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Cellulose

Mehrfachzucker, Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden
(Weitergeleitet vonZellulose)

DieCellulose(auchZellulose) ist der Hauptbestandteil pflanzlicherZellwände(Massenanteil etwa 50 %) und damit die häufigsteorganische Verbindungund auch das häufigstePolysaccharid(Vielfachzucker). Cellulose ist auch das am häufigsten vorkommendeBiomolekül.[5]Sie ist unverzweigt und besteht aus mehreren hunderten bis zehntausenden (β-1,4-glycosidisch verknüpften) β-D-Glucose- bzw.Cellobiose-Einheiten. Diese hochmolekularen Celluloseketten lagern sich zu höheren Strukturen zusammen, die als reißfesteFasernin Pflanzen häufig statische Funktionen haben. Vom in der Natur ebenfalls häufigen PolysaccharidChitinunterscheidet Cellulose sich durch das Fehlen derAcetamidgruppen.Cellulose ist bedeutend als Rohstoff zurPapierherstellung,aber auch in der chemischen Industrie und anderen Bereichen.

Strukturformel
Cellulose (Sesselkonformation)
Glucosedimer, dargestellt inSesselkonformation(Cellobiose-Einheit)
Allgemeines
Name Cellulose
Andere Namen
CAS-Nummer 9004-34-6
Monomer β-D-Glucose(Monomer)Cellobiose(Dimer)
SummenformelderWiederholeinheit C12H20O10
Molare Masseder Wiederholeinheit 324,28 g·mol−1
Kurzbeschreibung

weißes geruchloses Pulver[3]

Eigenschaften
Aggregatzustand

fest[3]

Dichte

~1,5 g·cm−3[4]

Löslichkeit

nahezu unlöslich in Wasser[3]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[3]
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H:keine H-Sätze
P:keine P-Sätze[3]
Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Eine Form der Cellulose (Cellulose I β, Tunicin) ist eines der Kohlenhydrate im gallertartigen Mantel derManteltiere.[6]

Geschichte

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Cellulose wurde im Jahr 1838 von dem französischen ChemikerAnselme Payenentdeckt, der diese aus Pflanzen isolierte und deren chemische Formel bestimmte.[7]Cellulose wurde im Jahr 1870 vonHyatt Manufacturing Companydazu genutzt, um das ersteThermoplast,Zelluloid,herzustellen.Hermann Staudingerermittelte im Jahr 1920 die Struktur von Cellulose. 1992 wurde Cellulose zum ersten Mal von S. Kobayashi und S. Shoda chemisch synthetisiert (ohne die Hilfe biologisch basierenderEnzyme).[8]

Cellulose mit Strukturen imNanometerbereich(bis 100 nm Durchmesser) wird alsNanocellulosebezeichnet. DieNanocellulosewird in drei Kategorien unterteilt: mikrofibrillierte Cellulose (MFC), nanokristalline Cellulose (NCC) und bakterielle Nanocellulose (BNC).[9]Der Ausdruck wurde erstmals in den späten 1970er Jahren geprägt.[10]

Chemie

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Cellulose ist einPolymer(Polysaccharid‚Vielfachzucker‘) aus dem Monomer Cellobiose, die wiederum einDisaccharid(‚Zweifachzucker‘) undDimerdesMonosaccharids(‚Einfachzuckers‘) Glucose ist. Die Monomere sind durch β-1,4-glycosidische Bindungen miteinander verknüpft. Hier liegt ebenfalls eine β-1,4-glycosidische Bindung vor, so dass häufig auch die Glucose als Monomer der Cellulose definiert wird.

1,4-Glycosidische Verknüpfung, ausgewählte Wasserstoffbrückenbindungen sindblau gestrichelt.

Die Verknüpfung der Monomere erfolgt durch eineKondensationsreaktion,bei der zweiHydroxygruppen(–OH) ein Wassermolekül (H2O) bilden und das verbleibendeSauerstoffatomdie ringförmige Grundstruktur (Pyranring) der beiden Monomere verbindet. Neben dieser starken,kovalenten Bindungwerden intramolekular zusätzlich die weniger starkenWasserstoffbrückenausgebildet.[11]Häufig besteht ein Cellulosemolekül aus mehreren tausend Glucoseeinheiten.

Nachweisreaktion für Cellulose

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Da das Cellulosemolekül im Gegensatz zur nahe verwandtenStärke(Amylose) nicht spiralig, sondern alsFaltblattstruktur(siehe Abbildung) aufgebaut ist, kann ein nasschemischer Nachweis nicht mitIod(sieheIodprobe) allein geführt werden, sondern es sind Zink- oder Calciumionen notwendig, die zu einem Aufquellen der planaren Struktur führen. Hierfür eignen sich entweder die klassischeChlorzinkiodprobeoder ihre gefahrstoffärmere Variante mitCalciumchloridund Iod. Durchführung: Auf einerTüpfelplatteoder in eine Porzellanschale wird eine Spatelspitze Cellulosepulver oder ein Stückchen Papier mit wenigen Tropfen der Nachweislösung beträufelt. Nach kurzer Zeit bildet sich eine Färbung, die je nach verwendeter Cellulose blau, violett oder braun sein kann.[12]

Eigenschaften

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Cellulose ist inWasserund den meistenorganischen Lösungsmittelnunlöslich. Lösungsmittel wieDimethylacetamid/Lithiumchlorid,N-Methylmorpholin-N-oxid,Dimethylsulfoxid/TetrabutylammoniumfluoridoderAmmoniak/Cu2+(Schweizers Reagens) sowie einigeionische Flüssigkeiten[13]vermögen jedoch Cellulose zu lösen.

Sie kann durch starkeSäurenin Anwesenheit von Wasser unter Spaltung der glycosidischen Bindungen bis zuGlucoseabgebaut werden.

Stoffwechsel

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Biosynthese

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Schemadarstellung derZellwand,Cellulosemikrofibrillen in hellblau

In den meisten Pflanzen hat Cellulose eine grundlegende Bedeutung als Struktursubstanz. Fasern in verholzenden und nichtverholzenden Pflanzen bestehen aus einer Vielzahl vonFibrillen,die wiederum aus zahlreichen, parallel zueinander angeordneten Cellulosemolekülen bestehen. Cellulose-Mikrofibrillenwerden in derPlasmamembraneinerZellein sogenannten Rosettenkomplexen synthetisiert. Diese enthalten dasEnzymCellulose-Synthase,welches β-D-Glucane(D-Glucosepolymere mit β-Bindung) herstellt und dabei das ersteKohlenstoff-Atom einesD-Glucosemoleküls mit dem vierten Kohlenstoff-Atom eines anderenD-Glucosemoleküls verknüpft. Die Herstellung der Glucankette erfordert zwei essentielle Schritte. Zuerst spaltet Saccharose-Synthase dasDisaccharid(Zweifachzucker)Saccharosein seine Monomere Glucose undFructose,um so Glucose bereitzustellen. Die Glucose wird nun durch die Cellulose-Synthase mitUridindiphosphat(UDP) zuUDP-Glucoseverknüpft. In einem weiteren Schritt wird nun die gebundene Glucose auf dennichtreduzierenden Zuckerder wachsenden Glucankette übertragen. Anschließend wandert die Glucankette bzw. das Enzym weiter, sodass ein weiterer Syntheseschritt stattfinden kann.

Cellulose wird in derPlasmamembrangebildet und vernetzt sich untereinander zu faserigen Strukturen. Anschließend erfolgt die räumliche Anordnung der Cellulosefibrillen durchMikrotubuli.

Wichtiges Merkmal derManteltiereist ein Cuticularmantel, der von der einschichtigen Epidermis abgeschieden wird und – einmalig im Tierreich – aus Cellulose besteht.[14]

Abbau

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Da Pflanzen selbst produzierte Cellulose in ihre Zellwände einbauen, benötigen sieendogeneCellulasenzum Umbau von Zellwänden, z. B. beiWachstumsvorgängen.Bei dem pflanzlichen Cellulasegen handelt es sich um ein sehr altes Gen.[15]

Nutzung

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Hauptsächlich aus Cellulose bestehendes Pflanzenmaterial wird vom Menschen mindestens seit derAltsteinzeitalsBrennstoffzum Kochen und Heizen genutzt. Cellulose ist daneben ein wichtiger Rohstoff für stoffliche Nutzungen, aber auch als natürlicher oder zugesetzter Bestandteil von Nahrungs- undFuttermittelnvon Bedeutung. Da Cellulose zudem in fast allen Arten pflanzlicher Biomasse vorkommt, ist sie auch in vielen anderen Bereichen wichtig, wie z. B. in Holz (Lignocellulose) als Baustoff etc.

Rohstoff

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Cellulose ist ein wichtiger Rohstoff zurPapierherstellung.Als Ausgangsrohstoff dient daslignin-und cellulosereiche Holz. Aus diesem wird einerseits auf mechanischem WegHolzschliffhergestellt, der für Papier weniger hoher Qualität verwendet wird. Andererseits wird durch chemische Verfahren der Ligninanteil entfernt, wodurchZellstofferzeugt wird, der hauptsächlich aus Cellulose besteht und für Papiere höherer Qualität verwendet werden kann.

Die Samenhaare des Baumwollstrauches (Gossypium herbaceum) bestehen aus fast reiner Cellulose.[16]
Nahaufnahme von Gewebe aus Viskose („Kunstseide “).

In der Bekleidungsindustrie werden sowohl natürliche aus Cellulose bestehenden Pflanzenfasernwie auch künstlicheCellulosefasern(abgekürztCO) verwendet. Beispiele für natürliche Fasern sindBaumwolleund dieBastfaserndesLein(Flachs), die zuLeinenverarbeitet werden.

Zur Herstellung von synthetischen Cellulosefasern („Zellwolle“) wird eine alkalische Lösung vonxanthogenierterCellulose („Viscose-Lösung “) zu Fäden verarbeitet, der sogenanntenRegeneratfaser(z. B.Viskose).

UnterschiedlichsteCellulosederivatefinden vielfältige Anwendung, wie z. B.Methylcellulose,CelluloseacetatundCellulosenitratin der Bau-, Textil- und chemischen Industrie. Vom Cellulosenitrat abgeleitet istZelluloid,der ersteThermoplast.

Ein weiteres Cellulose-Regenerat istCellophan(Cellulosehydrat), das in Form von Folien ein verbreitetes Verpackungsmaterial ist.

Da Cellulose in der Natur in großen Mengen verfügbar ist, wird versucht, diesennachwachsenden Rohstoffz. B. auch alsBiokraftstoffCellulose-Ethanolverfügbar zu machen. Derzeit wird intensiv geforscht, um pflanzlicheBiomasse,wie vor allem Holz und Stroh, dafür zu erschließen.

Cellulose wird mitBoraxoder anderen Fungizid und Flammschutzmittel versetzt alsEinblasdämmstoffverwendet.[17]Dazu wird sortiertes Zeitungspapier in einem mechanischen Prozess zunächst zerkleinert und mit Fungiziden sowie Flammschutzmitteln behandelt. Der gewonnene Cellulosedämmstoff kann fugenloseingeblasenund für die Wärmedämmung und als Schallschutz verwendet werden. DasEinblasverfahrenwird in Kanada und den USA seit ca. 1940 angewendet. Vorteil dieses Dämmstoffes ist die umweltschonende Herstellung, bzw. die weitere Verwendung von sortiertem Zeitungspapier.

Im Labor kann es bei der Auftrennung von Stoffgemischen als Füllmaterial für dieSäulenchromatographieverwendet werden.

Nahrung

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Tiere

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Fast alleTiere– mit Ausnahme wenigerMolluskenwie einiger Schnecken,[14]etwa derWeinbergschnecke[18]und weniger Termitenarten[19][20]– einschließlich der meisten Pflanzenfresser können Cellulose im Gegensatz zuStärkenicht durch eigeneStoffwechselleistungenabbauen, obwohl beide Moleküle aus Traubenzuckermolekülen aufgebaut sind. Diese Tiere besitzen nur die Enzyme, die α-1,4- oder α-1,6-glycosidische Bindungen (z. B. in Stärke) spalten können (Amylasen), nicht aber β-1,4-glycosidische Bindungen der Cellulose (Cellulasen). Deshalb können diese Tiere (z. B. Kühe) den hohen Energiegehalt diesesKohlenhydratesnur mit Hilfe vonendosymbiontischenMikroorganismen erschließen, die in ihren Verdauungsorganen leben.

Cellulose fressende Tiere ernähren sich dann von der stetig nachwachsenden Symbiontenmasse in ihrem Verdauungssystem.Wiederkäuerverdauen einen großen Teil der Cellulose und anderer Polysaccharide imPansenmithilfe anaerober Mikroorganismen, die die Cellulose zu Fettsäuren umsetzen. Ähnliches gilt fürPferdeundWassergeflügel,bei denen die Verarbeitung jedoch imDickdarmstattfindet.

Einige terrestrischeKrebsewie dieIsopodakönnen Cellulose mit der Unterstützung endosymbiotischer Mikroorganismen abbauen.[21][22] Dasselbe gilt fürInsektenwieSilberfischchen,[23]fast alleTermiten[24][25]oderSchaben.[26]In 200 untersuchten Termitenspezies wurden mehr als 450 unterschiedlicheEndosymbiontenidentifiziert.[27]Endosymbionten fossilierter Termiten wurden bereits aus der Kreidezeit direkt (in burmesischem Bernstein) nachgewiesen.[28]

Mensch

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Auch der Mensch besitzt keine Verdauungsenzyme für den Abbau von Cellulose. Mit HilfeanaeroberBakterien im ersten Teil des Dickdarms, demBlinddarmund dem aufsteigenden Dickdarm (Colonascendens) wird ein Teil der Cellulose aus der Nahrung zu kurzkettigen Oligosacchariden abgebaut. Über die Colonschleimhautwerden sie resorbiert und vomStoffwechselverwertet. Cellulose ist somit, nebenHemicellulosen,PektinundLignin,ein wichtiger pflanzlicherBallaststoffin der menschlichen Nahrung.

Cellulase-Nachweis aus Tieren (Termiten)

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Der Ansicht, dass Tieren grundsätzlich Cellulasen fehlen, widersprechen jedoch Berichte über Cellulase-Nachweise aus Termiten.[29][30][31]Bei einigen Termitenarten (Reticulitermes speratusundCoptotermes formosanus), demKrebsCherax destructor,demFadenwurmBursaphelenchus xylophilussowie denMuschelnCorbicula japonicaundLyrodus pedicellatuswurden Cellulase-Gene nachgewiesen.[32]

Bakterien, Pilze und Flagellaten

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Membran aus der vonKomagataei­bacter hanseniiATCC23769 (Wildtyp) produzierten bakteriellen nanocellulose (BNC).

VieleBakterien,PilzeundFlagellaten[33][34]können über ihreCellulasendie Cellulose nur bis zum GlucosedimerCellobiosezersetzen. Einige wenigeProtozoenund Pilze wieAspergillus-,Penicillium-undFusarium-Arten besitzen zusätzlich die notwendigenβ-1,4-GlucosidasenoderCellobiasen,welche die Cellobiose in Glucose aufspalten.[35]Manche holzzersetzenden Pilze wieCeriporiopsis subvermisporakönnen Cellobiose auch über dieCellobiosedehydrogenase(CDH), ein extrazelluläres Hämoflavoenzym,oxidativabbauen. Dabei entsteht statt der GlucoseGluconsäure.[36]

Der Abbau der Cellulose durch weitere hydrolytische Enzyme wird unterstützt durch Kohlenhydrat-bindende Bereiche (CBMs) der Enzyme.[37]

Die GrünalgeChlamydomonas reinhardtiikann Cellulose spalten und zur Energiegewinnung nutzen.[38]

Lebensmittelzusatzstoff

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Auch in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie wird Cellulose bzw. werden Cellulosederivate verwendet, z. B. alsVerdickungsmittel,Trägerstoff,Füllstoff,Trennmittel,ÜberzugsmittelundAufschlagmittel.AlsLebensmittelzusatzstoffträgt Cellulose die Bezeichnungen E 460 bis E 466:

E 460i –Mikrokristalline Cellulose
E 460ii –Cellulosepulver
E 461 –Methylcellulose
E 463 –Hydroxypropylcellulose
E 464 –Hydroxypropylmethylcellulose
E 465 –Ethylmethylcellulose
E 466 –Carboxymethylcellulose

DerNachweiserfolgt mittels einerIod-Zinkchloridlösung(Blaufärbung).

Siehe auch

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Literatur

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Einzelnachweise

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  1. ↑Eintrag zuCELLULOSEin derCosIng-Datenbankder EU-Kommission, abgerufen am 16. Februar 2020.
  2. ↑Eintrag zuE 460: Cellulosein der Europäischen Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe, abgerufen am 6. August 2020.
  3. ↑abcdeDatenblattCellulose, microcrystallinebeiAlfa Aesar,abgerufen am 18. Juni 2019(Seite nicht mehr abrufbar).
  4. ↑DatenblattCellulosebeiMerck,abgerufen am 18. Juni 2019.
  5. ↑Kenji Kamide:Cellulose and Cellulose Derivatives.Elsevier, 2005,ISBN 978-0-08-045444-3,S. 1.
  6. ↑Volker Storch,Ulrich Welsch:Systematische Zoologie.6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin 2004,ISBN 3-8274-1112-2,S.490.
  7. ↑R. L. Crawford:Lignin biodegradation and transformation.John Wiley and Sons, New York 1981,ISBN 0-471-05743-6.
  8. ↑Dieter Klemm, Brigitte Heublein, Hans-Peter Fink, Andreas Bohn:Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material.In:ChemInform.36. Jahrgang,Nr.36,2005,doi:10.1002/chin.200536238.
  9. ↑Cellulose - Materialinfoauf nanopartikel.info, abgerufen am 3. März 2017.
  10. ↑A. F. Turbak, F. W. Snyder, K. R. Sandberg:Microfibrillated cellulose, a new cellulose product: Properties, uses and commercial potential.In:J. Appl. Polym. Sci.:Appl. Polym. Symp.(United States), Volume: 37. A. Sarko (Hrsg.):Symposium on Cellulose and Wood as Future Chemical Feedstocks and Sources of Energy, and General Papers.Proceedings of the Ninth Cellulose Conference, 1982, Wiley, New York City 1983,ISBN 0-471-88132-5,S. 815–827.
  11. ↑Lubert Stryer:Biochemie.4. Auflage, Spektrum der Wissenschaft Verlag, korrigierter Nachdruck, Heidelberg, 1999,ISBN 3-86025-346-8,S. 497.
  12. ↑Klaus Ruppersberg, Hanne Rautenstrauch, Stefan Thomsen:Know Thy Carbs! Safer Carbohydrate Detection Methods for School Labs – Part 2.In:ChemViews.2022,doi:10.1002/chemv.202200023(chemistryviews.org[abgerufen am 23. Juni 2022]).
  13. ↑J. Zhang u. a.:Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: state of the art and future trends.In:Materials Chemistry FrontiersAusgabe 7, 2017.doi:10.1039/C6QM00348F
  14. ↑abEintrag zuCellulose.In:Römpp Online.Georg Thieme Verlag, abgerufen am 9. August 2013.
  15. ↑Angus Davison, Mark Blaxter:Ancient origin of glycosyl hydrolase family 9 cellulase genes.In:Molecular Biology and Evolution.Band 22, Nr. 5, 2005, S. 1273–1284,doi:10.1093/molbev/msi107.
  16. ↑Albert Gossauer:Struktur und Reaktivität der Biomoleküle.Verlag Helvetica Chimica Acta, Zürich, 2006,ISBN 978-3-906390-29-1,S. 346.
  17. ↑Fraunhofer Informationszentrum Raum und Bau (Baufachinformation.de):Organische Dämmstoffe.
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  19. ↑H. Watanabe, Hiroaki Noda, G. Tokuda, N. Lo:A cellulase gene of termite origin.In:Nature.394, S. 330–331, 1998,doi:10.1038/28527.
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  27. ↑Michael A. Yamin:Flagellates of the orders Trichomonadida Kirby, Oxymonadida Grasse, and Hypermastigida Grassi & Foa reported from lower termites (Isoptera families Mastotermitidae, Kalotermitidae, Hodotermitidae, Termopsidae, Rhinotermitidae, and Serritermitidae) and from the wood-feeding roach Cryptocercus (Dictyoptera: Cryptocercidae).In:Sociobiology.Band 4, 1979, S. 113–117,OCLC800236058.
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  31. ↑Hirofumi Watanabe u. a.:A cellulase gene of termite origin.In:Nature.Band 394, Nr. 6691, 1998, S. 330–331,doi:10.1038/28527.
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  35. ↑M. Weidenbörner:Lexikon der Lebensmittelmykologie.Springer, 1999,ISBN 978-3-540-65241-0.
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