Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Каждая глюкозная единица повёрнута относительно соседней на 180°, что обеспечивает формирование длинных, прямых цепей, способных к высокой степени упорядочивания и образованию микрофибрилл.
Ключевым структурным элементом является β-D-глюкопиранозная единица, где гидроксильные группы на C2 и C3 формируют внутримолекулярные водородные связи, стабилизирующие линейную конформацию цепи. Внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи играют решающую роль в высокой механической прочности и устойчивости целлюлозных волокон.
Целлюлоза проявляет высокую прочность на разрыв и низкую растворимость в воде и органических растворителях. Нерастворимость обусловлена плотной упаковкой цепей и обширной системой водородных связей. В чистом виде она представляет собой белый аморфно-кристаллический порошок или волокна. При гидратации молекулы воды проникают в аморфные участки, не разрушая кристаллических областей.
Биосинтез целлюлозы осуществляется растительными клетками при участии фермента целлюлозосинтазы, локализованного в плазматической мембране. Мономеры глюкозы активируются до уридиндифосфат-глюкозы (UDP-глюкоза), которая служит донором при полимеризации. В результате реакции образуются длинные полисахаридные цепи, образующие микрофибриллы, которые формируют клеточную стенку.
Целлюлоза является основным компонентом клеточных стенок растений, встречается также в водорослях, бактериях (бактериальная целлюлоза) и некоторых грибах.
1. Гидролиз Целлюлоза устойчива к воздействию разбавленных кислот и ферментов при низкой температуре, но под действием концентрированных кислот или ферментов (целлюлаз) подвергается гидролизу с образованием D-глюкозы:
$$ (C_6H_{10}O_5)_n + n H_2O \xrightarrow{\text{целлюлаза}} n C_6H_{12}O_6 $$
Гидролиз может быть кислотным (HCl, H_2SO_4) или ферментативным, при этом ферментативный путь обеспечивает селективное расщепление β-1,4-связей.
2. Этерификация и эфирные производные Гидроксильные группы целлюлозы вступают в реакции с кислотами, ангидридами и галогенангидридами, образуя целлюлозные эфиры. Наиболее важные производные:
3. Окисление Целлюлоза подвергается окислительным реакциям, например, с хромовым ангидридом или периодатом. Окисление может быть селективным, разрушая только определённые гидроксильные группы и формируя карбонильные или карбоксильные функции.
4. Взаимодействие с щелочами Целлюлоза растворима в концентрированных щелочах, образуя так называемую щелочную целлюлозу. Это свойство используется в технологии вискозного производства волокон и целлюлозных производных.
Целлюлоза образует несколько кристаллических аллотропных форм (целлюлоза I, II, III, IV), отличающихся порядком укладки цепей и плотностью водородных связей. Целлюлоза I — природная форма, состоит из микрофибрилл с высокоорганизованной структурой. Целлюлоза II формируется при регенерации из раствора или после обработки щёлочью, характеризуется большей термодинамической стабильностью.
Кристаллические и аморфные участки определяют физические свойства материала: прочность, гидратацию, доступность химических реакций.
Целлюлоза является основой для производства:
Целлюлоза является главным компонентом растительной клеточной стенки, обеспечивая механическую поддержку и защиту клеток. В пищеварении человека она выступает как пищевое волокно, способствующее перистальтике кишечника, хотя не переваривается собственными ферментами. В желудочно-кишечном тракте животных и некоторых микроорганизмов целлюлоза может гидролизоваться благодаря симбиотическим бактериям, что играет важную роль в обмене веществ.
В отличие от амилозы и крахмала, содержащих α-1,4-связи, целлюлоза имеет β-1,4-гликозидные связи, что определяет её линейность и образование прочных волокон. Она менее доступна для ферментативного гидролиза, что делает её структурным полисахаридом, а не энергетическим запасом.
Степень полимеризации целлюлозы достигает нескольких тысяч остатков глюкозы, что обеспечивает высокий молекулярный вес и механическую устойчивость.
Система водородных связей является определяющим фактором:
Эта организация обуславливает устойчивость к химическому и биологическому разрушению и определяет поведение целлюлозы в промышленной переработке и биотехнологиях.