سلولز (Cellulose)

فراوان‌ترین پلیمر طبیعی موجود روی کره زمین است و ستون اصلی دیواره سلولی گیاهان را تشکیل می‌دهد. سلولز پلی‌ساکاریدی که از هزاران واحد گلوکز ​\( \mathrm{C_6H_{12}O_6} \)​تشکیل شده که به وسیله پیوندهای گلیکوزیدی β(1→4) به یکدیگر متصل شده‌اند. وجود این نوع پیوندها باعث ایجاد ساختاری خطی، مستحکم و بسیار مقاوم می‌شود که نقش اساسی در استحکام گیاهان دارد.

برخلاف نشاسته که به عنوان ماده ذخیره‌ای انرژی در گیاهان شناخته می‌شود، سلولز ​\( (C_{6}H_{10}O_{5}){n} \)​وظیفه‌ای سازه‌ای دارد و مانند اسکلت گیاه عمل می‌کند. به همین دلیل چوب درختان، پنبه، کتان و بسیاری از الیاف طبیعی عمدتاً از سلولز تشکیل شده‌اند.

سالانه میلیاردها تن سلولز در فرآیند فتوسنتز توسط گیاهان تولید می‌شود و این ماده، پایه بسیاری از صنایع از جمله تولید کاغذ، منسوجات، داروسازی، صنایع غذایی، مواد کامپوزیتی و نانوفناوری است.

تاریخچه کشف سلولز نخستین بار در سال ۱۸۳۸ توسط شیمیدان فرانسوی آنسلم پاین (Anselme Payen) از چوب استخراج و شناسایی شد. او نشان داد که بخش عمده دیواره سلولی گیاهان از ماده‌ای واحد تشکیل شده است که بعدها “Cellulose” نام گرفت. در دهه‌های بعد، دانشمندان ساختار مولکولی سلولز را بررسی کردند و مشخص شد که این پلیمر از واحدهای β-D-گلوکز ساخته شده است. پیشرفت روش‌های پراش پرتو ایکس و طیف‌سنجی، شناخت دقیق‌تری از آرایش زنجیره‌های سلولز و پیوندهای هیدروژنی آن فراهم کرد.

منابع طبیعی سلولز

مهم‌ترین منابع سلولز عبارت‌اند از ،  چوب درختان ، پنبه  ، کتان ، کنف ، بامبو ، تفاله نیشکر ، کاه گندم ، پوست برنج ، بقایای ذرت ، سلولز باکتریایی که هر یک از این منابع بسته به درصد سلولز، میزان لیگنین و همی‌سلولز، کاربردهای صنعتی متفاوتی دارند.

فراوان‌ترین پلیمر طبیعی جهان ،  برآورد می‌شود که سالانه بیش از​\( 10^{11} \)​ تا ​\( 10^{12} \)​تن سلولز توسط گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها تولید شود. این میزان تولید، سلولز را به فراوان‌ترین پلیمر زیستی روی زمین تبدیل کرده است.سلولز تقریباً در تمام گیاهان عالی یافت می‌شود و سهم آن در برخی مواد طبیعی مطابق جدول زیر است .

مادّه	پنبه	چوب نرم	چوب سخت	کتان	کنف
درصد تقریبی سلولز	90 تا 95%	40 تا50%	38 تا 48%	65تا85 %	60تا 75%

چرا سلولز در آب حل نمی‌شود؟

اگرچه هر واحد گلوکز دارای چندین گروه هیدروکسیل(​\( (-OH) \)​) است، اما پیوندهای هیدروژنی بسیار قوی بین زنجیره‌های سلولز، ساختاری متراکم و بلوری ایجاد می‌کند که مانع نفوذ مولکول‌های آب و حل شدن آن می‌شود.این ویژگی یکی از مهم‌ترین دلایل استحکام چوب و الیاف پنبه است.

تفاوت سلولز و نشاسته

از نظر شیمیایی هر دو از گلوکز ساخته شده‌اند؛ اما یک تفاوت کوچک، خواص آن‌ها را کاملاً تغییر داده است.

ویژگی	واحد سازنده	نوع پیوند	قابل هضم برای انسان	نقش	محل وجود
نشاسته	گلوکز	آلفا1 به 4	بلی	ذخیره انرژی	دانه ها ، سیب زمینی ، برنج
سلولز	گلوکز	بتا 1 به چهار	خیر	ساختاری	دیواره سلول گیاهی

سلولز؛ ستون ساختمان گیاهان

سلول‌های گیاهی برخلاف سلول‌های جانوری دارای دیواره سلولی هستند.این دیواره عمدتاً از سلولز ساخته شده است.بدون سلولز : درختان نمی‌توانستند رشد کنند.گیاهان روی زمین می‌افتادند.جنگل‌ها وجود نداشتند.تولید اکسیژن زمین کاهش می‌یافت.به همین دلیل بسیاری از دانشمندان سلولز را ستون فقرات دنیای گیاهان می‌دانند.

فراوان‌ترین پلیمر طبیعی جهان ، سالانه میلیاردها تن سلولز توسط گیاهان ساخته می‌شود.فرایند تولید آن نتیجه مستقیم فتوسنتز است.

​\( 6CO_2+6H_2O \xrightarrow[\text{کلروفیل}]{\text{نور خورشید}} C_6H_{12}O_6+6O_2 \)​

گلوکز حاصل ، سپس در گیاه به سلول زتبدیل می شود .

​\( nC_6H_{12}O_6 \longrightarrow (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \)​

چرا انسان نمی تواند سلولز را هضم کند ؟

بدن انسان آنزیمی به نام سلولاز (Cellulase) ندارد.در نتیجه واکنش زیر در بدن انسان انجام نمی‌شود .

​\( (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \xrightarrow{\text{Cellulase}} nC_6H_{12}O_6 \)​

اما در بسیاری از جانوران گیاه‌خوار مانند گاو، گوسفند و موریانه، میکروارگانیسم‌های ساکن دستگاه گوارش این آنزیم را تولید می‌کنند و سلولز را به گلوکز تبدیل می‌کنند.

تشکیل سلولز

هر واحد سلولز در اصل از گلوکز تشکیل شده است . در هنگام تشکیل سلولز ، هر دو مولکول گلوکز یک مولکول آب از دست می دهند و به هم متّصل می شوند .
واکنش تشکیل پیوند گلیکوزیدی : ​\( 2C_6H_{12}O_6 \longrightarrow C_{12}H_{22}O_{11}+H_2O \)​
که در پلیمر سلولز ، این واکنش هزران بار تکرار می شود . ​\( nC_6H_{12}O_6 \longrightarrow (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \)​
که این واکنش در سلول های گیاهی و با کمک آنزیم های ویژه انجام می شود .

ساختار بلوری

همه قسمت‌های سلولز یکسان نیستند. سلولز از دو بخش تشکیل شده است.

 نواحی بلوری (Crystalline) : که در این قسمت، زنجیره‌ها کاملاً منظم هستند.پیوندهای هیدروژنی فراوان وجود دارد.مقاومت مکانیکی بسیار زیاد است.آب به سختی نفوذ می‌کند.

نواحی آمورف (Amorphous): که در این قسمت ، زنجیره‌ها نامنظم هستند.فضای خالی بیشتری وجود دارد.آب راحت‌تر نفوذ می‌کند.

واکنش‌های شیمیایی عمدتاً از این نواحی آغاز می‌شوند.به همین دلیل، هنگام تولید مشتقات سلولز یا انجام واکنش‌های شیمیایی، بخش آمورف معمولاً فعال‌تر از بخش بلوری است.

خواص فیزیکی

سلولز در حالت خالص، ماده‌ای جامد، سفیدرنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. این پلیمر به صورت الیاف طبیعی در دیواره سلولی گیاهان وجود دارد و به دلیل ساختار نیمه‌بلوری، استحکام و پایداری قابل توجهی دارد.

هیدرولیز آنزیمی : ​\( (C_6H_{10}O_5)_n+nH_2O \xrightarrow{\mathrm{Cellulase}} nC_6H_{12}O_6 \)​ این همان واکنشی است که در شکم گاو ، گوسفند ، شتر ، موریانه و برخی قارچ ها انجام می شود . اگر بدن انسان نیز ، آنزیم سلولاز داشت ، می توانستیم از خوردن چوب ، کاغذ یا علف انرژی دریافت کنیم .

انحلال پذیری

در بسیاری از حلال‌های معمولی ( آب ، اتانول ، استون ، بنزن ، کلروفرم ) حل نمی‌شود.با این حال، در برخی حلال‌های ویژه مانند محلول شوایتزر (Schweizer’s reagent) یا بعضی از مایعات یونی (Ionic Liquids) می‌توان آن را حل کرد. این ویژگی در تولید الیاف بازتولیدشده مانند ویسکوز و لیوسل اهمیت دارد.

نقطه ذوب مشخصی ندارد؛ زیرا پیش از ذوب شدن، آمادگی تجزیه حرارتی دارد .در فرآیند تجزیه، موادی مانند بخار آب، کربن مونوکسید ، کربن دی‌اکسید و ترکیبات آلی فرار تولید می کند .سلولز در برابر بسیاری از مواد شیمیایی پایدار است، اما در شرایط خاص دچار تخریب پذیر است . ( وجود اسید های قوی دلیل هیدرولیز زنجیره ها است .)

به‌طور طبیعی زیست‌تخریب‌پذیر است و توسط میکروارگانیسم‌هایی که آنزیم سلولاز تولید می‌کنند، مستعد تجزیه است. در حالت طبیعی یک عایق الکتریکی است و هدایت الکتریکی بسیار کمی دارد. به همین دلیل در ساخت کاغذهای عایق، تجهیزات الکتریکی و برخی کامپوزیت‌ها کاربرد دارد.

استخراج از تفاله نیشکر (Bagasse)

تفاله نیشکر یکی از مهم‌ترین ضایعات کشاورزی است که مقدار قابل توجهی سلولز دارد. مزایای این روش : ارزان ، تجدیدپذیر ، کاهش ضایعات کشاورزی و مناسب برای تولید کاغذ و زیست‌سوخت ، مراحل استخراج مشابه فرآیند چوب است، اما به دلیل لیگنین کمتر، شرایط فرآوری معمولاً ملایم‌تر است.

استخراج از کاه گندم و ساقه برنج

پسماندهای کشاورزی مانند کاه گندم و ساقه برنج نیز منابع ارزشمند سلولز هستند. مزایای آن از جمله : کاهش آلودگی ناشی از سوزاندن بقایا ، استفاده بهینه از منابع تجدیدپذیر ، کاهش وابستگی به چوب اما دارای چالش هایی نی زمی باشد از جمله مقدار بالاتر خاکستر و سیلیس و نیاز به مراحل شستشوی بیشتر

نشاسته (پیوند α) دارای ساختاری مارپیچی و پیوند آلفا از کربن 1 یک مولکول به کربن 4 مولکول دیگر است . امّا  سلولز (پیوند β) ساختاری کاملاً خطی و اتصال از کربن 1 به 4 است . وجود پیوند 1 به 6 فقط باعث ایجاد شاخه در آمیلوپکتین و گلیکوژن است نه در آمیلوز یا سلولز

حرف آلفا ، اشاره به این دارد که گروه ​\( (-OH) \)​ روی کربن شماره 1 ، در جهت مخالف گروه ​\( (CH_{2}OH) \)​است . در نمایش هاورث برای قندهای نوع D معمولاً رو به پایین است .

آینده سلولز در صنایع پیشرفته

جایگزینی پلاستیک‌های نفت‌پایه

یکی از مهم‌ترین اهداف صنایع شیمیایی، کاهش مصرف پلاستیک‌های سنتزی است.فیلم‌های سلولزی زیست‌تخریب‌پذیر می‌توانند جایگزین مناسبی برای بسیاری از پلاستیک‌های بسته‌بندی باشند. و مزایای آن شامل :کاهش تولید زباله ، کاهش آلودگی اقیانوس‌ها کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ، استفاده از منابع تجدیدپذیر است .

الکترونیک انعطاف‌پذیر

فیلم‌های نانوسلولزی به دلیل شفافیت، انعطاف‌پذیری و استحکام مناسب، گزینه‌ای امیدوارکننده برای ساخت :نمایشگرهای انعطاف‌پذیرحسگرهای زیستی ، مدارهای چاپی ، تجهیزات پوشیدنی است .

پزشکی نوین

سلولز باکتریایی و نانوسلولز در حوزه پزشکی کاربردهای رو به رشدی دارند ، از جمله : پانسمان‌های هوشمند ، داربست‌های مهندسی بافت ، پوست مصنوعی ، رهایش کنترل‌شده دارو ، چاپ زیستی سه‌بعدی (Bioprinting)

ذخیره انرژی

پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند که نانوسلولز می‌تواند در ساخت:جداکننده‌های باتری‌های لیتیوم-یونی ،ابرخازن‌ها ، پیل‌های سوختی الکترولیت‌های جامد به کار رود و عملکرد این سامانه‌ها را بهبود بخشد.

اقتصاد چرخشی (Circular Economy)

سلولز به دلیل تجدیدپذیر بودن و قابلیت بازیافت، نقش مهمی در توسعه اقتصاد چرخشی دارد؛ اقتصادی که در آن مواد تا حد امکان دوباره استفاده یا بازیافت می‌شوند و تولید پسماند به حداقل می‌رسد.

مزایا و محدودیت‌های سلولز

فراوان ترین پلیمر طبیعی ، تجدیدپذیر ، زیست تخریب پذیر ، استحکام مکانیکی بالا ، غیر سمّی و سازگار
اما دارای محدودیّت هایی است از قبیل : نامحلول بودن در بیشتر حلّال ها ، حساسیت به رطوبت ، تخریب در اسید های قوی ، دشواری فرآوری در برخی کاربردها ، هزینه برخی فناوری های نوین مانند نانو سلولز

چرا می گوییم سلولز باعث روان تر شدن مدفوع می شود؟

سلولز با اینکه در دستگاه گوارش انسان هضم نمی‌شود، نقش بسیار مهمی در سلامت روده و دفع مدفوع دارد. علت روان‌تر شدن مدفوع را می‌توان به چند عامل ربط داد.

 افزایش حجم مدفوع

سلولز مقدار زیادی آب را در بین الیاف خود نگه می‌دارد. در نتیجه، حجم مدفوع بیشتر می‌شود و دیواره روده بزرگ بیشتر کشیده می‌شود. این کشش، حرکات طبیعی روده (حرکات دودی یا پریستالتیک) را تحریک می‌کند و مدفوع راحت‌تر به سمت مقعد حرکت می‌کند.

افزایش مقدار آب در مدفوع

سلولز مانند یک اسفنج عمل می‌کند و بخشی از آب موجود در روده را جذب و حفظ می‌کند. این آب باعث می‌شود مدفوع نرم‌تر شود. خشک و سفت نشود .راحت‌تر دفع شود. نکته: سلولز آب را به ساختار خود جذب می‌کند، اما در آن حل نمی‌شود.

کاهش زمان ماندن مدفوع در روده

وقتی حجم مدفوع بیشتر و حرکات روده فعال‌تر شود، مدفوع مدت کمتری در روده بزرگ باقی می‌ماند. بنابراین فرصت کمتری برای جذب آب از مدفوع وجود دارد و مدفوع خشک نمی‌شود.

کمک به پیشگیری از یبوست

مصرف کافی مواد غذایی حاوی سلولز، مانند سبزی‌ها، میوه‌ها، حبوبات و غلات کامل، می‌تواند خطر یبوست را کاهش دهد؛ البته به شرطی که همراه آن آب کافی نیز نوشیده شود. اگر فیبر زیاد مصرف شود اما آب کافی دریافت نشود، ممکن است حتی یبوست بدتر شود.