Крохмаль і целюлоза

Фізичні властивості крохмалю і целюлози

Крохмаль — це аморфний порошок з характерним хрускотом (картопляного крохмалю), нерозчинний у воді у звичайних умовах. При потраплянні в гарячу воду зерна крохмалю сильно набухають, їхні оболонки розриваються, утворюється колоїдний розчин.

Целюлоза являє собою волокнисту речовину білого кольору, не розчинну у воді. На відміну від крохмалю, целюлоза зовсім не взаємодіє з водою навіть йри кип’ятінні. Чиста целюлоза в нашому житті зустрічається у вигляді вати.

Будова молекул крохмалю і целюлози

Найпростіша формула крохмалю (і целюлози) — (С₆Н₁₀О₅)_n. У цій формулі значення n — від кількох сотень до кількох тисяч. Отже, крохмаль — це природний полімер, що складається з багаторазово повторюваних структурних ланок С₆Н₁₀О₅. Він складається з молекул двох типів. Із цієї причини крохмаль навіть вважають сумішшю двох речовин — амілози та амілопектину. Амілоза (її в крохмалі 20%) має лінійні молекули й більш розчинна. Молекули амілопектину (його 80%) розгалужені, і він менш розчинний у воді. Ці молекули відрізняються й за відносною молекулярною масою: для лінійних молекул (амілози) вона сягає близько сотень тисяч, для розгалужених молекул (амілопектину) — кількох мільйонів.

Найпростіша й молекулярна формули целюлози аналогічні до формул крохмалю. Очевидно, що при однаковому складі ці речовини істотно відрізняються за властивостями. Порівняно із крохмалем у целюлози більш висока відносна молекулярна маса. Причина міцності й нерозчинності целюлози полягає в тому, що вона має просторову тривимірну структуру. Однак целюлоза не має не тільки тривимірної, але й розгалуженої структури. Але в цьому й полягає причина міцності молекул целюлози, тому що вони мають лінійну структуру, і окремі макромолекули розташовані упорядковано щільно одна до одної. Унаслідок цього значно зростає сила міжмолекулярної взаємодії між окремими макромолекулами. Між упорядковано розташованими макромолекулами целюлози встановлюються численні водневі зв’язки: атоми Оксигену гідроксильних груп однієї молекули електростатично взаємодіють із атомами Гідрогену гідроксильних груп іншої молекули. Із цієї ж причини целюлоза утворює міцні волокна, що не характерно для крохмалю. Тим часом у крохмалі більшість молекул має розгалужену будову, тому можливостей для. встановлення водневих зв’язків менше.

Молекули крохмалю складаються із залишків α-глюкози, а целюлози — із залишків молекул β-глюкози, У цьому також полягає причина відмінностей хімічних властивостей крохмалю та целюлози:

Крохмаль

Целюлоза

Хімічні властивості крохмалю й целюлози

1. Комплексоутворення крохмалю з йодом.

Властивість крохмалю утворювати сине забарвлення з йодом використовують як якісну реакцію для виявлення крохмалю. З йодом реагує здебільшого амілоза, утворюючи забарвлену сполуку. Молекула амілози у вигляді спіралі оточує молекули йоду, при цьому навколо кожної молекули йоду виявляється шість глюкозних залишків. Нагрівання руйнує такий комплекс, і забарвлення зникає.

2. Гідроліз.

Для сахарози була характерною реакція гідролізу. Така сама властивість притаманна й крохмалю. При тривалому кип’ятінні крохмалю в присутності кислоти (найчастіше сульфатної) молекули піддаються гідролізу. Причому кінцевим продуктом гідролізу є тільки α-глюкоза. Однак процес гідролізу відбувається ступінчасто з утворенням проміжних продуктів гідролізу. Ступінчастий процес гідролізу може бути виражений наступною схемою:

Аналогічну властивість має й целюлоза. Однак гідроліз целюлози проходить у більш жорстких умовах, і кінцевим продуктом гідролізу є β-глюкоза.

Проміжні продукти гідролізу целюлози не становлять особливого інтересу, тому їх можна не зазначати й рівняння реакції складати в сумарному вигляді:

3. Термічне розкладання.

При нагріванні деревини до високої температури без доступу повітря виділяється досить велика кількість продуктів. Окрім вуглецю й води, утворюються рідкі продукти, зокрема й метиловий спирт (який саме тому й називають деревним спиртом), ацетон, оцтова кислота.

4. Естерифікацїя.

Оскільки залишки глюкози, що входять до складу целюлози, зберігають гідроксильні групи, то вона здатна вступати в реакцію естерифікації з кислотами.

У кожній ланці целюлози містяться три гідроксильні групи. Усі вони можуть вступати в реакції утворення естеріз. У звичайній формулі целюлози ці гідроксильні групи виділяють так:

Найбільше значення мають естери целюлози з нітратною кислотою (нітроцелюлоза) та оцтовою кислотою (ацетилцелюлоза).

Застосування крохмалю

Крохмаль — це основний вуглевод нашої їжі; безпосередньо він, подібно до жирів, організмом не засвоюється. Гідроліз крохмалю під дією ферментів починається в роті при пережовуванні їжі, продовжується в шлунку та кишечнику. Утворена в результаті гідролізу глюкоза всмоктується в кров і надходить у печінку, а звідти — в усі тканини організму. Надлишок глюкози відкладається в печінці у вигляді високомолекулярного вуглеводу глікогену, який знову гідролізується до глюкози в міру витрачання її в клітинах організму.

Для добування глюкози крохмаль нагрівають із розведеною сульфатною кислотою впродовж кількох годин. Коли процес гідролізу закінчиться, кислоту нейтралізують крейдою, утворений осад кальцій сульфату відфільтровують і розчин упарюють. При охолодженні з розчину кристалізується глюкоза.

Якщо процес гідролізу не доводити до кінця, то в результаті утворюється густа солодка маса — суміш декстринів та глюкози — патока.

Декстрини, добуті з крохмалю, використовують як клей. Крохмаль застосовують для накрохмалювання білизни: під дією нагрівання гарячою праскою він перетворюється в декстрини, які склеюють волокна тканини й утворюють щільну плівку, що охороняє тканину від швидкого забруднення. Крім того, це полегшує наступне прання, оскільки часточки бруду, зв’язані з декстринами, значно легше змиваються водою.

Крохмаль використовують для виробництва етилового спирту. Під час цього процесу його спочатку гідролізують під дією ферменту, який міститься в солоді, а потім продукт гідролізу зброджують у присутності дріжджів у спирт.

Етиловий спирт, який використовують для промислових потреб (синтез каучуку), добувають синтетичним шляхом з етилену та гідролізом целюлози.

Застосування целюлози

Завдяки своїй механічній міцності целюлоза в складі деревини використовується в будівництві, з неї виготовляють усілякі столярні вироби. У вигляді волокнистих матеріалів (бавовни, льону, коноплі) її використовують для виготовлення ниток, тканин, канатів. Виділена з деревини (звільнена від супутніх речовин), целюлоза йде на виготовлення паперу.

Естери целюлози використовують для виготовлення нітролаків, кіноплівки, медичного колодію, штучного волокна та вибухових речовин.