7.3.1. Целлюлоза

Целлюлоза, или клетчатка, — самый распространённый полисахарид в растительном мире. Содержание целлюлозы в древесине 50—70%, в хлопке — 98%. Основным структурным звеном являются остатки -D-глюкопиранозы, соединённые 1,4-гликозидными связями. Макромолекулы не имеют разветвлений, в них содержится от 2500 до 12 000 глюкозных остатков.

n= 12506000

Макромолекулы имеют линейное строение, что обусловлено конфигурацией аномерного атома углерода (в -форме); дополнительную устойчивость линейным молекулам придают водородные связи внутри цепи (между атомом кислорода пиранозного кольца и гидроксогруппой второго углеродного атома).

Макромолекулы расположены параллельно друг другу и связаны между собой межмолекулярными водородными связями, образуя волокна. В связи с этим целлюлоза обладает высокой механической прочностью и служит материалом для построения клеточных стенок растений.

Целлюлоза в воде не растворяется и набухает только в растворах щелочей. Она не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, но она является необходимым балластным веществом. В желудке жвачных животных (коров, овец) содержатся микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, поэтому жвачные животные могут питаться продуктами, содержащими целлюлозу.

Целлюлоза широко применяется в производстве этанола, искусственного волокна, фотоплёнок, взрывчатых веществ.

При гидролизе целлюлозы с помощью водного раствора серной кислоты получают водный раствор глюкозы, который после удаления сульфат-ионов используют для получения этилового спирта путём спиртового брожения (гл. 7.1.3).

Искусственные волокна на основе целлюлозы — это прежде всего вискозные волокна. Их формуют из концентрированного раствора натриевой соли ксантогената целлюлозы. Схему реакции образования ксантогената целлюлозы условно можно представить следующим образом:

x= 0.450.65

Целлофан — это плёнка, формуемая из щелочных растворов ксантогената целлюлозы. Он нетоксичен, применяется в качестве упаковочного материала для жирных мясомолочных продуктов, фруктов, кондитерских изделий и др. В медицине целлофан — имплантируемый материал.

Этролы — это эфироцеллюлозные пластмассы. Важнейшим среди них является целлулоид, основой которого является нитрат целлюлозы (коллоксилин) с низкой степенью этерификации (х = 1.5  2.5) [C₆H₇O₂(OH)_3-x(ONO₂)_x]_n . Среди других этролов — это пластмассы на основе ацетата, ацетобутирата, ацетопропионата целлюлозы и этилцеллюлозы. Этролы применяют в производстве труб для перекачки природного газа, деталей автомобилей, самолётов, телефонных аппаратов, радио- и телеприёмников, медицинских инструментов и др.

Пироксилины — нитраты целлюлозы с высокой степенью этерификации (х = 2  3). Пироксилины и колоксилин применяются также в производстве бездымного пороха динамита и других взрывчатых веществ.

7.3.2. Амилоза и амилопектин

Амилоза и амилопектин — полисахариды, встречающиеся в составе клубней, корней и семян растений в виде смеси, имеющей название крахмал.

Амилоза представляет собой неразветвлённую макромолекулу, структурным звеном которой являются остатки ,D-глюкопиранозы, соединённые 1,4-гликозидными связями. В составе макромолекул содержится от 200 до 1000 глюкозных остатков. В пространстве макромолекулы свёрнуты в спираль:

На каждый виток спирали приходится 6 моносахаридных звеньев. Спираль имеет приблизительно 50 витков.

Очень характерным свойством крахмала является цветная реакция с йодом — появление интенсивной синей окраски. Предполагается, что появление окраски обусловлено специфическим донорно-акцепторным взаимодействием между гидроксильными группами и молекулами йода за счёт включения йода во внутренний канал спирали макромолекулы амилозы.

Макромолекула амилопектина построена также из остатков ,D-глюкопиранозы, но она разветвлена. В точках ветвления глюкозный остаток образует не только 1,4-, но и 1,6-гликозидные связи:

Между точками ветвления располагается от 20 до 25 глюкозных остатков. Общее количество моносахаридных звеньев в макромолекуле амилопектина достигает 6000 и более.

Крахмал обычно содержит до 10—20% связанной воды. При быстром нагревании крахмала происходит гидролитическое расщепление макромолекул с образованием более коротких молекулярных цепей. Продукт такого гидролитического расщепления крахмала называют декстринами. В отличие от целлюлозы, крахмал в воде набухает и образует вязкие растворы (гели), которые здесь называются клейстером.

Гидролиз крахмала в пищеварительном тракте человека происходит под действием ферментов, расщепляющих 1,4- и 1,6-гликозидные связи.

Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности. Из него в ферментативных процессах получают этанол, бутанол-1, молочную, лимонную кислоты.