Was ist Cellulose? Fakten und Funktionen

Cellulose [(C.₆H.₁₀Ö₅)_n] ist ein organische Verbindung und am häufigsten Biopolymer auf der Erde. Es ist ein komplexes Kohlenhydrat oder Polysaccharid, bestehend aus Hunderten bis Tausenden von Glucose Moleküle, die zu einer Kette verbunden sind. Während Tiere keine Zellulose produzieren, wird sie von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien und anderen Mikroorganismen hergestellt. Cellulose ist das Hauptstrukturmolekül in der Zellwände von Pflanzen und Algen.

Die französische Chemikerin Anselme Payen entdeckte und isolierte 1838 Cellulose. Payen bestimmte auch die chemische Formel. 1870 wurde das erste thermoplastische Polymer, Celluloid, von der Hyatt Manufacturing Company unter Verwendung von Cellulose hergestellt. Von dort wurde Cellulose in den 1890er Jahren und zur Herstellung von Rayon verwendet Cellophan im Jahr 1912. Hermann Staudinger bestimmte 1920 die chemische Struktur von Cellulose. 1992 synthetisierten Kobayashi und Shoda Cellulose ohne Verwendung biologischer Enzyme.

Cellulose bildet sich über β (1 → 4) -glycosidische Bindungen zwischen D-Glucoseeinheiten. Im Gegensatz dazu bilden sich Stärke und Glykogen durch α (1 → 4) -glycosidische Bindungen zwischen Glucosemolekülen. Die Bindungen in Cellulose machen es zu einem geradkettigen Polymer. Die Hydroxylgruppen an den Glucosemolekülen bilden Wasserstoffbrücken mit Sauerstoffatomen, halten die Ketten an Ort und Stelle und verleihen den Fasern eine hohe Zugfestigkeit. In Pflanzenzellwänden verbinden sich mehrere Ketten zu Mikrofibrillen.

Reine Cellulose ist geruchlos, geschmacksneutral, hydrophil, wasserunlöslich und biologisch abbaubar. Es hat einen Schmelzpunkt von 467 Grad Celsius und kann durch Säurebehandlung bei hoher Temperatur zu Glucose abgebaut werden.

Cellulose ist ein Strukturprotein in Pflanzen und Algen. Cellulosefasern sind in eine Polysaccharidmatrix eingebunden, um die Zellwände der Pflanzen zu stützen. Pflanzenstängel und Holz werden von Cellulosefasern getragen, die in einer Ligninmatrix verteilt sind, wobei die Cellulose wie Verstärkungsstäbe und das Lignin wie Beton wirkt. Die reinste natürliche Form von Cellulose ist Baumwolle, die zu über 90% aus Cellulose besteht. Holz besteht dagegen zu 40-50% aus Zellulose.

Einige Arten von Bakterien scheiden Cellulose aus, um Biofilme zu produzieren. Die Biofilme bieten eine Anhaftungsfläche für die Mikroorganismen und ermöglichen ihnen, sich in Kolonien zu organisieren.

Während Tiere keine Cellulose produzieren können, ist dies wichtig für ihr Überleben. Einige Insekten verwenden Zellulose als Baumaterial und Nahrung. Wiederkäuer verwenden symbiotische Mikroorganismen, um Cellulose zu verdauen. Der Mensch kann Zellulose nicht verdauen, aber sie ist die Hauptquelle für unlösliche Ballaststoffe, die die Nährstoffaufnahme beeinflussen und den Stuhlgang unterstützen.

Es gibt viele wichtige Cellulosederivate. Viele dieser Polymere sind biologisch abbaubar und erneuerbare Ressourcen. Von Cellulose abgeleitete Verbindungen neigen dazu, nicht toxisch und nicht allergen zu sein. Cellulosederivate umfassen:

• Zelluloid
• Cellophan
• Rayon
• Celluloseacetat
• Cellulosetriacetat
• Nitrocellulose
• Methylcellulose
• Cellulosesulfat
• Ethulose
• Ethylhydroxyethylcellulose
• Hydroxypropylmethylcellulose
• Carboxymethylcellulose (Cellulosegummi)

Die hauptsächliche kommerzielle Verwendung für Cellulose ist die Papierherstellung, bei der das Kraftverfahren verwendet wird, um Cellulose von Lignin zu trennen. Cellulosefasern werden in der Textilindustrie eingesetzt. Baumwolle, Leinen und andere Naturfasern können direkt verwendet oder zu Rayon verarbeitet werden. Mikrokristalline Cellulose und pulverisierte Cellulose werden als Arzneimittelfüllstoffe und als Lebensmittelverdicker, Emulgatoren und Stabilisatoren verwendet. Wissenschaftler verwenden Cellulose in der Flüssigkeitsfiltration und Dünnschichtchromatographie. Zellulose wird als Baumaterial und elektrischer Isolator verwendet. Es wird in alltäglichen Haushaltsmaterialien wie Kaffeefiltern, Schwämmen, Klebstoffen, Augentropfen, Abführmitteln und Filmen verwendet. Während Zellulose aus Pflanzen schon immer ein wichtiger Brennstoff war, kann Zellulose aus tierischen Abfällen auch zu Butanol verarbeitet werden Biotreibstoff.

• Dhingra, D; Michael, M; Rajput, H; Patil, R. T. (2011). "Ballaststoffe in Lebensmitteln: Eine Überprüfung." Journal of Food Science and Technology. 49 (3): 255–266. doi:10.1007 / s13197-011-0365-5
• Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas (2005). "Cellulose: Faszinierendes Biopolymer und nachhaltiger Rohstoff." Angew. Chem. Int. Ed. 44 (22): 3358–93. doi:10.1002 / anie.200460587
• Mettler, Matthew S.; Mushrif, Samir H.; Paulsen, Alex D.; Javadekar, Ashay D.; Vlachos, Dionisios G.; Dauenhauer, Paul J. (2012). "Aufschlussreiche Pyrolysechemie für die Herstellung von Biokraftstoffen: Umwandlung von Cellulose in Furane und kleine Oxygenate." Energieumwelt Sci. 5: 5414–5424. doi:10.1039 / C1EE02743C
• Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri (2002). "Kristallstruktur und Wasserstoffbindungssystem in Cellulose Iβ durch Synchrotron-Röntgen- und Neutronenfaserbeugung." J. J. Am. Chem. Soc. 124 (31): 9074–82. doi:10.1021 / ja0257319
• Stenius, Per (2000). Chemie der Forstprodukte. Wissenschaft und Technologie der Papierherstellung. Vol. 3. Finnland: Fapet OY. ISBN 978-952-5216-03-5.