A celulose é a substância que compõe a maior parte das paredes celulares de uma planta. Como é feita por todas as plantas, é provavelmente o composto orgânico mais abundante na Terra. Além de ser o principal material de construção das plantas, a celulose tem muitos outros usos. De acordo com a forma como é tratada, a celulose pode ser usada para fazer papel, filme, explosivos e plásticos, além de ter muitos outros usos industriais. O papel deste livro contém celulose, assim como algumas das roupas que você está usando. Para os seres humanos, a celulose também é uma das principais fontes de fibras necessárias em nossa dieta.
A celulose é um composto orgânico, um polissacarídeo constituído por uma cadeia linear de várias centenas a muitos milhares de unidades de D-glucose ligadas β(1→4). A celulose é um importante componente estrutural da parede celular primária das plantas verdes, de muitas formas de algas e dos oomicetos. Algumas espécies de bactérias secretam-na para formar biofilmes. A celulose é o polímero orgânico mais abundante na Terra. O teor de celulose da fibra de algodão é de 90%, o da madeira é de 40-50% e o do cânhamo seco é de aproximadamente 57%.
A celulose é utilizada principalmente na produção de papelão e papelão. Pequenas quantidades são convertidas em uma grande variedade de produtos derivados, como o celofane e o rayon. A conversão de celulose de culturas energéticas em biocombustíveis, como o etanol celulósico, está em desenvolvimento como uma fonte de combustível renovável. A celulose para uso industrial é obtida principalmente a partir de celulose de madeira e algodão.
Alguns animais, particularmente ruminantes e cupins, podem digerir celulose com a ajuda de microrganismos simbióticos que vivem nas suas entranhas, como a Trichonympha. Na nutrição humana, a celulose é um constituinte não digerível da fibra dietética insolúvel, atuando como um agente de volume hidrofílico para fezes e potencialmente auxiliando na defecação.
A celulose foi descoberta em 1838 pelo químico francês Anselme Payen, que a isolou da matéria vegetal e determinou sua fórmula química. A celulose foi utilizada para produzir o primeiro polímero termoplástico de sucesso, o celuloide, pela Hyatt Manufacturing Company, em 1870. A produção de rayon (“seda artificial”) a partir da celulose começou na década de 1890 e o celofane foi inventado em 1912. Hermann Staudinger determinou a estrutura polimérica da celulose em 1920. O composto foi sintetizado quimicamente pela primeira vez (sem o uso de quaisquer enzimas biologicamente derivadas) em 1992, por Kobayashi e Shoda.
A celulose não tem sabor, é inodora, hidrofílica com ângulo de contato de 20-30 graus, é insolúvel em água e na maioria dos solventes orgânicos, é quiral e é biodegradável. Foi demonstrado que derrete a 467 °C em testes de pulso feitos por Dauenhauer et al. (2016). Ele pode ser decomposto quimicamente em suas unidades de glicose, tratando-o com ácidos minerais concentrados a alta temperatura.
A celulose é derivada de unidades de D-glucose, que condensam através de β(1→4)- ligações glicosídicas. Este motivo de ligação contrasta com o da α(1→4)- ligações glicosídicas presentes no amido e no glicogênio. A celulose é um polímero de cadeia reta. Ao contrário do amido, não ocorre enrolamento ou ramificação e a molécula adota uma conformação estendida e bastante rígida da haste, auxiliada pela conformação equatorial dos resíduos de glicose. Os grupos hidroxila múltiplos na glicose de uma cadeia formam ligações de hidrogênio com átomos de oxigênio na mesma ou em uma cadeia vizinha, mantendo as cadeias firmemente unidas lado a lado e formando microfibrilas com alta resistência à tração. Isto confere resistência à tração em paredes celulares onde as microfibrilas de celulose são enredadas em uma matriz de polissacarídeo. A alta resistência à tração dos caules das plantas e da madeira das árvores também surge da disposição das fibras de celulose intimamente distribuídas na matriz de lignina. O papel mecânico das fibras de celulose na matriz de madeira responsável pela sua forte resistência estrutural, pode ser de certa forma comparado ao das barras de reforço em concreto, desempenhando a lignina aqui o papel da pasta de cimento endurecido atuando como a “cola” entre as fibras de celulose.
Em comparação com o amido, a celulose também é muito mais cristalina. Enquanto que o amido sofre uma transição cristalina a amorfa quando aquecido acima de 60-70 °C em água (como no cozimento), a celulose requer uma temperatura de 320 °C e pressão de 25 MPa para se tornar amorfa em água.
São conhecidas várias estruturas cristalinas diferentes de celulose, correspondentes à localização das ligações de hidrogênio entre e dentro dos filamentos. A celulose natural é a celulose I, com estruturas Iα e Iβ. A celulose produzida por bactérias e algas é enriquecida em Iα, enquanto a celulose de plantas superiores consiste principalmente em Iβ. A celulose em fibras de celulose regenerada é a celulose II. A conversão da celulose I em celulose II é irreversível, sugerindo que a celulose I é metastável e a celulose II é estável. Com vários tratamentos químicos é possível produzir as estruturas celulose III e celulose IV.
Muitas propriedades da celulose dependem do seu comprimento de cadeia ou grau de polimerização, do número de unidades de glucose que compõem uma molécula de polímero. A celulose de celulose de madeira tem comprimentos de cadeia típicos entre 300 e 1700 unidades; o algodão e outras fibras vegetais, bem como a celulose bacteriana, têm comprimentos de cadeia que variam de 800 a 10.000 unidades. As moléculas com comprimento de cadeia muito pequeno resultantes da quebra da celulose são conhecidas como celodextrinas; ao contrário da celulose de cadeia longa, as celodextrinas são tipicamente solúveis em água e solventes orgânicos.
A celulose contém 44,44% de carbono, 6,17% de hidrogênio e 49,39% de oxigênio. A fórmula química da celulose é (C6H10O5)n onde n é o grau de polimerização e representa o número de grupos de glicose.
A celulose derivada de plantas é normalmente encontrada em uma mistura com hemicelulose, lignina, pectina e outras substâncias, enquanto a celulose bacteriana é bastante pura, tem um teor muito maior de água e maior resistência à tração devido ao maior comprimento de cadeia.
A celulose é solúvel no reagente de Schweizer, cupriethylenediamine (CED), cadmiumethylenediamine (Cadoxen), N-methylmorpholine N-oxide, e cloreto de lítio / dimetilacetamida. Esta é utilizada na produção de celulose regenerada (como viscose e celofane) a partir da polpa dissolvida. A celulose também é solúvel em muitos tipos de líquidos iônicos.
A celulose é constituída por regiões cristalinas e amorfas. Ao tratá-la com ácido forte, as regiões amorfas podem ser quebradas, produzindo assim celulose nanocristalina, um novo material com muitas propriedades desejáveis. Recentemente, a celulose nanocristalina foi utilizada como fase de enchimento em matrizes poliméricas de base biológica para produzir nanocompósitos com propriedades térmicas e mecânicas superiores.
Células celulósicas e vegetais
Como a celulose é o principal material de construção a partir do qual as plantas são feitas, e as plantas são o principal ou primeiro elo no que é conhecido como cadeia alimentar (que descreve as relações alimentares de todos os seres vivos), a celulose é uma substância muito importante. Ela foi isolada pela primeira vez em 1834 pelo químico francês Anselme Payen (1795-1871), que anteriormente tinha isolado a primeira enzima. Ao estudar diferentes tipos de madeira, Payen obteve uma substância que ele sabia que não era amido (glicose ou açúcar na sua forma armazenada), mas que ainda podia ser decomposta em suas unidades básicas de glicose, assim como o amido pode. Ele chamou essa nova substância de “celulose” porque a tinha obtido das paredes celulares das plantas.
Usos humanos da celulose
A celulose é uma das substâncias naturais mais utilizadas e tornou-se uma das mais importantes matérias-primas comerciais. As principais fontes de celulose são as fibras vegetais (algodão, cânhamo, linho e juta são quase todas celulose) e, naturalmente, a madeira (cerca de 42% de celulose). Como a celulose é insolúvel na água, ela é facilmente separada dos outros constituintes de uma planta. A celulose tem sido usada para fazer papel desde que os chineses inventaram pela primeira vez o processo por volta do ano 100 d.C. A celulose é separada da madeira por um processo de polpação que tritura as aparas de madeira sob água corrente. A pasta que sobra é então lavada, branqueada e vertida sobre uma malha vibratória. Quando a água finalmente drena da celulose, o que resta é uma teia de fibras que, quando seca, prensada e alisada, se transforma numa folha de papel.
O algodão bruto é 91 por cento celulose, e suas células de fibra são encontradas na superfície da semente de algodão. Há milhares de fibras em cada semente, e à medida que a vagem do algodão amadurece e se abre, essas células de fibra morrem. Como essas células de fibra são principalmente celulose, elas podem ser torcidas para formar fios ou fios que são então tecidos para fazer tecido. Como a celulose reage facilmente tanto a bases fortes quanto a ácidos, um processo químico é frequentemente usado para fazer outros produtos. Por exemplo, o tecido conhecido como rayon e a folha transparente de filme chamado celofane são feitos usando um processo de muitas etapas que envolve um banho ácido.
Em misturas de ácidos nítricos e sulfúricos, a celulose pode formar o que é chamado de guncotton ou nitratos de celulose que são usados para explosivos. No entanto, quando misturada com cânfora, a celulose produz um plástico conhecido como celuloide, que foi usado para filmes de filmes de movimento precoce. No entanto, por ser altamente inflamável (o que significa que podia facilmente pegar fogo), acabou por ser substituído por materiais plásticos mais recentes e mais estáveis. Embora a celulose ainda seja um recurso natural importante, muitos dos produtos que foram feitos a partir dela estão sendo produzidos mais fácil e mais barato, usando outros materiais.
Importância da celulose para a dieta humana
Apesar de os seres humanos (e muitos outros animais) não conseguirem digerir a celulose (o que significa que o seu sistema digestivo não a consegue decompor nos seus constituintes básicos), a celulose é, no entanto, uma parte muito importante da dieta humana saudável. Isto porque constitui uma parte importante da fibra dietética que sabemos ser importante para uma digestão adequada.
Como não podemos quebrar a celulose e ela passa pelos nossos sistemas basicamente inalterada, ela age como o que chamamos de bulk ou roughage que ajuda os movimentos do nosso intestino. Entre os mamíferos, apenas aqueles que são ruminantes (animais de peluche como vacas e cavalos) podem processar celulose. Isto porque eles têm bactérias e micro-organismos especiais nas suas vias digestivas que o fazem por eles. Eles são então capazes de absorver a celulose decomposta e usar seu açúcar como fonte de alimento. Os fungos também são capazes de decompor a celulose em açúcar que podem absorver, e desempenham um papel importante na decomposição (apodrecimento) da madeira e de outros materiais vegetais.
Aplicações da celulose
A celulose para uso industrial é obtida principalmente a partir de pasta de madeira e algodão. O processo kraft é utilizado para separar a celulose da lignina, outro componente importante da matéria vegetal.
- Produtos de papel: A celulose é o principal constituinte do papel, cartão e papelão.
- Fibras: A celulose é o principal ingrediente dos têxteis feitos de algodão, linho, e outras fibras vegetais. Ela pode ser transformada em rayon, uma importante fibra que tem sido utilizada para os têxteis desde o início do século 20. Tanto o celofane quanto o raiom são conhecidos como “fibras de celulose regenerada”; são idênticos à celulose em estrutura química e geralmente são feitos de celulose dissolvente via viscose. Um método mais recente e ecológico para produzir uma forma de raiom é o processo Lyocell.
- Consumíveis: A celulose microcristalina (E460i) e a celulose em pó (E460ii) são usadas como cargas inativas em comprimidos de medicamentos e uma ampla gama de derivados da celulose solúvel, os números E461 a E469, são usados como emulsificantes, espessantes e estabilizantes em alimentos processados. A celulose em pó é, por exemplo, utilizada em queijos processados para evitar a formação de bolos dentro da embalagem. A celulose ocorre naturalmente em alguns alimentos e é um aditivo em alimentos fabricados, contribuindo com um componente indigestível usado para textura e a granel, potencialmente auxiliando na defecação.
- Ciência: A celulose é usada em laboratório como fase estacionária para cromatografia de camada fina. As fibras de celulose também são utilizadas na filtração de líquidos, às vezes em combinação com terra de diatomáceas ou outros meios de filtração, para criar um leito filtrante de material inerte.
- Papel de isolamento elétrico: A celulose é usada em diferentes formas como isolamento em transformadores, cabos e outros equipamentos elétricos.
- Culturas energéticas: O principal componente combustível das culturas energéticas não alimentares é a celulose, com a lignina em segundo lugar. As culturas energéticas não-alimentares produzem mais energia utilizável do que as culturas energéticas comestíveis (que têm um grande componente de amido), mas ainda competem com as culturas alimentares por terras agrícolas e recursos hídricos. As culturas energéticas não alimentares típicas incluem cânhamo industrial (embora proibido em alguns países), switchgrass, Miscanthus, Salix (salgueiro), e espécies Populus (choupo).
- Biocombustível: TU-103, uma estirpe da bactéria Clostridium encontrada em resíduos de zebra, pode converter quase todas as formas de celulose em combustível butanol.
- Material de construção: A ligação hidroxila da celulose em água produz um material pulverizável e moldável como alternativa ao uso de plásticos e resinas. O material reciclável pode ser tornado resistente à água e ao fogo. Proporciona resistência suficiente para ser utilizado como material de construção. O isolamento de celulose feito de papel reciclado está se tornando popular como um material ambientalmente preferível para isolamento de edifícios. Ele pode ser tratado com ácido bórico como retardante de fogo.
- Diversos: A celulose pode ser convertida em celofane, uma fina película transparente. É o material base para o celulóide que foi usado para filmes fotográficos e cinematográficos até meados da década de 1930. A celulose é usada para fazer adesivos e ligantes solúveis em água, como a metilcelulose e a carboximetilcelulose, que são usados em pasta de papel de parede. A celulose é ainda utilizada para fazer esponjas hidrofílicas e altamente absorventes. A celulose é a matéria-prima na fabricação de nitrocelulose (nitrato de celulose) que é utilizada na pólvora sem fumo.
- Produtos farmacêuticos: Os derivados da celulose, como a celulose microcristalina (CCM), têm as vantagens de reter água, ser um agente estabilizador e espessante, e no reforço de comprimidos de medicamentos.