纤维素：地球上最丰富的有机化合物

纤维素：地球上最丰富的有机化合物

纤维素是地球上最丰富的有机化合物，广泛存在于植物、藻类和某些细菌中。它不仅是植物细胞壁的重要组成部分，还在造纸、纺织、医药等多个领域有着广泛的应用。本文将详细介绍纤维素的定义、历史、结构特点、加工方法、衍生品及其应用。

什么是纤维素

纤维素（英语：Cellulose）是一种晶格状多糖，由数百至数千个D-葡萄糖单元通过β（1→4）糖苷键连接形成线性链。其化学式为（C6H10O5)n。纤维素是绿色植物、各种形式的藻类和卵菌的初级细胞壁的重要结构成分。某些类型的细菌分泌丝形成微生物膜。纤维素是地球上最丰富的物质。它是一种有机物质，植物每年产生约10公斤纤维素，其中红参（麻）含量约为57%。

纤维素主要用于制造纸板和纸张。即使少量也可转化为各种衍生物，例如玻璃纸和人造丝。它正在作为一种来源进行开发。工业纺织品主要从木浆和棉纤维中获得。

一些动物，尤其是反刍动物和白蚁，能够在肠道共生微生物（例如毛毛虫属细菌）的帮助下消化纤维素。它充当消化的亲水填充剂，并可能有助于排便。它以机械方式刺激消化道内壁分泌润滑剂以帮助通过。具有这种作用的纤维也称为纤维蛋白。

纤维素历史

纤维素于1838年由法国化学家Anselme Payen发现，他从植物中分离出纤维素并确定了其化学式。1870年，凯悦制造公司开始用纤维素生产人造丝（人造丝线）。1890年代发明了玻璃纸，1912年确定了其结构。1992年，小林史郎和正田真一郎以化学方法合成了纤维素（不使用生物酶）。

纤维素结构与特点

纤维素无味、无臭、亲水，接触角为20-30度，不溶于水和大多数有机溶剂，具有手性和可生物降解性。2016年发现纤维素在467°C熔化。纤维素可以化学分解成葡萄糖单元，通过在高温下用浓无机酸处理。

纤维素具有线性结构，其中β-D-葡萄糖的第1个碳（C-1）和第4个碳（C-4）通过β（1→4）糖苷键连接，葡萄糖单元交替倒置。这种结合基序与淀粉和糖原中存在的α(1→4)糖苷键形成对比。这种结构允许平行的纤维素分子形成相邻的碳3 (C-3) 和6。碳的羟基之间形成氢键(C-6)以直链形式存在。这些纤维素分子的约80条直链聚集在一起形成微纤维，这是生物体中的功能单位。葡萄糖是直链聚合物。与淀粉不同，它不会扭曲或支化，分子采用相当坚硬的棒状构象，通过葡萄糖部分赤道面的构象拉长。链中的葡萄糖 链中的几个羟基与同一链或相邻链中的氧原子形成氢键，并排锚定链，形成具有高拉伸强度的微纤维。它为互锁的细胞壁提供拉伸强度。细纤维的长度和宽度根据植物类型而变化。陆地植物的宽度为 2 至 5 nm ，而藻类则达到20纳米，比陆地植物还要大，结构更加有序。

与淀粉相比，纤维素的结晶性要高得多。当在水中加热到60-70°C以上（例如在烹饪中）时，淀粉会从结晶变成无定形，而纤维素在水中从320°C变成无定形。需要25MPa的压力。

纤维素已知有几种不同的晶体结构，这取决于纤维素之间和内部氢键的位置。长纤维富含Iα，高等植物的长纤维主要由Iβ组成。再生纤维素纤维的长纤维是纤维素II，纤维素I向纤维素II的转变是不可逆的，这是亚稳态的，说明纤维素II是稳定的，各种化学处理可以产生纤维素III和纤维素IV结构。

纤维素的许多性能取决于纤维素链的长度或聚合度以及构成一个聚合物分子的葡萄糖单元的数量。木浆纤维素的链长为 300 至 1,700 个葡萄糖单元，植物纤维、细菌纤维素的链长由800至10,000个葡萄糖单位组成。由于纤维素的分解而具有非常短链长的分子被称为纤维糊精。与长链纤维素不同，纤维糊精通常可溶于水和有机溶剂。

纤维素含有44.44%碳、6.17%氢、49.39%氧，玻璃纤维的化学式为(C6H10O5)n，其中n为聚合度，代表葡萄糖残基数。

源自植物的纺织品通常是半纤维素、木质素、果胶等物质的混合物，而细菌纤维素的纯度要高得多，水分含量更高，链长更长，拉伸强度更大。

纤维素溶于Schweitzer试剂、乙二胺铜（CED）、乙二胺镉（Cadoxen）、N-甲基吗啉N-氧化物、氯化锂/二甲基乙酰胺。用于从纸浆中生产再生纤维素（如粘胶和玻璃纸）。纤维素也可溶解。在许多类型的离子液体中。

纤维素由结晶区和非晶区组成，通过强酸处理，非晶区可以分解，从而产生了一种新材料——纳米纤维素，它具有许多理想的性能。最近，纳米纤维素已被用作填料在生物基聚合物基质中形成一层，以形成具有优异热性能和机械性能的纳米复合材料。

纤维素加工

分析

考虑到含纤维素的物质，碳水化合物中在20℃时不溶于17.5%氢氧化钠溶液的部分是α-纤维素，是真正的纤维素。溶解但不作为酸沉淀的部分是γ-纤维素。

纤维素可以使用 Updegraff 在 1969 年描述的方法进行分析，其中将纤维素溶解在乙酸和硝酸中以去除木质素、半纤维素和木酸。它可以与蒽发生反应。生成的有色化合物在分光光度法下进行分析波长约635nm。

另外，纤维素表现为酸性洗涤剂纤维和酸性洗涤剂木质素之间的差异。

发光共轭低聚噻吩还可用于使用荧光显微镜或荧光测定法检测纤维素。

生物合成的纤维素

在植物中，纤维素是通过玫瑰花末端复合物 (RTC) 在细胞膜中合成的。玫瑰花末端复合物是直径约 25 nm 的六聚体蛋白质结构，其中含有合成单个纤维素链的纤维素合酶。每个玫瑰花末端复合物漂浮在细胞膜上并旋转微纤维进入细胞壁。

玫瑰花结末端复合体含有至少三种不同的纤维素生成酶，由 CesA 基因以未知的化学计量表达。不同组的 CesA 基因参与初生细胞壁和次生细胞壁的生物合成。CesA 超家族（大约有该超家族中有 7 个已知亚家族。纤维素生成酶使用 UDP-葡萄糖生成通过 β(1→4) 糖苷键连接的纤维素链。

纤维素合成需要链引发和伸长，这两个过程是不同的。CesAglucosyltransferase是类固醇引物，β-谷甾醇-β-葡萄糖苷，UDP-葡萄糖用于引发纤维素聚合。纤维素酶使用UDP-葡萄糖前体来延长生长中的纤维素酶具有从成熟链上切割引物的功能。

纤维素是由被囊动物合成的，特别是海草类（纤维素历史上被称为“被囊动物”）。

分解（酶促整体分解）

纤维素的分解是将纤维素水解成称为纤维糊精的小多糖或完全水解成葡萄糖单元的反应。与消化相比，该反应相对费力。但是，在合适的溶剂（例如离子液体）中可以大大增强该过程。

大多数哺乳动物消化纤维素等膳食纤维的能力有限。一些反刍动物，如牛和羊，其瘤胃中含有共生厌氧细菌（如纤维单胞菌），它会产生一种称为纤维素酶的酶，可以分解纤维素。反刍动物的分解产物被细菌用来繁殖。细菌团随后在反刍动物的消化系统（胃和小肠）中被消化。为此，他们使用纤维素作为食物，通过产生纤维素酶在后肠中发酵。同样，一些白蚁含有某些在后肠中产生纤维素酶的鞭毛原生动物，而其他白蚁可能含有细菌或产生纤维素酶。

用于分解纤维素中糖苷键的酶是糖苷酶，包括内部作用的纤维素酶和外部作用的葡萄糖苷酶。这些酶通常是坞因子和碳水化合物结合模块。它作为多酶复合物的一部分分泌，可以被被困住了。

分解（热解）

在温度高于 350 °C 时，纤维素会热解，分解成固体炭、蒸气、气溶胶和二氧化碳等气体。在 500 °C 时，蒸气的最大产量会凝结成称为生物油的液体。 C。

半结晶纤维素聚合物在热分解温度（350-600℃）下数秒内发生反应。这种转变被称为液体（中间液体纤维素或熔融纤维素），其存在时间只有几分之一秒。）已被证明通过固-液-气转变发生。糖苷键的分解产生由2至7个含有熔体的单元组成的短纤维素链。中间液体纤维素的蒸气鼓泡是它产生由短链酸酐低聚物组成的气溶胶从熔体中。

随后熔融纤维素的分解通过一级反应产生左旋葡聚糖、呋喃、吡喃、弱氧化剂和气体等挥发性化合物，在厚纤维素样品内，左旋葡聚糖等挥发性化合物与挥发性产物发生二次反应，包括弱氧化剂，例如乙醇醛。

半纤维素

半纤维素是一种与纤维素有关的多糖，约占陆地植物生物量的20%，与纤维素相反，它含有葡萄糖，特别是木糖，以及多种糖类，包括甘露糖、半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖。源自. Hemi 纤维素含有 500 至 3,000 种糖。它由短链单体组成，而且半纤维是支化的，而纤维素是无支化的。

纤维素衍生品

纤维素的羟基（-OH）可以部分或完全与各种试剂反应，得到具有有用性能的衍生物，主要是纤维素酯和纤维素醚。原则上，目前的工业实践并不总是如此。虽然在商业上不可行，但纤维素聚合物是一种可再生资源。

酯衍生物有：

醋酸酯和三醋酸酯是用途广泛的成膜和成纤材料。硝基纤维素最初用作炸药，是早期的成膜材料。与樟脑一起，硝基纤维素可以提供赛璐珞。

醚衍生物为：

羧甲基纤维素钠可交联以提供交联羧甲基纤维素钠 (E468)，用作药物制剂中的赋形剂。

纤维素的使用

工业纤维素主要从木浆和棉花中获得。硫酸盐法是分离植物物质主要成分木质素和纤维素的过程。

• 纸制品：纤维素是纸张、纸板和卡片纸的主要成分。
• 纤维：纱线是由棉、亚麻和其他植物纤维制成的织物的主要成分。纱线可以转化为人造丝，人造丝是自 20 世纪初以来一直用于纺织品的重要纤维。玻璃纸和人造丝都是是“再生纤维素”。它们的化学结构与纤维素相同，通常是通过粘胶溶解纸浆制成的。一种更新且环保的人造丝制造方法是莱赛尔工艺。
• 消耗品：微晶纤维素 (E460i) 和粉末纤维素 (E460ii) 在药物片剂中用作非活性赋形剂，各种水溶性纤维素衍生物（E 号 E461 至 E469）在加工食品中用作乳化剂、增稠剂和稳定剂. 它用作稳定剂。例如，它用于防止包装奶酪中的凝结。它天然存在于某些食品中，并用作加工食品中的体积和质地的添加剂。它是一种难以消化的成分，可能有助于排便。
• 科学：纤维素在实验室中用作薄层色谱的固定相。纤维素纤维也用于液体过滤，有时与硅藻土或其他过滤介质结合使用以创建惰性材料的过滤床。
• 能源作物：非食用能源作物的主要可燃成分是纤维素，其次是木质素。非食用能源作物比食用能源作物（淀粉含量高）产生更多的可用能量，但仍包含农业用地它们与粮食作物争夺水资源。典型的非粮食能源作物包括工业大麻（这在某些国家是非法的）、柳枝稷、柳树和白杨树种。
• 生物燃料：TU-103 是斑马废物中发现的一种梭菌菌株，可以将几乎任何形式的纤维素转化为丁醇燃料。
• 建筑材料：纤维素中的羟基在水中的结合可以产生可喷涂的可模压材料，作为塑料和树脂的替代品。可回收材料可以表现出防水和阻燃性能。纤维素提供了足够的性能用作建筑材料的强度。由再生纸制成的纤维素绝缘材料作为一种环保的建筑绝缘材料正在变得越来越普遍。它可以用硼酸进行阻燃处理。是的。
• 杂项：纤维素可以转化为玻璃纸，这是一种薄而透明的薄膜。直到 20 世纪 30 年代中期，纤维素是用于照相和电影胶片的赛璐珞的基材。它用于制造水溶性粘合剂和粘合剂。如羧甲基纤维素，也用于制造具有高亲水性和吸湿性的海绵的原料。
• 医药：纤维素衍生物，如微晶纤维素，具有保水、稳定剂和增稠剂以及增强药片的优点。