纖維素

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纖維素[1]
識別
CAS號 9004-34-6  ✓
ChemSpider NA
EC編號 232-674-9
性質
化學式 (C
6
H
10
O
5
)
n
外觀 白色粉末
密度 1.5 g/cm3
熔點 分解
溶解性
危險性
歐盟編號 not listed
NFPA 704
NFPA 704.svg
1
1
0
 
相關物質
相關化學品 澱粉
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。
纖維素的結構式:葡萄醣通過β-1,4-糖苷鍵連接而成
纖維素分子塡充模型圖

纖維素cellulose)是一類有機化合物,其化學通式為(C
6
H
10
O
5
)
n
,是由幾百至幾千個β(1→4)連接的D-葡萄糖單元的線性鏈(糖苷鍵)組成的多醣[2][3]。纖維素是綠色植物的、許多形式的藻類和卵菌的原代細胞壁的重要結構組分;一些種類的細菌分泌它以形成生物膜[4]。纖維素是地球上最豐富的有機聚合物,是自然界中分布最廣、含量最多的一種多醣,是組成植物細胞壁的主要成分。棉花、亞麻、苧麻和黃麻部含有大量優質的纖維素。棉花纖維中的纖維素含量是90%,木頭中纖維素含量是40%-50%,乾燥的中纖維素含量是57%[5][6][7]

天然纖維素為無味的白色絲狀物。纖維素不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑,但在加熱的條件下會被酸水解,主要的生物學功能是構成植物的支持組織。

纖維素的詳細說明[編輯]

纖維素是由葡萄醣組成的大分子多醣。不溶於水及一般有機溶劑。是植物細胞壁的主要成分之一。纖維素是世界上最豐富的天然有機物,占植物界含量的50%以上。棉花的纖維素含量接近100%,為天然的最純纖維素來源。一般木材中,纖維素占40~50%,還有10~30%的半纖維素和20~30%的木質素。此外,麥稈甘蔗渣等,都是纖維素的豐富來源。纖維素是重要的造紙原料。此外,以纖維素為原料的產品也廣泛用於塑料炸藥電工及科研器材等方面。食物中的纖維素(即膳食纖維)對人體健康也有著重要的作用。

纖維素的性質[編輯]

植物的細胞壁

纖維素是D-葡萄醣以β-1,4-醣苷鍵組成的大分子多醣,分子量約50,000~2,500,000,相當於300~15,000個葡萄醣基。分子式可寫作(C6H10O5)n,是維管束植物、地植物以及一部分藻類細胞壁的主要成分。醋酸菌的莢膜,以及尾索動物亞門的被囊中也發現有纖維素的存在,棉的種子毛是高純度(98%)的纖維素。所謂α-纖維素這一名稱係指從原來細胞壁的完全纖維素標準樣品用17.5%氫氧化鈉(NaOH)不能提取的部分。β-纖維素、γ-纖維素是相應於半纖維素的纖維素。其中,α-纖維素通常是由結晶性纖維素所構成,而β-纖維素,γ-纖維素在化學上除含有纖維素以外,還含有各種多醣類。細胞壁的纖維素形成微纖維。寬度為10~30毫微米,長度有的達數微米。應用X線(X光)衍射和負染色法,根據電子顯微鏡觀察,鏈狀分子平行排列的結晶性部分組成寬為3~4毫微米的基本微纖維。推測這些基本微纖維集合起來就構成了微纖維。纖維素能溶於施魏策爾試劑(Schweizer's reagent,將氫氧化銅溶解於濃氨水中而製得)或濃硫酸。雖然不易用酸水解,但是稀酸或纖維素酶可使纖維素生成D-葡萄糖、纖維二糖和寡糖。在醋酸菌中有從UDP葡萄糖引子轉移糖苷合成纖維素的(cellulose synthase,EC2.4.1.12)。在高等植物中已得到具有同樣活性的顆粒性酶的標準樣品。此酶通常是利用GDP葡萄醣(cellulose synthase,EC2.4.1.29),在由UDP葡萄糖轉移的情況下,發生β-1,3-鍵的混合。微纖維的形成場所和控制纖維素排列的機制還不太明瞭。另一方面就纖維素的分解而言,估計在初生細胞壁伸展生長時,微纖維的一部分由於纖維素酶的作用而被分解,成為可溶性。

纖維素不溶於水和乙醇、乙醚等有機溶劑,能溶於施魏策爾試劑 Cu(NH3)4(OH)2 和銅乙二胺 (NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2 溶液等。水可使纖維素發生有限溶脹,某些酸、鹼和鹽的水溶液可滲入纖維結晶區,產生無限溶脹,使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時不發生顯著變化,超過這溫度會由於脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無機酸起水解作用生成葡萄糖等,與較濃的苛性鈉溶液作用生成鹼纖維素,與強氧化劑作用生成氧化纖維素英語oxidized cellulose

纖維素的來源[編輯]

纖維素的實驗室製法是先用水、有機溶劑處理植物原料,再用亞氯酸鹽二氧化氯過乙酸去除其中所含的木質素,得到纖維素和半纖維素,然後採用各種方法除去半纖維素,製得純纖維素。工業製法是用亞硫酸鹽溶液或溶液蒸煮植物原料,除去木質素,然後經過漂白進一步除去殘留木質素,所得漂白漿可用於造紙。

纖維素的作用[編輯]

全世界用於紡織造紙的纖維素,每年達800萬噸。此外,用分離純化的纖維素做原料,可以製造人造絲賽璐玢以及硝酸纖維素醋酸纖維素酯類衍生物甲基纖維素英語Methyl cellulose乙基纖維素羧甲基纖維素醚類衍生物,用於塑料炸藥電工及科研器材等方面。纖維素有良好的聲學性能,用於製造樂器,如鋼琴,提琴。人類膳食中的纖維素主要含於蔬菜和粗加工的穀類中,雖然不能被消化吸收,但有促進腸道蠕動,利於糞便排出等功能。草食動物則依賴其消化道中的共生微生物將纖維素分解,從而得以吸收利用。

纖維素的鑑別[編輯]

纖維素燃燒無味,生成黑煙,用此法可鑑別人造絲和真絲(蛋白質,燃燒有燒焦羽毛氣味)。

應用[編輯]

棉花纖維代表最純淨的自然形成的纖維素,含有90%以上的多糖

用於工業用途的纖維素主要是來自木漿棉花[8]硫酸鹽製漿法工藝用於從木質素中分離纖維素,木質素是植物物質的另一個重要組成部分。

紙製品[編輯]

紙板和卡紙的主要成分是纖維素。

纖維[編輯]

纖維素是和纖維植物製成紡織品的主要成分;其可以變成嫘縈(Rayon,即人造絲),一種20世紀初就開始使用於紡織品的重要纖維。

參考[編輯]

  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. PMID 12149011. doi:10.1021/ja0257319. 
  2. ^ Crawford, R. L. Lignin biodegradation and transformation. New York: John Wiley and Sons. 1981. ISBN 0-471-05743-6. 
  3. ^ 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. 
  4. ^ Romeo, Tony. Bacterial biofilms. Berlin: Springer. 2008: 258–263. ISBN 978-3-540-75418-3. 
  5. ^ Cellulose. (2008). In Encyclopædia Britannica. Retrieved January 11, 2008, from Encyclopædia Britannica Online.
  6. ^ Chemical Composition of Wood頁面存檔備份,存於網際網路檔案館). ipst.gatech.edu.
  7. ^ Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011) Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes. nova-Institut GmbH, Hürth, Germany.
  8. ^ 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. 

參見[編輯]