ЦЕЛЛЮЛОЗА

ЦЕЛЛЮЛОЗА (синоним клетчатка) — полисахарид, линейные неразветвленные цепи которого построены в основном из элементарных звеньев ангидро-D-глюкозы, соединенных между собой 1,4-β-глюкозидными связями:

Целлюлоза, содержащаяся в пище, является одним из основных балластных веществ, или пищевых волокон, играющих чрезвычайно важную роль в нормальном питании и пищеварении (см. Углеводы, в питании). Эти волокна не перевариваются в желудочно-кишечном тракте, но способствуют его нормальному функционированию, а также могут сорбировать на себе некоторые токсины, препятствуя их всасыванию в кишечнике. Микрокристаллическая целлюлоза широко используется в фармацевтической промышленности в качестве наполнителя при изготовлении лекарственных препаратов. Незамещенные целлюлозы, а также целлюлозы, содержащие ионогенные группировки (например, ДЭАЭ-целлюлоза), широко используются в биологических и медицинских исследованиях для разделения и очистки биологически активных веществ. Целлюлоза и ее производные применяют при получении искусственных волокон, а также в химической промышленности.

Целлюлоза — основной компонент растений, содержащийся главным образом в стенках растительных клеток. Она встречается также в некоторых бактериях и у ряда низших животных. Содержание целлюлозы в волокнах хлопковых семян достигает 95—98%, в лубяных волокнах льна, джута, рами — 60— 85%; древесные породы содержат до 50% целлюлозы в пересчете на сухое вещество.

Степень полимеризации растительной целлюлозы колеблется в широких пределах — от 1400 до 14 000, что соответствует молекулярному весу (массе) 250 000 до 2 200 000. Молекулярный вес бактериальных целлюлоз составляет от 600 000 до 1 000 000. Наряду с ангидро-D-глюкозой макромолекулы целлюлозы могут содержать остатки других моносахаридов уроновых кислот (см.).

Длинные прямые цепи макромолекул целлюлозы легко вступают в межмолекулярные взаимодействия с образованием элементарных фибрилл. Молекулы целлюлозы, входящие в состав элементарной фибриллы, продольно вытянуты; в поперечнике они плотно упакованы в высокоупорядоченную кристаллическую структуру, стабилизированную водородными связями. Всего в образовании элементарной фибриллы участвуют 36 цепей целлюлозы. Соседние молекулы целлюлозы ориентированы антипараллельно, то есть глюкозидные связи соседних молекул целлюлозы имеют противоположное направление. Между парами антипараллельных цепей целлюлозы образуются прочные водородные связи. Элементарные фибриллы агрегируют между собой с образованием микрофибрилл. При этом наряду с упорядоченными кристаллическими участками в микрофибриллах имеются аморфные (менее упорядоченные) участки, характеризующиеся более рыхлой упаковкой цепей целлюлозы. Реакционная способность аморфных участков микрофибрилл целлюлозы значительно выше реакционной способности кристаллических участков целлюлозы. Микрофибриллы целлюлозы составляют механическую основу клеточных стенок растений. Скрепление микрофибрилл друг с другом в клеточных стенках осуществляется гемицеллюлозами, пектиновыми веществами и лигнином.

Влажная целлюлоза эластична, сухая — находится в так называемом застеклованном состоянии. Температура плавления целлюлозы выше температуры ее разложения; температура стеклования целлюлозы около 220°. Целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Она растворима лишь в водных растворах комплексных соединений гидроокисей некоторых поливалентных металлов с аммиаком или аминами, например в аммиачном растворе оксида меди, а также в концентрированном растворе хлористого цинка. Растворение целлюлозы в 80—95% фосфорной кислоте и в концентрированной серной кислоте сопровождается частичной деструкцией полимера.

Глюкозидные связи, соединяющие остатки глюкозы в полимерные цепи целлюлозы, сравнительно легко гидролизуются под действием минеральных кислот. Продукты частичного кислотного гидролиза целлюлозу называют гидроцеллюлозами. Осторожный кислотный гидролиз нативных микрофибрилл целлюлоза приводит к разрыву глюкозидных связей почти исключительно в аморфных участках полимера. Это обстоятельство используют для получения микрокристаллической целлюлозы. Полный кислотный гидролиз целлюлозы приводит к образованию глюкозы (см.) — основного продукта для получения этилового спирта (см.) промышленным способом.

Окисление целлюлозы и ее реакцию с концентрированными растворами щелочей применяют для изготовления вискозы. Этерификация и О-алкилирование целлюлозы приводят к образованию сложных и простых эфиров целлюлозы, используемых в производстве искусственных волокон. Реакция нитрования целлюлозы лежит в основе методов изготовления нитролаков, а также бездымного пороха (пироксилина).

Для получения целлюлозы из древесины чаще всего применяется сульфитный метод, заключающийся в обработке целлюлозосодержащего сырья смесью бисульфита кальция (или натрия) и сернистой кислоты при повышенных температуре и давлении. Такая процедура приводит к экстрагированию из древесины сопровождающих целлюлозу лигнина, гемицеллюлозы, пектиновых веществ и др. Обработка древесного сырья едким натром (натронный метод) также используется для промышленного производства целлюлозы.

Биосинтез целлюлозы осуществляется с помощью целлюлозосинтазы, фермента, катализирующего перенос глюкозы от гуанидиндифосфатглюкозы (ГДФглюкозы) и (или) от у ридиндифосфатглюкозы (УД Фглюкозы) к молекуле полимера-акцептора. Ферментативное расщепление целлюлозы катализируется комплексом целлюлаз, состоящим из эндо- и экзоцеллюлаз и р-глюкозидазы и приводящим к последовательному гидролизу целлюлозы до целлоолигосахаридов различной степени полимеризации, целлобиозы, и в конечном счете до глюкозы.

Библиогр.: Бочков А. Ф., Афанасьев В. А. и 3аиков Г. Е. Углеводы, М., 1980; Роговин 3. А. Химия целлюлозы, М., 1972; Степаненко Б. Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды), М., 1978; Целлюлоза и ее производные, под ред. Н. Байклза и Л. Сегала, пер. с англ., т. 1—2, М.,1974.

Д. М. Беленький.