Александр Артеменко - Удивительный мир органической химии

Если для образования химических связей в молекуле глюкозы будут принимать участие две гидроксильные группы (одна из них псевдоальдегидная, а другая — обычная), то образуются огромные макромолекулы полисахаридов — крахмал или целлюлоза. Почему же из глюкозы получаются два совершенно различных продукта? Глюкоза одна, но формы ее, как мы знаем, могут быть различными. Химики установили, что в состав крахмала входит α-глюкоза, а в состав целлюлозы — β-глюкоза. Казалось бы, такое незначительное различие не должно сказываться на свойствах полисахарида. Однако сказывается, да еще как! Сравните между собой щепотку крахмала и лист промокательной бумаги или кусочек ваты (образцы почти чистой целлюлозы).

Но вначале поговорим о крахмале. Итак, крахмал состоит из множества остатков молекул α-глюкозы. Его молекулярная масса более 200 тыс. Крахмал — самый распространенный в природе полисахарид. Он играет роль резервного вещества многих растений. Особенно много его содержится в картофеле, рисе, пшенице и кукурузе. Образуется крахмал в листьях растений в результате фотосинтеза.

Огромные молекулы крахмала при гидролизе (например, при нагревании с раствором серной кислоты) могут распадаться на более простые углеводы. Вначале образуются продукты с меньшей молекулярной массой, чем крахмал. Это — декстрины. Затем декстрины распадаются до мальтозы (дисахарида), а она, в свою очередь, образует конечный продукт — глюкозу. Впервые гидролиз крахмала под влиянием серной кислоты провел в 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764-1833). Гидролиз крахмала может быть полным (до образования глюкозы) и частичным. Последний наблюдается при варке картофеля и круп. При нагревании сухого крахмала до 200-250 °С также происходит его разложение с образованием декстринов. С этим процессом мы встречаемся при хлебопечении и глажении накрахмаленного белья.

Процесс хлебопечения состоит в превращении нерастворимого крахмала в растворимые и гораздо лучше усвояемые организмом декстрины. Сладковатый вкус хлебной корочки как раз и обусловлен превращением крахмала в декстрины. Под действием горячего утюга слой крахмала на белье также переходит в декстрины. И сладковатая корка хлеба, и плотная блестящая пленка на поверхности белья предохраняют и хлеб, и ткань от загрязнений.

Крахмал — основной углевод нашего питания. Частично гидролизованный крахмал (декстрины) подвергается в организме дальнейшему гидролизу под влиянием фермента — амилазы. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи в полости рта и продолжается в желудке и кишечнике. Образующаяся при этом глюкоза всасывается через стенки тонкого кишечника в кровь и идет на питание всех тканей организма.

Теперь рассмотрим другой полисахарид — целлюлозу (от лат. cellula — клетка). Целлюлозу часто называют также клетчаткой , потому что она является главной составной частью оболочек растительных клеток. Они выполняют роль конструкционного материала, благодаря которому растения выдерживают и собственную тяжесть, и порывы ветра, и даже ураганы.

В состав макромолекулы целлюлозы входит другая разновидность глюкозы — β-глюкоза. Поэтому в макромолекулах целлюлозы химические связи между остатками глюкозы пространственно отличаются от подобных связей в макромолекулах крахмала. С этим связаны и отличия в химическом поведении крахмала и целлюлозы. Например, целлюлоза труднее подвергается гидролизу, чем крахмал. Для этого нужны более жесткие условия. Человек и многие животные не имеют пищеварительных ферментов, которые бы разрушали химическую связь между остатками глюкозы в целлюлозной макромолекуле (вот они — различия между β- и α-глюкозой!). Поэтому они не могут использовать целлюлозу в качестве пищи. Правда, такие ферменты содержатся в желудках некоторых животных (коров, оленей). Они могут переваривать (гидролизовать) пищу, в состав которой входят молодые побеги деревьев, кустарников и т. д.

Целлюлоза — твердое волокнистое вещество белого или серого цвета. Обладает большой механической прочностью. Молекулярная масса целлюлозы значительно выше, чем у крахмала, и составляет несколько миллионов. Целлюлоза, как известно, не растворяется в воде и в других известных растворителях, но есть один растворитель — реактив Швейцера (открыт в 1857 г. Э. Швейцером). Этот реактив представляет собой раствор оксида меди в концентрированном аммиаке.

В присутствии серной кислоты и при нагревании целлюлоза гидролизуется. Этот процесс протекает также ступенчато, как и в случае крахмала. Последним продуктом гидролиза является глюкоза. Еще в 1819 г. А. Браконно получил глюкозу, действуя разбавленной минеральной кислотой на древесные опилки. Прошло более двух столетий, прежде чем промышленность стала использовать этот метод. Так, первый цех по получению глюкозы из древесины был построен в СССР в конце 50-х гг. XX в. Это предприятие вырабатывает не только пищевую, но и медицинскую глюкозу.

Целлюлоза в чистом виде в природе не встречается. Ее выделяют из древесины. В зависимости от породы дерева содержание целлюлозы в древесине колеблется в пределах 50-70%. Для получения целлюлозы из древесины обычно используют сульфитный способ. Для этого древесину измельчают (чем мельче, тем лучше) и нагревают в огромных котлах под давлением с гидросульфитом кальция Ca(HSO 3) 2. При этом все вещества, сопутствующие целлюлозе, переходят в раствор, а чистую целлюлозу отфильтровывают.

Значение целлюлозы очень велико. Огромное количество хлопкового, льняного волокна идет на выработку хлопчатобумажных тканей, веревок, канатов. Целлюлоза в составе древесины — самый распространенный и древний строительный материал. По самым скромным оценкам, 40% древесины уходит на производство строительных материалов. В то же время 45% древесины используют в качестве отопительного материала. Древесина — это жилище, топливо, одежда и пища. Лес — это чистый воздух, благополучие экологической обстановки, здоровье человека, здоровье нашей планеты. Выдающийся русский писатель Леонид Леонов писал, что «...было бы неблагодарностью не назвать и лес в числе воспитателей и немногочисленных покровителей нашего народа... Складывается образ леса, как живого существа, чрезвычайно благожелательного и деятельного на пользу нашего народа. Он никогда не помнил обиды от русских, даже когда его заставляли потесниться с помощью не слишком деликатных средств... лес встречал русского человека при появлении на свет и безотлучно провожал его через все возрастные этапы...».

Итак, 85% древесины — это строительный и отопительный материал. И только 15% идет на химическую переработку. Из целлюлозы получают искусственную вату, ткани, кожу (кирзу), бумагу и картон. Путем химической переработки целлюлозы можно получать различные химические продукты: глюкозу, метиловый и этиловый спирты, фенолы, уксусную кислоту и многое другое.