سلولز چیست؟ — به زبان ساده

«سلولز» (Cellulose)، یک زنجیره بلند پلی‌ساکاریدی از زیرواحدهای گلوکز است که با پیوندهای بتا به یکدیگر متصل شده‌اند. این پلیمر کربوهیدراتی، فراوان‌ترین ترکیب آلی در کل جهان به شمار می‌رود. در دیواره سلولی گیاهان سبز، تمامی بافت دیواره اولیه، و بخش عمده‌ای از دیواره ثانویه، از سلولز تشکیل شده است. ترکیب دیگری که در تشکیل دیواره ثانویه دخالت دارد، لیگنین است که همراه با سلولز، لیگنوسلولز را تشکیل می‌دهد.

لیگنوسلولز، در واقع همان چوب است که فراوان‌ترین پلیمر زیستی بر روی زمین به شمار می‌رود. فرمول بسته سلولز به صورت $$(C_6 H_{ 10} O _5) _n$$ نوشته می‌شود.

فیلم آموزش ساختار ماکرومولکول های زیستی (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

انسان قادر به هضم سلولز نیست، اما بسیاری از موجودات دیگر، از جمله راسته سم‌داران و حتی موریانه‌ها، به واسطه همزیستی با باکتری‌های حاوی سلولاز - آنزیم تجزیه‌کننده سلولز - به راحتی این ترکیب را تخریب و آن را به شکل‌های قابل استفاده تبدیل می‌کنند.

سلولز نیز، مانند نشاسته و گلیکوژن، از اجتماع واحدهای گلوکز تشکیل شده است. اما بر خلاف دو پلیمر دیگر، این زیرواحدها در سلولز، از نوع ایزومری بتا هستند. پیوند پایدار بتا ۱←۴، ساختار شیمیایی بسیار مقاومی را ایجاد می‌کند که امکان تحمل شرایط دشوار محیطی را فراهم خواهد کرد.

با اینکه انسان نمی‌تواند ترکیبات سلولزی را به عنوان غذا مصرف کند، اما این ترکیبات، کاربردهای متعددی در طول تاریخ نوع بشر داشته‌اند. از تولید انواع لباس و کاغذ تا محصولات فیبری رژیمی و همچنین گونه‌های مختلفی از پلاستیک، ابریشم مصنوعی و چسب‌ها تنها بخشی از موارد استفاده‌ این ترکیب زیستی هستند. علاوه بر این، سلولز، ماده سازنده اولین پلیمرهای مصنوعی نیز به شمار می‌رود.

ویژگی ‌های شیمیایی سلولز

مونومرهای سلولزی (بتا-گلوکز)، طی واکنش‌های کندانسیون، از طریق پیوندهای قندی 1←۴ به یکدیگر متصل شده‌اند. بر خلاف نشاسته، هیچ نوع مارپیچ یا خمیدگی در ترکیبات سلولزی دیده نمی‌شود و این مولکول‌های بلند، ساختارهایی به شکل رشته‌های کاملا صاف و میله‌مانند را به نمایش می‌گذارند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

در میکروفیبریل‌ها، گروه‌های هیدروکسیلِ متعددِ موجود بر روی گلوکز‌ها با یکدیگر پیوند هیدروژنی برقرار می‌کنند و به این ترتیب، علاوه بر حفظ رشته‌ها در کنار هم، موجب افزایش قدرت کشسانی مجموعه نیز می‌شوند. این ویژگی، به خصوص در مورد دیواره گیاه از اهمیت زیادی برخوردار است؛ جایی که میکروفیبریل‌ها به شبکه‌هایی از ماتریکس‌های کربوهیدراتی تبدیل می‌شوند و به استحکام سلول گیاهی کمک می‌کنند.

حلالیت

بر اساس میزان حلالیت در محلول 17/5٪ هیدروکسید سدیم در دمای 20 درجه سانتیگراد، می‌توان ترکیبات سلولزی را در سه نوع مختلف طبقه‌بندی کرد: بخشی از این ترکیب که به طور کلی در محلول فوق نامحلول است، آلفا-سلولز (α Cellulose) نام دارد، که سلولز حقیقی به شمار می‌آید. بخش دیگری که در این شرایط، حل ولی با اسیدی کردن محلول، ته‌نشین می‌شود، بتا سلولز نام دارد. سرانجام، بخش نهایی که در این محلول حل می‌شود و با اسیدی شدن نیز رسوب نمی‌کند، گاما سلولز نام دارد.

کاربردهای سلولز

سلولز، تقریبا به شکل خالص خود در رشته‌های پنبه و به صورت ترکیب شده با لیگنین و همی‌سلولز در مواد گیاهی یافت می‌شود.

همانطورکه گفتیم، این پلیمر، جزء اصلی تشکیل دهنده کاغذ است و با پردازش‌های بیشتر می‌توان آن را به سلفون و ابریشم مصنوعی نیز تبدیل کرد. ترکیب دیگری که به تازگی از این مولکول مشتق شده است، مودال (Modal) نام دارد که از چوب درخت راش گرفته می‌شود.

در آزمایشگاه، سلولز به عنوان سوبسترای فاز جامد در کروماتوگرافی لایه نازک به کار می‌رود. کاربرد دیگر آن در تولید نیتروسلولز است که به نوبه خود در تهیه باروت استفاده می‌شود. ویسکوز، یکی از مهمترین مشتقات سلولزی است که از اوایل قرن 21 در صنعت پارچه‌بافی به کار گرفته شد.

تمام یا بخشی از گروه‌های هیدروکسیل موجود در سلولز، می‌توانند با ترکیبات شیمیایی مختلف واکنش دهند و مشتقات گوناگونی از این پلیمر را ایجاد کنند. در این میان، ترکیبات استری و اتری، از بیشترین میزان اهمیت برخوردارند. به طور کلی می‌توان گفت، انواع پلیمرهای سلولزی، منابع تجدیدپذیر زیستی به شمار می‌روند. اگرچه با روش‌های صنعتی فعلی، این امر عملا محقق نشده است.

استات و تری استات سلولز، دو استر مهم سلولزی هستند که به ترتیب، ماده اصلی فیلم و فیبر را تشکیل می‌دهند و کاربردهای متعددی در صنعت دارند. استات سلولز، یکی از ارزان‌ترین مشتقات این ترکیب است که در تولید ابزار، فریم عینک، عایق الکتریکی، مواد بسته‌بندی و محصولاتی از این دست مصرف می‌شود. نیتروسلولز، که یک استر غیرآلی سلولزی است، نخستین بار در تهیه ماده منفجره و همچنین ماده تشکیل‌دهنده فیلم به کار گرفته شد. این ترکیب، جزء ساختاریِ اولین پلاستیک به شمار می‌رود.

ترکیبات اتری سلولز عبارتند از:

• اتیل سلولز: یک ترکیب ترموپلاستیکی نامحلول در آب که در تهیه انواع روکش‌ها، جوهرها، اجزای سازنده چراغ قوه، وسایل اطفاء حریق و بعضی از قرص‌ها به کار می‌رود. این ترکیب، سبک‌ترین و گرانبهاترین مشتق سلولزی است.
• هیدروکسی پروپیل سلولز
• کربوکسی‌متیل سلولز
• هیدروکسی‌پروپیل متیل سلولز
• هیدروکسی‌متیل متیل سلولز