Celuloza – co to jest?

Co to jest celuloza?

Zastanawiasz się, czym dokładnie jest celuloza i dlaczego jest tak często spotykana – na przykład w papierze czy w żywności? Celuloza jest jednym z najpowszechniejszych związków występujących w przyrodzie. To ona zapewnia roślinom sztywność i jest podstawą materiałów, z których każdego dnia korzystamy, nawet o tym nie wiedząc.

W tym tekście wyjaśnimy w prosty sposób, czym dokładnie jest celuloza, gdzie występuje, jak się ją wytwarza i w jakich dziedzinach znajduje zastosowanie. Przeczytasz także o tym, jak celuloza wpływa na zdrowie człowieka oraz jakie produkty spożywcze ją zawierają.

Jak zbudowana jest celuloza?

Celuloza to organiczny związek chemiczny, klasyfikowany jako polisacharyd. Jej cząsteczka przypomina długi, prosty łańcuch złożony z wielu powtarzających się jednostek – są to cząsteczki D-glukozy, połączone tzw. wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Te połączenia sprawiają, że celuloza jest bardzo odporna i wytrzymała. Wzór sumaryczny celulozy to (C6H10O5)n, gdzie „n” to liczba jednostek glukozy – waha się ona między 3000 a 14 000. Masa molowa celulozy jest bardzo duża i wynosi od 160 000 do 560 000 g/mol.

Czysta forma celulozy jest białą, bezzapachową i bezsmakową substancją stałą. Nie rozpuszcza się w wodzie ani w temperaturze pokojowej, ani po podgrzaniu. Co ciekawe, może chłonąć wodę i zatrzymywać ją, a rozpuszcza się tylko w specjalnych chemikaliach (jak odczynnik Schweizera).

Kde występuje celuloza?

Celuloza występuje przede wszystkim w roślinach – buduje ich ściany komórkowe i nadaje im kształt oraz sztywność. Stanowi nawet do 90-95% składu włókien bawełny, 45-50% drewna, a także jest obecna w lnie, konopiach, jucie, zbożach i trawie. Ponadto celulozę produkują niektóre glony, grzyby i bakterie, a nawet organizmy zwierzęce, np. osłonice.

W naturze celuloza prawie zawsze pojawia się w towarzystwie innych związków roślinnych – ligniny, pektyn czy hemicelulozy. Oddzielenie celulozy od tych substancji wymaga specjalnych procesów, szczególnie przy produkcji na dużą skalę.

Jak powstaje celuloza?

W roślinach i bakteriach celuloza jest wytwarzana z prostych cukrów podczas reakcji chemicznych, które odbywają się w komórkach żywych organizmów.

Jak rośliny tworzą celulozę?

Głównym surowcem do produkcji celulozy w roślinach jest glukoza. Najpierw glukoza jest przekształcana przez enzymy w aktywną formę – UDP-glukozę. Następnie z tych „cegiełek” powstają długie łańcuchy celulozy poprzez powtarzające się łączenie jednostek D-glukozy za pomocą wiązań β-1,4-glikozydowych. Te łańcuchy tworzą zbitą strukturę zorganizowanych nici, które są bardzo mocne dzięki licznym wiązaniom wodorowym między sąsiadującymi cząsteczkami.

Celuloza tworzona przez bakterie

Niektóre bakterie, takie jak Gluconacetobacter, Sarcina i Agrobacterium, też potrafią produkować celulozę. Bakterie nie mają w swoich ścianach komórkowych ligniny czy hemicelulozy, dlatego ich celuloza jest bardzo „czysta” i ma włóknistą strukturę na poziomie nano. To sprawia, że taka celuloza bardzo dobrze pochłania wodę i znalazła zastosowania np. w medycynie.

Budowa i właściwości celulozy

Czyli co sprawia, że celuloza jest tak trwała i wszechstronna?

Chemiczna budowa celulozy

Celuloza to prosty, nie rozgałęziony łańcuch D-glukozy, w którym jednostki te łączą się w specyficzny sposób. Dzięki wiązaniom β-1,4-glikozydowym łańcuch celulozy jest prosty i sztywny, a wiele takich łańcuchów łączy się w pakiety – micele – utrzymywane razem przez wiązania wodorowe. Taka struktura sprawia, że celuloza jest wytrzymała i trudna do rozciągnięcia.

Dzięki licznym grupom hydroksylowym (-OH) celuloza jest „polarna”, ale przez ścisłe upakowanie łańcuchów cząsteczki wody nie mogą łatwo jej rozpuścić.

Właściwości fizyczne i chemiczne

• Nie rozpuszcza się w wodzie
• Rozpuszcza się w specjalnych odczynnikach
• Jest odporna na wysoką temperaturę (rozpada się w 250-260°C)
• Zwykła celuloza nie pali się łatwo, ale jej pochodne (np. nitroceluloza) są łatwopalne
• Nie ulega rozkładowi (hydrolizie) w łagodnych warunkach
• Rozkładana jest przez silne kwasy lub specjalne enzymy, np. u niektórych zwierząt
• Można ją modyfikować chemicznie – powstają w ten sposób pochodne celulozy
• Biodegradowalna i bezpieczna dla środowiska

Najważniejsze rodzaje celulozy i jej pochodnych

Jak pozyskuje się i przetwarza celulozę?

Aby uzyskać czystą celulozę na skalę przemysłową, najczęściej wykorzystuje się drewno, a także włókna roślin, np. bawełnę czy len. W przypadku drewna trzeba oddzielić celulozę od ligniny i hemicelulozy. Służą do tego różne metody chemiczne i mechaniczne.

Metody pozyskiwania celulozy

1. Metoda siarczynowa – wykorzystuje wodorosiarczyn wapnia (Ca(HSO3)2), selektywnie rozpuszcza ligninę.
2. Metoda siarczanowa (Kraft) – stosuje mieszaninę wodorotlenku, siarczku, węglanu i siarczanu sodu. Drewno po tym procesie daje wytrzymałą celulozę.
3. Metoda natronowa – polega na działaniu tylko wodorotlenkiem sodu.

Po rozdzieleniu celuloza jest płukana i często bielona, by otrzymać biały, czysty produkt.

Gdzie wykorzystuje się celulozę?

Dzięki swoim właściwościom, celuloza przydaje się w wielu branżach.

Przemysł papierniczy i tekstylny

• Produkcja papieru – celuloza stanowi jego główny składnik (papier, tektura, ręczniki, chusteczki)
• Tekstylia – z celulozy powstają naturalne włókna (bawełna, len), a także sztuczne, np. wiskoza (sztuczny jedwab), octanowe włókna

Przemysł spożywczy

• Celuloza mikrokrystaliczna (E460) – dodatek do produktów, poprawia konsystencję, zapobiega sklejaniu i przedłuża świeżość.
• Metyloceluloza i inne pochodne – zagęszczają sosy, dżemy, jogurty, lody, pieczywo.
• Celulozowe osłonki – do kiełbas i wędlin.

Farmacja

• Podstawowy składnik tabletek i kapsułek – działa jako wypełniacz, wiąże składniki, umożliwia ich szybkie rozpadanie się w organizmie.
• Używana w powłokach na lekach (ochrona, kontrola uwalniania), w zawiesinach i maściach.
• Stosowana w technikach laboratoryjnych, np. chromatografii.

Kosmetyki

• Zagęszczacz do kremów, szamponów, past do zębów.
• Tworzy warstwę ochronną na skórze i poprawia konsystencję produktów.

Medycyna i biomateriały

• Bakterie tworzące celulozę wykorzystuje się do produkcji opatrunków, które przyspieszają gojenie ran
• Stosowana w implantach, rusztowaniach dla tkanek, a także jako nośnik leków w nowoczesnych terapiach

Biopaliwa i produkty ekologiczne

• Z celulozy z roślin lub odpadów produkuje się etanol celulozowy, używany jako paliwo
• Celuloza jest biodegradowalna i przyjazna dla środowiska – służy do tworzenia ekologicznych opakowań czy tekstyliów

Celuloza w diecie człowieka

Choć nasz organizm nie trawi celulozy, jest ona niezbędna jako składnik błonnika pokarmowego. Celuloza pełni tu bardzo ważną funkcję – pomaga regulować trawienie.

Rola celulozy jako błonnika

• Celuloza nie rozkłada się w ludzkim przewodzie pokarmowym, ale wchłania wodę i zwiększa objętość masy jelitowej.
• Pomaga przesuwać pokarm przez jelita – zapobiega zaparciom.
• Sprawia, że czujemy się szybciej najedzeni (uczucie sytości), co pomaga w odchudzaniu.
• Sprzyja rozwojowi dobrej flory bakteryjnej w jelitach.

Celuloza w suplementach

• Celuloza mikrokrystaliczna (MCC) jest często dodawana do tabletek i kapsułek.
• Jako źródło błonnika wspomaga pracę jelit i może ułatwiać redukcję masy ciała.
• Nadmierna ilość błonnika może powodować wzdęcia, gazy i uczucie ciężkości – nie należy przesadzać z dawką.

Gdzie znajdziemy najwięcej celulozy w żywności?

• Warzywa liściaste i strączkowe (np. brukselka, fasolka, groch, szparagi)
• Owoce, szczególnie ze skórką, np. jabłka, gruszki, jagody, awokado
• Pełnoziarniste produkty zbożowe, ryż, kasze, płatki owsiane
• Orzechy, nasiona, pestki

Im mniej przetworzony produkt, tym więcej celulozy i innych form błonnika.

Najczęstsze pytania dotyczące celulozy

Czy celuloza jest szkodliwa?

Naturalna celuloza nie jest dla człowieka szkodliwa. Jest bezpieczna jako składnik żywności, suplementów oraz produktów codziennego użytku. Pochodne celulozy używane w przemyśle są też dokładnie badane pod kątem bezpieczeństwa.

Czy istnieje celuloza syntetyczna?

Celuloza jest wyłącznie pochodzenia naturalnego – wytwarzana przez rośliny lub bakterie. To, co czasami nazywamy syntetyczną celulozą, to po prostu produkty pochodne (np. estrowane lub eteryfikowane), modyfikowane chemicznie na bazie naturalnego surowca. Ich podstawowa budowa pozostaje taka sama jak w naturze.

Ciekawostki o celulozie

• Celuloza to najczęściej występujący biopolimer na Ziemi.
• Bakterie mogą produkować bardzo czystą formę celulozy o wyjątkowych cechach, m.in. dużej zdolności pochłaniania wody.
• Niektóre produkty, jak lody czy pieczywo, zawierają celulozę jako naturalny dodatek do żywności poprawiający strukturę i trwałość.

Celuloza to nie tylko materiał na papier czy tkaniny – jej obecność w codziennym życiu jest większa, niż się wydaje, a dla zdrowia i środowiska odgrywa bardzo ważną rolę.