La cellulose est un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de D-Glucose (entre 15 et 15 000). Elle est le principal constituant de la paroi des cellules végétales, et donc du bois.

Sources de cellulose

Les macromolécules de cellulose associées forment des microfibrilles, qui elles-mêmes associées en couches, forment les parois des fibres végétales. Il s'établit des liaisons hydrogène entre les molécules de glucose des différentes chaînes.

C'est le principal constituant du bois. La cellulose constitue la matière organique la plus abondante sur la Terre (plus de 50 % de la biomasse). La quantité synthétisée par les végétaux est estimée à 50-100 milliards de tonnes par an.

Le coton est une source importante de cellulose

La cellulose est le constituant principal du bois

Les champignons filamenteux comme le Trichophyton (dermatophyte) possèdent une membrane qui peut être constituée de cellulose.

Structure

Les monomères de glucose sont liés par des liaisons β-(1→4), conduisant à des polymères linéaires. Ces polymères s'associent par des liaisons intermoléculaires de type liaisons hydrogène, conférant ainsi une structure fibreuse à la cellulose. L'association de 6 chaines de cellulose forme une microfibrille de cellulose. L'association de 6 microfibrilles de cellulose forme une macrofibrille et un agencement de plusieurs macrofibrilles forme ce qui est généralement appelé une fibre de cellulose.

Structure moléculaire

La cellulose est un homopolymère linéaire composé de très nombreuses unités de D-Anhydroglucopyranose (AGU) reliées entre elles par des liaisons glycosidiques β-(1→4). Le motif de répétition est le dimère cellobiose. Les AGU se trouvent en conformation chaise et possèdent 3 fonctions hydroxyles : 2 alcools secondaires (en position 2 et 3) et un alcool primaire (en position 6). Ces fonctions hydroxyles, ainsi que les liaisons glycosidiques, se situent en position équatoriale par rapport au plan du cycle ce qui entraîne donc que les hydrogènes du cycle se trouvent en position a**ale.

Le degré de polymérisation diffère énormément selon l'origine de la cellulose ; sa valeur peut varier de quelques centaines à quelques dizaines de milliers.

Structure supramoléculaire

La molécule est étirée, car les liaisons sont équatoriales, et permettent donc une extension ma**male. L'agencement se fait ensuite en micro-fibrilles (environ 1500 molécules par fibre).

Propriétés

Elle n'est pas digérée par l'homme, mais est cependant utile au bon fonctionnement des intestins sous forme de fibres végétales. Les animaux herbivores utilisent en général des enzymes d'origine exogène, c'est-à-dire produites par certaines bactéries de la flore intestinale pour digérer la cellulose.

L'un des meilleurs solvants de la cellulose est le cupri-éthylène-diamine (CED). On obtient empiriquement un produit proche, la liqueur de Schweitzer, en laissant couler de l'ammoniaque sur des copeaux de cuivre et en refaisant passer le liquide plusieurs fois. Il devient d'un bleu intense. Il ne faut pas secouer des copeaux dans de l'ammoniaque pour produire la liqueur car l'excès d'oxygène bloque la réaction. Les filtres habituels seraient dissous. La cellulose ainsi dissoute est libérée dans l'eau acidifiée : c'est une manière de produire de la rayonne.

Principaux dérivés

L'holocellulose est la fraction carbohydratée de la lignocellulose, l'une des « briques » les plus abondantes des biopolymères. L'hémicellulose en fait partie.

Les groupements hydroxyles de la cellulose peuvent réagir partiellement ou totalement avec différents réactifs pour donner des dérivés cellulosiques possédant des propriétés propres.

Les principales familles de dérivés de la cellulose sont les éthers de cellulose et les esters de cellulose.

Applications

Biocarburants - Filière éthanol cellulosique

Les termites possèdent des bactéries capables de transformer de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol

La transformation de la lignine et de la cellulose (du bois, de la paille) en alcool ou en gaz (filière lignocellulosique-biocombustible) fait l'objet d'intenses recherches dans le monde entier. Les technologies de la transformation de la cellulose (la macromolécule la plus commune sur Terre) sont complexes, allant de la dégradation enzymatique à la gazéification. Des entreprises canadiennes (comme Iogen), américaines (Broin Co.) et deux universités suédoises (Usine pilote d'Örnsköldsvik) passent actuellement à la phase de production industrielle d'éthanol cellulosique.

Selon le directeur du Programme des Nations Unies pour l'Environnement, les termites possèdent des bactéries capables de transformer "de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol". Les enzymes trouvées dans le tube digestif des termites et produites par ces bactéries symbiotiques sont en effet capables de convertir le bois en sucre en 24 heures. Le potentiel de la filière cellulosique est énorme et les technologies évoluent rapidement.

Bois énergie

La cellulose est le principal composant du bois. En ce sens, c'est l'élément essentiel de la combustion du bois qui est, par exemple, la première source d'énergie renouvelable en France.

Additif alimentaire

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans l'industrie agroalimentaire. En tant qu'additifs alimentaires, ils portent les codes de E460 à E466 :

E460(i) : Cellulose microcristalline

E460(ii) : Poudre de cellulose

E461 : Méthylcellulose

E462 : Éthylcellulose

E463 : Hydroxypropylcellulose

E4** : Hydroxypropylméthylcellulose

E465 : Éthylméthylcellulose

E466 : Carboxyméthylcellulose

Autres

La cellulose est une importante matière première industrielle. Elle sert :

soit sous forme de fibres brutes à la fabrication de pâte à papier, soit pâte mécanique qui inclut la cellulose, l'hémicellulose et la lignine du bois, soit pâtes chimiques qui contiennent des fibres de cellulose uniquement ;

soit, après transformation dans l'industrie chimique : à la fabrication de fibres textiles artificielles : acétate de cellulose, viscose, rayonne, modal… Ces fibres de cellulose artificielles sont de plus des précurseurs pour la fabrication de fibres de carbone thermiquement isolantes utilisées comme renfort des matériaux de protection thermique de l'industrie aérospatiale, de produits divers : acétate de cellulose, cellophane, celluloïd, rhodoïd, collodion…, d'explosifs : nitrate de cellulose (nitrocellulose),

à la fabrication de fibres textiles artificielles : acétate de cellulose, viscose, rayonne, modal… Ces fibres de cellulose artificielles sont de plus des précurseurs pour la fabrication de fibres de carbone thermiquement isolantes utilisées comme renfort des matériaux de protection thermique de l'industrie aérospatiale,

de produits divers : acétate de cellulose, cellophane, celluloïd, rhodoïd, collodion…,

d'explosifs : nitrate de cellulose (nitrocellulose),

sous forme microcristalline, elle peut servir de liant pour fabriquer des comprimés à partir de poudre ;

elle peut servir également d'isolant thermique et d'isolant phonique, soit en panneaux, soit en vrac (ouate de cellulose) ;

elle est aussi utilisée pour la fabrication de feuilles à rouler transparentes, ressemblant à du film plastique, sous la marque Aleda par exemple.

Commerce

La France est nette importatrice de cellulose, d'après les douanes françaises. En 2014, le prix à la tonne à l'import était d'environ 2 800 €.

纤维素的结构式：葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成

纤维素分子塡充模型图

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、苎麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木头中纤维素含量约为50％，棉花的纤维素含量更高，达90%。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。

纤维素是一种复杂的多糖，有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成。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。

纤维素的详细说明

纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。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。

纤维素的性质

植物的细胞壁 纤维素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键组成的大分子多糖，分子量约50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基。分子式可写作（C6H10O5）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，以及尾索类动物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。虽然，α-纤维素通常大部分是结晶性纤维素，β-纤维素，γ-纤维素在化学上除含有纤维素以外，还含有各种多糖类。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Schwitzer试剂或浓硫酸。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（纤维素合酶 (UDP forming)，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（GDP forming，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了。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，能溶于铜氨溶液（Cu(NH3)4(OH)2）和铜乙二胺溶液（(NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2）等。水可使纤维素发生有限溶胀，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℃时不发生显着变化，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，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。

纤维素的来源

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质素，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，除去木质素，然后经过漂白进一步除去残留木质素，所得漂白浆可用于造纸。

纤维素的作用

有助于肠内大肠杆菌合成多种维生素。

纤维素比重小，体积大，在胃肠中占据空间较大，使人有饱食感，有利于减肥。

纤维素体积大，进食后可刺激胃肠道，使消化液分泌增多和胃肠道蠕动增强，可防治糖尿病的便秘。

高纤维饮食可通过胃排空延缓、肠转运时间改变、可溶性纤维在肠内形成凝胶等作用而使糖的吸收减慢。亦可通过减少肠激素如抑胃肽或胰升糖素分泌，减少对胰岛B细胞的刺激，减少胰岛素释放与增高周围胰岛素受体敏感性，增强葡萄糖代谢。

近年研究证明高纤维饮食使Ⅰ型糖尿病患者单核细胞上胰岛素受体结合增加，从而节省胰岛素的需要量。由此可见，糖尿病患者进食高纤维素饮食，不仅可改善高血糖，减少胰岛素和口服降糖药物的应用剂量，并且有利于减肥，还可防治便秘、痔疮等疾病。

纤维素的摄入与鉴别

蔬菜中含有丰富的纤维素。不含纤维素食物有：鸡、鸭、鱼、肉、蛋等；含大量纤维素的食物有：粗粮、麸子、蔬菜、豆类等。因此建议糖尿病患者适当多食用豆类和新鲜蔬菜等富含纤维素的食物。中国的植物纤维食品，多是用米糠、麸皮、麦糟、甜菜屑、南瓜、玉米皮及海藻类植物等制成的，对降低血糖、血脂有一定作用。 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）。

各种食物的纤维素含量

麦麸：31%　

谷物：4-10%，从多到少排列为小麦粒、大麦、玉米、荞麦面、薏米面、高粱米、黑米。

麦片：8-9%

燕麦片：5-6%

马铃薯、白薯等薯类的纤维素含量大约为3%。

豆类：6-15%从多到少排列为黄豆、青豆、蚕豆、芸豆、豌豆、黑豆、红小豆、绿豆。

蔬菜类：笋类的含量最高，笋干的纤维素含量达到30-40%，辣椒超过40%。其余含纤维素较多的有：蕨菜、菜花、菠菜、南瓜、白菜、油菜。

菌类（干）：纤维素含量最高，其中松蘑的纤维素含量接近50%，30%以上的按照从多到少的排列为：发菜、香菇、银耳、木耳。此外，紫菜的纤维素含量也较高，达到20%。

坚果：3-14%。10%以上的有：黑芝麻、松子、杏仁；10%以下的有白芝麻、核桃、榛子、胡桃、葵瓜子、西瓜子、花生仁

水果：含量最多的是红果干，纤维素含量接近50%，其次有桑椹干、樱桃、酸枣、黑枣、大枣、小枣、石榴、苹果、鸭梨。

各种肉类、蛋类、奶制品、各种油、海鲜、酒精饮料、软饮料都不含纤维素；各种婴幼儿食品的纤维素含量都极低。

应用

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。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。 纸制品 纸、纸板和卡纸的主要成分是纤维素。 纤维 纤维素是棉、麻和纤维植物制成纺织品的主要成分；其可以变成人造丝(Rayon)，一种重要的纤维已被用于20世纪初以来的纺织品。