此條目介紹的是一类生物多醣。关于概念上的营养成份,请见「
膳食纤维 」。
纖維素的結構式:葡萄醣 通過β-1,4-糖苷鍵 連接而成 纖維素分子塡充模型圖 纤维素 (cellulose )是一类有機化合物,其化學通式为(C 6H 10O 5 ) n ,是由幾百至幾千個β(1→4)連接的D-葡萄糖 單元的線性鏈(糖苷键 )組成的多醣 [ 2] [ 3] 。纖維素是綠色植物的、許多形式的藻類和卵菌的原代細胞壁的重要結構組分;一些種類的細菌 分泌它以形成生物膜 [ 4] 。纖維素是地球上最豐富的有機聚合物,是自然界中分布最广、含量最多的一种多醣 ,是组成植物细胞壁 的主要成分。棉花、亚麻、苧麻 和黄麻部含有大量优质的纤维素。棉花 纤维中的纤维素含量是90%,木头中纤维素含量是40%-50%,干燥的麻 中纤维素含量是57%[ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 。
天然纤维素为无味的白色丝状物。纤维素不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂,但在加热的条件下会被酸水解 ,主要的生物学功能是构成植物 的支持组织。
纤维素是由葡萄糖 组成的大分子 多醣 。不溶于水及一般有机溶剂 。是植物 细胞壁 的主要成分之一。纤维素是世界上最丰富的天然有机物 ,占植物界 碳 含量的50%以上。棉花 的纤维素含量接近100%,为天然的最纯纤维素来源。一般木材中,纤维素占40~50%,还有10~30%的半纤维素 和20~30%的木质素 。此外,麻 、麦秆 、稻 甘蔗 渣等,都是纤维素的丰富来源。纤维素是重要的造纸 原料。此外,以纤维素为原料的产品也广泛用于塑料 、炸药 、电工 及科研器材等方面。食物中的纤维素(即膳食纤维 )对人体 的健康 也有着重要的作用。
反刍动物 因在瘤胃 中含有可分泌纤维素酶 的微生物,如纤维杆菌 、纤维素单胞菌 、瘤胃球菌 等而可以消化纤维素。
纤维素于1838年由法国化学家安塞姆·佩恩 首次发现。
植物的細胞壁 纤维素是D -葡萄糖 以β-1,4-醣苷键组成的大分子多醣 ,分子量约50,000~2,500,000,相当于300~15,000个葡萄糖基。分子式可写作(C6 H10 O5 )n ,是维管束植物、地植物以及一部分藻类细胞壁 的主要成分。醋酸菌 的荚膜,以及尾索動物亞門 的被囊中也发现有纤维素的存在,棉的种子毛是高纯度(98%)的纤维素。所谓α-纤维素这一名称系指从原来细胞壁的完全纤维素标准样品用17.5%氢氧化钠(NaOH)不能提取的部分。β-纤维素、γ-纤维素是相应于半纤维素的纤维素。其中,α-纤维素通常是由结晶性纤维素所構成,而β-纤维素,γ-纤维素在化学上除含有纤维素以外,还含有各种多醣 类。细胞壁的纤维素形成微纤维。宽度为10~30毫微米,长度有的达数微米。应用X线(X光)衍射和负染色法 ,根据电子显微镜 观察,链状分子平行排列的结晶性部分组成宽为3~4毫微米的基本微纤维。推测这些基本微纤维集合起来就构成了微纤维。纤维素能溶于施魏策尔试剂(Schweizer's reagent,將氫氧化銅 溶解於濃氨水 中而製得)或浓硫酸 。虽然不易用酸水解,但是稀酸或纤维素酶可使纤维素生成D-葡萄糖、纤维二糖和寡糖。在醋酸菌中有从UDP葡萄糖引子 转移糖苷合成纤维素的酶 (cellulose synthase,EC2.4.1.12)。在高等植物中已得到具有同样活性的颗粒性酶的标准样品。此酶通常是利用GDP葡萄糖(cellulose synthase,EC2.4.1.29),在由UDP葡萄糖转移的情况下,发生β-1,3-键的混合。微纤维的形成场所和控制纤维素排列的机制还不太明瞭。另一方面就纤维素的分解而言,估计在初生细胞壁伸展生长时,微纤维的一部分由于纤维素酶的作用而被分解,成为可溶性。
纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂 ,能溶于施魏策尔试剂 Cu(NH3 )4 (OH)2 和铜乙二胺 (NH2 CH2 CH2 NH2 )Cu(OH)2 溶液等。水可使纤维素發生有限溶胀,某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区,产生无限溶胀,使纤维素溶解。纤维素加热到约150℃时不发生显著变化,超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等,与较浓的苛性鈉溶液作用生成碱纤维素,与强氧化剂作用生成氧化纤维素 ( 英语 : oxidized cellulose ) 。
纤维素的实验室制法是先用水、有机溶剂处理植物原料,再用氯 、亚氯酸盐 、二氧化氯 、过乙酸 去除其中所含的木質素 ,得到纤维素和半纤维素 ,然后采用各种方法除去半纤维素,制得纯纤维素 。工业制法是用亚硫酸盐 溶液或碱 溶液蒸煮植物原料,除去木質素,然后经过漂白 进一步除去残留木質素,所得漂白浆可用于造纸。
全世界用于纺织造纸的纤维素,每年达800万吨。此外,用分离纯化的纤维素做原料,可以制造人造丝 ,赛璐玢 以及硝酸纤维素 、醋酸纤维素 等酯类 衍生物 和甲基纤维素 ( 英语 : Methyl cellulose ) 、乙基纤维素 、羧甲基纤维素 等醚类 衍生物 ,用于塑料 、炸药 、电工 及科研器材等方面。纤维素有良好的声学性能,用于制造乐器,如钢琴,提琴。人类膳食中的纤维素主要含于蔬菜 和粗加工的谷类 中,虽然不能被消化 吸收 ,但有促进肠道 蠕动 ,利于粪便 排出等功能。草食动物 则依赖其消化道 中的共生微生物 将纤维素分解 ,从而得以吸收利用。
纤维素燃烧无味,生成黑烟,用此法可鉴别人造丝和真丝(蛋白质,燃烧有烧焦羽毛气味)。
棉花 纤维代表最纯净的自然形成的纤维素,含有90%以上的多糖 。用于工业用途的纤维素主要是来自木浆 和棉花 [ 9] 。硫酸盐制浆法 工艺用于从木质素 中分离纤维素,木质素是植物物质的另一个重要组成部分。
纸 、纸板 和卡纸的主要成分是纤维素。
纤维素是棉 、麻 和纤维植物制成纺织品的主要成分;其可以变成嫘縈 (Rayon,即人造丝),一种20世纪初就开始使用于纺织品的重要纤维。
^ Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri. Crystal Structure and Hydrogen-Bonding System in Cellulose Iβ from Synchrotron X-ray and Neutron Fiber Diffraction.J. Am. Chem. Soc. . 2002,124 (31): 9074–82.PMID 12149011 .doi:10.1021/ja0257319 . ^ Crawford, R. L.Lignin biodegradation and transformation . New York: John Wiley and Sons. 1981.ISBN 0-471-05743-6 . ^ Updegraff DM. Semimicro determination of cellulose in biological materials. Analytical Biochemistry. 1969,32 (3): 420–424.PMID 5361396 .doi:10.1016/S0003-2697(69)80009-6 . ^ Romeo, Tony.Bacterial biofilms . Berlin: Springer. 2008:258 –263.ISBN 978-3-540-75418-3 . ^ Cellulose. (2008). InEncyclopædia Britannica . Retrieved January 11, 2008, from Encyclopædia Britannica Online. ^ Chemical Composition of Wood (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ). ipst.gatech.edu.^ Piotrowski, Stephan and Carus, Michael (May 2011)Multi-criteria evaluation of lignocellulosic niche crops for use in biorefinery processes (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ). nova-Institut GmbH, Hürth, Germany. ^ Journal of Bioresources and Bioproducts. (2023). Hongwei Ma, Zhiyong Cheng, Xiaobai Li, Bin Li, Yujie Fu, Jianchun Jiang,Advances and challenges of cellulose functional materials in sensors, ^ Klemm, Dieter; Heublein, Brigitte; Fink, Hans-Peter; Bohn, Andreas. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material.ChemInform . 6 September 2005,36 (36).doi:10.1002/chin.200536238 .