Afhængigt af den anvendte type reagenser skelnes følgende pulpmetoder:

Den tekniske cellulose, der modtages efter kogning, indeholder forskellige urenheder: lignin , hemicelluloser . Hvis cellulose er beregnet til kemisk forarbejdning (for eksempel til fremstilling af kunstige fibre), så gennemgår den raffinering med en kold eller varm alkaliopløsning for at fjerne hemicelluloser .

For at fjerne rester af lignin og gøre frugtkødet hvidere, bleges det. Klorblegningen, traditionel for det 20. århundrede, omfattede to faser:

Ozonblegning er også kommet i praksis siden 1970'erne. I begyndelsen af ​​1980'erne dukkede oplysninger op om dannelsen af ​​ekstremt farlige stoffer - dioxiner - i processen med klorblegning . Dette førte til behovet for at erstatte klor med andre reagenser. I øjeblikket er blegeteknologier opdelt i:

Ansøgning

Anvendes som fyldstof i farmaceutiske tabletter. Cellulose og dets estere bruges til at producere kunstige fibre ( viscose , acetat , kobber-ammoniak silke , kunstig pels ). Bomuld , der hovedsageligt består af cellulose (op til 99,5%), bruges til fremstilling af stoffer .

Træmasse bruges til fremstilling af papir , plast , film og fotografiske film , lak , røgfrit pulver osv. [7]

At være i naturen

Cellulose er en af ​​hovedkomponenterne i plantecellevægge , selvom indholdet i forskellige celler eller endda dele af den samme cellevæg varierer meget. Så for eksempel indeholder cellevæggene i endospermen af ​​korn kun omkring 2 % cellulose, mens bomuldsfibrene omkring bomuldsfrø består af mere end 90 % cellulose. Cellevæggene i området af spidsen af ​​aflange celler karakteriseret ved polær vækst ( pollenrør , rodhår ) indeholder praktisk talt ingen cellulose og består hovedsageligt af pektiner , mens de basale dele af disse celler indeholder betydelige mængder cellulose. Derudover ændres indholdet af cellulose i cellevæggen under ontogeni , normalt indeholder sekundære cellevægge mere cellulose end primære.

Organisation og funktion i cellevægge

Individuelle cellulosemakromolekyler inkluderer fra 2 til 25 tusinde D-glucoserester. Cellulose i cellevægge er organiseret i mikrofibriller, som er parakrystallinske ensembler af adskillige separate makromolekyler ( ca. 36 i karplanter ) [8] , indbyrdes forbundet af hydrogenbindinger og van der Waals-kræfter .

Makromolekyler placeret i samme plan og indbyrdes forbundet med hydrogenbindinger danner et ark inde i mikrofibrillen. Indbyrdes er arkene af makromolekyler også forbundet med et stort antal brintbindinger. Selvom hydrogenbindinger er ret svage, har cellulosemikrofibriller på grund af deres høje overflod høj mekanisk styrke og modstandsdygtighed over for enzympåvirkning .

Individuelle makromolekyler i en mikrofibril begynder og slutter forskellige steder, så længden af ​​mikrofibrillen overstiger længden af ​​individuelle cellulosemakromolekyler. Det skal bemærkes, at makromolekylerne i mikrofibrillen er orienteret på samme måde, det vil sige, at de reducerende ender (enderne med en fri, anomer OH-gruppe ved C1 - atomet ) er placeret på den ene side.

Moderne modeller for organiseringen af ​​cellulosemikrofibriller tyder på, at den har en meget organiseret struktur i den centrale region, og arrangementet af makromolekyler bliver mere kaotisk mod periferien. Så i midten af ​​mikrofibrillen af ​​højere planter er der en kerne på 24 molekyler. Yderligere 12 molekyler er placeret langs periferien af ​​fibrillen. Teoretisk er diameteren af ​​en sådan mikrofibril 3,8 nm, dog viser røntgendiffraktionsanalysedata, at denne værdi er noget mindre - 3,3 nm, hvilket svarer til 24 molekyler. [8] Ifølge andre skøn er størrelserne af fibriller meget større: 5-9 nm i tværsnit (mere end 50 individuelle makromolekyler). [9]

Mikrofibrillerne er forbundet med tværbindende glykaner ( hemicelluloser ) og i mindre grad af pektiner . Cellulosemikrofibriller, der er forbundet med tværbindende glykaner, danner et tredimensionelt netværk nedsænket i en gel-lignende matrix af pektiner og giver høj styrke af cellevægge.

I sekundære cellevægge kan mikrofibriller forbindes til bundter, som kaldes makrofibriller. Denne organisation øger cellevæggens styrke yderligere.

Biosyntese

Dannelsen af ​​cellulosemakromolekyler i cellevæggene af højere planter katalyseres af et multisubunit membran cellulosesyntasekompleks placeret for enden af ​​forlængende mikrofibriller. Det komplette cellulosesyntasekompleks består af katalytiske, pore- og krystallisationsunderenheder. Den katalytiske underenhed af cellulosesyntase er kodet af CesA ( cellulosesyntase A ) multigenfamilien, som er medlem af Csl ( cellulosesyntase-lignende ) superfamilien, som også inkluderer CslA , CslF , CslH og CslC generne, der er ansvarlige for syntese af andre polysaccharider.

Når man studerer overfladen af ​​plantecellers plasmalemma ved fryse-spaltning i bunden af ​​cellulosemikrofibriller, kan man observere de såkaldte rosetter eller terminalkomplekser med en størrelse på omkring 30 nm og bestående af 6 underenheder. Hver sådan rosetunderenhed er igen et superkompleks dannet af 6 cellulosesyntaser. Som et resultat af driften af ​​en sådan roset dannes der således en mikrofibril, der indeholder omkring 36 cellulosemakromolekyler på et tværsnit. I nogle alger er cellulosesyntese-superkomplekserne lineært organiseret.

Interessant nok spiller glycosyleret sitosterol rollen som et frø for at starte cellulosesyntese . Det direkte substrat for cellulosesyntese er UDP-glucose. Saccharosesyntase forbundet med cellulosesyntase er ansvarlig for dannelsen af ​​UDP-glucose og udfører reaktionen:

Saccharose + UDP UDP-glucose + D-fructose

Derudover kan UDP-glucose dannes fra en pulje af hexosephosphater som et resultat af arbejdet med UDP-glucose pyrophosphorylase:

Glucose-1-phosphat + UTP UDP-glucose + PP i

Retningen for syntesen af ​​cellulosemikrofibriller er tilvejebragt af bevægelsen af ​​cellulosesyntasekomplekser langs mikrotubuli , der støder op til plasmalemmaet indefra. I modelplanten Talyas kløver blev der fundet CSI1-proteinet, som er ansvarligt for fiksering og bevægelse af cellulosesyntasekomplekser langs kortikale mikrotubuli.

Opdeling

Pattedyr ( som de fleste andre dyr) har ikke enzymer , der kan nedbryde cellulose. Imidlertid har mange planteædere (såsom drøvtyggere ) symbiontbakterier i deres fordøjelseskanal, der nedbryder og hjælper deres værter med at absorbere dette polysaccharid. Nedbrydningen af ​​cellulose er forbundet med virkningen af ​​cellulase -enzymet i nedbrydende organismer . Bakterier, der nedbryder cellulose, kaldet cellulolytiske bakterier , er ofte actinobakterier af slægten Cellulomonas , som er fakultative anaerobe [10] [11] , aerobe bakterier af slægten Cellvibrio [ 12] . For papirbøger er de dog kun farlige, når de bliver våde, når huden og limen begynder at blive ødelagt af forrådnelsesbakterier , og papir og stoffer - ved cellulose - ødelægger [13] . Skimmelsvampe , der ødelægger cellulose , er meget farlige for papirbøger . På tre måneder kan de ødelægge 10-60% af papirfibrene, gunstige betingelser for deres udvikling er fugt og luft med høj luftfugtighed , den mest gunstige temperatur er fra +22 til +27 grader Celsius, de kan spredes fra bøger, der er påvirket af dem til andre [13] . Skimmelsvampe , der aktivt nedbryder cellulose, er for eksempel Chaetomium globosum , Stachybotrys echinata [14] .  

Se også

Noter

  1. ↑ http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
  2. ↑ Nikitin N.I. Træets og papirmassens kemi . - M . : Nauka (forlag) , 1962. - S. 427. - 713 s.
  3. ↑ Gagić T. , Perva-Uzunalić A. , Knez Ž. , Škerget M. Hydrotermisk nedbrydning af cellulose ved temperatur fra 200 til 300 °C  (engelsk)  // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2018. - Bd. 57 , nr. 18 . - P. 6576-6584 . — ISSN 0888-5885 . - doi : 10.1021/acs.iecr.8b00332 .
  4. ↑ Dauenhauer P., Krumm C., Pfaendtner J. Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation  //  Chemistry of Materials. - 2016. - Bd. 28 , nr. 1 . — S. 0001 . - doi : 10.1021/acs.chemmater.6b00580 .
  5. ↑ Biskop CA Vakuumaflejring på baner, film og  folier . - 2007. - S. 165. - ISBN 0-8155-1535-9 .
  6. ↑ Ignatyev I. et al. Syntese af glucoseestere fra cellulose i ioniske væsker  (engelsk)  // Holzforschung. - 2011. - Bd. 66 , nr. 4 . - S. 417-425 . - doi : 10.1515/hf.2011.161 .
  7. ↑ Glinka N. L. Generel kemi. - 22 udg., Rev. - Leningrad: Kemi, 1977. - 719 s.
  8. ↑ 1 2 Planters biokemi og molekylærbiologi . - Anden version. - Chichester, West Sussex. — xv, 1264 sider s. — ISBN 9780470714225 .
  9. ↑ Nobel, Park S. Fysisk-kemisk og miljømæssig plantefysiologi . — 4. udg. - Amsterdam: Academic Press, 2009. - 1 online ressource (xxi, 582 sider) s. — ISBN 9780123741431 .
  10. ↑ Melissa R. Christopherson, et al. Genomsekvenserne af Cellulomonas fimi og "Cellvibrio gilvus" afslører de cellulolytiske strategier for to fakultative anaerober, overførsel af "Cellvibrio gilvus" til slægten Cellulomonas og forslag om Cellulomonas gilvus sp. nov  (eng.)  : journal. - 2013. - doi : 10.1371/journal.pone.0053954 .
  11. ↑ Muhammad Irfan, et al. Isolering og screening af cellulolytiske bakterier fra jord og optimering af cellulaseproduktion og aktivitet  (engelsk)  // Turkish Journal of Biochemistry : journal. - 2012. - Bd. 37 , nr. 3 . - S. 287-293 . - doi : 10.5505/tjb.2012.09709 .
  12. ↑ Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Del B: Gammaproteobacteria // Bergey's Manual of Systematic Bacteriology  (bulgarsk) . - Springer Science & Business Media , 2007. - V. 2. Proteobakterien. - S. 402-403.
  13. ↑ 1 2 I. K. Belaya. Hygiejne og restaurering af bibliotekssamlinger . - Ripol Classic, 2013. - S. 13-21.
  14. ↑ Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Mikroorganismer i hjemme- og indendørs arbejdsmiljøer: mangfoldighed, sundhedspåvirkninger, undersøgelse og  kontrol . — 2. udg. - CRC Press , 2016. - S. 77.

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Tematiske steder
Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 plantecelle
Organeller plantecelle
cellevæg
Stoffer
strukturer
Plantecelledeling
_
Særlige stadier
strukturer