Целлюлоза

Целлюло́за, клетчáтка ( от  — «күҙәнәк») — органик берләшмә, углевод, полисахарид һәм уның формулаһы (C6H10O5)n. Молекулалары — гликозид бәйләнештәр менән тоташтырылған β-(1→4) β-глюкоза ҡалдыҡтарынан торған тармаҡһыҙ сылбырҙар. Һыуҙа эремәй торған аҡ төҫтәге  ҡаты матдә. Бөтә ҡатмарлы төҙөлөшлө үҫемлектәрҙә күҙәнәк тышсаларының төп состав өлөшө.

 Тарихы 
Целлюлозаны 1838 йылда француз химигы Ансельм Пайен аса һәм һүрәтләй.

 Төҙөлөшө 
Целлюлоза — йөҙҙәрсә йәки тиҫтәләрсә мең D-глюкоза ҡалдыҡтарынан торған һыҙыҡлы гомополимер. Глюкоза фрагменттарын тоташтырыу β (1→4)-гликосид бәйләнеше менән тәьмин ителә.  Мономер берәмектәрҙең бындай берләшмәһе целлюлозаны башҡа глюкоза гомополимерҙары: крахмал һәм гликогенға  хас булған α(1→4)-гликосидлы бәйләнештәрҙән айыра. 

Молекулалары спиралға төрөлгән крахмал амилозаһынан айырмалы рәүештә, целлюлоза макромолекулаһы буйға һуҙылған үҙәк конформация фиғылын ала.

 Физик үҙенсәлектәре 
Целлюлоза — аҡ  төҫтәге ҡаты, тотороҡло матдә, йылытҡанда тарҡалмай (200 °C тиклем). Яныусан матдә, тарҡалыу температураһы — 275 °C. 

Үҙ-үҙенән  тоҡаныу температураһы — 420 °C (мамыҡ целлюлоза).  Целлюлозаның 467 °C кимәлендә иреүе 2016 йылда  эксперименталь рәүештә күрһәтелгән.

Һыуҙа, көсһөҙ кислоталарҙа һәм күпселек органик эреткестәрҙә эремәй. Әммә гидроксил төркөмдәре күп булыу сәбәпле гидрофил (һыулау мөйөшө — 20-30 градус) булып тора.

Целлюлозаның тәме лә, еҫе лә юҡ. E460 аҙыҡ өҫтәмәһе булараҡ теркәлгән.

Целлюлоза бик күп микроорганизмдар ҡатнашлығында биодеградацияға дусар була.

 Химик үҙенсәлектәре 
Целлюлоза глюкоза молекулалары ҡалдыҡтарынан тора, улар целлюлоза гидролизында барлыҡҡа килә:
 (C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6
Иод менән көкөрт кислотаһы, гидролиз арҡаһында, целлюлозаны күк төҫкә индерәләр.

Азот кислотаһы менән реакцияға ингәндә нитроцеллюлоза (целлюлоза тринитраты) барлыҡҡа килә:
 500px
Целлюлозаны уксус кислотаһы менән этерификациялау процесында целлюлоза триацетаты килеп сыға:
 500px
Целлюлозаны эретеү һәм артабанғы химик әүерелеүҙәргә үткәреүе бик ауыр, әммә яраҡлы эретмә шарттарында, мәҫәлән, ион шыйыҡсаһында бындай процесс һөҙөмтәле башҡарылырға мөмкин.

 Алыу 
Целлюлозаны сәнәғәт ысулы менән сәнәғәт комплекстарына (комбинаттарға) ингән целлюлоза заводтарында юнысҡы бешереү ысулы менән алалар. Файҙаланылған реагенттарҙың төрө буйынса целлюлоза бешереүҙең түбәндәге ысулдарын айыралар:
 Әсе:
 Сульфитлы. Ҡайнатыу иретмәһендә көкөрт кислотаһы һәм уның тоҙо, мәҫәлән, натрий гидросульфиты бар. Был ысул ағастың аҙ ыҫмалалы тоҡомдарынан — шыршы, аҡ шыршы — целлюлоза алыу өсөн ҡулланыла.
 Һелтеле:
 Натрийлы. Натрий гидроксиды иретмәһе файҙаланыла. Ағастың япраҡлы тоҡомдарынан һәм бер йыллыҡ үҫемлектәрҙән целлюлоза алырға мөмкин. Был ысулдың өҫтөнлөгө — көкөрт берләшмәләренең насар еҫе юҡ, етешһеҙлеге — алынған целлюлозаның хаҡы юғары булыуы.
 Сульфатлы. Бөгөнгө көндә киң таралған алым. Реагент сифатында составында гидроксид һәм натрий сульфиды булған, аҡ көл һелтеле тип аталған эретмә ҡулланыла. Был алым атамаһын натрий сульфатынан алған, унан целлюлоза комбинаттарында аҡ һелте өсөн сульфид алына. Был алым төрлө үҫемлек сеймалынан целлюлоза алыу өсөн яраҡлы. Етешһеҙлеге: өҫтәлмә реакциялар һөҙөмтәһендә бик күп насар еҫле көкөрт берләшмәләре, метилмеркаптан, диметилсульфид һ.б. бүленеп сығыуы.

Бешереүҙән һуң алынған техник целлюлоза составында лигнин, гемицеллюлоза бар. Әгәр целлюлоза химик эшкәртеү (мәҫәлән, яһалма сүстәр алыу өсөн) өсөн тәғәйенләнһә, ул яҡшыртыуға — гемицеллюлозаны бөтөрөү өсөн һелтенең һалҡын йәки эҫе эретмәһе менән эшкәртеүгә дусар ителә.

Ҡалған лигнинды алып ташлау һәм целлюлозаға аҡлыҡ өҫтәү өсөн уны ағартыу үткәрелә. XX быуат өсөн традицион хлорлы ағартыу ике баҫҡыстан була:
 хлор менән эшкәртеү — лигнин макромолекулаларын емереү өсөн;
 Һелте менән эшкәртеү — барлыҡҡа килгән лигниндың емерелеү продукттарын экстракциялау өсөн.

1970 йылдарҙа ҡулланылышҡа шулай уҡ озон менән ағартыу ҙа индерелә. 1980 йылдар башында хлорлы ағартыу процесында үтә хәүефле матдәләр — диоксиндар барлыҡҡа килеүе тураһында мәғлүмәттәр сыға башлай. Был хлорҙы башҡа реагенттарға алмаштырыу кәрәклегенә килтерә. Әлеге ваҡытта ағартыу технологиялары:
 ECF (Elemental chlorine free) — Ябай хлорҙы ҡулланмайынса, уны хлор диоксидына алмаштырып.
 TCF (Total chlorine free) — тулыһынса хлорһыҙ эшкәртеү. Кислород, озон, водород пероксиды һ.б. ҡулланыла.

 Ҡулланыу 
Фармацевтикала таблеткаларҙа тултырғыс сифатында ҡулланыла. Целлюлоза һәм уның эфирҙары яһалма сүс (вискоз, ацетат, баҡыр-аммиак ебәге, яһалма тире) алыу өсөн ҡулланыла. Күбеһенсә целлюлозанан (99,5 процентҡа тиклем) торған кизе-мамыҡ туҡымалар әҙерләүгә китә.

Ағас целлюлозаһы ҡағыҙ, пластмасса, кино һәм фотоплёнкалар, лактар, төтөнһөҙ дары һ.б. етештереүҙә ҡулланыла.

 Тәбиғәттә булыуы 
Целлюлоза үҫемлектәрҙең, бер күҙәнәк көбө өлөштәрендә уның миҡдары ныҡ үҙгәрһә лә, күҙәнәк көбөндәге төп компоненттарҙың береһе булып тора. Мәҫәлән, ҡыяҡлылар эндоспермы күҙәнәктәренең стеналарында целлюлоза ни бары 2 % самаһы, шул уҡ ваҡытта мамыҡ үләне орлоҡтарын уратып алған мамыҡ сүстәре 90 проценттан ашыуыраҡҡа целлюлозанан тора. Поляр үҫеш менән характерланған оҙон күҙәнәктәрҙең осо өлкәһендәге күҙәнәк көбөндә (һеркә торбаһы, тамыр төктәре) целлюлоза юҡ тиерлек һәм күбеһенсә пектиндарҙан торалар, шул уҡ ваҡытта был күҙәнәктәрҙең базаль өлөштәрендә целлюлоза байтаҡ. Бынан тыш, күҙәнәк көбөндәге целлюлоза миҡдары онтогенез барышында үҙгәрә, ғәҙәттә икенсел күҙәнәк көбөндә беренселгә ҡарағанда целлюлоза күберәк була.

 Күҙәнәк көбөндәрендә ойошторолоуы һәм функцияһы 
Целлюлозаның айырым макромолекулалары 2 меңдән алып 25 меңгә тиклем D-глюкоза ҡалдыҡтарын үҙ эсенә ала. Күҙәнәк көбөндәге целлюлоза водород бәйләнештәре һәм Ван-дер-Ваальс көстәре менән үҙ-ара бәйләнгән бер нисә айырым макромолекуланан (көпшәле үҫемлектәрҙә яҡынса 36) һалынған паракристаллик ансамблдәрҙән торған микрофибрилларға ойошторолған.

Бер яҫылыҡта урынлашҡан һәм үҙ-ара водород бәйләнештәре менән бәйләнгән макромолекулалары битте микрофибрилла сиктәрендә барлыҡҡа килтерә. Макромолекула биттәре шулай уҡ күп һанлы водород бәйләнештәре менән бәйләнгән. Водород бәйләнештәре ярайһы уҡ көсһөҙ булһа ла, уларҙың күп һанлы микрофибрилдары арҡаһында целлюлозалар механик ныҡлыҡҡа һәм ферменттар тәьҫиренә тотороҡлолоҡҡа эйә.

Микрофибриллелә индивидуаль макромолекула төрлө урындарҙа башлана һәм тамамлана, шуға күрә микрофибрилдың оҙонлоғо целлюлозаның айырым макромолекулалары оҙонлоғонан артып китә. Шуны билдәләп үтергә кәрәк: макромолекулалар микрофибрилдә бер үк йүнәлештә, йәғни редукциялаусы остары бер яҡтан урынлашҡан.

Целлюлоза микрофибрилладарының ойоштороуҙың заманса моделдәре үҙәк өлкәлә юғары ойошҡанлы структураға эйә булыуын, ә периферияла макромолекулаларҙың урынлашыуы болайыуын күҙаллай. Мәҫәлән, ҡатмарлы төҙөлөшлө үҫемлектәрҙең микрофибрилла үҙәгендә 24 молекуланан торған ядро урынлашҡан. Тағы 12 молекулаһы фибрилланың ситендә урынлашҡан. Был микрофибрилланың теоретик яҡтан диаметры 3,8 нм тәшкил итә, әммә рентген структуралы анализ мәғлүмәттәре был дәүмәлдең бер аҙ кәмерәк булыуын күрһәтә — 3,3 нм, һәм был 24 молекулаға тап килә . Башҡа баһалар буйынса фибрилларҙың дәүмәле күпкә ҙурыраҡ: арҡыры киҫелештә 5-9 нм (50-нән ашыу айырым макромолекула).

Микрофибриллалар гликандар (гемицеллюлозалар) һәм, кәмерәк осраҡта, пектиндар менән бәйләнгән. Гликандар менән бәйләнгән целлюлоза микрофибриллалары пектиндарҙан гелгә оҡшаш матриксҡа батҡан һәм күҙәнәк көбөндәгеләрҙең ныҡлығын тәьмин иткән өс үлсәмле селтәр барлыҡҡа килтерә.

Микрофибриллаларҙың икенсел күҙәнәк көбөндә макрофибрилла тип йөрөтөлгән шәлкемдәргә ассоциацияланырға мөмкин. Бындай ойошма күҙәнәк көбө ныҡлығын арттыра.

 Биосинтез 
Ҡатмарлы төҙөлөшлө үҫемлектәрҙең күҙәнәк көбө макромолекулалары барлыҡҡа килеү оҙонайыусы микрофибрилларҙың осонда урынлашҡан мультисубберәмек мембраналы целлюлосинтаз комплексын катализлай. Целлюлосинтазаның тулы комплексы каталитик, бөрсөклө һәм кристаллашыу субберәмектәренән тора.

 Иҫкәрмәләр 

 Һылтанмалар 

 Статья «Целлюлоза» (Химическая энциклопедия)
 LSBU cellulose page
 Clear description of a cellulose assay method at the Cotton Fiber Biosciences unit of the USDA
 Cellulose Ethanol Production — First commercial plant