Cellulose, Zusammensetzung, Eigenschaften, Vorkommen, Verwendung

Die Cellulose (cellulosus lat.: aus Zellen bestehend) ist die in der Natur am häufigsten verbreitete organische Verbindung, da sie neben Pektin und Hemicellulosen den Hauptbestandteil der Gerüstsubstanz der Zellwände aller Pflanzen ausmachen. Das Holz der Laub- und Nadelbäume bestehen zu ungefähr 40% aus Cellulose. Auch Halme der Getreidepflanzen sind reich an Cellulose (Stroh), ebenfalls die Baumwolle, bei der die Samenhaare fast völlig aus Cellulose bestehen. Damit ist Cellulose der mengenmäßig bedeutendste Naturstoff und bildet eine wesentliche Gerüst- und Stützsubstanz. Aus Nadelhölzern gewinnt man die Cellulose in Form von Zellstoff. Diese dient zur Herstellung von Papier und Chemiefasern (Zelluloseregeneratfaser).

Durch die große Menge stellt Cellulose auch eine wichtige Speicherform für das Element Kohlenstoff im Kohlenstoffkreislauf dar. Durch die Fotosynthese wird der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid entzogen. Der enthaltene Kohlenstoff wird in der organischen Substanz - zu einem großen Teil in der Cellulose - festgelegt. Immerhin macht der in Form von Cellulose gespeicherte Kohlenstoff ca. 50% des in der gesamten Erdatmosphäre als CO2 vorliegenden Kohlenstoffs aus.
In der Natur wird die Cellulose von abgestorbenen Pflanzenteilen durch Bakterien und Pilzen unter Energiefreisetzung wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgebaut. Damit wird in einem relativ kurzfristigen Teilkreislauf (wenige Jahre oder Jahrzehnte) Kohlenstoffdioxid wieder in die Atmosphäre abgegeben. Die Abbaureaktion wird u. a. durch Cellulase katalysiert. Chemisch kann Cellulose durch Reaktion mit Säure zu Glucose abgebaut werden (Holzverzuckerung).

Sind die Samen reif, springen die Kapseln der Baumwollpflanze auf und die Samenhaare quellen hervor.

Eigenschaften und Struktur der Cellulose
Die Cellulose ist faserig aufgebaut. Sie ist wasserunlöslich und quillt kaum.

Der Grundbaustein der Cellulose ist die Glucose. Durch die Reaktion vieler Glucosemoleküle unter Abspaltung von Wasser, ist ein Makromolekül entstanden, das aus 500 - 15000 Glucoseeinheiten zusammengesetzt ist. Diese Reaktionsart bezeichnet man als Polykondensation.

Sowohl die Stärke als auch die Cellulose bestehen also Glucoseresten, allerdings sind diese Glucosereste in der Cellulose anders miteinander verknüpft als in der Stärke. Es besteht eine sogenannte 14βVerknüpfung, bei der die Glucosereste jeweils um 180° gedreht angeordnet sind.

Durch diese Verknüpfung entstehen linear angeordnete Makromoleküle, die zu benachbarten Glucosemolekülresten Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können, das zu einer zusätzlichen linearen Versteifung der Ketten führt. Durch die annähernd gleiche Ausrichtung aller Glucoseringe in einer Fläche kommt es zu einer brettartigen Struktur der einzelnen Ketten. Durch die intermolekularen Wasserstoffbrücken kommt es zu einer parallelen Ausrichtung von bis zu 70 Celluloseketten. Diese bezeichnet man auch als Mikrofibrillen. Sie sind charakteristisch für pflanzliche Zellwände und führen zu einer erhöhten Stabilität. Dadurch ist Cellulose aber auch wasserunlöslich.

Die Cellulose gehört zu den Polysacchariden, also zu den Kohlenhydraten, deren Moleküle aus vielen Monosaccharidresten gebildet werden. Diese Stoffgruppe ist in der Natur sehr weit verbreitet. Die Tabelle zeigt einige ausgewählte Verbindungen.

verschiedene Polysaccharide
Poly-saccharid Bau-
steine
Verknüp-fung Funktion natürliche
Vorkommen
Cellulose Glucose β,14 Stütz- und
Gerüst-
substanz
gesamtes
Pflanzenreich
Amylose Glucose α,14

Bestandteil
pflanzlicher
Speicher-
stärke

Stärke,besonders Kartoffel, Mais, Reis
Chitin N-Acetylglucosamin β,14 Gerüst-
substanz
Insekten, Krusten-meerestiere
Inulin Fructose β,21 Speicherstoff Artischocke, Chicoree
Xylan Xylose β,14

Gerüst-substanz

alle Land-pflanzen
Glycogen Glucose α,1461,α tierische
Speicher-
stärke
Leber- und Muskelzellen aller Tiere
Amylopektin Glucose α,1461,α

Bestandteil
pflanzlicher
Speicher-
stärke

Stärke, besonders Kartoffel, Mais, Reis
Dextran Glucose α,1641,α unbekannt vorrangig Bakterien
Agar* Galactose α,13 Gerüst-substanz bestimmte Rotalge
* kann zusätzliche Sulfatgruppen enthalten

Verwendung
Nicht nur in der Natur hat die Cellulose große Bedeutung. Der Mensch nutzt diesen Naturstoff schon sehr lange. Abgesehen davon, dass Holz schon immer zu den wertvollen Baustoffen gehörte, begründete sich die große technische und wirtschaftliche Bedeutung der Cellulose auf der Vielzahl ihrer Erscheinungsformen.

Baumwolle, Hanf, Jute und Flachs sind fast reine Cellulose. Sie besitzen große Bedeutung in der Textil-, der Papier- und Bauindustrie.

Technisch wird reine Cellulose aus Holz oder Stroh gewonnen. Sie kommt dann meistens als Zellstoff in den Handel.
Große Bedeutung für die Lebensmittelindustrie haben auch die chemisch modifizierten Cellulosederivate, z.B. als Verdickungsmittel, Ballaststoffzusatz und Füllmittel.

Ausschnitt aus einem Cellulosemolekül

Verwerten können wir diesen Stoff allerdings nicht, da wir keine Enzyme besitzen, um die langen Ketten abzubauen.
Einige Mikroorganismen sind jedoch durch ihre Enzyme in der Lage, Cellulose abzubauen. Dazu gehören u.a. die Mikroorganismen, die sich im Pansen der Wiederkäuer befinden. Dadurch können Wiederkäuer sehr cellulosereiche Nahrung verwerten, sodass die Cellulose bzw. cellulosereiche Pflanzen für diese Tiere gutes Tierfutter bilden.

Kühe gehören zu den Wiederkäuern. Durch die Mikrooganismen im Pansen können sie sich von Gras ernähren.
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