سلولز

سِلولُز (به انگلیسی: Cellulose) یک ترکیب آلی با فرمول شیمیایی (C
۶H
۱۰O
۵)
n است. این ترکیب، یک پلی‌ساکارید متشکل از یک زنجیرهٔ خطی شامل صدها تا هزاران واحد دی-گلوکز است که با پیوند گلیکوزیدی به یکدیگر متصل هستند.^[3][4] سلولز یک جزء ساختاری مهم دیواره سلولی اولیهٔ گیاهان سبز، بسیاری از اشکال جلبک‌ها و آب‌کپک‌ها است. برخی از گونه‌های باکتری نیز سلولز را به‌منظور تشکیل بیوفیلم، ترشح می‌کنند.^[5] سلولز، فراوان‌ترین زیست بسپار روی زمین است.^[6] محتوای سلولز در پنبه، حدود ۹۰ درصد، در چوب بین ۴۰ تا ۵۰ درصد و در کنف خشک‌شده تقریباً ۵۷ درصد است.^[7][8][9]

سلولز[1]
شناساگرها
شماره ثبت سی‌ای‌اس	۹۰۰۴-۳۴-۶ Y
UNII	SMD1X3XO9M Y
EC-number	232-674-9
ChEMBL	CHEMBL۱۲۰۱۶۷۶ N
خصوصیات
فرمول مولکولی	(C 6H 10O 5) n
جرم مولی	162.1406 گرم بر مول به ازای هر واحد گلوکز
شکل ظاهری	پودر سفید
چگالی	1.5 گرم/سانتی‌متر مکعب
دمای ذوب	۲۶۰–۲۷۰ درجه سلسیوس؛ ۵۰۰–۵۱۸ درجه فارنهایت؛ ۵۳۳–۵۴۳ کلوین (تجزیه می‌شود)[2]
انحلال‌پذیری در آب	ندارد
خطرات
شاخص ئی‌یو	not listed
ترکیبات مرتبط
ترکیبات مرتبط	نشاسته
به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
N (بررسی) (چیست: Y/N؟)
Infobox references

نمایش سه‌بعدی مولکول سلولز

سلولز عمدتاً برای تولید مقوا و کاغذ استفاده می‌شود. این ماده همچنین به طیف گسترده‌ای از محصولاتی چون سلفون و ابریشم مصنوعی تبدیل می‌شود. تولید و عرضهٔ زیست‌سوخت‌هایی مانند اتانول سلولزی از سلولز به‌عنوان یک منبع سوخت تجدیدپذیر در حال توسعه است. سلولز برای مصارف صنعتی عمدتاً از خمیر کاغذ و پنبه با انجام یک سری از فرایندها، به‌دست می‌آید.^[10]

دستگاه گوارش انسان، قادر به هضم سلولز نیست، بنابراین باکتری‌های موجود در دستگاه گوارش واقع در روده بزرگ سلولز را به گلوکز تبدیل کرده و مصرف می‌کنند. برخی جانوران مثل نشخوارکننده‌ها و موریانه‌ها می‌توانند سلولز را به کمک میکروارگانیسم‌هایی چون تاژک‌پری‌ها که به‌صورت همزیست، در دستگاه گوارش آن‌ها زندگی می‌کنند، هضم کنند. این میکروارگانیسم‌ها با آزادکردن آنزیمهایی، سلولز را هضم می‌کنند.

در تغذیه انسان، سلولز یک ترکیب غیرقابل هضم و یک فیبر غذایی نامحلول است که به‌عنوان یک عامل افزایش حجم آب‌دوست در مدفوع عمل می‌کند و به‌طور بالقوه به دفع مدفوع و جلوگیری از یبوست، کمک می‌کند.

تاریخچه

سلولز در سال ۱۸۳۸ توسط شیمی‌دان فرانسوی آنسلم پین کشف شد که آن را از مواد گیاهی جدا کرد و فرمول شیمیایی آن را تعیین کرد.^[11][12][13] سلولز برای تولید نخستین پلیمر ترموپلاستیک موفق، سلولوئید، توسط شرکت تولیدی‌هایت در سال ۱۸۷۰ استفاده شد. تولید ابریشم مصنوعی از سلولز در دههٔ ۱۸۹۰ آغاز شد و سلفون در سال ۱۹۱۲ اختراع شد. هرمان اشتاودینگر، ساختار پلیمری سلولز را در سال ۱۹۲۰ تعیین کرد. این ترکیب برای نخستین بار در سال ۱۹۹۲ توسط کوبایاشی و شدا (بدون استفاده از آنزیم‌های بیولوژیکی) به‌صورت شیمیایی سنتز شد.^[14]

آرایش سلولز و سایر پلی‌ساکاریدها در دیواره سلولی گیاهی.

ویژگی‌ها

تصویر میکروسکوپی سلولز

سلولز طعم ندارد، بی‌بو و آب‌دوست با زاویه تماس ۲۰ تا ۳۰ درجه است.^[15] این ماده در آب و اکثر حلال‌های آلی نامحلول بوده و کایرال و زیست‌تخریب‌پذیر است. در پژوهشی در سال ۲۰۱۶، نشان داده شد که سلولز، در ۴۶۷ درجهٔ سانتی‌گراد، ذوب می‌شود.^[16] سلولز را می‌توان با استفاده از اسیدهای معدنی غلیظ در دمای بالا به زیرواحدهای گلوکز تجزیه کرد.^[17]

هر ۵ مولکول سلوبیوز با آرایش فضایی مکعبی، شکل، بلور سلولز را به وجود می‌آورند و از مجموعه بلورهای سلولز، رشته ابتدایی یا میسل سلولز تشکیل می‌شود. مجموعه میسل‌ها، میکروفیبریل سلولزی را به وجود می‌آورند که قطری حدود ۲۵ نانومتر دارد. از مجموع حدود ۲۰ میکروفیبریل، ماکروفیبریل سلولزی تشکیل می‌شود.

ابعاد

سلولز از واحدهایی با قطر ۳۵ آنگستروم تشکیل شده که آن‌ها را رشته‌های ابتدایی می‌نامند. این قطر اغلب درست است اما حتمی نیست؛ مثلاً در برخی نمونه‌ها مثل سلولز جلبک والونی ۳۰۰ آنگستروم و در ترکیبات موسیلاژی برخی میوه‌ها تنها ۱ آنگستروم است. به این ترتیب تصور حالت همگن برای رشته‌های ابتدایی سلولز، کنار گذاشته شد و اشکال مختلف (استوانه‌ای - منشوری با قاعده مربعی - روبان کم و بیش پهن) منظور گردید.

دو عامل در محدودیت ابعاد این واحدها دخالت دارد: یکی همی‌سلولزها که همانند پوششی، رشد جانبی رشته‌های سلولزی را محدود می‌کنند و دیگری آرایش یا سازمان‌یافتگی حاصل از مجموعه سلولز سنتتازی (آنزیم تولیدکننده سلولز) غشای سلولی که رشته‌های اولیهٔ سلولزی را می‌سازد. سلولز در برابر تیمارهای آنزیمی و شیمیایی پلیمریزاسیون مولکول‌های پیش‌ساز سلولز تشکیل می‌شود. پس از تشکیل مولکول‌های سلولز، تجمع آن‌ها به صورت بلورهای سلولز و رسیدن به حد میکروفیبرل‌ها و ماکروفیبریل‌های سلولزی بر پایهٔ پدیدهٔ خودآرایی با برقراری پیوندهای هیدروژنی بین‌مولکولی است. این تجمع، نیاز به آنزیم ندارد.

فرم‌های سلولز

به سه نوع دسته‌بندی شده‌اند:

• α - سلولز: این فرم از سلولز در محلول ۱۷٫۵ درصد از هیدروکسید سدیم در ۲۰ درجه سانتی‌گراد حل نمی‌شود.
• β - سلولز: β - سلولز در این محلول، حل شده اما به محض اسیدی کردن محلول ته‌نشین می‌شود.
• γ - سلولز: در محلول ۱۷٫۵ درصد هیدروکسید سدیم حل می‌شود اما با اسیدی شدن محلول ته‌نشین نمی‌شود.

تجزیهٔ سلولز

تجزیهٔ سلولز، به‌وسیلهٔ سلولازها انجام می‌شود. سلولازها را به دو گروه اگزوسلولازها و آندوسلولازها تقسیم‌بندی می‌کنند. اگزوسلولازها قدرت عمل بیشتری دارند و بر انواع مختلف سلولز چه سلولز بلوری و چه سلولز غیربلوری که در نتیجهٔ آسیب یا تخریب بخش‌های سلولزی بلوری ایجاد می‌شود اثر می‌کنند و در مرحلهٔ اول عمل خود، موجب گسستن پیوندهای بین‌مولکولی می‌شوند. آندوسلولازها بر محصول عمل اگزوسلولازها اثر می‌کنند و موجب گسستن پیوندهای درون‌مولکولی می‌گردند؛ بنابراین سلولازها اشتراک یا تعاون عمل دارند.

کاربردها

پنبه، با بیش از ۹۰ درصد محتوای سلولز، خالص‌ترین منبع طبیعی این پلی‌ساکارید است.

سلولز برای مصارف صنعتی عمدتاً از خمیر چوب و از پنبه به‌دست می‌آید.^[18]

• محصولات کاغذی: سلولز، مادهٔ اصلی تشکیل‌دهندهٔ کاغذ و مقوا است. سلولز همچنین در تولید کاغذهای عایق الکتریکی مورد استفاده است و در اَشکال مختلف در ترانسفورماتورها، کابل‌ها و سایر تجهیزات الکتریکی به‌عنوان عایق الکتریکی مورد استفاده است.^[19]
• الیاف: سلولز عنصر اصلی در تولید منسوجات است. این ماده در پنبه، نایلون، ابریشم مصنوعی، سلفون و سایر الیاف گیاهی، موجود است.
• محصولات مصرفی: سلولز میکروکریستالی (E460i) و سلولز پودری (E460ii) به‌عنوان پرکننده‌های غیرفعال در قرص‌ها استفاده می‌شوند.^[20] و طیف گسترده‌ای از مشتقات سلولز محلول، شماره E461 تا E469، به‌عنوان امولسیفایر، غلیظ‌کننده‌ها و تثبیت‌کننده‌های مواد غذایی استفاده می‌شوند. به‌عنوان مثال، پودر سلولز در پنیرهای فرآوری‌شده در داخل بسته استفاده می‌شود. سلولز به‌طور طبیعی در برخی از غذاها وجود دارد و یک افزودنی در غذاهای تولیدی است، که به یک جزء غیرقابل هضم برای ایجاد بافت و حجم مناسب محصول، کمک می‌کند و به‌طور بالقوه نیز به اجابت مزاج کمک می‌کند.^[21]
• مصالح ساختمانی: پیوند هیدروکسیل سلولز در آب، ماده‌ای قابل پاشیدن و قالب‌گیری را به‌عنوان جایگزینی برای استفاده از پلاستیک و رزین تولید می‌کند. این مادهٔ قابل بازیافت را می‌توان در برابر آب و آتش مقاوم کرد که استحکام کافی برای استفاده به‌عنوان مصالح ساختمانی را فراهم می‌کند.^[22] عایق سلولزی ساخته‌شده از کاغذهای بازیافتی به‌عنوان یک ماده ارجح از نظر زیست‌محیطی برای عایق‌بندی ساختمان مورد توجه قرار گرفته‌است. این ماده را می‌توان با استفاده از بوریک اسید، در برابر آتش، مقاوم کرد.
• سایر کاربردها: سلولز را می‌توان به صفحات نازک و شفاف سلفون تبدیل کرد. این ماده پایه سلولوئیدی است که تا اواسط دههٔ ۱۹۳۰ برای فیلم‌های عکاسی و تصویربرداری استفاده می‌شد. از سلولز برای تولید پیونده و چسب‌های محلول در آب مانند متیل سلولز و کربوکسی متیل سلولز استفاده می‌شود. از این دو ماده در تولید خمیر کاغذ دیواری استفاده می‌شود. از سلولز همچنین برای ساخت اسفنج‌های آب‌دوست و بسیار جاذب استفاده می‌شود. سلولز مادهٔ خام در ساخت نیتروسلولز (نیترات سلولز) است که در تولید باروت بی‌دود استفاده می‌شود.
• داروها: مشتقات سلولز مانند سلولز میکروکریستالی (MCC) دارای مزایایی چون حفظ آب، تثبیت‌کنندگی و غلیظ‌کنندگی بوده و در تولید قرص‌ها کاربرد دارند.^[23]

سلولز همچنین در آزمایشگاه به‌عنوان جزء عمل‌کنندهٔ فاز جامد در کروماتوگرافی لایه‌نازک، استفاده می‌شود.

جستارهای وابسته

• آنزلمه پیه

منابع

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. doi:10.1021/ja0257319. PMID 12149011. {{cite journal}}: More than one of |author2= و |last2= specified (help); More than one of |author3= و |last3= specified (help).
3. Crawford, R. L. (1981). Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-05743-7.
4. Updegraff D. M. (1969). "Semimicro determination of cellulose in biological materials". Analytical Biochemistry. 32 (3): 420–424. doi:10.1016/S0003-2697(69)80009-6. PMID 5361396.
5. Romeo, Tony (2008). Bacterial biofilms. Berlin: Springer. pp. 258–263. ISBN 978-3-540-75418-3.
6. Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). "Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material". Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358–3393. doi:10.1002/anie.200460587. PMID 15861454.
7. Cellulose. (2008).
8. Chemical Composition of Wood بایگانی‌شده در ۱۳ اکتبر ۲۰۱۸ توسط Wayback Machine.
9. Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011) Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes بایگانی‌شده در ۳ آوریل ۲۰۲۱ توسط Wayback Machine. nova-Institut GmbH, Hürth, Germany.
10. Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). "Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material". Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358–3393. doi:10.1002/anie.200460587. PMID 15861454.
11. Crawford, R. L. (1981). Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-05743-7.
12. 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.
13. Young, Raymond (1986). Cellulose structure modification and hydrolysis. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-82761-0.
14. 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.
15. Bishop, Charles A., ed. (2007). Vacuum deposition onto webs, films, and foils. p. 165. ISBN 978-0-8155-1535-7.
16. Dauenhauer, Paul; Krumm, Christoph; Pfaendtner, Jim (2016). "Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation". Chemistry of Materials. 28 (1): 0001. doi:10.1021/acs.chemmater.6b00580.
17. 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.
18. Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). "Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material". Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358–3393. doi:10.1002/anie.200460587. PMID 15861454.
19. Kohman, GT (July 1939). "Cellulose as an insulating material". Industrial and Engineering Chemistry. doi:10.1021/ie50355a005.
20. "Zeoform: The eco-friendly building material of the future?". Gizmag.com. 2013-08-30. Retrieved 2013-08-30.
21. Dhingra, D; Michael, M; Rajput, H; Patil, R. T. (2011). "Dietary fibre in foods: A review". Journal of Food Science and Technology. 49 (3): 255–266. doi:10.1007/s13197-011-0365-5. PMC 3614039. PMID 23729846.
22. "Zeoform: The eco-friendly building material of the future?". Gizmag.com. 2013-08-30. Retrieved 2013-08-30.
23. Thoorens, G; Krier, F; Leclercq, B; Carlin, B; Evrard, B (2014). "Microcrystalline cellulose, a direct compression binder in a quality by design environment--a review". International Journal of Pharmaceutics. 473 (1–2): 64–72. doi:10.1016/j.ijpharm.2014.06.055. PMID 24993785.