Новости химической науки > Клейстер из целлюлозы

Целлюлоза и крахмал представляют собой полисахариды, образованные остатками глюкозы, которые связаны, соответственно, бета-1,4- и альфа-1,4-гликозидными связями. Различный способ связывания приводит к существенному различию в свойствах этих биополимеров.

Целлюлоза обладает высокой степенью кристалличности. Именно на нее приходится наибольшая доля в сухой биомассе биосферы Земли. Однако переработка целлюлозы затруднена вследствие ее существенной инертности, как к химическому, так и к ферментативному гидролизу. Инертность целлюлозы и ее низкая растворимость в воде и других растворителях обуславливается сильным водородным связыванием цепей клетчатки в ее зонах кристалличности.

Крахмал также отличается существенной степенью кристалличности при комнатной температуре, однако переходит в аморфное состояние в воде при нагревании до 60–70 градусов Цельсия. Этот процесс известен как желатинизация крахмала и наблюдается, например, при приготовлении крахмального клейстера или киселя.

Шигеру Дегуши (Shigeru Deguchi), Каору Цудзи (Kaoru Tsujii) и Коки Хорикоши (Koki Horikoshi) из Агенства по гидрогеологическому исследованию Японии с помощью поляризационной микроскопии непосредственно наблюдали процессы, протекающие с кристаллической целлюлозой в воде при нагревании до 350 градусов Цельсия и постоянном давлении в 25 МПа. Было обнаружено, что при температуре выше 320 градусов целлюлоза переходит из кристаллического в аморфное состояние.

Микрофотографии, полученные в поляризованном свете, показывают изменения, происходящие с целлюлозой в интервале 300 - 330 градусов Цельсия и давлении 25 МПа. Температуры (в градусах Цельсия): (A) 300, (B) 310, (C) 320, (D) 330. Масштаб – 50 мкм. (по материалам Chem. Commun.)

Изменение степени кристалличности целлюлозы в горячей и сверхсжатой воде отражено на микрофотографиях, полученных при непрерывном увеличении температуры со скоростью 10 – 14 градусов в минуту. Лучепреломление волокнистой целлюлозы, визуализированное с помощью поляризованного излучения, не испытывает существенных изменений до температуры 310 градусов, что может говорить о сохранении целлюлозой исходной степени кристалличности вплоть до этой температуры. Гидролизом целлюлозы до достижения этой температуры также, вероятно, можно пренебрегать, так как значительных изменений в размерах целлюлозных волокон не наблюдается.

При нагревании до 320 градусов Цельсия лучепреломление начинает понижаться и практически исчезает при 330 градусах. Микрофотографии четко демонстрируют, что в этом температурном интервале происходит переход целлюлозы из кристаллического состояния в аморфное. Вслед за аморфизацией целлюлозы происходит ее растворение и гидролиз, в результате чего волокна целлюлозы перестают наблюдаться уже при 340 градусах, а в реакторе после охлаждения обнаруживается только водный раствор глюкозы.

Исследователи считают, что наблюдаемая ими трансформация связана с существенными изменениями механических и химических свойств целлюлозы, обусловленными, как и желатинизация крахмала, разрушением водородно-связанных полимерных ассоциатов.

Обнаруженный процесс аморфизации целлюлозы может оказаться интересным не только в плане практической переработки наиболее распространенного углевода. В земной коре вода также может находиться в перегретом и сверхсжатом состоянии. Таким образом, информация об аморфизации клетчатки может оказаться весьма важной при изучении превращений растительных отложений в земной коре, например их окаменении или конверсии в каменный уголь.

Источник: Chem. Commun., 2006, P.3293.