纤维素

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纤维素[1]
识别
CAS号 9004-34-6
ChemSpider NA
EC编号 232-674-9
性质
化学式 (C6H10O5)n
外观 白色粉末
密度 1.5 g/cm3
熔点 分解
溶解性
危险性
欧盟编号 not listed
NFPA 704
NFPA 704.svg
1
1
0
 
相关物质
相关化学品 淀粉
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。
纖維素的結構式:葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成
纖維素分子塡充模型圖

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多醣,是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木头中纤维素含量约为50%,棉花的纤维素含量更高,达90%。木材中的纤维素则常与半纤维素木质素共同存在。

纤维素是一种复杂的多醣,有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成。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(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多醣。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,麦秆甘蔗渣等,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)对人体健康也有着重要的作用。

纤维素的性质[编辑]

植物的細胞壁

纤维素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键组成的大分子多醣,分子量约50000~2500000,相当于300~15000个葡萄糖基。分子式可写作(C6H10O5n。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,以及尾索类动物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。虽然,α-纤维素通常大部分是结晶性纤维素,β-纤维素,γ-纤维素在化学上除含有纤维素以外,还含有各种多醣类。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Schwitzer试剂浓硫酸。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纤维素合酶 (UDP forming),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(GDP forming,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瞭。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,能溶于铜氨溶液(Cu(NH3)4(OH)2)和铜乙二胺溶液((NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2)等。水可使纤维素發生有限溶胀,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,与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素,与强氧化剂作用生成氧化纤维素。

纖维素的來源[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,再用亚氯酸盐二氧化氯过乙酸去除其中所含的木質素,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溶液蒸煮植物原料,除去木質素,然后经过漂白进一步除去残留木質素,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酯类衍生物甲基纤维素乙基纤维素羧甲基纤维素醚类衍生物,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。

膳食纤维[编辑]

食物纤维素包括粗纤维半粗纤维木质素。食物纤维素是一种不被消化吸收的物质,过去认为是“废物”,现在认为它在保障人类健康,延长生命方面有着重要作用。因此,称它为第七种营养素

  1. 有助于肠内大肠杆菌合成多种维生素
  2. 纤维素比重小,体积大,在胃肠中占据空间较大,使人有饱食感,有利于减肥。
  3. 纤维素体积大,进食后可刺激胃肠道,使消化液分泌增多和胃肠道蠕动增强,可防治糖尿病便秘
  4. 高纤维饮食可通过胃排空延缓、肠转运时间改变、可溶性纤维在肠内形成凝胶等作用而使的吸收减慢。亦可通过减少肠激素如抑胃肽胰升糖素分泌,减少对胰岛B细胞的刺激,减少胰岛素释放与增高周围胰岛素受体敏感性,使葡萄糖代谢加强。
  5. 近年研究证明高纤维饮食使Ⅰ型糖尿病患者单核细胞上胰岛素受体结合增加,从而节省胰岛素的需要量。由此可见,糖尿病患者进食高纤维素饮食,不仅可改善高血糖,减少胰岛素和口服降糖药物的应用剂量,并且有利于减肥,还可防治便秘、痔疮疾病

纤维素的主要生理作用是吸附大量水分,增加粪便量,促进肠蠕动,加快粪便的排泄,使致癌物质在肠道内的停留时间缩短,对肠道的不良刺激减少,从而可以预防肠癌发生。

纤维素的摄入与鉴别[编辑]

蔬菜中含有丰富的纤维素。不含纤维素食物有:等;含大量纤维素的食物有:粗粮子、蔬菜豆类等。因此建议糖尿病患者适当多食用豆类和新鲜蔬菜等富含纤维素的食物。目前中国的植物纤维食品,多是用米糠麸皮麦糟甜菜屑、南瓜玉米皮及海藻类植物等制成的,对降低血糖、血脂有一定作用。

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)。

各种食物的纤维素含量[编辑]

蔬菜

纤维素虽然不能由人体吸收,但具有良好的清理肠道的作用,因此成为营养学家推荐的六大营养素之一,是适合肠易激综合征患者食用的健康食品。

无论谷类、薯类还是豆类,一般来说,加工得越精细,纤维素含量越少。常见食品的纤维素含量如下:

  • 麦麸:31% 
  • 谷物:4-10%,从多到少排列为小麦粒、大麦、玉米、荞麦面、薏米面、高粱米、黑米。
  • 麦片:8-9%
  • 燕麦片:5-6%
  • 马铃薯、白薯等薯类的纤维素含量大约为3%。
  • 豆类:6-15%从多到少排列为黄豆、青豆、蚕豆、芸豆、豌豆、黑豆、红小豆、绿豆。
  • 蔬菜类:笋类的含量最高,笋干的纤维素含量达到30-40%,辣椒超过40%。其余含纤维素较多的有:蕨菜、菜花、菠菜、南瓜、白菜、油菜。
  • 菌类(干):纤维素含量最高,其中松蘑的纤维素含量接近50%,30%以上的按照从多到少的排列为:发菜、香菇、银耳、木耳。此外,紫菜的纤维素含量也较高,达到20%。
  • 坚果:3-14%。10%以上的有:黑芝麻、松子、杏仁;10%以下的有白芝麻、核桃、榛子、胡桃、葵瓜子、西瓜子、花生仁
  • 水果:含量最多的是紅果乾,纤维素含量接近50%,其次有桑椹乾、樱桃、酸枣、黑枣、大枣、小枣、石榴、苹果、鸭梨。
  • 各种肉类、蛋类、奶制品、各种油、海鲜、酒精饮料、软饮料都不含纤维素;各种婴幼儿食品的纤维素含量都极低。

应用[编辑]

棉花纤维代表最纯净的自然形成的纤维素,含有90%以上的多糖

用于工业用途的纤维素主要是来自木浆棉花[2]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]

,纸板和卡纸的主要成分是纤维素。

纤维[编辑]

纤维素是和纤维植物制成纺织品的主要成分。它可以变成人造丝(Rayon),一种重要的纤维已被用于20世纪初以来的纺织品。

参考[编辑]

  1. ^ 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. doi:10.1021/ja0257319. PMID 12149011. 
  2. ^ 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.