Celulóza

Celulóza


Všeobecné
Chem. vzorec ( C 6H 10O 5 ) n _
Fyzikální vlastnosti
Stát bílý prášek
Molární hmotnost 162,1406 hmotnost monomeru glukózy g/ mol
Hustota ~1,5 g/cm³
Tepelné vlastnosti
Teplota
 •  tání 467 °C
 • rozklad 260±1 a 270±1 °C
Tlak páry 0 ± 1 mmHg [jeden]
Klasifikace
Reg. Číslo CAS 9004-34-6
Reg. číslo EINECS 232-674-9
Codex Alimentarius E460
RTECS FJ5691460
CHEBI 18246
Bezpečnost
NFPA 704 NFPA 704 čtyřbarevný diamant jeden jeden 0
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak.
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Celulóza , vláknina ( fr.  celulóza z lat.  cellula  - "buňka") - organická sloučenina , sacharid , polysacharid se vzorcem (C 6 H 10 O 5 ) n . Molekuly  jsou nerozvětvené řetězce β - glukózových zbytků spojené β-(1→4) glykosidickými vazbami . Bílá pevná látka, nerozpustná ve vodě. Hlavní složka buněčných membrán všech vyšších rostlin .

Historie

Celulózu objevil a popsal francouzský chemik Anselme Payen v roce 1838. [2]

Budova

Celulóza je lineární homopolymer stovek nebo desítek tisíc zbytků D-glukózy . Spojení glukózových fragmentů zajišťuje β (1→4) - glykosidická vazba . Takové spojení monomerních jednotek odlišuje celulózu od α (1 → 4)-glykosidických vazeb charakteristických pro jiné homopolymery glukózy: škrob a glykogen . Na rozdíl od škrobové amylózy , jejíž molekuly jsou stočeny, má makromolekula celulózy tendenci zaujmout protáhlou tyčinkovou konformaci.

Fyzikální vlastnosti

Celulóza je bílá pevná, stabilní látka, která se při zahřívání (do 200 °C) nerozkládá. Jde o hořlavou látku, teplota rozkladu je 275 °C [3] , teplota samovznícení je 420 °C (bavlněná celulóza). V roce 2016 bylo experimentálně prokázáno tání celulózy při 467 °C [4] .

Nerozpustný ve vodě, slabých kyselinách a většině organických rozpouštědel. Vzhledem k velkému počtu hydroxylových skupin je však hydrofilní ( kontaktní úhel je 20-30 stupňů) [5] .

Celulóza nemá chuť ani vůni. Registrováno jako potravinářská přísada E460.

Celulóza prochází biodegradací za účasti mnoha mikroorganismů .

Chemické vlastnosti

Celulóza se skládá ze zbytků molekul glukózy , která se tvoří během hydrolýzy celulózy:

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

Kyselina sírová s jódem díky hydrolýze barví celulózu modře.

Při reakci s kyselinou dusičnou vzniká nitrocelulóza ( trinitrát celulózy ):

Esterifikací celulózy kyselinou octovou vzniká triacetát celulózy :

Celulóza se extrémně obtížně rozpouští a podléhá dalším chemickým přeměnám, nicméně ve vhodném rozpouštědlovém prostředí, například v iontové kapalině , lze takový proces efektivně provést [6] .

Získání

Buničina se získává průmyslovou metodou vařením třísek v celulózkách, které jsou součástí průmyslových komplexů ( kombajnů ). Podle typu použitých činidel se rozlišují tyto způsoby rozvlákňování:

Technická celulóza získaná po vaření obsahuje různé nečistoty: lignin , hemicelulózy . Pokud je celulóza určena k chemickému zpracování (například k výrobě umělých vláken), pak prochází rafinací - úpravou studeným nebo horkým alkalickým roztokem k odstranění hemicelulóz .

Aby se odstranil zbytkový lignin a dužina byla bělejší, bělí se. Chlorové bělení, tradiční pro 20. století, zahrnovalo dvě fáze:

Od 70. let 20. století se do praxe dostalo také ozónové bělení. Počátkem 80. let se objevily informace o vzniku extrémně nebezpečných látek - dioxinů - při procesu bělení chlórem . To vedlo k potřebě nahradit chlor jinými činidly. V současné době se technologie bělení dělí na:

Aplikace

Používá se jako plnivo ve farmaceutických tabletách. Celulóza a její estery se používají k výrobě umělých vláken ( viskóza , acetát , měděno-amoniakové hedvábí , umělá kožešina ). Bavlna , skládající se převážně z celulózy (až 99,5 %), se používá k výrobě tkanin .

Dřevovláknitá hmota se používá k výrobě papíru , plastů , filmových a fotografických filmů , laků , bezdýmného prášku atd. [7]

Být v přírodě

Celulóza je jednou z hlavních složek rostlinných buněčných stěn , ačkoli její obsah v různých buňkách nebo dokonce v částech stejné buněčné stěny se značně liší. Takže například buněčné stěny endospermu obilovin obsahují pouze asi 2 % celulózy, zatímco bavlněná vlákna obklopující semena bavlníku sestávají z více než 90 % celulózy. Buněčné stěny v oblasti špičky protáhlých buněk charakterizovaných polárním růstem ( pylová láčka , kořenový vlásek ) neobsahují prakticky žádnou celulózu a sestávají převážně z pektinů , přičemž bazální části těchto buněk obsahují značné množství celulózy. Navíc se obsah celulózy v buněčné stěně během ontogeneze mění , obvykle sekundární buněčné stěny obsahují více celulózy než primární.

Organizace a funkce v buněčných stěnách

Jednotlivé makromolekuly celulózy obsahují 2 až 25 tisíc zbytků D-glukózy. Celulóza v buněčných stěnách je organizována do mikrofibril, což jsou parakrystalické soubory několika samostatných makromolekul ( asi 36 ve cévnatých rostlinách ) [8] , propojených vodíkovými vazbami a van der Waalsovými silami .

Makromolekuly umístěné ve stejné rovině a propojené vodíkovými vazbami tvoří vrstvu uvnitř mikrofibril. Mezi sebou jsou také listy makromolekul spojeny velkým množstvím vodíkových vazeb. Přestože jsou vodíkové vazby spíše slabé, mají celulózové mikrofibrily díky svému vysokému výskytu vysokou mechanickou pevnost a odolnost vůči působení enzymů .

Jednotlivé makromolekuly v mikrofibrile začínají a končí na různých místech, takže délka mikrofibril přesahuje délku jednotlivých makromolekul celulózy. Je třeba poznamenat, že makromolekuly v mikrofibrilách jsou orientovány stejným způsobem, to znamená, že redukující konce (konce s volnou anomerní OH skupinou na atomu C1 ) jsou umístěny na jedné straně.

Moderní modely organizace celulózových mikrofibril naznačují, že má vysoce organizovanou strukturu v centrální oblasti a uspořádání makromolekul se směrem k periferii stává chaotičtějším. Takže ve středu mikrofibril vyšších rostlin je jádro 24 molekul. Dalších 12 molekul je umístěno podél periferie fibrily. Teoreticky je průměr takové mikrofibrily 3,8 nm, nicméně data rentgenové difrakční analýzy ukazují, že tato hodnota je poněkud menší - 3,3 nm, což odpovídá 24 molekulám. [8] Podle jiných odhadů jsou velikosti fibril mnohem větší: 5–9 nm v průřezu (více než 50 jednotlivých makromolekul). [9]

Mikrofibrily jsou propojeny zesíťujícími glykany ( hemicelulózami ) a v menší míře pektiny . Celulózové mikrofibrily spojené zesíťujícími glykany tvoří trojrozměrnou síť ponořenou do gelovité matrice pektinů a poskytují vysokou pevnost buněčných stěn.

V sekundárních buněčných stěnách mohou být mikrofibrily spojeny do svazků, které se nazývají makrofibrily. Tato organizace dále zvyšuje pevnost buněčné stěny.

Biosyntéza

Tvorbu makromolekul celulózy v buněčných stěnách vyšších rostlin katalyzuje multipodjednotkový komplex membránové celulózy syntázy umístěný na konci prodlužujících se mikrofibril. Kompletní komplex celulózy syntázy se skládá z katalytických, pórových a krystalizačních podjednotek. Katalytická podjednotka celulózové syntázy je kódována multigenní rodinou CesA ( celulózová syntáza A ) , která je členem nadrodiny Csl ( podobné celulózové syntáze ), která také zahrnuje geny CslA , CslF , CslH a CslC odpovědné za syntéza dalších polysacharidů.

Při studiu povrchu plazmalemy rostlinných buněk zmrazováním-štěpením na bázi celulózových mikrofibril lze pozorovat tzv. rozety neboli terminální komplexy o velikosti cca 30 nm sestávající ze 6 podjednotek. Každá taková podjednotka rozety je zase superkomplex tvořený 6 celulózovými syntázami. V důsledku činnosti takové růžice se tedy vytvoří mikrofibrila obsahující na příčném řezu asi 36 makromolekul celulózy. U některých řas jsou superkomplexy syntézy celulózy lineárně organizovány.

Je zajímavé, že glykosylovaný sitosterol hraje roli semene pro zahájení syntézy celulózy . Přímým substrátem pro syntézu celulózy je UDP-glukóza. Sacharózasyntáza spojená s celulózovou syntázou je zodpovědná za tvorbu UDP-glukózy a provádí reakci:

Sacharóza + UDP UDP-glukóza + D-fruktóza

Kromě toho může být UDP-glukóza vytvořena ze směsi hexózafosfátů jako výsledek práce UDP-glukózopyrofosforylázy:

Glukóza-1-fosfát + UTP UDP-glukóza + PP i

Směr syntézy celulózových mikrofibril zajišťuje pohyb komplexů celulózové syntázy po mikrotubulech sousedících s plazmalemou zevnitř. V modelové rostlině Talya 's jetel byl nalezen protein CSI1, který je zodpovědný za fixaci a pohyb komplexů celulózy syntázy podél kortikálních mikrotubulů.

Dělení

Savci ( stejně jako většina ostatních zvířat) nemají enzymy , které by mohly rozkládat celulózu. Nicméně mnoho býložravců (jako jsou přežvýkavci ) má ve svém trávicím traktu symbiontní bakterie, které se rozkládají a pomáhají jejich hostitelům absorbovat tento polysacharid. Rozklad celulózy je spojen s působením enzymu celulázy v degradujících organismech . Bakterie, které rozkládají celulózu, nazývané celulolytické bakterie , jsou často aktinobakterie rodu Cellulomonas , což jsou fakultativní anaeroby [10] [11] , aerobní bakterie rodu Cellvibrio [  12] . Například pro papírové knihy jsou však nebezpečné pouze při navlhnutí, kdy kůži a lepidlo začnou ničit hnilobné bakterie a papír a tkaniny - ničením celulózy [13] . Pro papírové knihy jsou velmi nebezpečné plísně , které ničí celulózu . Za tři měsíce dokážou zničit 10-60 % papírových vláken, příznivé podmínky pro jejich vývoj jsou vlhko a vzduch s vysokou vlhkostí , nejpříznivější teplota je od +22 do +27 stupňů Celsia, mohou se šířit z jimi zasažených knih ostatním [13] . Plísně , které aktivně rozkládají celulózu, jsou např. Chaetomium globosum , Stachybotrys echinata [14] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
  2. ↑ Nikitin N.I. Chemie dřeva a buničiny . - M . : Nauka (nakladatelství) , 1962. - S. 427. - 713 s.
  3. ↑ Gagić T. , Perva-Uzunalić A. , Knez Ž. , Škerget M. Hydrothermal Degradation of Cellulose at Temperature from 200 to 300 °C  (anglicky)  // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2018. - Sv. 57 , č. 18 . - S. 6576-6584 . — ISSN 0888-5885 . - doi : 10.1021/acs.iecr.8b00332 .
  4. ↑ Dauenhauer P., Krumm C., Pfaendtner J. Milisekundové pulzní filmy Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation  //  Chemistry of Materials. - 2016. - Sv. 28 , č. 1 . — P. 0001 . - doi : 10.1021/acs.chemmater.6b00580 .
  5. ↑ Bishop CA Vakuové nanášení na sítě, filmy a  fólie . - 2007. - S. 165. - ISBN 0-8155-1535-9 .
  6. ↑ Ignatyev I. et al. Syntéza glukózových esterů z celulózy v iontových kapalinách  (anglicky)  // Holzforschung. - 2011. - Sv. 66 , č. 4 . - str. 417-425 . - doi : 10.1515/hf.2011.161 .
  7. ↑ Glinka N. L. Obecná chemie. - 22 ed., Rev. - Leningrad: Chemie, 1977. - 719 s.
  8. ↑ 1 2 Biochemie & molekulární biologie rostlin . - Druhé vydání. — Chichester, Západní Sussex. — xv, 1264 stran str. — ISBN 9780470714225 .
  9. ↑ Nobel, Park S. Fyzikálně chemická a environmentální fyziologie rostlin . — 4. vyd. - Amsterdam: Academic Press, 2009. - 1 online zdroj (xxi, 582 stran) str. — ISBN 9780123741431 .
  10. ↑ Melissa R. Christopherson a kol. Genomové sekvence Cellulomonas fimi a „Cellvibrio gilvus“ odhalují celulolytické strategie dvou fakultativních anaerobů, přenos „Cellvibrio gilvus“ do rodu Cellulomonas a návrh Cellulomonas gilvus sp. nov  (angl.)  : journal. - 2013. - doi : 10.1371/journal.pone.0053954 .
  11. ↑ Muhammad Irfan a kol. Izolace a screening celulolytických bakterií z půdy a optimalizace produkce a aktivity celulázy  (anglicky)  // Turkish Journal of Biochemistry : journal. - 2012. - Sv. 37 , č. 3 . - str. 287-293 . - doi : 10.5505/tjb.2012.09709 .
  12. ↑ Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Část B: The Gammaproteobacteria // Bergey's Manual of Systematic Bacteriology  (bulharština) . - Springer Science & Business Media , 2007. - V. 2. The Proteobacteria. - S. 402-403.
  13. ↑ 1 2 I. K. Belaya. Hygiena a restaurování knihovních fondů . - Ripol Classic, 2013. - S. 13-21.
  14. ↑ Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Mikroorganismy v domácím a vnitřním pracovním prostředí: rozmanitost, dopady na zdraví, vyšetřování a  kontrola . — 2. vyd. - CRC Press , 2016. - S. 77.

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Tematické stránky
Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 rostlinná buňka
Organely rostlinná buňka
buněčná stěna
Látky
struktur
Dělení
rostlinných buněk
Rychlostní zkoušky
struktur