纤维素
此条目介绍的是一类生物多糖。关于概念上的营养成分，请见“膳食纤维”。纤维素（cellulose）是一类有机化合物，其化学通式为(C
6H
10O
5)
n，是由几百至几千个β(1→4)连接的D-葡萄糖单元的线性链（糖苷键）组成的多糖[2][3]。纤维素是绿色植物的、许多形式的藻类和卵菌的原代细胞壁的重要结构组分；一些种类的细菌分泌它以形成生物膜[4]。纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、苎麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。棉花纤维中的纤维素含量是90%，木头中纤维素含量是40%-50%，干燥的麻中纤维素含量是57%[5][6][7][8]。
| 纤维素[1] | |
|---|---|
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| 识别 | |
| CAS号 | 9004-34-6 
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| ChemSpider | NA |
| EC编号 | 232-674-9 |
| 性质 | |
| 化学式 | (C 6H 10O 5) n |
| 外观 | 白色粉末 |
| 密度 | 1.5 g/cm3 |
| 熔点 | 分解 |
| 溶解性（水） | 无 |
| 危险性 | |
| 欧盟编号 | not listed |
| NFPA 704 |
 1
1
0
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| 相关物质 | |
| 相关化学品 | 淀粉 |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
天然纤维素为无味的白色丝状物。纤维素不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂，但在加热的条件下会被酸水解，主要的生物学功能是构成植物的支持组织。
纤维素的详细说明
编辑纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分之一。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40~50%，还有10~30%的半纤维素和20~30%的木质素。此外，麻、麦秆、稻甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是重要的造纸原料。此外，以纤维素为原料的产品也广泛用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。食物中的纤维素（即膳食纤维）对人体的健康也有着重要的作用。
纤维素的性质
编辑
纤维素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键组成的大分子多糖，分子量约50,000~2,500,000，相当于300~15,000个葡萄糖基。分子式可写作(C6H10O5)n，是维管束植物、地植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。醋酸菌的荚膜，以及尾索动物亚门的被囊中也发现有纤维素的存在，棉的种子毛是高纯度（98%）的纤维素。所谓α-纤维素这一名称系指从原来细胞壁的完全纤维素标准样品用17.5%氢氧化钠（NaOH）不能提取的部分。β-纤维素、γ-纤维素是相应于半纤维素的纤维素。其中，α-纤维素通常是由结晶性纤维素所构成,而β-纤维素,γ-纤维素在化学上除含有纤维素以外，还含有各种多糖类。细胞壁的纤维素形成微纤维。宽度为10~30毫微米，长度有的达数微米。应用X线(X光)衍射和负染色法，根据电子显微镜观察，链状分子平行排列的结晶性部分组成宽为3~4毫微米的基本微纤维。推测这些基本微纤维集合起来就构成了微纤维。纤维素能溶于施魏策尔试剂（Schweizer's reagent，将氢氧化铜溶解于浓氨水中而制得）或浓硫酸。虽然不易用酸水解，但是稀酸或纤维素酶可使纤维素生成D-葡萄糖、纤维二糖和寡糖。在醋酸菌中有从UDP葡萄糖引子转移糖苷合成纤维素的酶（cellulose synthase，EC2.4.1.12）。在高等植物中已得到具有同样活性的颗粒性酶的标准样品。此酶通常是利用GDP葡萄糖（cellulose synthase，EC2.4.1.29），在由UDP葡萄糖转移的情况下，发生β-1,3-键的混合。微纤维的形成场所和控制纤维素排列的机制还不太明了。另一方面就纤维素的分解而言，估计在初生细胞壁伸展生长时，微纤维的一部分由于纤维素酶的作用而被分解，成为可溶性。
纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于施魏策尔试剂 Cu(NH3)4(OH)2 和铜乙二胺 (NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2 溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约150℃时不发生显著变化，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等，与较浓的苛性钠溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。
纤维素的来源
编辑纤维素的实验室制法是先用水、有机溶剂处理植物原料，再用氯、亚氯酸盐、二氧化氯、过乙酸去除其中所含的木质素，得到纤维素和半纤维素，然后采用各种方法除去半纤维素，制得纯纤维素。工业制法是用亚硫酸盐溶液或碱溶液蒸煮植物原料，除去木质素，然后经过漂白进一步除去残留木质素，所得漂白浆可用于造纸。
纤维素的作用
编辑全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达800万吨。此外，用分离纯化的纤维素做原料，可以制造人造丝，赛璐玢以及硝酸纤维素、醋酸纤维素等酯类衍生物和甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素等醚类衍生物，用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。纤维素有良好的声学性能，用于制造乐器，如钢琴，提琴。人类膳食中的纤维素主要含于蔬菜和粗加工的谷类中，虽然不能被消化吸收，但有促进肠道蠕动，利于粪便排出等功能。草食动物则依赖其消化道中的共生微生物将纤维素分解，从而得以吸收利用。
纤维素的鉴别
编辑纤维素燃烧无味，生成黑烟，用此法可鉴别人造丝和真丝（蛋白质，燃烧有烧焦羽毛气味）。
应用
编辑
用于工业用途的纤维素主要是来自木浆和棉花[9]。硫酸盐制浆法工艺用于从木质素中分离纤维素，木质素是植物物质的另一个重要组成部分。
纸制品
编辑纤维
编辑纤维素是棉、麻和纤维植物制成纺织品的主要成分；其可以变成嫘萦（Rayon，即人造丝），一种20世纪初就开始使用于纺织品的重要纤维。
参考
编辑- ^ Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri. Crystal Structure and Hydrogen-Bonding System in Cellulose Iβ from Synchrotron X-ray and Neutron Fiber Diffraction. J. Am. Chem. Soc.. 2002, 124 (31): 9074–82. PMID 12149011. doi:10.1021/ja0257319.
- ^ Crawford, R. L. Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons. 1981. ISBN 0-471-05743-6.
- ^ Updegraff DM. Semimicro determination of cellulose in biological materials. Analytical Biochemistry. 1969, 32 (3): 420–424. PMID 5361396. doi:10.1016/S0003-2697(69)80009-6.
- ^ Romeo, Tony. Bacterial biofilms. Berlin: Springer. 2008: 258–263. ISBN 978-3-540-75418-3.
- ^ Cellulose. (2008). In Encyclopædia Britannica. Retrieved January 11, 2008, from Encyclopædia Britannica Online.
- ^ Chemical Composition of Wood （页面存档备份，存于互联网档案馆）. ipst.gatech.edu.
- ^ Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011) Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes （页面存档备份，存于互联网档案馆）. nova-Institut GmbH, Hürth, Germany.
- ^ Journal of Bioresources and Bioproducts. (2023). Hongwei Ma, Zhiyong Cheng, Xiaobai Li, Bin Li, Yujie Fu, Jianchun Jiang, Advances and challenges of cellulose functional materials in sensors,
- ^ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. ChemInform. 6 September 2005, 36 (36). doi:10.1002/chin.200536238.
参见
编辑- 羟丙基纤维素(Hydroxypropyl cellulose (HPC))
- 羧基乙烯基-羧膦酸盐磷酸化酶(Carboxyvinyl-carboxyphosphonate phosphorylmutase)