Cellulose là một trong những chất hữu cơ được sử dụng phổ biến trong đời sống và trong sản xuất công nghiệp. Vậy xenlulozơ là gì? Công thức cấu tạo? Xellulose được tìm thấy ở đâu?
Xellulose là gì?
Cellulose [(C 6 H 10 O 5 ) n ] là một hợp chất hữu cơ và là chất polyme sinh học phổ biến nhất trên Trái đất. Nó là một carbohydrate hoặc polysaccharide phức tạp được tạo thành từ hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn phân tử glucose, liên kết với nhau tạo thành chuỗi. Mặc dù động vật không sản xuất ra cellulose nhưng nó được tạo ra bởi thực vật, tảo, một số vi khuẩn và vi sinh vật khác. Cellulose là phân tử cấu trúc chính trong thành tế bào của thực vật và tảo.
Nhà hóa học người Pháp Anselme Payen đã phát hiện và phân lập được xenluloza vào năm 1838. Payen cũng xác định được công thức hóa học. Năm 1870, polyme nhiệt dẻo đầu tiên, celluloid, được Công ty sản xuất Hyatt sản xuất từ xenlulo. Kể từ đó, cellulose được sử dụng để sản xuất rayon vào những năm 1890 và giấy bóng kính vào năm 1912. Hermann Staudinger đã xác định cấu trúc hóa học của cellulose vào năm 1920. Năm 1992, Kobayashi và Shoda đã tổng hợp được cellulose mà không sử dụng bất kỳ enzyme sinh học nào.
Cấu trúc và tính chất hóa học?
Cellulose được hình thành bởi liên kết β(1 → 4)-glycosid giữa các đơn vị D-glucose. Ngược lại, tinh bột và glycogen được hình thành bởi liên kết α(1 → 4)-glycosid giữa các phân tử glucose. Các liên kết của xenlulo làm cho nó trở thành một chuỗi polyme thẳng. Các nhóm hydroxyl trên phân tử glucose hình thành liên kết hydro với các nguyên tử oxy, giữ các chuỗi cố định và tạo cho sợi có độ bền kéo cao. Trong thành tế bào thực vật có nhiều chuỗi liên kết với nhau tạo thành các vi sợi.
Cellulose nguyên chất không mùi, không vị, ưa nước, không tan trong nước và có khả năng phân hủy sinh học. Nó có nhiệt độ nóng chảy 467 độ C và có thể phân hủy thành glucose bằng cách xử lý axit ở nhiệt độ cao.
Các dẫn xuất quan trọng
Có nhiều dẫn xuất cellulose quan trọng. Nhiều polyme trong số này có khả năng phân hủy sinh học và là nguồn tái tạo. Các hợp chất có nguồn gốc từ cellulose có xu hướng không độc hại và không gây dị ứng. Các dẫn xuất cellulose bao gồm:
– Celluloid
– Giấy bóng kính
– Tơ nhân tạo
– Cellulose acetate
– Xellulose triaxetat
– Nitrocellulose
– Metyl xenluloza
– Xellulose sunfat
– Ethulose
– Ethylhydroxyethylcellulose
– Hydroxypropyl metyl xenluloza
– Carboxymethylcellulose (gôm xenlulo)
Chức năng của xenlulo
Cellulose là protein cấu trúc của thực vật và tảo. Sợi cellulose được bọc trong ma trận polysaccharide để hỗ trợ thành tế bào thực vật. Thân cây và gỗ được hỗ trợ bởi các sợi xenlulo phân bố trong ma trận lignin, trong đó xenlulo đóng vai trò như thép cây và lignin đóng vai trò như bê tông. Dạng cellulose tự nhiên tinh khiết nhất là bông, chứa trên 90% cellulose. Mặt khác, gỗ được tạo thành từ 40 đến 50% cellulose.
Một số vi khuẩn tiết ra cellulose để tạo thành màng sinh học. Màng sinh học cung cấp bề mặt gắn kết cho vi sinh vật và cho phép chúng tự tổ chức thành các khuẩn lạc.
Mặc dù động vật không thể sản xuất cellulose nhưng nó rất quan trọng cho sự sống còn của chúng. Một số côn trùng sử dụng cellulose làm vật liệu xây dựng và làm thức ăn. Động vật nhai lại sử dụng vi sinh vật cộng sinh để tiêu hóa cellulose. Con người không thể tiêu hóa được cellulose nhưng nó lại là nguồn cung cấp chất xơ không hòa tan chính, ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng và giúp nhu động ruột dễ dàng hơn.
Xellulose được tìm thấy ở đâu và được sử dụng như thế nào?
Xellulose được tìm thấy ở đâu?
Cellulose là thành phần quan trọng có trong thành tế bào của thực vật xanh, tảo và oomycetes. Nó cũng được tiết ra bởi một số vi khuẩn để tạo thành màng sinh học.
Cellulose được sản xuất tự nhiên bởi các dạng sinh vật khác ngoài thực vật. Nó được sản xuất bởi một số vi khuẩn, động vật nguyên sinh, tảo và động vật (ví dụ như động vật giáp xác). Vi khuẩn lam được cho là sinh vật đầu tiên sản xuất ra cellulose.
Ở thực vật bậc cao, cellulose được sản xuất bên ngoài tế bào, cụ thể là trong ma trận ngoại bào hoặc thành tế bào. Nó được tổng hợp bởi một cấu trúc protein gọi là phức hợp đầu cuối dấu hoa thị nổi trên màng sinh chất. Phức hợp này chứa các enzyme tổng hợp cellulose, tham gia vào quá trình tổng hợp chuỗi xenlulo.
Con đường sinh tổng hợp cellulose sử dụng glucose làm tiền chất. Các giai đoạn khác nhau của cuộc hành trình được trình bày dưới đây:
(1) Glucose → Glucose 6-phosphate (bởi hexokinase)
(2) Glucose 6-phosphate → Glucose 1-phosphate (bởi phosphoglucomutase)
(3) Glucose 1-phosphate → UDP-glucose (bởi UDP glucose pyrophosphorylase)
(4) UDP-glucose → Chuỗi Glucan (bởi Cellulozo synthase)
(5) Chuỗi glucan → Kết tinh cellulose (quá trình kết tinh)
Các chuỗi cellulose được sắp xếp giống như những “dây cáp” được gắn vào một ma trận. Ngược lại, chất nền chứa nhiều loại glycoprotein và các polysaccharide khác. Ở vi khuẩn, cellulose được sản xuất như một thành phần của màng sinh học. Màng sinh học là một cộng đồng vi sinh vật được ổn định bởi ma trận ngoại bào gồm các polysaccharide, protein và axit nucleic.
Sử dụng thương mại
Ứng dụng thương mại chính của cellulose là trong sản xuất giấy, trong đó quy trình kraft được sử dụng để tách cellulose khỏi lignin. Sợi cellulose được sử dụng trong ngành dệt may. Bông, vải lanh và các loại sợi tự nhiên khác có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được xử lý để tạo ra tơ nhân tạo. Cellulose vi tinh thể và cellulose dạng bột được sử dụng làm chất độn thuốc và làm chất làm đặc, chất nhũ hóa và chất ổn định thực phẩm. Các nhà khoa học sử dụng cellulose trong lọc chất lỏng và sắc ký lớp mỏng. Cellulose được sử dụng làm vật liệu xây dựng và chất cách điện. Nó được sử dụng trong các sản phẩm gia dụng hàng ngày như bộ lọc cà phê, bọt biển, keo dán, thuốc nhỏ mắt, thuốc nhuận tràng và màng. Trong khi cellulose từ thực vật luôn là nhiên liệu quan trọng thì cellulose từ chất thải động vật cũng có thể được xử lý để tạo ra nhiên liệu sinh học butanol.
Tiêu hóa Xenlulozo ở động vật và con người
Với các loài động vật:
Mối có mastigophores (vi khuẩn) trong ruột của chúng dẫn đến quá trình tiêu hóa cellulose. Ngược lại, động vật ăn cỏ là động vật nhai lại. Chúng có các ngăn khác nhau trong dạ dày để thực hiện quá trình tiêu hóa.
Dạ cỏ là ngăn đầu tiên nơi thức ăn ăn vào có chứa cellulose được lưu trữ tạm thời và sau đó được nhai lại để nhai. Chúng có khả năng tiêu hóa cellulose nhờ sự hiện diện của vi khuẩn và enzyme trong dạ cỏ, nơi diễn ra quá trình tiêu hóa của vi khuẩn kỵ khí. Sản phẩm phụ của quá trình tiêu hóa này giải phóng khí mê-tan có mùi hôi và gây ra sự phá hủy tầng ozone của trái đất.
Với con người:
Cellulose là một loại chất xơ mà hệ tiêu hóa của con người không thể tiêu hóa được. Tuy nhiên, nó góp phần vào hoạt động đúng đắn của đường ruột.
Sự hiện diện của liên kết beta-acetal trong cellulose giúp phân biệt nó với tinh bột và có tính chất quyết định khả năng tiêu hóa của nó. Con người không có enzyme cần thiết để phá vỡ liên kết. Ngoài ra, nó tạo thành một phần quan trọng trong chế độ ăn uống của con người từ thực phẩm thực vật.
Trái cây và rau quả chứa cellulose với số lượng nhỏ, dễ tiêu hóa. Chất xơ chứa cellulose hoạt động giống như thức ăn thô, bổ sung khối lượng lớn vào thức ăn và giúp thức ăn di chuyển trơn tru, hiệu quả và nhanh hơn nhiều. Chế độ ăn nhiều chất xơ giúp giảm nguy cơ ung thư ruột kết vì chất xơ giúp giảm thời gian phân lưu lại trong thành ruột kết.
Vì nó không hòa tan trong nước nên nó liên kết với các thành phần khác để tăng thêm khối lượng và tạo điều kiện cho việc di chuyển qua ruột bằng cách làm cho việc đi tiêu trở nên dễ dàng hơn. Tiêu thụ thực phẩm không có xenlulo trong thời gian dài sẽ làm suy yếu ruột và dẫn đến táo bón.
Những chất xơ này thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn đường ruột ăn đường và chất xơ. Chúng duy trì sức khỏe đường ruột và kiểm soát vi khuẩn gây bệnh. Chất xơ cũng ngăn ngừa tăng cân và tạo điều kiện giảm cân.
Thông tin chi tiết về chitin:
Cellulose là loại polysaccharide tự nhiên phong phú nhất, tiếp theo là chitin. Cellulose tương tự như chitin ở chỗ nó là một polysaccharide có các monome được liên kết với nhau bằng liên kết glycosid β(1 → 4). Sự khác biệt của chúng nằm ở thành phần monosacarit: cellulose được cấu tạo từ D-glucose trong khi chitin là polyme của các monome N-acetyl-D-glucosamine. Chitin có một nhóm acetylamine thay vì một nhóm hydroxyl trên mỗi monome. Điều này cho phép nhiều khả năng liên kết hydro hơn giữa các polyme chitin. Vì vậy, so với cellulose, chitin là một loại polysaccharide cứng hơn, ổn định hơn khi kết hợp với canxi cacbonat trong vật liệu composite.
