纤维素

纤维素（Cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖，从结构上看它是由多个葡萄糖分子以β-1,4糖苷键连接组成的，其分子式为（C₆H₁₀O₅)_n。其不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是一种白色、无味、无臭的固体，通常呈纤维状或粒状。纤维素的密度约为1.27-1.61 g/cm，熔点在260-270℃。纤维素是地球上最古老而又最丰富的生物质资源之一，人类对纤维素材料的认识和利用已拥有超过2000年的历史。纤维素是植物细胞壁的主要成分，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。

法国化学家A.帕扬（A.Payen）是最早研究纤维素的科学家之一。他在1837~1842年研究植物细胞壁成分时发现，纤维素是一种由葡萄糖组成的物质。1838年，帕扬将它命名为cellulose，由法语cellule（来源于拉丁文cellula）变化而成。这一名词为使用拉丁字母文字的国家所沿用，中文名为纤维素。H.施陶丁格（Hermann Staudinger）在1920年确定了纤维素的聚合物结构。1991年，纤维素被列为第七大营养素，与蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质和水并列。该化合物于1992年由小林敦（Atsushi Kobayashi）和正田信一郎（Shin-ichiro Shoda）首次化学合成（不使用任何生物衍生酶）。

纤维素是一种多糖，由葡萄糖组成，化学式为(C₆H₁₀O₅)n。纤维素中的羟基（-OH）含有三个醇羟基，其中C6的羟基为伯羟基，C2和C3位上的羟基为仲羟基，这三个羟基可发生一系列的化学反应（如酯[zhǐ]化、醚化反应等）。纤维素是由β-1,4糖苷键连接的以脱水-D葡萄糖为单元构成的天然高分子，两个相邻的糖单元结构互成180°交错。天然纤维素的聚合度一般为1000~20000，相对分子量为20000~2500000。纤维素链是定向的，具有不对称的末端结构：一端为具有还原性的半缩醛结构，另一端为非还原性的羟基结构。因此，可通过在纤维素的羟基上进行化学反应以制备具有各种功能的纤维素衍生物。

纤维素是一种线性高分子，由许多D-吡喃型葡萄糖基（脱水葡萄糖）以β-1,4-糖苷键结合而成，且每个葡萄糖基都可与相邻的三个葡萄糖基结合，形成直链纤维素分子。同时每个葡萄糖基都有一个羟基位于分子链的侧边，这些羟基可以形成大量的氢键，而这些氢键限制了分子链的运动，纤维素分子链中的葡萄糖基之间也存在较强的相互作用，另外六元环结构导致内旋转困难，分子有极性、分子链间相互作用强使得纤维素具有较高的刚性和稳定性。纤维素具有高度结晶的结构，其晶型包括I型、II型、III型和IV型。其中I型是天然纤维素的晶型，其他晶型则需要通过特定的处理方法才能得到，纤维素的结晶结构使其具有较高的强度和耐久性。由于纤维素分子链的长度是不均匀的，存在不同的聚合度。因此，纤维素具有多分散性，其性质也因聚合度的不同而有所差异。

纤维素是一种白色、无味、无臭的固体，通常呈纤维状或粒状。纤维素的密度约为1.27-1.61 g/cm。纤维素是一种不溶于水、稀酸、稀碱和一般有机溶剂的有机高分子化合物。然而，纤维素在一定条件下可以与某些有机溶剂（如铜氨溶液、尿素甲醛溶液等）发生反应，生成可溶性的纤维素衍生物。此外，纤维素还具有较高的热稳定性和耐化学腐蚀性。纤维素及其衍生物具有吸湿性，其吸湿性与环境湿度有关。在某些条件下，纤维素衍生物的吸湿能力与纤维素相近。当纤维素无定形区的水分子排列有一定方向时，密度较高，此时的吸湿能力较强。纤维素具有较高的抗张强度和弹性模量，但伸长率较低。经过丝光处理后的纤维素，其结晶度、强度和柔软性都会有所提高。纤维素的熔点和分解温度较高，一般在270℃～300℃之间。纤维素的热稳定性与其晶体结构有关，纤维素Ⅱ型晶具有更高的热稳定性。

纤维素中的羟基（-OH）含有三个醇羟基，其中C6的羟基为伯羟基，C2和C3位上的羟基为仲羟基，这三个羟基可发生一系列的化学反应（如酯化反应、醚化反应等）。

纤维素酯化反应是指纤维素分子与酯化剂反应，在纤维素分子中引入酯基，从而改变其性质。常见的纤维素酯化剂包括羧酸、酸酐、酰氯、醇等。在纤维素分子中，三个羟基在葡萄糖基中所处的位置不同，受邻近取代基的影响和空间阻碍作用也各不相同。因此，在酯化反应中，各个羟基的反应活性也不同。一般来说，C6羟基的反应活性最高，C3羟基次之，C2羟基的反应活性最低。在酸性条件下，纤维素能够与羧酸、酸酐、酰[xiān]氯等发生酯化反应，生成纤维素酯。常见的纤维素酯有纤维素硝酸酯、纤维素醋酸酯、纤维素丙二酸酯等。

纤维素硝酸酯化反应

化学反应式

纤维素醚化反应是指纤维素分子与醚化剂反应，在纤维素分子中引入醚基，从而改变其性质。常见的纤维素醚化剂包括碱金属盐、有机磺酸、环氧化物等。与酯化反应类似，各个羟基的反应活性也不同，C6羟基的反应活性最高，C3羟基次之，C2羟基的反应活性最低。在碱性条件下，纤维素能够与碱金属盐发生醚化反应，生成纤维素醚。常见的纤维素醚有甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素等。

典型纤维素醚的制备

纤维素水解反应是将纤维素分解成小分子糖类的过程。在自然界中，有许多微生物和真菌能够分泌纤维素酶，将纤维素分解成较小的糖类物质。而在工业上，通常采用酸催化或者碱催化的方式来实现纤维素水解反应。在纤维素水解过程中，酸催化法可以将纤维素与浓硫酸等酸性物质反应，使其产生裂解，生成纤维素糖，随后进行中和和蒸发处理，得到纤维素糖液。纤维素水解的产物称为水解纤维素，它不是一种有固定组成的化合物，而是一种依水解程度不同而不同的混合物，纤维素完全水解即为葡萄糖。水解纤维素的化学结构与原纤维素相同，但它的聚合度小于原纤维素，因此，水解纤维素的机械强度大大低于原纤维素。

纤维素的氧化反应可以通过使用氧化剂，如氯气、过氧化氢、高锰酸钾等，来引入新的官能团，如羧基、醛基和酮基等，从而改变纤维素的结构特征，赋予其更多新的性能。氧化纤维素是一种不溶于水的纤维素衍生物。它可以通过氧化剂和各种金属催化剂的作用由纤维素生产。

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、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的常见来源。

纤维素是植物细胞壁的主要成分之一，在植物中，纤维素主要是通过叶绿素与水和二氧化碳进行光合作用合成的。天然纤维素的植物来源非常广泛，包括棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等。根据植物来源，天然纤维素可分为棉纤维、木材纤维、草类纤维和韧皮纤维等。

棉纤维是纯度最高的天然纤维素，它是在棉籽表皮上生长发育而成的纤维，其纤维素含量接近100%，是植物纤维中重要的纤维素来源。

在自然界中，木材是天然纤维素最主要的来源。木质纤维素除含有纤维素之外，还含有木质素和半纤维素。木材是以纤维素为基质、木质素为填充剂所组成的三维体型结构的复合体系。木材中的纤维素与半纤维素和木质素共存，半纤维素以氢键与纤维素分子连接，并缠绕纤维素，与木质素通过阿魏酸和对香豆酸相连。不同木材及植物不同部位的纤维素、木质素和半纤维素含量和化学组成均有差异。

草本科植物，例如禾本科和竹科等，其茎部富含大量纤维素。例如小麦秸秆、玉米秸秆和竹茎等。与木材相比，草类所含纤维素的纤维长度较短，非纤维细胞比率较高。同时，草类纤维中半纤维素的含量相对较高，木质素的含量相对较低。

典型的韧皮纤维包括亚麻、剑麻、桑皮、大麻、黄麻、红麻以及棉秸皮等。其中，各种麻类纤维的纤维素含量较高，因此是优质的纺织工业原料。而其他韧皮纤维则可用于造纸工业。麻类纤维具有出色的韧性，其断裂伸长率可与玻璃纤维相媲美。

相对于植物纤维素，人们把由微生物合成的纤维素统称为细菌纤维素，因为其具有高纯度、高结晶度和高分子量的特性。在自然界中，植物纤维素通常与其他物质共存，如木质素和半纤维素，因此提取高纯度的植物纤维素存在一定困难，且会产生大量废水，对环境造成污染，同时也增加了生产成本。而细菌纤维素的长径比比植物纤维素更高，更有利于制备微小的纤维产品。许多微生物都可以合成纤维素，其中常见的能够合成细菌纤维素的微生物包括醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属、假单胞菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、无色杄[qiān]菌属和八叠球菌属等。细菌纤维素和植物纤维素在结构和化学组成上非常相似，但细菌纤维素具有更好的物理化学性能和力学性能，其杨氏模量高达1.5×10Pa。

除了植物细胞壁，微生物也能合成天然纤维素。科学研究的发展和进步使得人工合成纤维素取得了重大进展，主要的合成方法是生物法和化学合成法。化学法是通过化学反应将纤维素从植物细胞壁中提取出来，然后进行纯化和加工处理。生物法则是利用微生物或酶类将植物细胞壁中的纤维素分解成单糖，再进行纯化和加工处理。人工合成纤维素主要有两种合成路线：酶催化和葡萄糖衍生物的开环聚合。人工合成纤维素的基本原理是利用纤维素的结构特点和化学性质，通过化学或生物的方法，将纤维素从植物细胞壁中提取出来，并进行纯化和加工处理，最终得到高纯度的纤维素。然而，由于技术的限制，人工合成纤维素的聚合度较低，通常只有几十，分子量较低，尚不能达到自然界中高结晶度、高聚合度的纤维素织态结构，更无法满足现代工业的需要。

多聚合纤维素可以通过酸法、碱法、加氧剂以及生物法制备。其中酸法是将天然纤维素放入含硫酸、盐酸或氯酸的溶液中，经过反应和脱色等处理，得到纤维素；碱法是将天然纤维素放入氢氧化钠、氢氧化钾等碱性溶液中，在高温高压的条件下水解纤维素所得的纸浆，经过脱水处理后制得纤维素；加氧剂制备是将天然纤维素放入氧气气氛中，在催化剂的促进下进行氧化处理，得到纤维素；生物法制备则是采用微生物或酵母菌等生物发酵过程，利用微生物将天然纤维素分解成单糖，再经过纯化、脱色等后可得到纤维素。其可以用于纺织品、纸张制造、塑料制品以及制作生物医学材料，如制作药物载体、手术缝合线等。

木质纤维素是一种由木材，尤其是软木、松木、云杉等树种制成的天然纤维。木质纤维素的制备首先需要将原木去皮，以减少生产过程中的污染物，然后将去皮后的原木进行磨碎，磨成直径约为2-5毫米的小块，并将小块木料放入蒸煮锅中，加入蒸汽进行蒸煮。蒸煮的目的是将木材中的木素和半纤维素分离出来，形成可转化的纤维素，再将蒸煮后的木块加入碱液中进行处理，分离纤维素。碱液处理的目的是将木材中的木素、半纤维素以及一些细胞壁材料分离。最后将纤维素放入高压反应釜中，在一定的温度和压力下进行反应。它是一种生物质材料，具有多孔性、高比表面积和良好的化学稳定性等性质。它具有优良的吸附性能，可以用于吸附和去除水中的有害物质。此外，木质纤维素还具有很好的生物可降解性，可以在自然环境中被微生物分解。木质纤维素可以用于制作纺织品，如生物降解的塑料和人造纤维，也可以与其他材料混合使用，例如棉花、亚麻、丝绸等，使得纤维素纱线的性能更加优良。由于木质纤维素是一种生物质资源，可以用于生产生物质燃料、木炭和液体燃料。木质纤维素也可以用于生产生物降解的包装材料。

纤维素醚的合成需要将纤维素纤维在碱性溶液中加热，然后使用醚化剂进行处理。在生产过程中，使用氯化甲烷作醚化剂生产MC，而生产HPMC除了使用氯化甲烷[wán]外，还使用环氧丙烯来获取羟丙基取代基团。纤维素醚是白色或淡黄色的固体，通常为颗粒状或粉状。纤维素醚可以用作增稠剂、悬浮剂和乳化剂等，在建筑、医药、个人保健、石油、粘蚊剂、造纸和纺织印染等行业有着广泛应用。

甲基纤维素可以通过碱化后的纤维素与氯代甲烷反应制得。具体的反应过程为将碱化的纤维素与氯代甲烷反应，生成甲基纤维素和氯化钠等副产物。甲基纤维素没有显著的毒性和刺激性，具有优良的生物相容性和生物降解性。甲基纤维素可以用于建筑业、医药行业、纺织业等领域。作为增稠剂、悬浮剂和乳化剂，甲基纤维素被广泛应用于建筑业中，如混凝土、砂浆和涂料的生产。其也可以用作药物载体，帮助药物更好地渗透到组织中，提高药物的疗效。

羧乙基纤维素是一种非离子型可溶性纤维素醚类。合成羧乙基纤维素首先需要将碱性纤维素和环氧乙烷或氯乙醇进行醚化反应，生成羧乙基纤维素。它是一种白色或淡黄色，无味、无毒的纤维状或粉状固体。羧乙基纤维素的主要用途包括在石油开采中作为稠化剂、分散剂和稳定剂；在医疗食品行业中作为药片的载体和药物缓慢释放的包衣材料等。

用化学法将植物纤维原料与化学试剂（如硫酸、氢氧化钠等）在高温或高压下反应，去除木质素等杂质，得到纤维素浆。再经过漂白、过滤等工序，最终得到纯度较高的纤维素；或者通过生物法利用纤维素酶等生物酶将植物纤维原料分解为小分子纤维素，再经过分离、提纯等工序，得到纤维素；也可以通过物理手段将植物纤维原料分离成纤维素和木质素，如浮选、研磨、筛选等。纤维素主要来源于植物的茎、叶子和果实。麻纤维可以从麻类植物的茎中提取，棉花纤维可以从棉铃中提取。这些植物纤维经过浸泡、软化、梳理、干燥等过程进行提取和加工。最常用的天然纤维是棉花，其次是剑麻等长叶纤维和黄麻、亚麻、大麻以及苎麻等韧皮纤维。这些叶纤维和韧皮纤维是一种重要的非常规纤维来源。天然纤维的提取方法包括化学、物理和生物过程。例如，可以使用水脱胶或化学使用氢氧化钠（NaOH）从丝兰植物叶片中提取纤维。合成纤维主要由提炼成单体的不可再生煤炭和石油制成，这些单体在一个称为聚合的过程中结合在一起。最常见的合成纤维包括聚酯纤维、尼龙纤维、丙烯酸纤维和氨纶。合成纤维的合成包括几个步骤，如聚合、纺丝、拉伸和热定型，最后，纤维经过加工处理，如染色、纺纱、织造等，成为各种织物。

全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达800万吨。此外，用分离纯化的纤维素做原料，可以制造人造丝，赛璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物和甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素等醚类衍生物，用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。

纤维素作为医学材料的应用主要体现在两个方面：生物可降解材料和药物载体。由于纤维素具有较好的生物相容性和可降解性，因此纤维素可以被应用于医学领域。例如，纤维素可以与其它生物材料结合，制造出具有特定形状和性能的手术缝合线，以满足手术的需要。此外，纤维素也可以用于制造药物释放系统，能够控制药物在体内的释放速度和释放量，从而达到更好的治疗效果。另一方面，纤维素也可以作为药物载体，由于其能够将药物分子包裹在纤维素颗粒中，形成纤维素-药物复合物，从而增加药物的稳定性和生物利用度。例如，将抗癌药物分子包裹在纤维素颗粒中，可以增加药物在肿瘤部位的积累，减少药物的毒副作用。同时纤维素还可以用于制造纳米药物载体，能够将药物分子精确地输送到病变部位，从而提高药物的疗效。

纤维素在纺织领域是常用的纺织原材料之一，其可以用于生产各种类型的纤维素纤维，如棉纤维、亚麻纤维、大麻纤维等。这些纤维素纤维具有良好的吸湿性、透气性、保暖性和抗静电性，因此被广泛应用于纺织品和服装的生产制造。纤维素还可以用于生产各种纺织助剂和整理剂，如柔软剂、抗皱剂、防水剂等，以提高纺织品的品质和性能。

在建筑领域，纤维素可以用于生产各种类型的建筑材料，如纤维板、纤维水泥等。纤维素纤维具有很好的防火、防水、隔音等性能，因此纤维素建筑材料可以广泛应用于建筑领域的各个方面。

纸张的主要成分为纤维素，而除纸张、纸浆之外，纤维素衍生材料还在造纸工业中扮演着重要的角色，多种纤维素醚、细菌纤维素等都被广泛应用于造纸行业作为各种造纸助剂（如纸张增强剂、表面施胶剂、乳化稳定剂、涂料保水剂及特殊纸质材料等）。

纤维素可以被用来制备各种可降解的纤维素基薄膜，这些薄膜有望作为包装材料应用于食品工业。例如，纳米纤维素可以用来提高纤维素薄膜的力学性能，而使用不同比例的纤维素晶须可以制备出再生纤维素薄膜。随着纤维素晶须的加入，纤维素纳米复合膜的拉伸强度可以得到显著提高。此外，纤维素具有无毒性和生物可降解性，因此作为食品包装时具有安全、可降解的特性。另外，采用纤维素水凝胶作为基材可以制备出疏水性纤维素复合膜。通过疏水-亲水界面相互作用，纤维素水凝胶的孔隙可以促进短毛状12-羟基十八酸（HOA）晶体在其表面生长，从而获得高疏水性。通过溶剂蒸发法可以控制结晶，使HOA沿亲水性纤维素孔壁生长，最终制备出疏水性纤维素复合膜。这种纤维素复合膜具有很高的疏水性和生物降解性，未来可以作为新型的可生物降解包装材料用于食品工业。

纤维素材料在工程领域也有良好的应用前景。通过对天然木材进行改性，可以除去其中的木质素和半纤维素，制备出高强度的纤维素材料，作为结构材料用于工程领域。例如，采用两步法对天然木材进行转化处理，首先用氢氧化钠和亚硫酸钠溶液除去天然木材中的部分木质素和半纤维素，然后利用热压法使细胞壁完全塌陷，使纤维素纳米纤维完全致密化，制得超强木材。这种超强木材的强度、韧性和抗冲击性能比原来提高了10倍，超过了轻质钛合金，而质量仅为钢材的1/6。由于纤维素纳米纤维具有更大的尺寸稳定性，使其有望成为一种低成本、高性能、质轻的钢材替代品。

人类膳食中的纤维素主要含于蔬菜和粗加工的谷类中，虽然不能被消化吸收，但有促进肠道蠕动，利于粪便排出等功能。草食动物则依赖其消化道中的共生微生物将纤维素分解，从而得以吸收利用。纤维素可以作为膳食纤维添加剂应用于食品工业。纤维素基膳食纤维在主食方面的应用主要表现为在米饭、面条和馒头中的添加。添加纤维素纤维到米饭中，可以增加米饭的蓬松清香口感；在面条中添加，则可改善面条的韧性。在焙烤食品中，纤维素纤维的应用最为广泛，主要产品包括高膳食纤维面包、蛋糕、饼干和桃酥等。膳食纤维的加入可以改善产品的持水力，吸附大量水分，有利于产品的凝固和保鲜，同时降低了生产成本，例如使用纤维素纤维来稳定米糠粉。

纤维素的功能主要包括促进肠道健康、降低胆固醇和血脂、控制血糖上升、增加饱腹感和控制体重等。在日常膳食中，适当增加含纤维素丰富的食物摄入，有助于维护人体健康。

1. 促进肠道蠕动，帮助排便：纤维素在肠道中能够吸收水分，增加粪便量，促进肠道蠕动，从而帮助排便，预防便秘的发生。
2. 减少致癌物质在肠道内的停留时间：纤维素能够缩短致癌物质在肠道内的停留时间，减少其被人体吸收的机会，从而预防肠癌等疾病。
3. 降低血脂及胆固醇：纤维素能够与胆固醇和胆汁酸结合，降低血液中胆固醇及血脂的含量，从而降低心脑血管疾病的发生风险。
4. 控制血糖上升：纤维素是一种低血糖指数的食物成分，能够延缓血糖的上升速度，有助于控制糖尿病患者的血糖水平。
5. 增加饱腹感，有助于控制体重：纤维素能够增加饱腹感，减少进食量，有助于控制体重，预防肥胖及相关疾病的发生。

纤维素的食物来源主要是植物性食物，如水果、蔬菜、全谷类、豆类、坚果等。以下是一些常见食物中的纤维素含量：

常见食物中的纤维素含量

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