Cellulose - celulose

Japanese: セルロース - せるろーす（英語表記）cellulose

The main component of plant cell walls. It is the most abundant organic compound in nature, and is produced in plants by photosynthesis from carbon dioxide and water. It is also called cellulose. A unit consisting of about 40 cellulose chains (α-1,4 glucan) is called a micelle, and a large number of micelles are called a microfibril. Microfibrils are 10 to 30 nanometers in diameter and several micrometers in length. In cell walls, cellulose forms microfibrils (cellulose microfibrils). These exist in a state where they are embedded in a matrix (cytoplasmic substrate) consisting of other non-cellulosic polysaccharides (hemicellulose and pectin). The cellulose content of the primary cell wall (the cell wall that is formed first) varies depending on the type, tissue, and age of the plant, but usually accounts for 25 to 40% of the dry weight of the cell wall. In general, the degree of polymerization of glucose that constitutes the cellulose chains in the cell walls of young cells is low, and the cellulose content is also low. Furthermore, not only are the microfibrils arranged almost perpendicular to the long axis (stalk axis) of the cells, but the spacing between the microfibrils is also wide. This is related to the fact that in young cells, the cell wall structure is mechanically flexible in the long axis direction, making it easier for the cells to elongate and grow in the long axis direction. In aged cells, the degree of glucose polymerization of the cellulose molecules increases and the content also increases, sometimes reaching 60%. Furthermore, compared to young meristem cells, mature cells have about 10 times the cellulose content per cell. At this time, the spacing between the microfibrils also becomes denser, and many of them are arranged parallel to the long axis, forming a mesh structure overall. In this state, the cell wall becomes mechanically strong and less extensible. Therefore, cell growth also stops.

The orientation of cellulose microfibrils in plant cell walls is determined by the orientation of microtubules.

[Masayuki Katsumi]

The percentage of cellulose in a plant is usually 1/2 to 1/3, but in jute it is 65%, in flax it is 80%, and in cotton it is 98%. Pure cellulose can be obtained by washing cotton with alcohol and ether to remove wax and fat, and by boiling it in a dilute alkali solution of about 1% to remove pectin-like substances. Ordinary plant fibers such as wood contain lignin, hemicellulose, etc., and when these are removed using the sulfate and sulfite methods, a cellulose called pulp is obtained, but non-cellulose components still remain in the pulp.

[Rikuhei Tani

structure

Cellulose is a polysaccharide (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n composed only of D-(+)-glucose. The glucose unit is a hemiacetal glucopyranose ring with a six-membered chair structure, and the hydroxyl group -OH at the C1 position of the glucopyranose ring is connected in a straight chain by a β-1,4-glucosidic bond, which is formed by losing one water molecule between the hydroxyl group at the C4 position of the adjacent glucose unit. The two hydroxyl groups that make the bond are both in the equatorial position, which means the direction of the equator, so the glucose units are arranged in a straight chain. Cellulose and starch have different configurations because the positions and directions of the bonds are slightly different. The molecular weight of cellulose can be hundreds of thousands or more, the number of glucose units (the number n in the molecular formula) per molecule is 3,000 to 6,000, and the length of a cellulose molecule is said to be 20,000 to 30,000 angstroms (Å, ^{10 -10} meters). In these linear cellulose molecules, many hydroxyl groups remain, and because they are all in equatorial positions, they are linked by intermolecular hydrogen bonds, arranged in a parallel and regular pattern to form bundles. Both ends of the bundles form tufts, which are thought to be connected to other tufts in a network to form cellulose fibers. In fact, microcrystalline and amorphous parts are found in natural cellulose, and this structure gives the fibers their strength, elasticity, dyeability, and moisture absorption. When cellulose is dissolved and then regenerated, the crystalline structure changes. In wood, the bundles of cellulose molecules are embedded in lignin, making the structure even stronger. Exceptionally, cellulose contains D-mannose and D-xylose, and some D-glucose is branched and bonded.

Since glucose on Earth only exists as one enantiomer (optical isomer, mirror image), D-(+)-glucose, cellulose also only exists as one enantiomer.

[Rikuhei Tani

nature

Cellulose is a tasteless, odorless white solid that is highly hygroscopic, and a typical cellulose sample contains about 10% water. It is insoluble in common solvents such as water, ethanol (ethyl alcohol), and ether, but is soluble in Schweitzer's reagent (cuprammonium solution), sulfuric acid, hydrochloric acid, and phosphoric acid.

When cellulose is boiled with dilute acid, it is hydrolyzed to obtain D-glucose, but it is less hydrolyzed than other polysaccharides such as starch, and is not hydrolyzed by alkali. Each glucose unit of cellulose has three hydroxyl groups, and the reaction occurs at these hydroxyl groups. That is, cellulose produces esters and ethers in the same way as alcohols. When cellulose is treated with a mixed acid of nitric acid and sulfuric acid, nitrocellulose, a nitric ester, is obtained, and when it is treated with chlorosulfonic acid, cellulose sulfate is obtained. When it is treated with acetic anhydride and a small amount of sulfuric acid, it becomes triacetate, and when this is partially hydrolyzed, chain cleavage and partial elimination of the acetyl group occur, producing 200-300 units of diacetate, i.e., acetylcellulose. When alkali cellulose obtained by treatment with alkali is treated with carbon disulfide, alkyl halides, or chloroacetates, cellulose ethers such as cellulose xanthate, methylcellulose, and CMC (carboxymethylcellulose) are obtained. These reactions of cellulose are carried out to improve the properties of inexpensive and readily available ready-made polymers, and are of industrial importance.

[Rikuhei Tani

Applications

Cellulose is used in large quantities as fiber and paper, and its derivatives are used as gunpowder, plastics, films, viscose rayon, antifoaming agents, emulsifying and dispersing agents, thickeners, optical resolution agents, protective colloids, etc. Ion-exchange cellulose has many applications in the field of biochemistry. Celluloid and cellophane, which were once widely produced, are also cellulose derivatives.

[Rikuhei Tani

Relationship with the human body

Since the human digestive tract does not secrete the enzyme cellulase, cellulose is excreted without being digested or absorbed. However, some microorganisms that live in the large intestine can break down cellulose. Cellulose is the main component of "crude fiber" in food analysis. It also promotes intestinal peristalsis and prevents constipation.

[Fuwa Eiji]

"Wood Chemistry, Vol. 1, edited by Migita Nobuhiko, Yonezawa Yasumasa, and Kondo Tamio (1968, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "Wood Industry Handbook, 3rd Revised Edition, edited by the Wood Industry Handbook Editorial Committee (1982, Maruzen)" ▽ "Plant Cell Walls, by Masuda Yoshio (1986, University of Tokyo Press)" ▽ "Cellulase, by Murao Sawao et al. (1987, Kodansha)" ▽ "Plant Cell Walls and Polysaccharides, by Sakurai Naoki et al. (1991, Baifukan)" ▽ "Cellulose Resources - Technological Development and Fundamentals for Advanced Utilization, edited by Koshijima Tetsuo (1991, Academic Press Center)" ▽ "Interface Control and Composite Material Design, by Ide Fumio (1995, Sigma Publishing)" ▽ "Interesting Stories of New Biomaterials, edited by Matsunaga Tadashi and Motomiya Tatsuya (1996, Nikkan Kogyo Shimbun)" ▽ "Natural and Biopolymer Materials for the 21st Century" edited by Miyamoto Takeaki et al. (1998, CMC)" ▽ "Advanced Materials Control Engineering" edited by the Society of Chemical Engineers (1999, Maki Shoten) ▽ "Encyclopedia of Cellulose" edited by the Cellulose Society (2000, Asakura Shoten) ▽ "Materials Science of Cellulose" by Isogai Akira (2001, University of Tokyo Press) ▽ "Functional Cellulose" by Koshijima Tetsuo et al. (2003, CMC Publishing)

Molecular structure of cellulose
©Shogakukan ">

Molecular structure of cellulose

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

植物細胞壁の主要構成成分。自然界にもっとも多く存在する有機化合物であり、植物中で二酸化炭素と水とから光合成によってつくられている。繊維素ともいう。セルロース鎖（α-1,4グルカン）が40本くらい集まった単位をミセルとよび、ミセルが多数集合したものをミクロフィブリル（微繊維）という。ミクロフィブリルは太さ10～30ナノメートル、長さ数マイクロメートルの大きさである。細胞壁の中で、セルロースはミクロフィブリルを形成する（セルロースミクロフィブリル）。これは、他の非セルロース性多糖類（ヘミセルロースおよびペクチン質）からなるマトリックス（細胞質基質）の中に埋没されたような状態で存在している。一次細胞壁（最初に形成される細胞壁）中のセルロース含量は、植物の種類や組織、年齢によって異なるが、普通、細胞壁乾燥重量の25～40％を占める。一般に若い細胞の細胞壁では、セルロース鎖を構成するグルコースの重合度は小さく、セルロース含量も少ない。さらに、ミクロフィブリルは細胞の長軸（茎軸）方向に対してほぼ直角に配列しているのみならず、ミクロフィブリルどうしの間隔も広い。このことは、若い細胞では細胞壁構造が長軸方向に対して機械的に柔軟であり、したがって、長軸方向へ伸長成長しやすくなっているということと関係がある。加齢した細胞では、セルロース分子のグルコース重合度も大きくなり、含量も増加して、60％に達することもある。また、若い分裂組織の細胞に比べて、成熟した細胞では、細胞当りのセルロース含量は約10倍にもなる。この際、ミクロフィブリルどうしの間隔も密になり、配列も長軸と平行のものが多くなり、全体としては網目構造を形成するようになる。この状態になった細胞壁は、機械的に強い構造となり、伸展性は少なくなる。したがって、細胞の成長も停止することになる。

　植物細胞壁におけるセルロースミクロフィブリルの配列方向は、微小管の配列方向によって決められる。

［勝見允行］

　植物体においてセルロースの占める割合はふつう1/2～1/3であるが、ジュートでは65％、アマでは80％、木綿では98％に及ぶ。木綿をアルコールとエーテルで洗うことにより、ろう、脂肪を除き、約1％の希アルカリ溶液で煮沸することによりペクチン様物質を除くと、純粋なセルロースが得られる。木材など普通の植物繊維はリグニン、ヘミセルロースなどを含むため、硫酸塩法、亜硫酸塩法によりこれを取り除くと、パルプとよばれるセルロースが得られるが、パルプには非セルロース分がまだ残っている。

［谷利陸平］

構造

セルロースはD-(+)-グルコースのみより構成される多糖類(C₆H₁₀O₅)_nであり、グルコース単位は六員環いす形構造をもつヘミアセタールであるグルコピラノース環となり、そのC1位にあるヒドロキシ基-OHと、隣接するグルコース単位のC4位ヒドロキシ基との間で水1分子を失った形のβ-1,4-グルコシド結合により直鎖状につながった構造をとっている。結合をつくる二つのヒドロキシ基はいずれも赤道方向ともいうべきエクアトリアル位（赤道という意味）にあるため、グルコース単位は直鎖状に並ぶ。セルロースとデンプンは、結合をつくる位置と方向が多少違うことから、立体配置が異なっている。セルロースの分子量は数十万またはそれ以上のこともあり、1分子につき存在するグルコース単位の数（分子式でのnの数）は3000～6000個、セルロース分子の長さは2万～3万オングストローム（Å。10^-10メートル）といわれている。これら鎖状セルロース分子において、数多くのヒドロキシ基が残っており、いずれもエクアトリアル位にあるため分子間の水素結合によって結び合い、平行に規則正しく配列し束をつくっている。束の両端は房状となり、他の房と網状につながりセルロース繊維となっていると考えられている。実際に天然セルロースにおいては微結晶部分と無定形部分とが認められ、このような構造が繊維の強さ、弾力性、染色性、吸湿性を生んでいる。セルロースを溶解したのち再生すると結晶構造は変わる。木材ではセルロース分子の束がリグニンの中に埋め込まれ、さらに強化された構造となっている。セルロースのなかには、D-マンノース、D-キシロースを含むもの、またD-グルコースが多少枝分れして結合しているものも例外的にある。

　地球上のグルコースがエナンチオマー（光学異性体、鏡像異性体）の一方D-(+)-グルコースのみであるため、セルロースもエナンチオマーの一方のみである。

［谷利陸平］

性質

セルロースは吸湿性の強い無味・無臭の白色固体で、普通のセルロース試料は10％程度の水を含んでいる。水、エタノール（エチルアルコール）、エーテルなど通常の溶媒には溶けず、シュワイツァー試薬（銅アンモニア溶液）、硫酸、塩酸、リン酸に溶ける。

　セルロースを希酸と煮沸すると加水分解されD-グルコースが得られるが、デンプンなど他の多糖類と比べると加水分解されにくく、アルカリでは加水分解されない。セルロースのグルコース単位はそれぞれ3個のヒドロキシ基をもち、反応はこのヒドロキシ基でおこる。すなわち、セルロースはアルコールと同様にエステル、エーテルを生成する。硝酸、硫酸の混合酸を作用させると硝酸エステルであるニトロセルロースが、クロロスルホン酸を作用させると硫酸セルロースが得られる。また無水酢酸と少量の硫酸で処理するとトリアセテートとなり、これを部分加水分解すると、鎖の開裂、アセチル基の部分脱離がおこり、200～300単位のジアセテートすなわちアセチルセルロースが生成される。アルカリで処理して得たアルカリセルロースに二硫化炭素、ハロゲン化アルキル、クロロ酢酸塩を作用するとセルロースキサントゲン酸塩やメチルセルロース、CMC（カルボキシメチルセルロース）などのセルロースエーテルが得られる。これらセルロースの反応は、安価で入手しやすい既製の高分子の性質を改良するため行われ、工業的に重要な意味をもっている。

［谷利陸平］

用途

セルロースは繊維、紙として大量に用いられるほか、セルロース誘導体は火薬、プラスチック、フィルム、ビスコースレーヨン、消泡剤、乳化分散剤、増粘剤、光学分割剤、保護コロイドなどとして用いられ、イオン交換セルロースは生化学分野での用途が多い。かつて多く製造されたセルロイド、セロファンもセルロース誘導体である。

［谷利陸平］

人体との関係

人間の消化管には繊維素分解酵素（セルラーゼ）は分泌されないから、セルロースは消化吸収されないで排泄(はいせつ)される。しかし大腸に生育する微生物のあるものはセルロースを分解する。セルロースは食品分析における「粗繊維」の主成分である。また腸の蠕動(ぜんどう)運動を促進し、便秘を防ぐ。

［不破英次］

『右田伸彦・米沢保正・近藤民雄編『木材化学』上（1968・共立出版）』▽『木材工業ハンドブック編集委員会編『木材工業ハンドブック』改訂3版（1982・丸善）』▽『増田芳雄著『植物の細胞壁』（1986・東京大学出版会）』▽『村尾沢夫ほか著『セルラーゼ』（1987・講談社）』▽『桜井直樹ほか著『植物細胞壁と多糖類』（1991・培風館）』▽『越島哲夫編『セルロース資源――高度利用のための技術開発とその基礎』（1991・学会出版センター）』▽『井手文雄著『界面制御と複合材料の設計』（1995・シグマ出版）』▽『松永是・本宮達也編著『おもしろいバイオ新素材のはなし』（1996・日刊工業新聞社）』▽『宮本武明ほか編『21世紀の天然・生体高分子材料』（1998・シーエムシー）』▽『化学工学会編『先端材料制御工学』（1999・槇書店）』▽『セルロース学会編『セルロースの事典』（2000・朝倉書店）』▽『磯貝明著『セルロースの材料科学』（2001・東京大学出版会）』▽『越島哲夫ほか著『機能性セルロース』（2003・シーエムシー出版）』