Целлюлоза

Целлюлоза (от лат. cellula — клетка) — это линейный полисахарид, состоящий из остатков β-D-глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Является основным структурным компонентом клеточных стенок растений, а также некоторых водорослей, оомицетов и бактерий (например, рода Acetobacter). Целлюлоза — наиболее распространённый органический полимер на Земле, ежегодный прирост её биомассы составляет около 1,5 триллиона тонн. В промышленности целлюлозу получают из древесины, хлопка, льна, конопли и других растительных материалов.

Химическое строение и свойства

Молекулярная структура

Молекула целлюлозы представляет собой неразветвлённую цепь, образованную сотнями и тысячами остатков глюкозы. Степень полимеризации (количество мономерных звеньев) варьирует от 300 до 10 000 и более. β-1,4-связь придаёт цепи жёсткость и способствует образованию водородных связей между соседними молекулами. В результате макромолекулы целлюлозы объединяются в фибриллы — прочные нитевидные структуры.

Физические свойства

• Внешний вид: белое или слегка желтоватое волокнистое вещество без запаха и вкуса.
• Плотность: 1,5–1,6 г/см³.
• Растворимость: нерастворима в воде, этаноле, диэтиловом эфире и большинстве органических растворителей. Растворяется в концентрированных растворах некоторых кислот (серной, фосфорной) и основаниях, а также в ионных жидкостях.
• Гигроскопичность: способна поглощать влагу из воздуха (до 8–12 % от массы).
• Термическая устойчивость: разлагается при нагревании выше 250–300 °C без плавления.

Химические свойства

Целлюлоза вступает в реакции, характерные для многоатомных спиртов:

• Гидролиз: под действием кислот или ферментов (целлюлаз) расщепляется до глюкозы.
• Этерификация: взаимодействие с кислотами и ангидридами приводит к образованию сложных эфиров (нитраты, ацетаты, ксантогенаты).
• Окисление: при действии сильных окислителей (например, азотной кислоты) образуются оксицеллюлоза и дикарбоновые кислоты.
• Денатурация: под действием щелочей и других реагентов происходит набухание и изменение структуры (мерсеризация).

История изучения

Первое упоминание о целлюлозе как о веществе, отличном от крахмала, относится к 1838 году, когда французский химик Ансельм Пайен выделил её из растительных тканей, обработав их азотной кислотой и щелочью. Он же дал веществу название. В 1845 году Кристиан Фридрих Шёнбейн случайно получил нитроцеллюлозу, обработав хлопок смесью азотной и серной кислот. В 1865 году Александр Паркс создал первый искусственный пластик на основе нитроцеллюлозы — паркезин. В 1892 году Чарльз Фредерик Кросс и Эдвард Джон Беван разработали вискозный процесс, позволивший получать искусственное волокно из целлюлозы. В XX веке были открыты ферменты, расщепляющие целлюлозу (целлюлазы), и начато промышленное производство биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.

Классификация и виды целлюлозы

По происхождению

• Растительная целлюлоза: из древесины (хвойных и лиственных пород), хлопка, льна, конопли, бамбука, соломы злаков.
• Бактериальная целлюлоза: синтезируется бактериями Acetobacter xylinum, Gluconacetobacter и др. Отличается высокой чистотой, тонкой фибриллярной структурой и высокой механической прочностью.

По степени очистки

• Техническая целлюлоза: содержит примеси лигнина, гемицеллюлоз, смол. Используется для производства бумаги, картона.
• Химически чистая целлюлоза: получается после варки, отбеливания и удаления лигнина. Применяется в производстве искусственных волокон, плёнок, пластмасс.
• Микрокристаллическая целлюлоза: частично гидролизованная форма с размером частиц 20–200 мкм. Используется как наполнитель в фармацевтике и пищевой промышленности (E460).

По типу химической обработки

• Сульфитная целлюлоза: получается варкой с сульфитом кальция или натрия.
• Сульфатная целлюлоза: получается варкой с гидроксидом натрия и сульфидом натрия (крафт-процесс). Отличается высокой прочностью.
• Натронная целлюлоза: получается варкой с гидроксидом натрия.

Промышленное получение

Основным сырьём для промышленного производства целлюлозы служит древесина. Процесс включает несколько стадий:

1. Подготовка сырья: окорка, измельчение в щепу.
2. Варка: обработка щепы химическими реагентами при высокой температуре (150–180 °C) и давлении для растворения лигнина и гемицеллюлоз. Наиболее распространённые методы — сульфатный (крафт-процесс) и сульфитный.
3. Промывка: отделение целлюлозной массы от отработанного щёлока.
4. Сортировка и отбеливание: удаление остатков лигнина и окрашивающих веществ с помощью хлора, диоксида хлора, перекиси водорода или озона.
5. Сушка: обезвоживание и формирование листов или рулонов целлюлозы.

Выход целлюлозы из древесины составляет 40–50 % от массы сырья. Для получения бактериальной целлюлозы используют культивирование микроорганизмов на питательных средах, содержащих глюкозу, фруктозу или сахарозу.

Применение

Производство бумаги и картона

Целлюлоза — основной компонент бумаги, картона, гофрокартона, обоев, фильтровальных материалов. На долю бумажной промышленности приходится около 60 % мирового потребления целлюлозы.

Искусственные волокна

• Вискозное волокно: получают из ксантогената целлюлозы. Используется для производства тканей, трикотажа, технических нитей.
• Ацетатное волокно: из ацетата целлюлозы. Применяется для изготовления подкладочных тканей, сигаретных фильтров.
• Лиоцелл: получают растворением целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде. Отличается высокой прочностью и экологичностью.

Пластмассы и плёнки

• Целлофан: прозрачная плёнка из регенерированной целлюлозы, используется для упаковки.
• Этролы: пластмассы на основе ацетилцеллюлозы, применяются для изготовления корпусов приборов, оправ очков.
• Биопластики: композиты на основе целлюлозы и полимеров (например, полилактида).

Пищевая промышленность

• Добавка E460 (микрокристаллическая целлюлоза): используется как загуститель, стабилизатор, эмульгатор, наполнитель в соусах, мороженом, хлебобулочных изделиях.
• Пищевые волокна: целлюлоза входит в состав отрубей, зерновых продуктов, стимулирует перистальтику кишечника.

Медицина и фармацевтика

• Перевязочные материалы: вата, марля, бинты из хлопковой целлюлозы.
• Таблетки: микрокристаллическая целлюлоза используется как связующее и наполнитель.
• Хирургические нити: из регенерированной целлюлозы (кетгут).
• Искусственные сосуды и ткани: из бактериальной целлюлозы.

Строительство и быт

• Целлюлозная изоляция: эковата из измельчённой макулатуры, пропитанная антипиренами.
• Обои: на основе целлюлозных волокон.
• Фильтры: для воды, воздуха, сигарет.

Энергетика

• Биоэтанол: получают ферментативным гидролизом целлюлозы с последующей ферментацией глюкозы.
• Топливные гранулы (пеллеты): из древесной целлюлозы и лигнина.

Биологическая роль

Целлюлоза выполняет в растениях опорную и механическую функции. Она образует каркас клеточных стенок, обеспечивая прочность и устойчивость к внешним воздействиям. В древесине целлюлоза составляет 40–50 % сухой массы, в хлопке — до 90–95 %. Человек и большинство животных не способны переваривать целлюлозу из-за отсутствия ферментов целлюлаз. Однако у жвачных животных (коровы, овцы) и некоторых насекомых (термиты, тараканы) в пищеварительном тракте обитают симбиотические микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу до глюкозы.

Экологические аспекты

Производство целлюлозы является одним из крупнейших источников загрязнения окружающей среды. Сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов содержат лигнин, хлорорганические соединения, сульфаты. В России действуют нормативы предельно допустимых сбросов (ПДС) для предприятий отрасли. В качестве альтернативы разрабатываются замкнутые циклы водопользования и биотехнологические методы делигнификации. Вторичная переработка макулатуры позволяет снизить потребление древесины на 30–50 %.

Источники

1. Пайен А. Исследование химического состава растений // Annales de Chimie et de Physique. — 1838.
2. Шёнбейн К. Ф. О получении нитроцеллюлозы // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. — 1846.
3. Кросс Ч. Ф., Беван Э. Дж. Вискозный процесс // Journal of the Society of Chemical Industry. — 1892.
4. Никитин Н. И. Химия древесины и целлюлозы. — М.: Лесная промышленность, 1978.
5. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина: химия, ультраструктура, реакции. — М.: Лесная промышленность, 1988.
6. Клёсов А. А. Ферментативный гидролиз целлюлозы // Биохимия. — 1990. — Т. 55, № 6.
7. Роговин З. А. Химия целлюлозы. — М.: Химия, 1972.
8. ГОСТ 2517-2012. Целлюлоза. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2013.
9. Кузьмина Л. В., Козлов В. А. Бактериальная целлюлоза: получение и свойства // Прикладная биохимия и микробиология. — 2015. — Т. 51, № 4.