Was ist Cellulose? Fakten und Funktionen

Cellulose [(C₆H₁₀Ö₅)_n] ist eine organische Verbindung und das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde. Es ist ein komplexes Kohlenhydrat oder Polysaccharid, das aus Hunderten bis Tausenden von Glucosemolekülen besteht, die zu einer Kette verbunden sind. Während Tiere keine Cellulose produzieren, wird sie von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien und anderen Mikroorganismen hergestellt. Zellulose ist das Hauptstrukturmolekül in den Zellwänden von Pflanzen und Algen.

Geschichte

Der französische Chemiker Anselme Payen entdeckte und isolierte 1838 Cellulose. Payen bestimmte auch die chemische Formel. 1870 wurde das erste thermoplastische Polymer, Celluloid, von Hyatt Manufacturing Company unter Verwendung von Cellulose hergestellt. In den 1890er Jahren wurde aus Cellulose Rayon und 1912 Cellophan hergestellt. 1920 bestimmte Hermann Staudinger die chemische Struktur von Cellulose. 1992 synthetisierten Kobayashi und Shoda Cellulose ohne Verwendung biologischer Enzyme.

Chemische Struktur und Eigenschaften

Cellulose entsteht durch Verknüpfung von Glucose-Untereinheiten. NEUROtiker, Ben Mills / gemeinfrei

Cellulose bildet sich über β (1 → 4) -glycosidische Bindungen zwischen D-Glucose-Einheiten. Im Gegensatz dazu bilden Stärke und Glykogen α (1 → 4) -glykosidische Bindungen zwischen Glucosemolekülen. Die Bindungen in Cellulose machen es zu einem geradkettigen Polymer. Die Hydroxylgruppen an den Glucosemolekülen bilden Wasserstoffbrücken mit Sauerstoffatomen, halten die Ketten an Ort und Stelle und verleihen den Fasern eine hohe Zugfestigkeit. In Pflanzenzellwänden verbinden sich mehrere Ketten zu Mikrofibrillen.

Reine Cellulose ist geruchlos, geschmacksneutral, hydrophil, wasserunlöslich und biologisch abbaubar. Es hat einen Schmelzpunkt von 467 Grad Celsius und kann durch Säurebehandlung bei hoher Temperatur zu Glucose abgebaut werden.

Cellulosefunktionen

Zellulose unterstützt die Zellwand von Pflanzen. ttsz / Getty Images

Cellulose ist ein Strukturprotein in Pflanzen und Algen. Cellulosefasern sind in eine Polysaccharidmatrix eingebettet, um die Zellwände der Pflanzen zu stützen. Pflanzenstämme und Holz werden von Zellulosefasern getragen, die in einer Ligninmatrix verteilt sind, wobei die Zellulose wie Bewehrungsstäbe und das Lignin wie Beton wirkt. Die reinste natürliche Form von Cellulose ist Baumwolle, die zu über 90% aus Cellulose besteht. Holz besteht dagegen zu 40-50% aus Zellulose.

Einige Arten von Bakterien scheiden Zellulose aus, um Biofilme zu produzieren. Die Biofilme stellen eine Bindungsfläche für die Mikroorganismen bereit und ermöglichen es ihnen, sich in Kolonien zu organisieren.

Während Tiere keine Cellulose produzieren können, ist dies für ihr Überleben wichtig. Einige Insekten verwenden Zellulose als Baumaterial und Nahrung. Wiederkäuer verwenden symbiotische Mikroorganismen, um Cellulose zu verdauen. Der Mensch kann Cellulose nicht verdauen, aber es ist die Hauptquelle für unlösliche Ballaststoffe, die die Nährstoffaufnahme beeinflussen und die Stuhlentleerung unterstützen.

Wichtige Derivate

Es gibt viele wichtige Cellulosederivate. Viele dieser Polymere sind biologisch abbaubar und erneuerbare Ressourcen. Von Cellulose abgeleitete Verbindungen neigen dazu, nicht toxisch und nicht allergen zu sein. Cellulosederivate umfassen:

• Zelluloid
• Cellophan
• Rayon
• Celluloseacetat
• Cellulosetriacetat
• Nitrocellulose
• Methylcellulose
• Cellulosesulfat
• Ethulose
• Ethylhydroxyethylcellulose
• Hydroxypropylmethylcellulose
• Carboxymethylcellulose (Cellulosegummi)

Kommerzielle Verwendungen

Die hauptsächliche kommerzielle Verwendung von Cellulose ist die Papierherstellung, bei der nach dem Kraft-Verfahren Cellulose von Lignin getrennt wird. Cellulosefasern werden in der Textilindustrie eingesetzt. Baumwolle, Leinen und andere Naturfasern können direkt verwendet oder zu Rayon verarbeitet werden. Mikrokristalline Cellulose und pulverförmige Cellulose werden als Arzneimittelfüllstoffe und als Lebensmittelverdicker, Emulgatoren und Stabilisatoren verwendet. Wissenschaftler verwenden Cellulose bei der Flüssigkeitsfiltration und der Dünnschichtchromatographie. Zellulose wird als Baumaterial und elektrischer Isolator verwendet. Es wird in alltäglichen Haushaltsmaterialien wie Kaffeefiltern, Schwämmen, Klebstoffen, Augentropfen, Abführmitteln und Filmen verwendet. Während Zellulose aus Pflanzen schon immer ein wichtiger Brennstoff war, kann Zellulose aus tierischen Abfällen auch zu Butanol-Biokraftstoff verarbeitet werden.

Quellen

• Dhingra, D; Michael, M; Rajput, H; Patil, R. T. (2011). "Ballaststoffe in Lebensmitteln: Eine Überprüfung." Zeitschrift für Lebensmittelwissenschaft und -technologie. 49 (3): 255 & ndash; 266. doi: 10.1007 / s13197-011-0365-5
• Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). "Cellulose: Faszinierendes Biopolymer und nachhaltiger Rohstoff." Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358 & ndash; 93. doi: 10.1002 / ange.200460587
• Mettler, Matthew S .; Mushrif, Samir H ​​.; Paulsen, Alex D .; Javadekar, Ashay D .; Vlachos, Dionisios G .; Dauenhauer, Paul J. (2012). "Aufschlussreiche Pyrolysechemie für die Herstellung von Biokraftstoffen: Umwandlung von Cellulose in Furane und kleine Oxygenate." Energie Umwelt Sci. 5: 5414 & ndash; 5424. doi: 10.1039 / C1EE02743C
• Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri (2002). "Kristallstruktur und Wasserstoffbrückenbindungssystem in Cellulose Iβ durch Synchrotron-Röntgen- und Neutronenfaserbeugung." Marmelade. Chem. Soc. 124 (31): 9074 & ndash; 82. doi: 10.1021 / ja0257319
• Stenius, Per (2000). Chemie der Forstprodukte. Wissenschaft und Technologie der Papierherstellung. Vol. 3. Finnland: Fapet OY. ISBN 978-952-5216-03-5.