Vés al contingut

Cel·lulosa

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Infotaula de compost químicCel·lulosa
Substància químicatipus de polímer Modifica el valor a Wikidata
Massa molecular370,147512 Da Modifica el valor a Wikidata
Epònimparet cel·lular de les plantes Modifica el valor a Wikidata
Descobridor o inventorAnselme Payen Modifica el valor a Wikidata
Rolmetabòlit primari Modifica el valor a Wikidata
Estructura química
Propietats
Densitat1,5 g/cm³ (a valor desconegut, sòlid) Modifica el valor a Wikidata
Solubilitatvalor desconegut (aigua, valor desconegut) Modifica el valor a Wikidata
Punt de descomposició260 ℃ (mínim)
270 ℃ (màxim)
200 ℃ Modifica el valor a Wikidata
Pressió de vapor0 mmHg (a 20 ℃) Modifica el valor a Wikidata
Perill
Límit inferior d'explosivitat15 g/m³ Modifica el valor a Wikidata
Límit d'exposició mitjana ponderada en el temps5 mg/m³ (10 h, Estats Units d'Amèrica)
10 mg/m³ (10 h, cap valor)
15 mg/m³ (8 h, Estats Units d'Amèrica) Modifica el valor a Wikidata
NFPA 704: Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response () Modifica el valor a Wikidata
Altres
Higroscopicitat i sòlid inflamable Modifica el valor a Wikidata
Estructura tridimensional, amb 4 unitats de glucosa visibles. (Negre= carboni; vermell= oxigen; blanc= hidrogen.)

La cel·lulosa és un compost orgànic amb la fórmula (C
6H
10O
5)
n, un polisacàrid que consisteix en una cadena lineal de diversos centenars a molts milers d'unitats de D -glucosa enllaçades amb β(1→4).[1][2][3] La cel·lulosa és un component estructural important de les parets cel·lulars de les plantes verdes, moltes formes d'algues i els oomicets. Algunes espècies de bacteris la secreten per formar biofilms.[4] La cel·lulosa és el polímer orgànic més abundant a la Terra.[5] El contingut de cel·lulosa de la fibra de cotó és del 90%, el de la fusta és del 40-50% i el del cànem sec és aproximadament del 57%.[6][7]

La cel·lulosa s'utilitza principalment per produir cartró i paper. També se'n fan productes derivats com la cel·lofana i el raió. La conversió de cel·lulosa de cultius energètics en biocombustibles com l'etanol cel·lulòsic s'està desenvolupant com a font de combustible renovable. La cel·lulosa per a ús industrial s'obté principalment de la pasta de cel·lulosa i el cotó.[8] A més, la cel·lulosa presenta una susceptibilitat pronunciada a les interaccions directes amb certs líquids orgànics, en particular la formamida i el DMSO, i les amines de cadena curta ( metilamina, etilamina ) es troben entre els compostos reconeguts com a agents inflants altament eficaços.[9]

Alguns animals, en particular els remugants i els tèrmits, poden digerir la cel·lulosa amb l'ajuda de microorganismes simbiòtics que viuen als seus intestins, com ara la Trichonympha. En la nutrició humana, la cel·lulosa és un constituent no digerible de la fibra dietètica insoluble, que actua com a agent de volum hidròfil per a les femtes i potencialment ajuda a la defecació.

Història

[modifica]

La cel·lulosa va ser descoberta el 1838 pel químic francès Anselme Payen, que la va aïllar de la matèria vegetal i en va determinar la fórmula química.[10][11][12] La cel·lulosa es va utilitzar per produir el primer polímer termoplàstic reeixit, el cel·luloide, per Hyatt Manufacturing Company el 1870. La producció de raió (" seda artificial") a partir de cel·lulosa va començar a la dècada de 1890 i la cel·lofana es va inventar el 1912. Hermann Staudinger va determinar l'estructura polimèrica de la cel·lulosa el 1920. El compost va ser sintetitzat químicament per primera vegada (sense l'ús de cap enzim derivat biològicament) el 1992, per Kobayashi i Shoda.[13]

Estructura i propietats

[modifica]
Una triple cadena de cel·lulosa que mostra els enllaços d'hidrogen (línies cian) entre les cadenes de glucosa
Les fibres de cotó representen la forma natural més pura de cel·lulosa, i contenen més del 90% d'aquest polisacàrid .

La cel·lulosa no té gust, és inodora, és hidròfila amb un angle de contacte de 20-30 graus,[14] és insoluble en aigua i en la majoria de dissolvents orgànics, és quiral i és biodegradable. Es va demostrar que es fon a 467 °C en proves de pols realitzades per Dauenhauer et al. (2016).[15] Es pot descompondre químicament en les seves unitats de glucosa tractant-lo amb àcids minerals concentrats a alta temperatura.[16]

La cel·lulosa deriva d'unitats de D -glucosa, que es condensen mitjançant enllaços β(1→4)-glicosídics. Aquest motiu d'enllaç contrasta amb el dels enllaços α(1→4)-glicosídics presents al midó i al glicogen. La cel·lulosa és un polímer de cadena lineal. A diferència del midó, no es produeix cap enrotllament ni ramificació i la molècula adopta una conformació estesa i força rígida en forma de vareta, ajudada per la conformació equatorial dels residus de glucosa. Els múltiples grups hidroxil de la glucosa d'una cadena formen enllaços d'hidrogen amb àtoms d'oxigen de la mateixa cadena o d'una cadena veïna, mantenint les cadenes fermament juntes una al costat de l'altra i formant microfibril·les amb una alta resistència a la tracció. Això confereix resistència a la tracció a les parets cel·lulars on les microfibril·les de cel·lulosa s'entrellacen en una matriu de polisacàrids. L'alta resistència a la tracció de les tiges de les plantes i de la fusta dels arbres també prové de la disposició de les fibres de cel·lulosa íntimament distribuïdes a la matriu de lignina. El paper mecànic de les fibres de cel·lulosa a la matriu de fusta, responsable de la seva forta resistència estructural, es pot comparar en certa manera amb el de les barres de reforç del formigó, on la lignina juga aquí el paper de la pasta de ciment endurit que actua com a "cola" entre les fibres de cel·lulosa. Les propietats mecàniques de la cel·lulosa a la paret cel·lular vegetal primària es correlacionen amb el creixement i l'expansió de les cèl·lules vegetals.[17] Les tècniques de microscòpia de fluorescència en directe són prometedores en la investigació del paper de la cel·lulosa en el creixement de les cèl·lules vegetals.[18]

En comparació amb el midó, la cel·lulosa també és molt més cristal·lina. Mentre que el midó experimenta una transició de cristal·lí a amorf quan s'escalfa per sobre dels 60–70 °C en aigua (com en cuina), la cel·lulosa requereix una temperatura de 320 °C i una pressió de 25 MPa per tornar-se amorf en aigua.[19]

Es coneixen diversos tipus de cel·lulosa. Aquestes formes es distingeixen segons la ubicació dels enllaços d'hidrogen entre i dins de les cadenes. La cel·lulosa natural és la cel·lulosa I, amb les estructures I α i I β . La cel·lulosa produïda per bacteris i algues està enriquida en I α, mentre que la cel·lulosa de les plantes superiors consisteix principalment en I β . La cel·lulosa de les fibres de cel·lulosa regenerada és la cel·lulosa II. La conversió de la cel·lulosa I a cel·lulosa II és irreversible, cosa que suggereix que la cel·lulosa I és metaestable i la cel·lulosa II és estable. Amb diversos tractaments químics és possible produir les estructures de cel·lulosa III i cel·lulosa IV.[20]

Moltes propietats de la cel·lulosa depenen de la longitud de la seva cadena o del seu grau de polimerització, és a dir, del nombre d'unitats de glucosa que formen una molècula de polímer. La cel·lulosa de la polpa de fusta té longituds de cadena típiques d'entre 300 i 1700 unitats; el cotó i altres fibres vegetals, així com la cel·lulosa bacteriana, tenen longituds de cadena que van des de 800 fins a 10.000 unitats.[21] Les molècules amb una longitud de cadena molt petita resultants de la descomposició de la cel·lulosa es coneixen com a cel·lodextrines ; a diferència de la cel·lulosa de cadena llarga, les cel·lodextrines són normalment solubles en aigua i dissolvents orgànics.

La fórmula química de la cel·lulosa és (C 6 H 10 O 5 ) n, on n és el grau de polimerització i representa el nombre de grups de glucosa.[22]

La cel·lulosa derivada de plantes es troba normalment en una barreja amb hemicel·lulosa, lignina, pectina i altres substàncies, mentre que la cel·lulosa bacteriana és força pura, té un contingut d'aigua molt més elevat i una resistència a la tracció més elevada a causa de les longituds de cadena més elevades.[23] :3384

La cel·lulosa consisteix en fibril·les amb regions cristal·lines i amorfes.[24] Aquestes fibril·les de cel·lulosa es poden individualitzar mitjançant un tractament mecànic de la polpa de cel·lulosa, sovint assistit per oxidació química o tractament enzimàtic, donant lloc a nanofibril·les de cel·lulosa semiflexibles generalment 200 nm a 1 μm de longitud, depenent de la intensitat del tractament.[25] La polpa de cel·lulosa també es pot tractar amb àcid fort per hidrolitzar les regions de fibril·les amorfes, produint així nanocristalls de cel·lulosa curts i rígids d'uns pocs centenars nm de longitud.[26] Aquestes nanocel·luloses són d'alt interès tecnològic a causa del seu autoassemblatge en cristalls líquids colestèrics,[27] la producció d' hidrogels o aerogels,[28] el seu ús en nanocompostos amb propietats tèrmiques i mecàniques superiors,[29] i el seu ús com a estabilitzadors de Pickering per a emulsions .[30]

Biosíntesi

[modifica]

La formació de macromolècules de cel·lulosa a les parets cel·lulars de plantes superiors està catalitzada per un complex de membrana de cel·lulosa sintasa multisubunitat situat al final de les microfibril·les allargades. El complex complet de la cel·lulosa sintasa està format per subunitats catalítiques, de porus i de cristal·lització. La subunitat catalítica de la cel·lulosa sintasa està codificada per la família multigènica CesA (cel·lulosa sintasa A), que és membre de la superfamília Csl (anglès, cellulose synthase-like), que també inclou els enzims CslA, CslF, CslH i CslC responsables de la síntesi d'altres polisacàrids.[31]

Quan s'estudia la superfície del plasmalemma de les cèl·lules vegetals mitjançant el mètode de congelació-escissió, a la base de les microfibril·les de cel·lulosa, es poden observar les anomenades rosetes o complexos terminals d'uns 30 nm de mida i compostes per 6 subunitats. Cada subunitat de la roseta és, al seu torn, un supercomplex format a partir de 6 sintases de cel·lulosa.[32] Així, com a resultat del funcionament d'aquest sòcol, es forma una microfibril·la que conté unes 36 macromolècules de cel·lulosa en una secció transversal. En algunes algues, els supercomplexos de síntesi de cel·lulosa s'organitzen linealment.

Curiosament, el sitosterol glicosilat té el paper d'una llavor per iniciar la síntesi de cel·lulosa. El substrat directe per a la síntesi de cel·lulosa és la glucosa UDP. De la formació de UDP-glucosa, és responsable la sacarosa sintasa, associada a la cel·lulosa sintasa i la realització de la reacció:

Sacarosa + UDP ⇌ UDP-glucosa + D-fructosa

A més, la UDP-glucosa es pot formar a partir de l'agrupació d'hexosa fosfats com a resultat del treball de la UDP-glucosa pirofosforilasa:

Glucosa-1-fosfat + UTP ⇌ UDP-glucosa + PPi

La direcció de la síntesi de microfibril·les de cel·lulosa es proporciona a causa del moviment de complexos de cel·lulosa sintasa al llarg de microtúbuls adjacents al plasmalemma des de l'interior. En una planta model, com l'Arabidopsis, es va trobar la proteïna CSI1, que és responsable de la fixació i el moviment dels complexos de cel·lulosa sintasa al llarg dels microtúbuls corticals.

Els productes comercials

[modifica]

La cel·lulosa és el principal constituent de paper i cartró i dels tèxtils de cotó, lli i altres fibres vegetals. Un dels teixits que es fan amb la cel·lulosa és el cupro.

La cel·lulosa pot convertir-se en cel·lofana, una prima pel·lícula transparent, i en raió, una fibra important que s'ha utilitzat per als productes tèxtils des de principis del segle xx. Tant el raió com la cel·lofana es coneixen com a "fibres de cel·lulosa regenerada", són idèntiques a les de cel·lulosa en l'estructura química i en general són fetes de viscosa, una solució viscosa a partir de la cel·lulosa. El procés Lyocell per produir raió, més recent, és més respectuós amb el medi ambient.

La cel·lulosa és utilitzada en el laboratori com la fase estacionària de cromatografia en capa fina. És la matèria primera en la fabricació de nitrocel·lulosa o nitrat de cel·lulosa, que va ser històricament utilitzada en la pólvora sense fum, i com la base material del cel·luloide que es fa servir per a la pel·lícula fotogràfica i cinematogràfica fins a mitjans de la dècada de 1930. L'aïllament de cel·lulosa a partir del reciclatge de paper s'està convertint en un mètode ambientalment preferible pels materials d'aïllament d'edificis.

La cel·lulosa es fa servir per fer material hidròfil molt absorbent i esponges, així com adhesius i aglutinants solubles en aigua com ara metil cel·lulosa i carboximetil cel·lulosa que s'utilitzen en l'adhesiu del paper pintat per parets.

La cel·lulosa microcristal·lina (E460i) i la cel·lulosa en pols (E460ii) s'utilitzen com a farciment inactiu en comprimits i com espessidors i estabilitzants en aliments processats.

Font de cel·lulosa i els cultius energètics

[modifica]

El principal component combustible dels cultius energètics no alimentaris és la cel·lulosa, amb la lignina segon. Els cultius energètics no alimentaris són més eficients que els cultius energètics comestibles (que tenen un gran contingut de midó), però encara competeixen amb els cultius alimentaris per terres agrícoles i recursos hídrics. Típicament els cultius energètics no alimentaris inclouen cànem industrial, Mill, Miscanthus, Salix (salze), i Populus (pollancres).

Alguns bacteris poden convertir la cel·lulosa en etanol que pot ser utilitzat com a combustible, vegeu etanol cel·lulosa.

Referències

[modifica]
  1. ↑ «Cel·lulosa». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia.
  2. ↑ Crawford, Ronald L. Lignin biodegradation and transformation. Nova York: John Wiley and Sons, 1981. ISBN 978-0-471-05743-7.
  3. ↑ Updegraff, David M. «Semimicro determination of cellulose inbiological materials» (en anglès). Analytical Biochemistry, 32, 3, 12-1969, p. 420–424. DOI: 10.1016/S0003-2697(69)80009-6. PMID: 5361396.
  4. ↑ Romeo, Tony. Bacterial biofilms. Berlin: Springer, 2008, p. 258–263. ISBN 978-3-540-75418-3.
  5. ↑ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas Angew. Chem. Int. Ed., 44, 22, 2005, p. 3358–3393. Bibcode: 2005ACIE...44.3358K. DOI: 10.1002/anie.200460587. PMID: 15861454.
  6. ↑ Chemical Composition of Wood.
  7. ↑ Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011) Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes Arxivat April 3, 2021, a Wayback Machine..
  8. ↑ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas Angew. Chem. Int. Ed., 44, 22, 2005, p. 3358–3393. Bibcode: 2005ACIE...44.3358K. DOI: 10.1002/anie.200460587. PMID: 15861454.
  9. ↑ Mantanis, G. I.; Young, R. A.; Rowell, R. M. Cellulose, 2, 1, 1995, p. 1–22. DOI: 10.1007/BF00812768. ISSN: 0969-0239.
  10. ↑ Crawford, R. L.. Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons, 1981. ISBN 978-0-471-05743-7.
  11. ↑ 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.
  12. ↑ Young, Raymond. Cellulose structure modification and hydrolysis. New York: Wiley, 1986. ISBN 978-0-471-82761-0.
  13. ↑ Kobayashi, Shiro; Kashiwa, Keita; Shimada, Junji; Kawasaki, Tatsuya; Shoda, Shin-ichiro Makromolekulare Chemie. Macromolecular Symposia, 54–55, 1, 1992, p. 509–518. DOI: 10.1002/masy.19920540138.
  14. ↑ Bishop, Charles A.. [Cel·lulosa, p. 165, a Google Books Vacuum deposition onto webs, films, and foils]. Elsevier Science, 2007, p. 165. ISBN 978-0-8155-1535-7.
  15. ↑ Dauenhauer, Paul; Krumm, Christoph; Pfaendtner, Jim Chemistry of Materials, 28, 1, 2016, p. 0001. DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b00580.
  16. ↑ Wymer, Charles E. Bioresource Technology, 50, 1, 1994, p. 5. Bibcode: 1994BiTec..50....3W. DOI: 10.1016/0960-8524(94)90214-3.
  17. ↑ Bidhendi, Amir J; Geitmann, Anja Journal of Experimental Botany, 67, 2, 1-2016, p. 449–461. DOI: 10.1093/jxb/erv535. PMID: 26689854 [Consulta: free].
  18. ↑ Bidhendi, AJ; Chebli, Y; Geitmann, A Journal of Microscopy, 278, 3, 5-2020, p. 164–181. DOI: 10.1111/jmi.12895. PMID: 32270489.
  19. ↑ Deguchi, Shigeru; Tsujii, Kaoru; Horikoshi, Koki Chemical Communications, 31, 2006, p. 3293–5. DOI: 10.1039/b605812d. PMID: 16883414.
  20. ↑ Structure and morphology of cellulose Arxivat April 26, 2009, a Wayback Machine. by Serge Pérez and William Mackie, CERMAV-CNRS, 2001.
  21. ↑ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas Angew. Chem. Int. Ed., 44, 22, 2005, p. 3358–3393. Bibcode: 2005ACIE...44.3358K. DOI: 10.1002/anie.200460587. PMID: 15861454.
  22. ↑ Chen, Hongzhang. «Chemical Composition and Structure of Natural Lignocellulose». A: Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice. Dordrecht: Springer, 2014, p. 25–71. ISBN 978-94-007-6897-0.
  23. ↑ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas Angew. Chem. Int. Ed., 44, 22, 2005, p. 3358–3393. Bibcode: 2005ACIE...44.3358K. DOI: 10.1002/anie.200460587. PMID: 15861454.
  24. ↑ Mantanis, George I. «PhD Thesis: Swelling of lignocellulosic materials in water and organic liquids; George Mantanis (Univ. of Wisconsin-Madison, 1994)». Academia.edu, 01-02-2011. [Consulta: 21 novembre 2024].
  25. ↑ Saito, Tsuguyuki; Kimura, Satoshi; Nishiyama, Yoshiharu; Isogai, Akira Biomacromolecules, 8, 8, 8-2007, p. 2485–2491. DOI: 10.1021/bm0703970. PMID: 17630692 [Consulta: 7 abril 2020].
  26. ↑ Peng, B. L.; Dhar, N.; Liu, H. L.; Tam, K. C. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89, 5, 2011, p. 1191–1206. Bibcode: 2011CJChE..89.1191P. DOI: 10.1002/cjce.20554 [Consulta: 28 agost 2012].
  27. ↑ Revol, J.-F.; Bradford, H.; Giasson, J.; Marchessault, R.H.; Gray, D.G. International Journal of Biological Macromolecules, 14, 3, 6-1992, p. 170–172. DOI: 10.1016/S0141-8130(05)80008-X. PMID: 1390450 [Consulta: 7 abril 2020].
  28. ↑ De France, Kevin J.; Hoare, Todd; Cranston, Emily D. Chemistry of Materials, 29, 11, 26-04-2017, p. 4609–4631. DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00531 [Consulta: free].
  29. ↑ Pranger, L.; Tannenbaum, R. Macromolecules, 41, 22, 2008, p. 8682–8687. Bibcode: 2008MaMol..41.8682P. DOI: 10.1021/ma8020213 [Consulta: 19 juny 2023].
  30. ↑ Kalashnikova, Irina; Bizot, Hervé; Cathala, Bernard; Capron, Isabelle Langmuir, 27, 12, 21-06-2011, p. 7471–7479. DOI: 10.1021/la200971f. PMID: 21604688.
  31. ↑ Richmond, Todd A; Somerville, Chris R «The Cellulose Synthase Superfamily». Plant Physiology, 124, 2, 10-2000, p. 495–498. DOI: 10.1104/pp.124.2.495. PMC: 1539280. PMID: 11027699.
  32. ↑ Kimura, Satoshi; Laosinchai, Walairat; Itoh, Takao; Cui, Xiaojiang; Linder, C. Randal; Brown Jr, R. Malcolm «Immunogold labeling of rosette terminal cellulose-synthesizing complexes in the vascular plant vigna angularis». The Plant Cell, 11, 11, 1999, p. 2075–86. DOI: 10.2307/3871010. JSTOR: 3871010. PMC: 144118. PMID: 10559435.
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Cel·lulosa&oldid=37048636»