セルロース

セルロースは、化学式( C)で表される有機化合物である。₆時間₁₀ O₅）_{セルロースは}、β(1→4)結合したD-グルコース単位の直鎖からなる多糖類^{です。 [ 3 ] [ 4 ]}セルロースは、緑色植物、多くの藻類、卵菌類の細胞壁の重要な構造成分です。一部の細菌バイオフィルムを形成するためにセルロースを分泌します。 ^{[ 5 ]}セルロースは、地球上で最も豊富な有機ポリマー^{です。 [ 6 ]}綿のセルロース含有量は90%、木材40～50%、乾燥麻約57%です。 ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

セルロースは主に板紙や紙の製造に使用されます。少量はセロファンやレーヨンなどのさまざまな派生製品に変換されます。エネルギー作物からのセルロースをセルロース系エタノールなどのバイオ燃料に変換することは、再生可能な燃料源として開発中です。工業用セルロースは主に木材パルプと綿から得られます。^{[ 6 ]}さらに、セルロースは特定の有機液体、特にホルムアミドとDMSOとの直接的な相互作用に対して顕著な感受性を示し、短鎖アミン（メチルアミン、エチルアミン）は非常に効果的な膨潤剤として認識されている化合物の中に含まれています。^{[ 10 ]}

反芻動物やシロアリなど一部の動物は、腸内に生息するトリコニンファなどの共生微生物の助けを借りてセルロースを消化することができます。人間の栄養においては、セルロースは消化されない不溶性食物繊維の成分であり、糞便の親水性増量剤として働き、排便を助ける可能性があります。

セルロースは1838年にフランスの化学者アンセルム・パヤンによって発見され、彼は植物からセルロースを分離し、その化学式を決定した。^{[ 3 ] [ 11 ] [ 12 ]}セルロースは1870年にハイアット製造会社によって最初の成功した熱可塑性ポリマーであるセルロイドの製造に使用された。セルロースからのレーヨン（「人造絹糸」）の製造は1890年代に始まり、セロファンは1912年に発明された。ヘルマン・シュタウディンガーは1920年にセルロースのポリマー構造を決定した。この化合物は1992年に小林と庄田によって（生物由来の酵素を使用せずに）初めて化学的に合成された。 ^{[ 13 ]}

セルロースは無味無臭で、接触角が20～30度の親水性であり^{[ 14 ]} 、水やほとんどの有機溶媒に不溶で、キラルであり、生分解性である。Dauenhauerら（2016）が行ったパルス試験では、467℃で融解することが示された^{[ 15 ]} 。高温で濃鉱酸で処理することにより、化学的にグルコース単位に分解することができる^{[ 16 ] 。} 

セルロースは、 β(1→4)-グリコシド結合によって縮合したD-グルコース単位から誘導されます。この結合様式は、デンプンやグリコーゲンに存在するα(1→4)-グリコシド結合とは対照的です。セルロースは直鎖ポリマーです。デンプンとは異なり、コイル状や分岐は起こらず、グルコース残基の赤道方向の配座によって、分子は伸長した、やや硬い棒状の構造をとります。1つの鎖のグルコース上の複数のヒドロキシル基は、同じ鎖または隣接する鎖上の酸素原子と水素結合を形成し、鎖をしっかりと横に並べて保持し、高い引張強度を持つミクロフィブリルを形成します。これにより、セルロースミクロフィブリルが多糖類マトリックスに網目状に組み込まれている細胞壁に引張強度がもたらされます。植物の茎や樹木の高い引張強度も、リグニンマトリックスに密に分布したセルロース繊維の配置に由来します。木材マトリックスにおけるセルロース繊維の機械的役割は、その強固な構造的抵抗に寄与しており、コンクリートの鉄筋の役割とある程度比較できる。ここでリグニンは、セルロース繊維間の「接着剤」として働く硬化セメントペーストの役割を果たしている。植物の一次細胞壁におけるセルロースの機械的特性は、植物細胞の成長と拡大と相関している。^{[ 17 ]}生蛍光顕微鏡技術は、成長する植物細胞におけるセルロースの役割を調査する上で有望である。^{[ 18 ]}

デンプンと比較すると、セルロースははるかに結晶性が高い。デンプンは水中で60～70℃を超えて加熱すると（調理のように）結晶から非晶質に変化するが、セルロースは水中で非晶質になるには320 ℃の温度と25MPaの圧力が必要である。 ^{[ 19 ]}  

セルロースにはいくつかの種類が知られています。これらの形態は、鎖間および鎖内の水素結合の位置によって区別されます。天然セルロースはセルロースIであり、構造はIα_とIβ_です。細菌や藻類によって生成されるセルロースはIαが豊富で_、高等植物のセルロースは主にIβで構成されています_。再生セルロース繊維中のセルロースはセルロースIIです。セルロースIからセルロースIIへの変換は不可逆であり、セルロースIは準安定であり、セルロースIIは安定であることを示唆しています。さまざまな化学処理により、セルロースIIIおよびセルロースIVの構造を生成することが可能です。^{[ 20 ]}

セルロースの多くの特性は、その鎖長または重合度、つまり1つのポリマー分子を構成するグルコース単位の数に依存します。木材パルプ由来のセルロースは、典型的な鎖長が300～1700単位です。綿やその他の植物繊維、および細菌セルロースの鎖長は、800～10,000単位です。^{[ 6 ]}セルロースの分解によって生じる非常に短い鎖長の分子は、セロデキストリンとして知られています。長鎖セルロースとは対照的に、セロデキストリンは通常、水と有機溶媒に溶解します。

セルロースの化学式は(C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _nで、nは重合度であり、グルコース基の数を表します。^{[ 21 ]}

植物由来のセルロースは通常、ヘミセルロース、リグニン、ペクチン、その他の物質との混合物として存在するが、細菌由来のセルロースは非常に純粋で、鎖長が長いため水分含有量がはるかに高く、引張強度も高い。^{[ 6 ]： 3384}

セルロースは結晶領域と非晶質領域を持つフィブリルから構成されています。^{[ 22 ]}これらのセルロースフィブリルは、セルロースパルプの機械的処理によって個別に分離することができ、多くの場合、化学的酸化または酵素処理によって補助され、処理強度に応じて一般的に長さが 200 nm ～ 1 μm の半柔軟性セルロースナノフィブリルが得られます。 ^{[ 23 ]}セルロースパルプは、非晶質フィブリル領域を加水分解するために強酸で処理することもでき、これにより、長さが数百nm の短い剛性セルロースナノ結晶が生成されます。 ^{[ 24 ]}これらのナノセルロースは、コレステリック液晶への自己組織化^{[ 25 ]}、ヒドロゲルまたはエアロゲルの製造^{[ 26 ]}、優れた熱的および機械的特性を持つナノコンポジットでの使用^{[ 27 ]} 、およびエマルションのピッカリング安定剤としての使用^{[ 28 ]}により、技術的に非常に興味深いものです。  

ヘミセルロースはセルロースに関連する多糖類で、陸上植物のバイオマスの約20%を占めています。セルロースとは対照的に、ヘミセルロース（キシラン、キシログルカン、（グルコ）マンナン、混合結合グルカンを含む）は、グルコースに加えて、特にキシロース、さらにマンノース、ガラクトース、グルクロン酸、フコース、アラビノースなど、いくつかの糖から誘導されます。ヘミセルロースは、500～3000個の糖単位からなる短い鎖で構成されています 。^{[ 48 ]}さらに、ヘミセルロースは分岐していることが多いのに対し、セルロースは分岐していません。^{[ 49 ]}

セルロースは様々な媒体に溶解し、そのうちのいくつかは商業技術の基礎となっている。これらの溶解プロセスは可逆的であり、溶解パルプから再生セルロース（ビスコースやセロファンなど）を製造する際に使用される。^{[ 50 ]}

The most important solubilizing agent is carbon disulfide in the presence of alkali. Other agents include Schweizer's reagent, N-methylmorpholine N-oxide, and lithium chloride in dimethylacetamide. In general, these agents modify the cellulose, rendering it soluble. The agents are then removed concomitant with the formation of fibers.^[51] Cellulose is also soluble in many kinds of ionic liquids.^[52]

The history of regenerated cellulose is often cited as beginning with George Audemars, who first manufactured regenerated nitrocellulose fibers in 1855.^[53] Although these fibers were soft and strong -resembling silk- they had the drawback of being highly flammable. Hilaire de Chardonnet perfected production of nitrocellulose fibers, but manufacturing of these fibers by his process was relatively uneconomical.^[53] In 1890, L.H. Despeissis invented the cuprammonium process – which uses a cuprammonium solution to solubilize cellulose – a method still used today for production of artificial silk.^[54] In 1891, it was discovered that treatment of cellulose with alkali and carbon disulfide generated a soluble cellulose derivative known as viscose.^[53] This process, patented by the founders of the Viscose Development Company, is the most widely used method for manufacturing regenerated cellulose products. Courtaulds purchased the patents for this process in 1904, leading to significant growth of viscose fiber production.^[55] By 1931, expiration of patents for the viscose process led to its adoption worldwide. Global production of regenerated cellulose fiber peaked in 1973 at 3,856,000 tons.^[53]

Regenerated cellulose can be used to manufacture a wide variety of products. While the first application of regenerated cellulose was as a clothing textile, this class of materials is also used in the production of disposable medical devices as well as fabrication of artificial membranes.^[55]

セルロースのヒドロキシル基（−OH）は、様々な試薬と部分的または完全に反応させることで、セルロースエステルやセルロースエーテル（−OR）などの有用な特性を持つ誘導体を得ることができる。原理的には、セルロース系ポリマーは再生可能な資源であるが、現在の工業生産においては必ずしもそうではない。

エステル誘導体には以下が含まれる。

酢酸セルロースと三酢酸セルロースは、フィルムや繊維を形成する材料であり、様々な用途に用いられています。ニトロセルロースは当初爆薬として使用され、初期のフィルム形成材料でもありました。ニトロセルロースを樟脳で可塑化すると、セルロイドが得られます。

セルロースエーテル^{[ 56 ]}誘導体には以下が含まれる。

カルボキシメチルセルロースナトリウムは架橋してクロスカルメロースナトリウム（E468）を生成し、医薬品製剤の崩壊剤として使用できます。さらに、カルボキシメチルセルロースナトリウム、エチルセルロース、またはヒドロキシエチルセルロースなどのセルロースエーテルにチオール基を共有結合させることにより、粘膜付着性および透過促進特性を導入できます。^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}チオール化セルロース誘導体（チオマーを参照）は、金属イオンに対する高い結合特性も示します。^{[ 68 ] [ 69 ]}

工業用セルロースは主に木材パルプと綿から得られる。^{[ 6 ]}

• 紙製品：セルロースは、紙、板紙、カードストックの主成分です。電気絶縁紙：セルロースは、変圧器、ケーブル、その他の電気機器の絶縁材としてさまざまな形で使用されています。^{[ 70 ]}
• 繊維：セルロースは繊維製品の主成分です。綿と合成繊維（ナイロン）はそれぞれ市場シェアの約40％を占めています。その他の植物繊維（ジュート、サイザル麻、麻）は約20％を占めています。レーヨン、セロファン、その他の「再生セルロース繊維」はごくわずか（5％）です。
• 消耗品：微結晶セルロース（E460i）と粉末セルロース（E460ii）は、医薬品錠剤の不活性充填剤として使用され^{[ 71 ]}、E番号E461からE469までの幅広い可溶性セルロース誘導体は、加工食品の乳化剤、増粘剤、安定剤として使用されています。例えば、セルロース粉末は、加工チーズで包装内で固まるのを防ぐために使用されています。セルロースは一部の食品に天然に存在し、加工食品の添加物として、食感とボリュームのために使用される消化されない成分を提供し、排便を助ける可能性があります。^{[ 72 ]}
• 建築材料：セルロースを水中で水酸結合させることで、プラスチックや樹脂の代替として、スプレー可能で成形可能な材料が得られます。リサイクル可能な材料は、耐水性および耐火性を持たせることができます。建築材料として使用するのに十分な強度を備えています。^{[ 73 ]}再生紙から作られたセルロース断熱材は、環境に優しい建築断熱材として人気が高まっています。難燃剤としてホウ酸で処理することができます。
• その他：セルロースは、薄い透明なフィルムであるセロファンに変換できます。これは、1930年代半ばまで写真フィルムや映画フィルムに使用されていたセルロイドの基材です。セルロースは、壁紙糊に使用されるメチルセルロースやカルボキシメチルセルロースなどの水溶性接着剤や結合剤の製造にも使用されます。さらに、セルロースは親水性で吸水性の高いスポンジの製造にも使用されます。セルロースは、無煙火薬に使用されるニトロセルロース（硝酸セルロース）の製造原料です。
• 医薬品：微結晶セルロース（MCC）などのセルロース誘導体は、保水性、安定剤および増粘剤としての利点があり、錠剤の強化にも役立ちます。^{[ 74 ]}

• グルコン酸
• イソサッカリン酸はセルロースの分解生成物である。
• リグニン
• ゼオフォーム

• 「セルロース」 。ブリタニカ百科事典。第 5巻（第11 版）。1911年。
• セルジュ・ペレスとウィリアム・マッキーによるセルロースの構造と形態、CERMAV- CNRS
• セルロース、マーティン・チャップリン著、ロンドン・サウスバンク大学
• 米国農務省綿繊維バイオサイエンス部門におけるセルロース分析法の明確な説明。
• セルロースフィルムは、ロボットの羽ばたき翼や安価な人工筋肉を提供する可能性を秘めている– TechnologyReview.com