Википедија

Celuloza

Celuloza je prirodni makromolekul koji nastaje fotosintezom.[5] Celuloza (lat. cellula: mala ćelija) je u prirodi najrasprostranjenije ugljenikovo jedinjenje na Zemlji. To je Ugljeni hidrat (polisaharid) s velikom relativnom molekularnom masom. Sastoji se od anhidrida glukoze empirijske formule (C6H10O5)n. Celuloza pripada grupi polisaharida koji predstavljaju do 80% suve materije biljnog sveta, a među kojima je celuloza najznačajnija. Potpunom hidrolizom celuloze dobija se D – glukoza. Osnovu celuloze čine u stvari, dva anhidrida D – glukoze, koji su vezani glukozidnom vezom i čine molekul celobioze. Ispitivanjem se došlo do zaključka da je celuloza polisaharid izgrađen od velikog broja molekula D – glukoze, povezanih glukozidnom vezom.

Celuloza[1]
Cellulose, a linear polymer of D-glucose units (two are shown) linked by β(1→4)-glycosidic bonds.
Three-dimensional structure of cellulose
Identifikacija
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.692
EC broj 232-674-9
E-brojevi E460 (zgušnjivači, ...)
UNII
Svojstva
(C
6H
10O
5)
n
Molarna masa 162,1406 g/mol по глукозној јединици
Agregatno stanje beli prah
Gustina 1,5 g/cm3
Tačka topljenja 260—270 °C; 500—518 °F; 533—543 K razlaže se[4]
n/a
Termohemija
−963.000 kJ/mol
−2828.000 kJ/mol
Opasnosti
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondFlammability code 1: Must be pre-heated before ignition can occur. Flash point over 93 °C (200 °F). E.g., canola oilHealth code 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g., turpentineKod reaktivnosti 0: Normalno stabilan, čak i pod stanjem izloženosti vatri; nije reaktivan s vodom (npr. tečni azot)Special hazards (white): no code
1
1
0
Granice izloženosti zdravlja u SAD (NIOSH):
PEL (dozvoljeno)
 TWA 15 mg/m3 (ukupno) TWA 5 mg/m3 (респ)[4]
REL (preporučeno)
 TWA 10 mg/m3 (ukupno) TWA 5 mg/m3 (resp)[4]
IDLH (trenutna opasnost)
 N.D.[4]
Srodna jedinjenja
Srodna jedinjenja
 Skrob
Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje materijala (na 25°C [77°F], 100 kPa).
DaY verifikuj (šta je DaYNeN ?)
Reference infokutije
celuloza polisaharid izgrađen od velikog broja molekula D–glukoze, povezanih glukozidnom vezom.
Udeo celuloze u pamuku je do 98%. Pamučna vlakna predstavljaju najčistiji oblik celuloze u prirodi.
Celulozno vlakno koje prikazuje vodonične veze (isprekidane linije) unutar i između molekula celuloze.

Većinom se nalazi u obliku vlakana, koja su vrlo čvrsta, nerastvorna u vodi, slabim kiselinama i lužinama, te u organskim rastvaračima.[6][7][8] Celuloza nastaje u prirodi fotosintezom i čini gotovo polovinu materije od koje su građene ćelijski zidovi u drveću i jednogodišnjim biljkama. Za proizvodnju papira upotrebljava se takozvana tehnička celuloza, koja osim čiste celuloze sadrži manji ili veći udeo hemiceluloze i lignina, te neznatne količine smole, voskova i mineralnih materija.[9]

Celuloza je najzastupljeniji organski polimer na Zemlji.[10] Udeo celuloze u pamuku je do 98%, u drvu 40 do 50%, u slami oko 30%.[11][12][13] Celuloza je osnovni sastojak mnogih danas nezamenljivih industrijskih proizvoda: papira, kartona, lepenke, vate i celuloznih vlakana za tekstilnu industriju, a široku primenu nalaze i njeni derivati (esteri i eteri) u proizvodnji lakova, eksploziva, lepaka, filmskih traka, celuloida i drugog. Celuloza je polisaharid s bruto jednačinom (C6H10O5)n, pri čemu je n stupanj polimerizacije, koji za pamuk približno iznosi 7 000, a za jelovo drvo 2 500. Lančani molekuli celuloze građeni su od glikozidno povezanih molekula glukoze, a obradom kiselinama celuloza se hidrolitički razgrađuje. Hemijskom reakcijom azotne i sumporne kiseline s celulozom nastaje celulozni nitrat (poznat i pod nazivom nitroceluloza), a delovanjem anhidrida sirćetna kiseline acetilceluloza. Mnoge životinje probavljaju celulozu pomoću enzima celulaze i hemicelulaze. U crevima sisara celuloza se razgrađuje delovanjem enzima bakterijske crevne flore i raznih praživotinja. Preživari i konji probave 30 do 75% celuloze, a mesožderne je životinje uopšte ne mogu probaviti, kao ni čovek, jer nemaju enzime potrebne za njenu razgradnju. Celuloze ima najviše u voću i povrću i vrlo je važan udeo prehrane.[14]

Istorija uredi

Celulozu je 1838. godine otkrio francuski hemičar Anselm Pajen, koji ju je izolovao iz biljne materije i odredio njenu hemijsku formulu.[6][15][16] Kompanija Hyatt Manufacturing je koristila celulozu za proizvodnju prvog uspešnog termoplastičnog polimera, celuloida 1870. godine. Proizvodnja rejona („veštačke svile“) iz celuloze započela je 1890-ih, a celofan je izumljen 1912. Herman Štaudinger je odredio polimernu strukturu celuloze 1920. Jedinjenje su prvi put hemijski sintetisali (bez upotrebe bilo kojih biološki izvedenih enzima) Kobajaši i Šoda 1992. godine.[17]

 
Raspored celuloze i drugih polisaharida u biljnom ćelijskom zidu.

Dobijanje uredi

Celuloza se proizvodi izolacijom (izdvajanjem) iz crnogoričnoga (smreka, jela, bor) i belogoričnog drveta (topola, bukva, breza) i drugih vlaknastih sirovina (pamuk, lan, konoplja, juta, slama) u obliku staničevine, vlaknaste materije koja može sadržati i do 99% celuloze. Obradom mehanički usitnjene i očišćene sirovine hemikalijama na povišenoj temperaturi uklanjaju se lignin, smola i nepoželjni prirodni polisaharidi (hemiceluloza). Način i stupanj uklanjanja primesa određuju udeo celuloze u proizvodu, a zavise od njegove namene i upotrebe. Najviše se primjenjuje sulfatni postupak (dobija se sulfatna celuloza u obliku dugih i čvrstih vlakana), u kojem se celulozna masa nakon iskuvavanja (5 sati na 100 do 180 °C) s natrijum hidroksidom i natrijum sulfidom odvaja od preostaloga luga, čisti, pere i po potrebi izbeljuje. Lug se regenerira isparavanjem, dodavanjem natrijum sulfata radi nadoknade potrošenog natrijuma, spaljivanjem i kaustificiranjem. Sličan je i natronski (sodni) postupak, u kojem je aktivna alkalija natrijum hidroksid, a lug se regeneriše natrijum karbonatom. Zbog manje obojenosti proizvoda pre beljenja, pre se više primenjivao sulfitni postupak, u kojem se za iskuvavanje sirovine upotrebljavala sumporasta kiselina i kalcijum hidrogensulfit. U tom se postupku lug nije regenerisao, a njegovo je sekundarno iskorištavanje bilo ograničeno. Delomična regeneracija luga moguća je upotrebom magnezijum hidrogensulfita, što je u ekološkom smislu mnogo povoljnije.

Proizvodi uredi

Celuloza je osnovni sastojak mnogih danas nezamjenjivih industrijskih proizvoda: papira, maramica (na primer salvete džepne, toaletne, kuhinjske, i tako dalje), kartona, lepenke, vate (najčešće to bude pamučna) i celuloznih vlakana za tekstilnu industriju. Široku primenu nalaze i njeni derivati (esteri i etri) u proizvodnji lakova, eksploziva, lepaka, filmova, celuloida, sintetske vate i tkanine i drugog.

Delovanje kiselina na celulozu uredi

Kratkotrajnim delovanjem sumporne kiseline celuloza prelazi u nabubrenu koloidnu modifikaciju amiloida, koji se upotrebljava za proizvodnju pergamentnoga papira.

Delovanjem (reakcijom) azotne kiseline u smeši sa sumpornim kiselinom, prelazi u nitrocelulozu, sirovinu u proizvodnji bezdimnoga baruta (celuloznog nitrata), celuloida, viskoze i celofan a.

S anhidridom sirćetne kiseline celuloza prelazi u acetate (takozvana acetilceluloza), koja se upotrebljava za proizvodnju plastike i veštačkih vlakana (acetatne svile).

Struktura i svojstva uredi

 
Celuloza pod mikroskopom.

Celuloza nema ukus, niti miris, hidrofilna je sa kontaktnim uglom od 20–30 stepeni,[18] nerastvorljiva je u vodi i većini organskih rastvarača, hiralna je i biorazgradiva. Pokazalo se da se topi na 467 °C u pulsnim testovima koje su napravili Dauenhauer et al. (2016).[19] Ona se može hemijski razložiti na svoje glukozne jedinice tretiranjem koncentrovanim mineralnim kiselinama na visokoj temperaturi.[20]

Celuloza se dobija od jedinica D-glukoze, koji se kondenzuju kroz β(1→4)-glikozidne veze. Ovaj motiv veze je u suprotnosti sa motivom za α(1→4)-glikozidne veze prisutne u skrobu i glikogenu. Celuloza je polimer ravnog lanca. Za razliku od skroba, ne dolazi do namotavanja ili grananja i molekul usvaja produženu i prilično krutu konformaciju nalik štapiću, uz pomoć ekvatorijalne konformacije ostataka glukoze. Višestruke hidroksilne grupe na glukozi iz jednog lanca formiraju vodonične veze sa atomima kiseonika na istom ili na susednom lancu, držeći lance čvrsto zajedno jedan pored drugog i formirajući mikrofibrile visoke zatezne čvrstoće. Ovo daje zateznu čvrstoću u ćelijskim zidovima gde su mikrofibrile celuloze spojene u polisaharidnu matricu. Visoka zatezna čvrstoća stabljika biljaka i stabala takođe proizilazi iz rasporeda celuloznih vlakana koji su intimno raspoređeni u ligninskom matriksu. Mehanička uloga celuloznih vlakana u drvenoj matrici odgovorna za njenu jaku strukturnu otpornost, donekle se može uporediti sa onom koju imaju armaturne šipke u betonu, pri čemu lignin igra ulogu očvrsle cementne paste koja deluje kao „lepak“ između celuloznih vlakna. Mehanička svojstva celuloze u primarnom ćelijskom zidu biljaka su u korelaciji sa rastom i ekspanzijom biljnih ćelija.[21] Tehnike živog fluorescentnog mikroskopa pružaju obećavajuće mogućnosti u istraživanju uloge celuloze u rastućim biljnim ćelijama.[22]

Celuloza u dodiru sa vodom bubri, utoliko više ukoliko je više amorfnih područja u vlaknu. Od količine upijene vode zavise mehaničke osobine celuloze, tj. veće bubrenje smanjuje mehaničku otpornost. Organski rastvarači izazivaju slabije bubrenje od vode.[23]

Polarni rastvarači (hloroform) pokazuju veću moć prodiranja u vlakna celuloze, od nepolarnih rastvarača (ugljen disulfid). Sposobnost upijanja vlakna pojačana je posle tretiranja sa 20% natrijum hidroksida.

Reference uredi

  1. ^ Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri (2002). „Crystal Structure and Hydrogen-Bonding System in Cellulose Iβ from Synchrotron X-ray and Neutron Fiber Diffraction”. J. Am. Chem. Soc. 124 (31): 9074—82. PMID 12149011. doi:10.1021/ja0257319. 
  2. ^ Li Q, Cheng T, Wang Y, Bryant SH (2010). „PubChem as a public resource for drug discovery.”. Drug Discov Today. 15 (23-24): 1052—7. PMID 20970519. doi:10.1016/j.drudis.2010.10.003.  уреди
  3. ^ Evan E. Bolton; Yanli Wang; Paul A. Thiessen; Stephen H. Bryant (2008). „Chapter 12 PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities”. Annual Reports in Computational Chemistry. 4: 217—241. doi:10.1016/S1574-1400(08)00012-1. 
  4. ^ а б в г NIOSH Џепни водич хемијских хазарда. „#0110”. Nacionalni institut za bezbednost i zdravlje na radu (NIOSH). 
  5. ^ David L. Nelson; Michael M. Cox (2005). Principles of Biochemistry (IV изд.). New York: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4339-6. 
  6. ^ а б Crawford, R.L. (1981). Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-05743-7. 
  7. ^ Updegraff D.M. (1969). „Semimicro determination of cellulose in biological materials”. Analytical Biochemistry. 32 (3): 420—424. PMID 5361396. doi:10.1016/S0003-2697(69)80009-6. 
  8. ^ Romeo, Tony (2008). Bacterial biofilms. Berlin: Springer. стр. 258–263. ISBN 978-3-540-75418-3. 
  9. ^ "Tehnička enciklopedija" (Papir), glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
  10. ^ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). „Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material”. Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358—93. PMID 15861454. doi:10.1002/anie.200460587. 
  11. ^ Cellulose. (2008). In Encyclopædia Britannica. Retrieved January 11, 2008, from Encyclopædia Britannica Online.
  12. ^ Chemical Composition of Wood Архивирано 2018-10-13 на сајту Wayback Machine. ipst.gatech.edu.
  13. ^ Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011) Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes Arhivirano na sajtu Wayback Machine (3. april 2021). nova-Institut GmbH, Hürth, Germany.
  14. ^ celuloza, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2018.
  15. ^ Payen, A. (1838) "Mémoire sur la composition du tissu propre des plantes et du ligneux" (Memoir on the composition of the tissue of plants and of woody [material]), Comptes rendus, vol. 7, pp. 1052–1056. Payen added appendices to this paper on December 24, 1838 (see: Comptes rendus, vol. 8, p. 169 (1839)) and on February 4, 1839 (see: Comptes rendus, vol. 9, p. 149 (1839)). A committee of the French Academy of Sciences reviewed Payen's findings in : Jean-Baptiste Dumas (1839) "Rapport sur un mémoire de M. Payen, relatif à la composition de la matière ligneuse" (Report on a memoir of Mr. Payen, regarding the composition of woody matter), Comptes rendus, vol. 8, pp. 51–53. In this report, the word "cellulose" is coined and author points out the similarity between the empirical formula of cellulose and that of "dextrine" (starch). The above articles are reprinted in: Brongniart and Guillemin, eds., Annales des sciences naturelles ..., 2nd series, vol. 11 (Paris, France: Crochard et Cie., 1839), pp. 21–31.
  16. ^ Young, Raymond (1986). Cellulose structure modification and hydrolysis. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-82761-0. 
  17. ^ Kobayashi, Shiro; Kashiwa, Keita; Shimada, Junji; Kawasaki, Tatsuya; Shoda, Shin-ichiro (1992). „Enzymatic polymerization: The first in vitro synthesis of cellulose via nonbiosynthetic path catalyzed by cellulase”. Makromolekulare Chemie. Macromolecular Symposia. 54–55 (1): 509—518. doi:10.1002/masy.19920540138. 
  18. ^ Bishop, Charles A., ur. (2007). Vacuum deposition onto webs, films, and foils. Elsevier Science. str. 165. ISBN 978-0-8155-1535-7. 
  19. ^ Dauenhauer, Paul; Krumm, Christoph; Pfaendtner, Jim (2016). „Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation”. Chemistry of Materials. 28 (1): 0001. OSTI 1865816. doi:10.1021/acs.chemmater.6b00580. 
  20. ^ Wymer, Charles E. (1994). „Ethanol from lignocellulosic biomass: Technology, economics, and opportunities”. Bioresource Technology. 50 (1): 5. doi:10.1016/0960-8524(94)90214-3. 
  21. ^ Bidhendi, Amir J; Geitmann, Anja (januar 2016). „Relating the mechanical properties of the primary plant cell wall.” (PDF). Journal of Experimental Botany. 67 (2): 449—461. PMID 26689854. doi:10.1093/jxb/erv535  . Arhivirano (PDF) iz originala 2018-01-13. g. 
  22. ^ Bidhendi, AJ; Chebli, Y; Geitmann, A (maj 2020). „Fluorescence Visualization of Cellulose and Pectin in the Primary Plant Cell Wall”. Journal of Microscopy. 278 (3): 164—181. PMID 32270489. S2CID 215619998. doi:10.1111/jmi.12895. 
  23. ^ Lide David R., ur. (2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics (87th izd.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0487-3. 

Spoljašnje veze uredi

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Целулоза&oldid=27630685”