Cellulose là gì? Cấu tạo, tính chất và vai trò của cellulose

Cellulose (xenlulozơ) là một polysaccharide có công thức (C₆H₁₀O₅)_n, gồm rất nhiều gốc β-glucose nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside tạo thành mạch thẳng. Đây là thành phần chính của thành tế bào thực vật và là hợp chất hữu cơ phổ biến bậc nhất trong tự nhiên.

Cellulose là gì?

Nói ngắn gọn, cellulose là gì? Đó là chất tạo nên bộ khung của thực vật. Cellulose là chất rắn dạng sợi, màu trắng, không mùi, không vị. Trong sách giáo khoa Việt Nam, chất này được gọi là xenlulozơ. Thực vật tổng hợp cellulose từ glucose (sản phẩm của quang hợp) để xây dựng thành tế bào, giúp cây cứng cáp và đứng vững.

Một số nguồn cellulose tiêu biểu:

• Bông: gần như là cellulose nguyên chất, chiếm khoảng 95–98% khối lượng sợi.
• Gỗ: cellulose chiếm khoảng 40–50%, phần còn lại chủ yếu là hemicellulose và lignin.
• Đay, gai, lanh, tre, nứa, rơm rạ: đều giàu cellulose.

Cấu tạo phân tử cellulose

• Mỗi mắt xích là một gốc β-glucose (C₆H₁₀O₅).
• Các mắt xích nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside, gốc sau xoay 180° so với gốc trước nên mạch duỗi thẳng, không phân nhánh, không xoắn.
• Mỗi mắt xích còn 3 nhóm –OH tự do, nên công thức cellulose thường được viết là [C₆H₇O₂(OH)₃]_n.
• Số mắt xích n rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn tùy nguồn gốc.

Các mạch thẳng xếp song song và liên kết với nhau nhờ rất nhiều liên kết hydrogen giữa các nhóm –OH, tạo thành vi sợi bền chắc. Đây là lý do sợi bông, sợi gỗ rất dai.

Tính chất vật lý

• Chất rắn dạng sợi, màu trắng.
• Không tan trong nước, kể cả khi đun nóng; không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường như ethanol, ether, benzene.
• Tan được trong nước Svayde (Schweizer), là dung dịch [Cu(NH₃)₄](OH)₂.

Tính chất hóa học

Phản ứng thủy phân

Đun nóng cellulose trong axit vô cơ, cellulose bị thủy phân hoàn toàn thành glucose:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (xúc tác H⁺, t°)

Trong dạ dày động vật nhai lại như trâu, bò, cellulose bị thủy phân nhờ enzyme cellulase do vi sinh vật cộng sinh tiết ra.

Phản ứng của nhóm –OH (phản ứng este hóa)

• Với HNO₃ đặc (xúc tác H₂SO₄ đặc) tạo cellulose trinitrat [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n, dùng làm thuốc súng không khói.
• Với anhiđrit axetic tạo cellulose axetat, dùng làm tơ axetat, màng phim.
• Xử lý bằng NaOH và CS₂ rồi kéo sợi thu được tơ visco.

Lưu ý: cellulose không có phản ứng tráng bạc và không cho màu xanh tím với dung dịch i-ốt như tinh bột.

So sánh cellulose và tinh bột

Tiêu chí	Cellulose	Tinh bột
Công thức chung	(C6H10O5)n	(C6H10O5)n
Mắt xích	β-glucose	α-glucose
Kiểu liên kết	β-1,4-glycoside	α-1,4 (và α-1,6 ở amylopectin)
Cấu trúc mạch	Thẳng, không phân nhánh	Amylose không nhánh, amylopectin có nhánh
Tính tan	Không tan trong nước	Không tan trong nước lạnh, tạo hồ trong nước nóng
Phản ứng với i-ốt	Không tạo màu xanh tím	Tạo màu xanh tím
Con người tiêu hóa	Không	Có
Vai trò ở thực vật	Cấu trúc thành tế bào	Dự trữ năng lượng

Khi tinh bột bị thủy phân một phần sẽ tạo ra dextrin, một sản phẩm trung gian dễ tan hơn.

Vai trò của cellulose

Đối với thực vật

Cellulose tạo nên bộ khung cho thành tế bào, giúp cây chịu lực, giữ hình dạng tế bào và chống lại áp suất thẩm thấu.

Đối với con người

Cơ thể người không có enzyme cellulase nên không tiêu hóa được cellulose. Tuy vậy, cellulose trong rau, củ, ngũ cốc nguyên hạt là chất xơ không hòa tan, giúp tăng khối lượng phân, hỗ trợ nhu động ruột và tạo cảm giác no. Bên cạnh chất xơ, cơ thể còn cần các vi chất như i-ốt hay nguyên tố coban trong vitamin B12.

Trong công nghiệp

• Sản xuất giấy, bìa carton từ bột gỗ.
• Dệt vải từ sợi bông, lanh, đay.
• Chế tạo tơ nhân tạo (visco, axetat), thuốc súng không khói, màng bọc.
• Dẫn xuất như carboxymethyl cellulose (CMC), cellulose vi tinh thể dùng làm chất làm đặc, tá dược.
• Lên men sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.

Lỗi thường gặp khi học về cellulose

Khi trả lời câu hỏi cellulose là gì trong bài kiểm tra, học sinh hay mắc các lỗi sau:

• Nhầm cellulose là đồng phân của tinh bột: hai chất có cùng công thức chung nhưng n khác nhau nên không phải đồng phân.
• Viết sai mắt xích: cellulose là β-glucose, tinh bột là α-glucose.
• Cho rằng cellulose tan trong nước nóng: sai, chỉ tan trong nước Svayde.

Câu hỏi thường gặp

Cellulose có phải là chất xơ không?

Có. Cellulose là loại chất xơ không hòa tan phổ biến nhất trong rau, củ và ngũ cốc nguyên hạt.

Vì sao trâu bò tiêu hóa được cellulose còn người thì không?

Trong dạ cỏ của trâu bò có vi sinh vật tiết enzyme cellulase phân giải cellulose; hệ tiêu hóa của người không có enzyme này.

Cellulose có phản ứng tráng bạc không?

Không. Cellulose không có tính khử như glucose nên không tham gia phản ứng tráng bạc.

Cellulose và xenlulozơ có khác nhau không?

Không. Xenlulozơ là cách phiên âm tiếng Việt của cellulose, hai tên gọi chỉ cùng một chất.