سلولز چیست؟ حقایق و کاربردهای سلولز

سلولز [با فرمول شیمیایی (C₆H₁₀O₅)n] ترکیبی است ارگانیک که فراوان‌ترین بیوپلیمر بر روی زمین شناخته می‌شود. این ماده کربوهیدرات یا پلی‌ساکارید پیچیده‌ای مشتمل بر صدها الی هزاران مولکول گلوکز است که با هم پیوند خورده و تشکیل زنجیره داده‌اند. گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری و دیگر ارگانیسم‌ها بر خلاف حیوانات توانایی تولید این ماده را دارند. سلولز مولکول ساختاری اصلی در دیواره‌های سلولی گیاهان و جلبک‌هاست.

تاریخچه

آنسلم پین (Anselme Payen)، شیمی‌دان فرانسوی، در سال ۱۸۳۸ موفق به کشف و جداسازی سلولز شد. وی همچنین فرمول شیمیایی آن را نیز به‌دست آورد. در ۱۸۷۰، سلولوئید، اولین پلیمر ترموپلاستیک با استفاده از سلولز ساخته شد. پس از آن بود که در سال‌های ۱۸۹۰ از سلولز در تولید ریون و سلوفان در ۱۹۱۲ استفاده شد. هرمان استاودینگر (Hermann Staudinger) موفق شد در ۱۹۲۰ ساختار شیمیایی این ماده را کشف کند. در ۱۹۹۲، کوبایاشی و شودا (Kobayashi and Shoda) با هم توانستند بدون استفاده از هر گونه آنزیم بیولوژیکی، سلولز تولید کنند.

ساختار و خواص شیمیایی

سلولز از پیوندهای گلیکوزیدی-(β(1→4 میان D-گلوکزها ساخته می‌شود. در مقابل، تشکیل گلیکوژن و نشاسته از طریق پیوندهای گلیکوزیدی-(α(1→4 بین مولکول‌های گلوکز امکان‌پذیر می‌شود. پیوندهای موجود در سلولز آن را به شکل پلیمر زنجیری خطی در می‌آورد. گروه‌های هیدروکسیلی بر روی مولکول‌های گلوکز پیوندهای هیدوژنی با اتم‌های اکسیژن ایجاد می‌کنند و زنجیره‌ها را در جای خود محکم نگه داشته و استحکام کششی بالایی به فیبرها می‌بخشد. در جداره‌های سلولی گیاهی، زنجیره‌های مختلف به هم می‌پیوندند و میکرو‌فیبریل‌ها را می‌سازند.

سلولز خالص بی‌بو، بی‌طعم و آب‌دوست، نامحلول و زیست تخریب‌پذیر است. نقطه‌ی ذوب آن ۴۶۷ درجه سانتی‌گراد است و در اسید با دمای بالا به گلوکز تجزیه می‌شود.

کاربردهای سلولز

سلولز پروتئین ساختاری در گیاهان و جلبک‌ها محسوب می‌شود. فیبرهای گلوکز در ماتریکس پلی ساکاریدی به هم متصل شده‌اند تا از جداره‌ی سلول گیاه حمایت کنند. ساقه‌ها و چوب گیاه به‌وسیله‌ی فیبرهای سلولزی حمایت می‌شود که به شکل ماتریس لیگنین توزیع شده‌اند. در این ماتریس، سلولز نقش میلگرد و لیگنین نقش سیمان را دارد. پنبه خالص‌ترین شکل طبیعی سلولز ۹۰٪ سلولز دارد. از طرفی، چوب حاوی ۴۰-۵۰٪ سلولز است.

بعضی انواع باکتری‌ها برای تولید بیو‌فیلم از خود سلولز ترشح می‌کنند. بیو‌فیلم‌ها برای اینکه میکرو‌ارگانیسم‌ها بتوانند کلونی تشکیل دهند سطحی چسبنده برایشان فراهم می‌سازند.

با اینکه حیوانات توانایی تولید سلولز ندارند، اما ماده‌ای مهم برای بقای‌شان محسوب می‌شود. بعضی حشرات از سلولز در قالب مواد ساختمانی و غذا استفاده می‌کنند. حیوانات نشخوارکننده برای هضم سلولز از میکرو‌ارگانیسم‌های هم‌زیست در دستگاه گوارش خود کمک می‌گیرند. ما انسان‌ها قادر به هضم سلولز نیستیم. با این حال این ماده منبع اصلی فیبرهای رژیمی نامحلولی است که در جذب مواد غذایی و عمل دفع به ما کمک می‌کند.

مشتقات مهم سلولز

سلولز مشتقات مهم بسیاری دارد. غالب آن‌ها زیست تخریب‌پذیر و جزو منابع تجدیدپذیر هستند. ترکیب‌های مشتق شده از سلولز معمولاً غیرسمی و غیرآلرژیک محسوب می‌شوند. مشتقات سلولز به شرح زیر است:

• سلولوید
• سلوفان
• ریون
• سلولز استات
• سلولز تری‌استات
• نیترو‌سلولز
• متیل‌سلولز
• سلولز سولفات
• اتولز
• اتیل هیدروکسیل سلولز
• هیدروکسی پروپیل متیل سلولز
• کربوکسی متیل سلولز (صمغ سلولز)

کاربردهای تجاری

استفاده‌ی اصلی سلولز در صنعت به تولید کاغذ بر می‌گردد و سلولز را با فرآیند کرافت از لیگنین جدا می‌سازند. از فیبرهای سلولزی در صنعت پارچه‌بافی نیز استفاده می‌شود. پنبه، کتان و سایر فیبرهای طبیعی را می‌توان به شکل مستقیم یا با پردازش به ریون تبدیل کرد. سلولز ریز‌بلورین و پودری به‌عنوان پرکننده دارو و افزاینده‌ی غذایی، امولسیفایر و تثبیت‌کننده به‌کار می‌برند. دانشمندان از سلولز در فرآیند صافش مایع و کروماتوگرافی لایه نازک استفاده می‌کنند. سلولز در مصالح ساختمانی و عایق الکترونیکی نیز کاربرد دارد. در مواد متداولی که در خانه‌ها استفاده می‌کنیم، نظیر فیلتر قهوه، اسکاج، چسب، قطره‌ی چشم، داروی ملین و پلاستیک نازک، نیز سلولز به‌کار رفته است. در حالی که سلولز گیاهان همواره سوختی مهم تلقی می‌شود، سلولز موجود در فضولات حیوانی را نیز می‌توان با پردازش به سوخت زیستی بوتانول تبدیل کرد.