سلولز چیست و از خواص و کاربردهای آن چه می دانید؟

سلولز ماده اصلی موجود در دیواره سلول های گیاهی و جلبک ها است و به گیاه در حفظ سفتی و استحکام کمک می کند. انسان نمی تواند سلولز را هضم کند ، اما وجود آن در رژیم غذایی به عنوان منبع فیبر مهم است. از این ترکیب برای تهیه لباس و کاغذ استفاده می شود.

سلولز  (C_۶H_۱۰O_۵) یک ترکیب آلی و فراوان ترین بیوپلیمر روی زمین است. این ترکیب یک کربوهیدرات یا پلی ساکارید پیچیده است که متشکل از صدها تا هزاران مولکول گلوکز است که بهم پیوسته و زنجیره  را تشکیل می دهد. در حالی که حیوانات سلولز تولید نمی کنند این ماده توسط گیاهان ، جلبک ها و برخی از باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها ساخته می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

ساختار سلولز

این ترکیب توسط شیمی دانان و زیست شناسان به عنوان یک کربوهیدرات پیچیده توصیف می شود. کربوهیدرات ها ترکیبات آلی تشکیل شده از کربن ، هیدروژن و اکسیژن هستند که به عنوان منابع انرژی موجودات زنده عمل می کنند. گیاهان قادرند کربوهیدرات هایی را که می سازند برای تولید انرژی و ساخت دیواره های سلولی مورد استفاده قرار دهند.

با توجه به تعداد زیادی اتم آنها ، انواع مختلفی از کربوهیدرات وجود دارد اما ساده ترین و رایج ترین آنها گلوکز است. گیاهان گلوکزی که با فتوسنتز تولید کرده اند را برای استفاده به عنوان انرژی به شکل نشاسته ذخیره می کنند. یک گیاه هنگامی که بسیاری از واحدهای ساده گلوکز را به هم پیوند می دهد و زنجیره های طولانی ایجاد می کند. گیاهان این زنجیره های طولانی که پلی ساکارید نامیده می شوند را برای ساخت دیواره های سلولی خودشان مورد استفاده قرار می دهند.

به دلیل همین زنجیره های طولانی است که سلولز نامحلول است یا به راحتی در آب حل نمی شود. این مولکول های طولانی همچنین به صورت یک شبکه متقاطع ساخته می شوند که به دیواره سلولی قدرت و شکل ببخشند.

بنابراین برخی از غذاهایی که گیاه هنگام تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی (فتوسنتز) تهیه می کند به عنوان سوخت استفاده می شود و بخشی از آن ذخیره می شود ، بقیه به سلولز تبدیل می شود که به عنوان ماده اصلی ساختاری برای گیاه عمل می کند. این ماده به عنوان یک ماده ساختاری ایده آل است زیرا الیاف آن به برگ ، ریشه و گیاه به گیاه مقاومت و استحکام می بخشد.

تاریخچه کشف سلولز

این پلی ساکارید در سال ۱۸۳۸ توسط شیمیدان فرانسوی Anselme Payen کشف شد ، وی آن را از مواد گیاهی جدا کرد و فرمول شیمیایی آن را تعیین کرد. سلولز برای تولید اولین پلیمر گرمانرم پلاستیکی موفق ، سلولوئید ، توسط شرکت تولیدی هایت در سال ۱۸۷۰ مورد استفاده قرار گرفت. تولید ریون (ابریشم مصنوعی) از آن  از دهه ۱۸۹۰ آغاز شد و سلفون در سال ۱۹۱۲ اختراع شد. در سال ۱۹۲۰  این ترکیب برای اولین بار در سال ۱۹۹۲ (بدون استفاده از هر آنزیم مشتق شده از نظر بیولوژیکی) توسط کوبایاشی و شودا ساخته شد.

ویژگی شیمیایی  – ساختاری سلولز

این ترکیب هیچ طعمی ندارد ، بدون بو است ، آب دوست است و دارای زاویه تماس ۲۰-۳۰ درجه است.  در آب و بیشتر حلال های آلی محلول نیست ، کایرال  و زیست تخریب پذیر است. نشان داده شد که در دمای ۴۶۷ درجه سانتی گراد ذوب می شود و با تیمار آن با اسیدهای معدنی غلیظ در دمای بالا می توان آن را از نظر شیمیایی به واحدهای گلوکز تقسیم کرد.

سلولز از واحدهای D – گلوکز مشتق می شود که از طریق پیوندهای β ۱ → ۴ –گلیکوزیدی متراکم می شوند. این موتیف  در تضاد با پیوندهای α  گلیکوزیدی موجود در نشاسته و گلیکوژن است. سلولز یک پلیمر با زنجیره مستقیم است. بر خلاف نشاسته ، هیچ پیچ یا شاخه ای در آن وجود ندارد.  گروههای هیدروکسیل متعدد موجود در گلوکز از یک زنجیره ، پیوندهای هیدروژنی با اتمهای اکسیژن در همان زنجیره یا همسایه تشکیل می دهند و زنجیرها را محکم در کنار هم نگه می دارند و میکروفییبل هایی با مقاومت کششی بالا تشکیل می دهند.

مقاومت کششی بالای ساقه های گیاه و چوب درخت نیز از آرایش الیاف سلولز ناشی می شود که در نهایت در ماتریس لیگنین توزیع می شود. نقش مکانیکی الیاف سلولز در ماتریس چوب را می توان تا حدی با میله های تقویت کننده در بتن مقایسه کرد.  لیگنین در اینجا نقش خمیر سیمان سخت شده را بازی می کند که به عنوان “چسب” در بین سلولز عمل می کند. خواص مکانیکی این الیاف در دیواره سلول اولیه گیاه با رشد و گسترش سلولهای گیاهی در ارتباط است.

الیاف پنبه خالص ترین شکل طبیعی سلولز را نشان می دهند که حاوی بیش از ۹۰٪  از این پلی ساکارید است. در مقایسه با نشاسته ، سلولز نیز بسیار کریستالی است. در حالی که نشاسته در صورت حرارت دادن بیش از ۶۰-۷۰ درجه سانتی گراد در آب (مانند پخت و پز) آمورف می شود،  سلولز برای از دست دادن شکل خود در آب به دمای ۳۲۰ درجه سانتی گراد و فشار ۲۵ مگاپاسکال نیاز دارد.

انواع سلولز

چندین نوع از این ترکیب  وجود دارد این اشکال با توجه به موقعیت پیوندهای هیدروژنی بین رشته ها و درون آنها تشخیص داده می شوند. سلولز طبیعی سلولز I است و دارای ساختارهای Iα و Iβ است. سلولز تولید شده توسط باکتری ها و جلبک ها به شکل Iα تشکیل می شود در حالی که سلولز گیاهان بالاتر عمدتا از Iβ  تشکیل شده است. این ترکیب در الیاف بازسازی شده سلولز II است. تبدیل سلولز I به  II برگشت ناپذیر است و این نشان می دهد که سلولز I قابل تغییر و  II پایدار است. با استفاده از انواع روش های شیمیایی تولید سلولز III و  IV امکان پذیر است.

بسیاری از خواص این ماده به طول زنجیره یا درجه پلیمریزاسیون آن و تعداد واحدهای گلوکز که یک مولکول پلیمر را تشکیل می دهند ، بستگی دارد. سلولز حاصل از خمیر چوب دارای زنجیره هایی با طول بین ۳۰۰ و ۱۷۰۰ واحد است. طول زنجیره پنبه و سایر الیاف گیاهی و همچنین نوع باکتریایی از ۸۰۰ تا ۱۰ هزار واحد است. مولکول هایی با طول زنجیره بسیار کوچک حاصل از تجزیه سلولز به عنوان سلولو دکسترین شناخته می شوند. در مقایسه با سلولز با زنجیره طولانی ، سلولودکسترین ها در آب و حلال های آلی محلول هستند.

سلولز گیاهی معمولاً در مخلوطی با همی سلولز ، لیگنین ، پکتین و سایر مواد یافت می شود ، در حالی که نوع باکتریایی کاملاً خالص است و به دلیل طول بیشتر زنجیره ها دارای محتوای آب بسیار بیشتر و مقاومت کششی بیشتری است.

همی سلولز چیست؟

همی سلولزها پلی ساکاریدی شبیه  سلولز هستند  که حدود ۲۰٪ زیست توده گیاهان زمینی را تشکیل می دهند. بر خلاف سلولز ، همی سلولز علاوه بر گلوکز ، از قندهای مختلف دیگری به ویژه گزیلوز و همچنین  مانوز ، گالاکتوز ، رامنوز و آرابینوز بدست می آید. همی سلولزها از زنجیره های کوتاه تری تشکیل شده است – بین ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ واحد قند. علاوه بر این  همی سلولزها منشعب می شوند  در حالی که سلولز شاخه ای نیست.

از کاربردهای سلولز چه می دانید؟

این ترکیب یکی از پرکاربردترین مواد طبیعی است و به یکی از مهمترین مواد اولیه تجاری تبدیل شده است. منابع عمده آن الیاف گیاهی (پنبه ، کنف ، کتان و جوت تقریباً همه سلولز هستند) و البته چوب (حدود ۴۲ درصد سلولز) است.  از آنجا که سلولز در آب نامحلول است ، به راحتی از سایر ترکیبات گیاه جدا می شود.

چینی ها در حدود ۱۰۰ سال بعد از میلاد از این ترکیب برای ساخت کاغذ استفاده کرده اند و هنوز هم از این پلی ساکارید برای تولید کاغذ استفاده می شود.

پنبه خام حاوی ۹۱ درصد سلولز است و سلولهای فیبر آن در سطح دانه پنبه یافت می شود. هزاران فیبر روی هر بذر وجود دارد و با رسیدن غلاف پنبه و باز شدن آن ، این سلولهای فیبر از بین می روند. از آنجا که این سلول ها در درجه اول سلولز هستند ، می توان آنها را تاب داد و نخ یا کاموایی را تولید کرد که برای تولید پارچه بافته می شود.

از آنجایی که این ماده به راحتی با بازها و اسیدهای قوی واکنش نشان می دهد ، اغلب از یک فرآیند شیمیایی برای تولید محصولات دیگر استفاده می شود. به عنوان مثال ، پارچه معروف به ریون و ورق های شفاف سلفون با استفاده از یک فرآیند چند مرحله ای ساخته می شود که شامل یک حمام اسیدی است.

در مخلوط هایی که اسید نیتریک و سولفوریک وجود دارد ، سلولز می تواند نوعی نیترات گانکوتون یا نیترات سلولز را ایجاد کند که برای مواد منفجره استفاده می شود. با این حال ، این ماده هنگامی که با کافور مخلوط می شود ، پلاستیکی را تولید می کند که به عنوان سلولوئید شناخته می شود و برای تولید فیلم عکاسی و فیلم برداری استفاده می شود.

به دلیل قابلیت اشتعال بالا این ترکیب در نهایت با مواد پلاستیکی جدیدتر و پایدارتر جایگزین شد. اگرچه سلولز هنوز یک منبع طبیعی مهم است ولی بسیاری از محصولاتی که از آن ساخته شده اند با استفاده از مواد دیگر آسان تر و ارزان تر تولید می شوند.

اهمیت سلولز در رژیم غذایی انسان

علی رغم این واقعیت که انسان (و بسیاری از حیوانات دیگر) نمی توانند این ماده را هضم کنند (به این معنی که دستگاه گوارش آنها نمی تواند آن را به مواد اصلی تجزیه کند ) ، با این حال سلولز یک بخش بسیار مهم از رژیم غذایی سالم انسان است. دلیل آن این است که قسمت عمده ای از فیبر غذایی را تشکیل می دهد که می دانیم برای هضم مناسب مهم است.

از آنجایی که ما نمی توانیم این ترکیب را تجزیه کنیم بدون تغییر از سیستم گوارش ما عبور می کند و فقط به تنظیم حرکت روده کمک می کند. در میان پستانداران ، فقط نشخوارکنندگان می توانند سلولز را پردازش کنند به این دلیل که آنها در دستگاه گوارش خود دارای باکتری ها و میکروارگانیسم های خاصی هستند که این کار را برای آنها انجام می دهند.  آنها قادر به تجزیه سلولز هستند و از قند آن به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند. قارچ ها همچنین قادر به تجزیه آن به قندی هستند که می توانند آن را جذب کنند و به همین دلیل  نقش عمده ای در تجزیه (پوسیدگی) چوب و سایر مواد گیاهی دارند.

کار سلولز چیست علوم هفتم

سلولز جزء ضروری دیواره های سلولی گیاه و فراوان ترین پلیمر زیستی روی زمین است. این یک پلی ساکارید مورفوژنیک است که پایداری دیواره سلولی گیاه را فراهم می کند و به عنوان ماده اولیه برای صنایع مختلف گیاهی عمل می کند. سلولز در غشای پلاسمایی توسط کمپلکس سنتاز سلولز (CSC) که متشکل از پروتئین‌های سلولز سنتاز (CesA) و سایر پروتئین‌های جانبی است، سنتز می ‌شود. CSC مسئول تولید میکروفیبریل های سلولزی است که می توانند ماکروفیبریل ها را با آرایش کنار هم تشکیل دهند. سلولز دیواره‌های سلولی گیاه را قادر می‌سازد تا شکل و استحکام سلولی خود را حفظ کنند. درک مکانیسم های بیوسنتز سلولز برای بهبود تولید چوب و توسعه گیاه مهم است. مهارکننده های بیوسنتز سلولز (CBIs) ابزار ارزشمندی برای مطالعه بیوسنتز سلولز هستند و همچنین می توانند به عنوان علف کش استفاده شوند. به طور کلی، سلولز نقش مهمی در ساختار گیاه، عملکرد و کاربردهای مختلف صنعتی دارد.

این ماده طبیعی که عمدتاً از خمیر چوب به دست می ‌آید، فراوان‌ترین پلیمر آلی روی زمین است. وقتی در مورد الیاف سلولزی صحبت می کنیم، به الیاف ساخته شده از سلولز اشاره می کنیم که طیف وسیعی از کاربردها در صنایع مختلف دارد. الیاف سلولزی در صنعت ساختمان، فیلتراسیون و صنایع راهسازی همه کاره هستند، سلولز چوب به عنوان یک ماده خام تجدیدپذیر است و محصولات حاصل از آن را پایدار می کند. این امر به ویژه در دنیای امروزی که نیاز مبرمی برای تغییر به سمت مواد طبیعی و پایدار وجود دارد، بسیار مهم است.

با افزودن این الیاف، چسبندگی این مواد شیمیایی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و مدیریت آنها را آسان تر می کند. با توجه به مزایای متعدد، الیاف سلولزی در طیف وسیعی از کاربردها در صنعت ساختمان استفاده می شود. از چسب‌های کاشی و گچ گرفته تا اپوکسی ‌ها و پرکننده ‌های مفصلی، این الیاف عملکرد این مواد را افزایش می ‌دهند و از قابل اعتماد و مؤثر بودن آنها اطمینان می‌ دهند.