Физические и химические свойства целлюлозы

Сферы применения

Медицинская вата является лучшим наглядным примером использования целлюлозы. Её получают из хлопка, который прошёл несколько этапов тщательной очистки. Вторым не менее востребованным товаром из (C6H10O5)n является бумага. Для её серийного производства используется тонкий слой волокон целлюлозы, которые тщательно спрессованы и склеены между собой.

Из целлюлозы на серийном уровне производят вискозное полотно, которое благодаря современным технологиям превращают в стильную и прочную одежду, различные драпировки, качественную мебельную обивку. Вискоза пользуется спросом в сфере изготовления автомобильных шин, технических ремней, фильтров.

(C6H10O5)n применяют для производства целлофана, который пользуется спросом в различных отраслях. Тщательно очищенная целлюлоза входит в состав таблеток, действие которых направлено на борьбу с лишним весом. После попадания в желудок этот препарат создаёт ощущение ложной сытости. За счёт этого общее количество потребляемой за день пищи существенно сокращается. Целлюлоза получила большой спрос в следующих отраслях:

1. Производство ацетатного шёлка, оргстекла, искусственного волокна, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
2. Изготовление высококачественных канатов, нитей, картона.
3. Получение коллодия (например, плотной плёнки для медицинских нужд), целлулоида (изготовление различных игрушек, киноленты), диацетилцеллюлозы.
4. Серийное производство глюкозы, этилового спирта.

Целлюлоза необходима для производства различных искусственных волокон, пластмасс, лакокрасочных материалов и взрывчатки. (C6H10O5)n используется в сфере получения больших объёмов спирта и твёрдого ракетного топлива. Этот растительный полимер при правильном применении абсолютно безопасен для человека и окружающей среды.

Процесс получения целлюлозы

От хлопкового семени отделяют длинные волокна, из которых затем изготавливают хлопчатобумажные ткани. Оставшиеся короткие волокна – хлопковый пух, нагревают, промывают, отбеливают, высушивают и получают 99% чистую целлюлозу.

Из древесины хвойных деревьев изготавливают 97% целлюлозу. Ее варят, добавляют диоксид серы и бисульфит кальция, промывают, отбеливают и получается рыхлая бумага. Из нее делают вискозное волокно и целлофан.

Для чего нужна целлюлоза?

Целлюлоза используется во многих отраслях промышленности. Из хлопка шьют одежду. Получают взрывчатое вещество пироксилин путем проведения химической реакции с азотной и серной кислотой. Целлюлозу также используют в питании – она присутствует в сельдерее, салатах, отрубях. Из целлюлозы изготавливают бумагу. Кроме того, из целлюлозы делают добавку к лакам, пластические материалы.

Целлюлозное волокно имеет универсальные свойства и его используют в качестве наполнителя, загустителя, стабилизатора, как абразивный материал, абсорбер.

Вторичное целлюлозное волокно

Целлюлозные волокна подразделяются на первичные и вторичные. Первичные целлюлозные волокна получают из древесины. Из них производят различные сорта бумаги, картона. Использованную бумагу применяют в качестве сырья для производства вторичного целлюлозного волокна (макулатурного). Его получают путем сухого роспуска различных сортов макулатуры. Вторичные целлюлозные волокна имеют такие же свойства, как и первичные. Они не растворяются в воде, щелочах и кислотах. Хорошо впитывают и удерживают влагу, устойчивы к высоким температурам до 220°C, не токсичны.

Макулатурные волокна можно использовать в качестве водоудерживающей добавки, загустителя, абсорбента и наполнителя во многих отраслях и производствах:

• В дорожном строительстве для производства стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетонного покрытия• В изготовлении строительных смесей целлюлозное волокно используется в качестве дисперсноармирующей добавки• Для изготовления фрикционных накладок в автомобилестроении• Для производства туалетной бумаги, картона, бумажной посуды, тары и упаковки, бугорчатых прокладок для яиц• Из макулатурного волокна изготавливают целлюлозный утеплитель – эковата• Получаемый из вторичного волокна сорбент нефтепродуктов превышает в несколько раз возможности других сорбентов, к тому же он безвреден для окружающей среды• Для изготовления целлюлозной мульчи для гидропосева – экологически чистого укрывного материала для почвы и растений.

Сравнение свойств целлюлозных волокон и эфиров целлюлозы

 

	Целлюлозные волокна	Эфиры целлюлозы
Растворимость в воде	Нет	Да
Клейкость	Нет	Да
Водосвязующая способность	Имеется	Ярко выражена
Повышение вязкости	Да, но меньше чем при использовании эфиров целлюлозы	Да

Строение, нахождение в природе, формула

Состав вещества, как и крахмала, можно записать в виде формулы:

Молекулы целлюлозы являются неразветвленными цепочками из остатков -глюкозы. Соединение звеньев глюкозы обеспечивается гликозидной связью. Данное соединение мономерных звеньев служит отличием целлюлозы от других гомополимеров глюкозы, например, крахмала и гликогена, в которых соединение глюкозных звеньев происходит за счет гликозидных связей.

Крахмал и целлюлоза различаются по строению и свойствам. Амилоза крахмала (линейная составляющая крахмала) характеризуется молекулами, сворачивающимися в спираль. Макромолекула целлюлозы принимает вытянутую стержневую конформацию.

Молекулярная масса целлюлозы может варьироваться в пределах от 400 тысяч до 2 миллионов. Звенья -глюкозы придают цепным молекулам выпрямленную форму с помощью внутри- и меж-молекулярных водородных связей. По этой причине соединение обладает волокнистой структурой. Характеристикой целлюлозы, обусловленной наличием прочных межмолекулярных водородных связей, также является плохая растворимость в воде. 

Молекулы целлюлозы характеризуются линейной (неразветвленной) структурой, что отличает их от молекул крахмала, в особенности от его разветвленной части — амилопектина. В связи с этим, целлюлоза достаточно легко образует волокна.

Целлюлоза в большой концентрации входит в компонентный состав следующих объектов:

• древесина (40-60%);
• волокна льна (60-85%);
• волокна хлопка (95-98%);
• вата и фильтрованная бумага — до 90%.

Целлюлоза является ключевым компонентом оболочки клеток растительных организмов. Вещество формируется в растениях, как результат процесса фотосинтеза. Древесина содержит около 50% целлюлозы, а волокна хлопка, льна, конопли являются практически чистой целлюлозой.

Хитин, который считают аналогом целлюлозы, представляет собой основной компонент внешнего скелета членистоногих и других беспозвоночных. Данное вещество включено в компонентный состав клеточных стенок грибов и бактерий.

Области применения целлюлозы

Люди применяют целлюлозу уже долгое время. В первую очередь древесный материал шел как топливо и доски для строительства. Потом хлопок, лен и волокна конопли применяли для изготовления различных тканей. Впервые в промышленности химическую обработку древесного материала стали практиковать из-за развития производства бумажных изделий.

В настоящее время целлюлозу используют в различных промышленных областях. И именно для промышленные нужд получают ее в основном из древесного сырья. Целлюлозу применяют в производстве целлюлозно-бумажных изделий, в производстве различных тканей, в медицине, при производстве лаков, при изготовлении органического стекла и в иных областях промышленности.

Рассмотрим ее применение подробнее

Из целлюлозы и ее эфиров получают ацетатный шелк, изготавливают ненатуральные волокна, пленку из ацетилцеллюлозы, которая не горит. Изготавливают порох без дыма из пироксилина. Из целлюлозы делают плотную медицинскую пленку (коллодий) и целлюлоид (пластмассу) для игрушек, кинопленки и фотопленки. Делают нитки, канаты, вату, различные виды картона, строительный материал для судостроения и постройки домов. А еще получают глюкозу (для медицинских целей) и этиловый спорт. Целлюлозу применяют и в качестве сырья, и в качестве вещества для переработки химическим путем.

Много глюкозы нужно для изготовления бумаги. Бумага представляет собой тоненький волокнистый слой целлюлозы, которая была проклеена и спрессована на особом оборудовании, чтобы получить тонкую плотную гладкую поверхность бумажного изделия (чернила не должны растекаться по ней). Сначала для создания бумаги применялся только то материал растительного происхождения, из него нужные волокна выделяли механическим способом (рисовые стебли, хлопок, ветошь).

Но книгопечатание развивалось очень быстрыми темпами, стали выпускаться еще и газеты, поэтому произведенной таким способом бумаги стало недостаточно. Люди выяснили, что в древесине много клетчатки, поэтому к растительной массе, из которой делали бумагу, начали добавлять перемолотое древесное сырье. Но эта бумага была быстро рвущейся и желтеющей за очень короткое время, особенно при длительном нахождении на свету.

Поэтому стали разрабатываться разные методы обработки древесного материала химическими веществами, которые позволяют выделить из него очищенную от различных примесей целлюлозу.

Для получения целлюлозы щепу варят в растворе реагентов (кислоты либо щелочи) в течение длительного времени, потом очищают полученную жидкость. Так производится чистая целлюлоза.

К кислотным реагентам относится сернистая кислота, ее применяют для производства целлюлозы из древесины с малым количеством смолы.

К щелочным реагентам относятся:

1. натронные реагенты обеспечивают получение целлюлозы из лиственных пород и однолетников (такая целлюлоза стоит довольно дорого);
2. сульфатные реагенты, из которых наиболее распространен сульфат натрия (основа для производства белого щелока, а уже он применяется в качестве реагента для изготовления целлюлозы из любых растений).

После всех производственных этапов бумага идет на изготовление упаковочной, книжной и канцелярской продукции.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что целлюлоза (клетчатка) имеют важное очищающее и оздоровительное значение для кишечника человека, а также используется во многих областях промышленности

Применение целлюлозы

Человек применяет целлюлозу с давних времен. На данный момент популярностью пользуются сложные эфиры, полученные путем этерификации.

Например, ацетатный шелк, негорючую пленку и органическое стекло производят из ацетилцеллюлозы. При производстве шелка ацетилцеллюлозу помещают в дихлорметан и этанол. Получившуюся смесь пропускают через колпачки с большим количеством отверстий. Порции раствора прогревают через нагретый воздух. Растворитель растворяется и триацетилцеллюлоза образует тонкие нити.

Тринитроцеллюлоза применяется как взрывчатка и как сырье для производства бездымного пороха. Ее растворяют в этилацетате или ацетоне. Полученную смесь измельчают и получают бездымный порох.

Динитроцеллюлозу применяют при производстве коллодия. Для получения коллодия динитроцеллюлозу растворяют в спирте и эфире. После испарения растворителей образуется толстая пленка – коллодий, который применяется в медицине. Динитроцеллюлоза также идет на производство целлулоида, который синтезируют путем ее сплавления с камфорой.

Целлюлоза – это природный полимер глюкозы (а именно, остатки бетта-глюкозы) растительного происхождения с линейным строением молекул. По-другому целлюлоза еще называется клетчаткой. В данном полимере больше пятидесяти процентов углерода, который содержится в растениях. Целлюлоза занимает первое место среди соединений органического происхождения на нашей планете.

Чистая целлюлоза – это хлопчатобумажные волокна (до девяносто восьми процентов) либо льняные волокна (до восьмидесяти пяти процентов). До пятидесяти процентов целлюлозы содержит древесина, тридцать процентов целлюлозы в соломе. Много ее и в конопле.

Целлюлоза имеет белый цвет. Серная кислота окрашивает ее в синий оттенок, а йод – в коричневый. Целлюлоза твердая и волокнистая, без вкуса и запаха, не разрушается при температуре двести градусов Цельсия, но воспламеняется при температуре двести семьдесят пять градусов Цельсия (то есть является горючим веществом), а при нагревании до трехсот шестидесяти градусов Цельсия обугливается. Ее нельзя растворить в воде, но можно растворить в растворе аммиака с гидроксидом меди. Клетчатка является очень прочным и эластичным материалом.

Химические свойства целлюлозы

1. Гидролиз

Так же, как и крахмал, целлюлоза подвергается гидролизу. Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является глюкоза:

2. Образование ацетатов целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы содержат гидроксильные группы, поэтому целлюлоза проявляет свойства, характерные для спиртов. Например, целлюлоза образует сложные эфиры при взаимодействии с уксусной кислотой (уравнение реакции приведено для одного структурного звена макромолекулы целлюлозы):

Эфиры целлюлозы с уксусной кислотой называются ацетатами целлюлозы. Если в реакцию вступают все гидроксильные группы молекулы целлюлозы, образуется триацетат целлюлозы. Из схемы видно, что в макромолекулах триацетата целлюлозы отсутствуют гидроксильные группы. Следовательно, между этими молекулами нет водородных связей, поэтому макромолекулы триацетата целлюлозы не так прочно связаны друг с другом, как молекулы целлюлозы. Это приводит к тому, что, в отличие от целлюлозы, её ацетаты растворяются в некоторых органических растворителях. Это используется при получении искусственных волокон.

Как мы уже говорили, в древесине макромолекулы целлюлозы расположены менее упорядоченно, чем в волокнах хлопка и льна (рис. 44.2). Следовательно, для получения волокон из целлюлозы, выделенной из древесины, необходимо расположить макромолекулы целлюлозы вдоль одного направления — вдоль оси волокна. Для этого следует придать молекулам целлюлозы подвижность, например, путём перевода их в раствор. Поскольку сама целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях, для перевода её в растворимое состояние из целлюлозы получают ацетаты целлюлозы. Ацетаты целлюлозы растворяют в органических растворителях. При этом образуется вязкий раствор. Затем этот раствор продавливают через узкие отверстия. При этом макромолекулы выстраиваются  вдоль одного направления (рис. 44.3).

Ацетатное волокно состоит из модифицированных молекул природного полимера — целлюлозы. Такие волокна называются искусственными волокнами. Их следует отличать от синтетических волокон, макромолекулы которых получены синтетическим путём по реакции поликонденсации. Примером синтетических волокон является полиэфирное волокно лавсан (§ 38).

Использование целлюлозы в пищевой промышленности

На предприятиях пищевой промышленности целлюлоза очень часто используется в производственных процессах. Для чего она применяется? Это популярный загуститель и стабилизатор, также известный как E460. Добавку можно найти во многих продуктах, которые мы используем каждый день. Среди них, например: блюда быстрого приготовления, пшеничные булки, джемы, кремы, соусы и т.д.

Целлюлоза также содержится в диетических продуктах питания и в специализированных пищевых добавках, например, в коктейлях для похудения, йогуртах, коктейлях, супах. Целлюлозные оболочки используются для производства вареных или копченых колбас и вяленых изделий.

Получение и применение целлюлозы

В промышленности целлюлозу получают в процессе варки щепы на специальном оборудовании, установленном на целлюлозных заводах. Предприятия входят в промышленные комплексы, называемые комбинатами. В зависимости от вида используемых реагентов, различают такие способы варки целлюлозы, как:

• кислые;
• щелочные.

Среди перечисленных методик выделяют следующие технологии производства целлюлозы:

1. Сульфитный способ, относится к кислому. В варочном растворе содержатся сернистая кислота с такими солями, как гидросульфит натрия. Данный метод используют, когда требуется получить целлюлозу из древесного сырья малосмолистых пород, к примеру, ели, пихты.
2. Натронный способ, относится к щелочному. В процессе используют раствор гидроксида натрия. Натронным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Достоинством рассматриваемого способа является отсутствие неприятного запаха соединений серы, а к недостаткам можно отнести высокую стоимость конечного продукта производства. Технология почти не применяется в современной промышленности.
3. Сульфатный способ, относится к щелочному. Данная технология в наши дни получила широкое распространение в промышленной сфере. Роль реагента в химической реакции играет раствор, который содержит гидроксид и сульфид натрия. Смесь называют белым щелоком. Название технологии произошло от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах синтезируют сульфид для белого щелока. Данный способ целесообразно применять, чтобы синтезировать целлюлозу из любого вида растительного сырья. Минусом технологии является высвобождение в процессе реакции большого объема сернистых соединений с неприятным запахом в виде метилмеркаптана, диметилсульфида и других.

Техническая целлюлоза, которая произведена путем варки, включает в состав разнообразные примеси. К примеру, под данное описание попадают следующие вещества:

• лигнин;
• гемицеллюлозы.

В том случае, когда целлюлозу планируется использовать в процессе химической переработки, в том числе, для производства искусственных волокон, полученный материал подвергают облагораживанию. Целлюлозу обрабатывают с помощью холодного или нагретого раствора щелочи с целью удаления гемицеллюлоз.

Устранить остаточный лигнин и придать целлюлозе особенность в виде белой окраски можно путем отбеливания полученного материала. Традиционная для ХХ столетия технология хлорной отбелки состояла из нескольких этапов:

• обработка хлором, чтобы разрушить макромолекулы лигнина;
• обработка щелочью с целью экстракции полученных продуктов разрушения лигнина.

Целлюлозу используют для изготовления следующих видов продукции:

• бумага;
• картон;
• искусственные волокна;
• лакокрасочные материалы;
• бездымный порох;
• взрывчатые вещества;
• твердое ракетное топливо;
• гидролизный спирт.

Из целлюлозы изготавливают нити и канаты. Применение целлюлозы также связано с получением глюкозы и этилового спирта, используемого в области производства каучука. Ацетилцеллюлозу применяют в процессе получения ацетатного шелка (в виде искусственных волокон), оргстекла, негорючей пленки. Из динитроцеллюлозы производят коллодий (плотную пленку для медицинской отрасли) и целлулоид (изготовление киноленты, игрушек).

Химические свойства

Благодаря наличию трёх гидроксильных групп в одном сахариде клетчатка проявляет свойства многоатомных спиртов и способна вступать в реакции этерификации с образованием сложных эфиров. При разложении без доступа кислорода разлагается на древесный уголь, воду и летучие органические вещества.

Основные химические свойства клетчатки представлены в таблице.

Реакция

Описание

Уравнение

Протекает при нагревании в кислой среде с образованием глюкозы

С уксусным ангидридом

Образование триацетилцеллюлозы в присутствии серной и уксусной кислот

С концентрированной азотной кислотой реагирует при обычной температуре. Образуется сложный эфир – тринитрат целлюлозы или пироксилин, используемый для изготовления бездымного пороха

Происходит полное окисление до углекислого газа и воды

Рис. 3. Пироксилин.

Целлюлозу главным образом используют для изготовления бумаги, а также для производства сложных эфиров, спиртов, глюкозы.

Физические и химические свойства целлюлозы

Физические свойства целлюлозы:

• целлюлоза представляет собой стойкое твердое вещество белой окраски;
• соединение не разрушается в процессе нагрева до 200 °C;
• вещество является горючим, температура воспламенения составляет 275 °C;
• температура самовоспламенения 420 °C (в случае хлопковой целлюлозы);
• высокая механическая прочность;
• плохая растворимость в воде;
• целлюлоза не обладает вкусом и запахом;
• молярная масса мономерного звена 162,1406 г/моль.

Целлюлоза не является пищей для человека, что отличает ее от крахмала. Это связано с отсутствием способности расщепляться в организме при воздействии ферментов. Соединение не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве растворителей органического происхождения. По причине большого количества гидроксильных групп вещество является гидрофильным с краевым углом смачивания от 20 до 30 градусов.

Целлюлоза зарегистрирована в качестве пищевой добавки Е460. Соединение подвержено биодеградации, которая протекает при участии многих микроорганизмов. Вещество характеризуется хорошей растворимостью в аммиачном растворе гидроксида меди (II) (реактив Швейцера). Из данного раствора происходит осаждение целлюлозы в виде волокон (гидратцеллюлоза).

Гидролиз целлюлозы по-другому называют осахариванием. Рассматриваемая химическая реакция является важным свойством целлюлозы, благодаря ей из древесных опилок и стружек получают глюкозу. Путем сбраживания конечного продукта этой химической реакции получают этиловый спирт. Этиловый спирт, синтезированный из древесины, носит название гидролизного.

Полностью этерифицированная целлюлоза называется тринитратом целлюлозы (пироксилином). Данное соединение представляет собой взрывчатое вещество, которое служит основой для изготовления бездымного пороха. Изменяя условия нитрования, получают динитрат целлюлозы, называемый в технике коллоксилином. Динитрат целлюлозы необходим для производства пороха и твердого ракетного топлива. Коллоксилин является основой для изготовления целлулоида.

На основе триацетата целлюлозы производят лаки, кинопленку и ацетатное волокно.

Горение — полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды:

Термическое разложение целлюлозы в условиях отсутствия воздуха:

Производные целлюлозы (нитроцеллюлоза, ацетат целлюлозы)

Наиболее ценными производными целлюлозы являются искусственные полимеры:

1. Метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) с общей формулой
2. Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) в виде сложного эфира целлюлозы и уксусной кислоты:
3. Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) имеет формулу сложного азотнокислого эфира целлюлозы:

Вискозное волокно, целлофан является полимерным материалом, состоящим из почти чистой целлюлозы. Данные соединения получают из исходного целлюлозного сырья с помощью химической модификации. На первом этапе целлюлозе придают растворимую форму. Далее ее в процессе формования осаждают из раствора, что приводит к образованию целлюлозы.

Физические характеристики

(C6H10O5)n является твёрдым волокнистым веществом, которое в больших масштабах используется для серийного производства различных товаров. Этот природный полимер хорошо растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (реактив Швейцера). Именно из этой жидкости осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлозу).

В отличие от крахмала целлюлоза не может использоваться человеком в качестве пищи. (C6H10O5)n не расщепляется в организме под действием ферментов. Плавиться целлюлоза начинает при температуре +467 °C. Разложение (C6H10O5)n происходит при +210 °C. Показатель удельной теплоты сгорания составляет 16.40 МДж/кг. Молярная (молекулярная) масса мономера звена целлюлозы находится в пределах 162.1406 г/моль.

Другие сферы применения целлюлозы

Целлюлоза имеет множество применений. Она используется текстильщиками и компаниями, занимающиеся производством различных видов вискозы (в том числе: медного, ацетатного, вискозного шелка), а также хлопковых и шерстяных волокон.

Сложные эфиры целлюлозы и азотной кислоты также используются для изготовления нитроцеллюлозы. Это сырье широко используется в оборонном производстве для изготовления пороха.

В последние десятилетия предприятия, связанные с биотопливной промышленностью, также заинтересовались целлюлозой. Производство этанола из целлюлозы, полученной из растительных отходов, древесных отходов и соломы приобрело массовый характер. Это альтернативное топливо, которое может значительно сократить потребление невозобновляемых ископаемых видов топлива.

Celuloza (целлюлоза), статья в: Энциклопедия PWN, доступ:

https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/celuloza;3883972.html

Тябах Й., Właściwości i zastosowanie eterów celulozy (Свойства и применение эфиров целлюлозы), в: Ochrona Zabytków 1991, 43/4 (171), 222-224, доступ:

https://bazhum.muzhp.pl/media/files/Ochrona_Zabytkow/Ochrona_Zabytkow-r1990-t43-n4_(171)/Ochrona_Zabytkow-r1990-t43-n4_(171)-s222-224/Ochrona_Zabytkow-r1990-t43-n4_(171)-s222-224.pdf

Шиманьски Л., Грабовска Б., Качмарска K., Курлето Ж., Celuloza i jej pochodne – zastosowanie w przemyśle, Archives of Foundry Engineering (Целлюлоза и ее производные – применение в промышленности, Архивы литейного производства), Том 15, 4/2015, доступ:

https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-b24a1675-2d43-43e1-b517-4c077371bc6b/c/27_szymanski_grabowska_celuloza_4s_2015.pdf.

Структура, свойства, функции полисахаридов (гомо- и гетерополисахариды).

ПОЛИСАХАРИДЫ – это высокомолекулярные вещества (полимеры), состоящие из большого количества моносахаридов. По составу их делят на гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды – полимеры, состоящие из моносахаридов одного вида. Например, гликоген, крахмал построены только из молекул α-глюкозы (α-D-глюкопиранозы), мономером клетчатки (целлюлозы) так же является β-глюкоза.

Крахмал. Это резервный полисахарид растений. Мономером крахмала является α-глюкоза. Остатки глюкозы в молекуле крахмала на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными, а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями.

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы (10-30%) и разветвленного – амилопектина (70-90%).

Гликоген. Это основной резервный полисахарид тканей человека и животных. Молекула гликогена имеет примерно в 2 раза более разветвленное строение, чем амилопектин крахмала. Мономером гликогена является α-глюкоза. В молекуле гликогена остатки глюкозы на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными, а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями.

Клетчатка. Это наиболее распространенный структурный растительный гомополисахарид. В линейной молекуле клетчатки мономеры β-глюкозы соединены между собой β-1,4-гликозидными связями. Клетчатка не усваивается в организме человека, но, ввиду своей жесткости, раздражает слизистую желудочно-кишечного тракта, тем самым, усиливает перистальтику и стимулирует выделение пищеварительных соков, способствует формированию каловых масс.

Пектиновые вещества— полисахариды, мономером которых является D-галактуроновая кислота, остатки которой соединены α-1,4-гликозидными связями. Содержатся в плодах и овощах и для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности (желе, мармелад).

Гетерополисахариды (мукополисахариды, гликозаминогликаны)– полимеры, состоящие из моносахаридов различного вида. По строениюони представляют

неразветвленные цепи построены из повторяющихся дисахаридных остатков, в состав которых обязательно входят аминосахара (глюкозамин, или галактозамин) и гексуроновые кислоты (глюкуроновая, или идуроновая).

Разрушение в природе

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерии-симбионты, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид. Расщепление целлюлозы связано с действием в расщепляющих организмах фермента целлюлазы. Бактерии, расщепляющие целлюлозу, называемые целлюлозоразрушающими (англ. cellulolytic bacteria), это часто актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами, аэробные бактерии рода Cellvibrio. Однако, например, для бумажных книг они представляют опасность только при их намокании, когда кожа и клей начинают разрушаться гнилостными бактериями, а бумага и ткани — целлюлозоразрушающими. Очень опасны для бумажных книг плесневые грибы, разрушающие целлюлозу. За три месяца они могут разрушить 10—60 % волокон бумаги, благоприятные условия для их развития — влага и воздух повышенной влажности, наиболее благоприятная температура — от 22 до 27 градусов Цельсия, они могут распространяться от поражённых ими книг на другие. Активно расщепляющие целлюлозу плесневые грибы — это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata.

Применение целлюлозы

Волокна льна и хлопка, в основном состоящие из целлюлозы, используют для изготовления нитей и тканей.

Сложные эфиры целлюлозы с уксусной кислотой используют для получения искусственного ацетатного волокна (ацетатного шёлка).

Целлюлоза, выделенная из древесины, используется для изготовления бумаги. Для получения бумаги измельченную древесину варят в присутствии кислотных или щелочных реагентов. Получаемую после варки техническую целлюлозу очищают и отбеливают. До начала XIX века листы бумаги изготавливали вручную путём вычерпывания бумажной массы формой с сетчатым дном и сушкой отдельных листов, но в конце XVIII — начале XIX века появились бумагоделательные машины, которые формировали бумагу на непрерывно  движущейся  конвейерной  сетке  и  наматывали  её в огромные рулоны.

Бумага из чистой целлюлозы слишком пористая, чернила и краски на ней расплываются. Таким материалом является фильтровальная бумага, имеющаяся в кабинете химии. При получении высококачественной бумаги для письма и копировальной техники в бумажную массу вводят специальные добавки (мел и другие наполнители, отбеливатели, клей). Поверхность бумаги для копировальной техники подвергают специальной обработке во избежание накапливания на ней статического электричества. Поэтому неудивительно, что некоторые сорта бумаги стоят довольно дорого.

В организме человека нет ферментов, способных расщеплять связи между остатками β-глюкозы. Поэтому, в отличие от крахмала, целлюлоза не может быть питательным веществом для человека. Однако жвачные животные содержат в желудке микроорганизмы, способные расщеплять молекулы целлюлозы, поэтому для жвачных животных целлюлоза является источником энергии.

Значение целлюлозы для живых организмов

Целлюлоза относится к полисахаридным углеводам.

В живом организме функции углеводов следующие:

1. Функция структуры и опоры, так как углеводы принимают участие в построении опорных структур, а целлюлоза представляет собой главный компонент структуры стенок растительных клеток.
2. Защитная функция, характерная для растений (колючки либо шипы). Такие образования на растениях состоят из стенок омертвевших растительных клеток.
3. Пластическая функция (другое название анаболическая функция), так как углеводы являются компонентами сложных молекулярных структур.
4. Функция обеспечения энергией, так как углеводы являются энергетическим источником для живых организмов.
5. Запасающая функция, так как живые организмы запасают в своих тканях углеводы в качестве питательных веществ.
6. Осмотическая функция, так как углеводы принимают участие в регулировании осмотического давления внутри живого организма (например, кровь содержит от ста миллиграмм до ста десяти миллиграмм глюкозы, а от концентрации этого углевода в крови и зависит кровяное осмотическое давление). Осмосный перенос доставляет питательные элементы в высоких стволах деревьев, так как капиллярный перенос в этом случае неэффективен.
7. Функция рецепторов, так как некоторые углеводы находятся в составе воспринимающей части рецепторов клеток (молекул на клеточной поверхности либо молекул, которые растворены в клеточной цитоплазме). Рецептор особым образом реагирует на соединение с определенной химической молекулой, которая передает внешний сигнал, и передает этот сигнал в саму клетку.

Биологическая роль целлюлозы такова:

1. Клетчатка – это главная структурная часть клеточной оболочки растений. Образуется в результате фотосинтеза. Целлюлоза растений является питанием травоядным животным (к примеру, жвачным), в их организме клетчатка расщепляется при помощи фермента целлюлаза. Он довольно редкий, поэтому в чистом виде целлюлоза в пищу человека не употребляется.
2. Клетчатка в пище дает человеку чувство сытости и улучшает подвижность (перистальтику) его кишечника. Целлюлоза способна связывать жидкость (до ноля целых четырех десятых грамм жидкости на один грамм целлюлозы). В толстом кишечнике его метаболизируют бактерии. Клетчатка приваривается без участия кислорода (в организме есть только один анаэробный процесс). Итогом переваривания становится образование кишечных газов и летающих жирных кислот. Большее количество этих кислот всасывается кровью и применяется как энергия для организма. А то количество кислот, которое не усвоилось, и кишечные газы увеличивают объем кала и ускоряют его попадание в прямую кишку. Также энергия данных кислот применяется для увеличения количества полезной микрофлоры в толстом кишечнике и поддержки ее жизни там. Когда количество пищевых волокон в еде возрастает, то возрастает и объем полезных кишечных бактерий улучшается синтезирование витаминных веществ.
3. Если добавлять в еду от тридцати до сорока пяти грамм отрубей (содержат клетчатку), сделанных из пшеницы, то каловые массы увеличиваются с семидесяти девяти грамм до двухсот двадцати восьми грамм в день, и срок их передвижения сокращается с пятидесяти восьми часов до сорока часов. Когда клетчатка добавляется в еду регулярно, то каловые массы становятся мягче, что помогает выполнять профилактику запора и геморроя.
4. Когда в еде много клетчатки (например отруби), то организм как здорового человека, так и организм больного сахарным диабетом первого типа, становится более устойчив к глюкозе.
5. Клетчатка как щетка убирает со стенок кишечника грязные налипания, впитывает токсичные вещества, забирает холестерин и удаляет все это из организма естественным путем. Доктора пришли к выводу, что люди, которые едят ржаной хлеб и отруби реже страдают раком прямого кишечника.

Больше всего клетчатки содержится в отрубях из пшеницы и ржи, в хлебе из грубо перемолотой муки, в хлебе из белков и отрубей, в сухих фруктах, морковке, крупах, свекле.