基本介紹
- 中文名：纖維素
- 外文名：cellulose
- 化學式：(C6H10O5)n
- 分子量：50000～2500000
- 類別：多糖
- 套用：膳食纖維
性質,溶解性,纖維素水解,纖維素氧化,柔順性,製法,作用,生理作用,膳食纖維,攝入,含量及測定,藥用介紹,纖維素與身體健康,常用纖維素,多聚合纖維素,木質素纖維,纖維素醚,甲基纖維素,羥丙基甲基纖維素,羥乙基纖維素,羧甲基纖維素,
性質
溶解性
常溫下，纖維素既不溶於水，又不溶於一般的有機溶劑，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶於稀鹼溶液中。因此，在常溫下，它是比較穩定的，這是因為纖維素分子之間存在氫鍵。纖維素不溶於水和乙醇、乙醚等有機溶劑，能溶於銅氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和銅乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。
纖維素水解
在一定條件下，纖維素與水發生反應。反應時氧橋斷裂，同時水分子加入，纖維素由長鏈分子變成短鏈分子，直至氧橋全部斷裂，變成葡萄糖。
纖維素氧化
纖維素與氧化劑發生化學反應，生成一系列與原來纖維素結構不同的物質，這樣的反應過程，稱為纖維素氧化。（引自郭莉珠檔案保護技術）纖維素大分子的基環是D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，其化學組成含碳44.44%、氫6.17%、氧49.39%。由於來源的不同，纖維素分子中葡萄糖殘基的數目，即聚合度（DP）在很寬的範圍。是維管束植物、地衣植物以及一部分藻類細胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的莢膜，以及尾索類動物的被囊中也發現有纖維素的存在，棉花是高純度（98%）的纖維素。所謂α-纖維素（α－cellulose）這一名稱系指從原來細胞壁的完全纖維素標準樣品用17.5%NaOH不能提取的部分。β-纖維素（β-cellulose）、γ-纖維素（γ-cellulose）是相應於半纖維素的纖維素。雖然，α-纖維素通常大部分是結晶性纖維素，β-纖維素，γ-纖維素在化學上除含有纖維素以外，還含有各種多糖類。細胞壁的纖維素形成微纖維。寬度為10-30毫微米，長度有的達數微米。套用X線衍射和負染色法（negative染色法），根據電子顯微鏡觀察，鏈狀分子平行排列的結晶性部分組成寬為3-4毫微米的基本微纖維。推測這些基本微纖維集合起來就構成了微纖維。纖維素能溶於Schwitzer試劑或濃硫酸。雖然不易用酸水解，但是稀酸或纖維素酶可使纖維素生成D-葡萄糖、纖維二糖和寡糖。在醋酸菌中有從UDP葡萄糖引子（primer）轉移糖苷合成纖維素的酶（cellulose synthase（UDPformingEC2.4.1.12）。在高等植物中已得到具有同樣活性的顆粒性酶的標準樣品。此酶通常是利用GDP葡萄糖（cellulose synthase（GDP forming） EC2.4.1.29），在由UDP葡萄糖轉移的情況下，發生β-1，3鍵的混合。微纖維的形成場所和控制纖維素排列的機制還不太明瞭。另一方面就纖維素的分解而言，估計在初生細胞壁伸展生長時，微纖維的一部分由於纖維素酶的作用而被分解，成為可溶性。
水可使纖維素髮生有限溶脹，某些酸、鹼和鹽的水溶液可滲入纖維結晶區，產生無限溶脹，使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時不發生顯著變化 ，超過這溫度會由於脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無機酸起水解作用生成葡萄糖等，與較濃的苛性鹼溶液作用生成鹼纖維素，與強氧化劑作用生成氧化纖維素。
柔順性
纖維素柔順性很差，是剛性的，因為：
（1）纖維素分子有極性，分子鏈之間相互作用力很強；
（2）纖維素中的六元吡喃環結構致使內旋轉困難；
（3）纖維素分子內和分子間都能形成氫鍵特別是分子內氫鍵致使糖苷鍵不能旋轉從而使其剛性大大增加。
製法
生產方法一：纖維素是世界上蘊藏量最豐富的天然高分子化合物，生產原料來源於木材、棉花、棉短絨、麥草、稻草、蘆葦、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等。我國由於森林資源不足，纖維素的原料有70%來源於非木材資源。我國針葉材、闊葉材的纖維素平均含量約43-45%；草類莖稈的纖維素平均含量在40%左右。纖維素的工業製法是用亞硫酸鹽溶液或鹼溶液蒸煮植物原料，主要是除去木素，分別稱為亞硫酸鹽法和鹼法。得到的物料稱為亞硫酸鹽漿和鹼法漿。然後經過漂白進一步除去殘留木素，所得漂白漿可用於造紙。再進一步除去半纖維素，就可用作纖維素衍生物的原料。
生產方法二：用纖維植物原料與無機酸搗成漿狀，製成α-纖維素，再經處理使纖維素作部分解聚，然後再除去非結晶部分並提純而得。
生產方法三：將選好的工業木漿板疏解，然後送入已加1%～10%的鹽酸(用量為5%～10%)的反應釜進行升溫水解，溫度為90～100℃，水解時間0.5～2h，反應結束後經冷卻送人中和槽，用液鹼調至中性，過濾後濾餅在80～100℃下乾燥，最後經粉碎得產品。
生產方法四：由木漿或棉花漿製成的纖維素。經漂白處理和機械分散後精製而成。
作用
纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是取之不盡用之不竭的，人類最寶貴的天然可再生資源。纖維素化學與工業始於一百六十多年前，是高分子化學誕生及發展時期的主要研究對象，纖維素及其衍生物的研究成果為高分子物理及化學學科的創立、發展和豐富作出了重大貢獻。
生理作用
人體內沒有β-糖苷酶，不能對纖維素進行分解與利用，但纖維素卻具有吸附大量水分，增加糞便量，促進腸蠕動，加快糞便的排泄，使致癌物質在腸道內的停留時間縮短，對腸道的不良刺激減少的作用，從而可以預防腸癌發生。
膳食纖維
人類膳食中的纖維素主要含於蔬菜和粗加工的穀類中，雖然不能被消化吸收，但有促進腸道蠕動，利於糞便排出等功能。草食動物則依賴其消化道中的共生微生物將纖維素分解，從而得以吸收利用。食物纖維素包括粗纖維、半粗纖維和木質素。食物纖維素是一種不被消化吸收的物質，過去認為是“廢物”，2013年認為它在保障人類健康，延長生命方面有著重要作用。因此，稱它為第七種營養素。
膳食纖維素，一般採用從天然食物（魔芋、燕麥、蕎麥、蘋果、仙人掌、胡蘿蔔等）中提取的多種類型的高純度膳食纖維。膳食纖維素的主要功能為：
（1）治療糖尿病
膳食纖維可提高胰島素受體的敏感性，提高胰島素的利用率；膳食纖維能包裹食物的糖分，使其逐漸被吸收，有平衡餐後血糖的作用，從而達到調節糖尿病患者的血糖水平，治療糖尿病的作用。
（2）預防和治療冠心病
血清膽固醇含量的升高會導致冠心病。膽固醇和膽酸的排出與膳食纖維有著極為密切的關係。膳食纖維可與膽酸結合，而使膽酸迅速排出體外，同時膳食纖維與膽酸結合的結果，會促使膽固醇向膽酸轉化，從而降低了膽固醇水平。
（3）降壓作用
膳食纖維能夠吸附離子，與腸道中的鈉離子、鉀離子進行交換，從而降低血液中的鈉鉀比值，從而起到降血壓的作用。
（4）抗癌作用
自七十年代以來，膳食纖維在抗癌方面的研究報導日益增多，尤其是膳食纖維與消化道癌的關係。早期在印度的調查顯示，生活在印度北部人們膳食纖維的食用量大大高於南部，而結腸癌的發病率也大大低於南部。根據這個調查結果，科學家做了更加深入的研究，發現膳食纖維防治結腸癌有以下幾點原因：結腸中一些腐生菌能產生致癌物質，而腸道中一些有益微生物能利用膳食纖維產生短鏈脂肪酸，這類短鏈脂肪酸能抑制腐生菌的生長；膽汁中的膽酸和鵝膽酸可被細菌代謝為細胞的致癌劑和致突變劑，膳食纖維能束縛膽酸等物質並將其排出體外，防止這些致癌物質的產生；膳食纖維能促進腸道蠕動，增加糞便體積，縮短排空時間，從而減少食物中致癌物與結腸接觸的機會；腸道中的有益菌能夠利用膳食纖維產生丁酸，丁酸能抑制腫瘤細胞的生長增殖，誘導腫瘤細胞向正常細胞轉化，並控制致癌基因的表達。
（5）減肥治療肥胖症
膳食纖維取代了食物中一部分營養成份的數量，而使食物總攝取量減少。膳食纖維促增加唾液和消化液的分泌，對胃起到了填充作用，同時吸水膨脹，能產生飽腹感而抑制進食慾望。膳食纖維與部分脂肪酸結合，這種結合使得當脂肪酸通過消化道時，不能被吸收，因此減少了對脂肪的吸收率。
（6）治療便秘
膳食纖維具有很強的持水性，其吸水率高達10倍。它吸水後使腸內容物體積增大，大便變松變軟，通過腸道時會更順暢更省力。與此同時，膳食纖維作為腸內異物能刺激腸道的收縮和蠕動，加快大便排泄，起到治便秘的功效。
攝入
蔬菜中含有豐富的纖維素。不含纖維素食物有：雞、鴨、魚、肉、蛋等；含大量纖維素的食物有：粗糧、麩子、蔬菜、豆類等，其中棉花含量最高，達到98%。因此建議糖尿病患者適當多食用豆類和新鮮蔬菜等富含纖維素的食物。目前國內的植物纖維食品，多是用米糠、麩皮、麥糟、甜菜屑、南瓜、玉米皮及海藻類植物等製成的，對降低血糖、血脂有一定作用。
含量及測定
纖維素雖然不能被人體吸收，但具有良好的清理腸道的作用，是適合IBS（腸易激綜合徵）患者食用的健康食品。常見食品的纖維素含量如下：
富含纖維素的食品
富含纖維素的食品麥麩：31%
穀物：4-10%，從多到少排列為小麥粒、大麥、玉米、蕎麥麵、薏米麵、高粱米、黑米。
麥片：8-9%；燕麥片：5-6%
馬鈴薯、白薯等薯類的纖維素含量大約為3%。
豆類：6-15%，從多到少排列為黃豆、青豆、蠶豆、芸豆、豌豆、黑豆、紅小豆、綠豆。
無論穀類、薯類還是豆類，一般來說，加工得越精細，纖維素含量越少。
蔬菜類：筍類的含量最高，筍乾的纖維素含量達到30-40%，辣椒超過40%。其餘含纖維素較多的有：蕨菜、菜花、菠菜、南瓜、白菜、油菜。
菌類（乾）：纖維素含量最高，其中松蘑的纖維素含量接近50%，30%以上的按照從多到少的排列為：香菇、銀耳、木耳。此外，紫菜的纖維素含量也較高，達到20%。
堅果：3-14%。10%以上的有：黑芝麻、松子、杏仁；10%以下的有白芝麻、核桃、榛子、胡桃、葵瓜子、西瓜子、花生仁。
水果：含量最多的是紅果乾，纖維素含量接近50%，其次有桑椹乾、櫻桃、酸棗、黑棗、大棗、小棗、石榴、蘋果、鴨梨。
各種肉類、蛋類、奶製品、各種油、海鮮、酒精飲料、軟飲料都不含纖維素；各種嬰幼兒食品的纖維素含量都極低。
纖維素不是纖維，兩者是兩個概念。纖維素使用纖維素分析儀測定其含量，一般會測定粗纖維，食品中也會測定膳食纖維素。
藥用介紹
天然膳食纖維素片
（1）食用目的：
潤腸通便，獲得飽腹感，分解脂肪。
（2）產品特點：
取自天然成份的科學配方，有助於正常生理活動；獲得飽腹感。
纖維素能把產生疾病的毒素經消化系統排出體外。
縮短食物在腸道停留時間，使大便順暢。
由多種獨特的纖維素組合而成，能分解攝入的脂肪。
（3）主要成份：
磷酸氫鈣、纖維素、蘋果纖維、洋槐花、卵磷脂、碳酸鈣、柑橘纖維、二氧化矽、燕麥纖維、硬脂酸鎂、糊精、麥芽糖糊精、羧甲基纖維素鈉、檸檬酸鈉。
（4）建議用法：
潤腸通便每次一至兩片，每日三次，餐前20分鐘或餐後開水送服。
纖維素與身體健康
並非所有的碳水化合物都可以被消化並轉化為葡萄糖。難以消化的碳水化合物被稱為纖維。它是健康飲食不可或缺的一個組成部分，水果、蔬菜、小扁豆、蠶豆以及粗糧中的含量較高。食用高纖維的食物可以降低患腸癌、糖尿病和憩室疾病的可能性。而且也不易出現便秘現象。
通常人們認為纖維就是“粗草料”，但是事實並非如此，纖維可以吸收水分。因此它可以使食物殘渣膨脹變松，更容易通過消化道。由於食物殘渣在體內停留的時間縮短了，因此感染的風險被降低；而且，當一些食物特別是肉類變質時，會產生致癌物質並引起細胞變異，食物殘渣在體內停留時間的減短同樣可以降低出現這種情況的可能性。經常食肉者的飲食中纖維的含量很低，這會將食物在腸道中停留的時間增加到24-72小時，在這段時間內，有一些食物可能出現變質。因此如果你喜歡吃肉，那么你必須確保飲食中同時含有大量纖維。
纖維有很多種類，其中一些是蛋白質而不是碳水化合物。有些種類的纖維，如燕麥中含有的那一類被稱為“可溶性纖維”，它們與糖類分子結合在一起可以減緩碳水化合物的吸收速度。這樣它們就可以幫助保持血糖濃度的穩定。有一些纖維的吸水性比其他種類的纖維要強很多。小麥纖維在水中可以膨脹到原來體積的10倍，而日本魔芋中的葡甘露聚糖纖維在水中可以膨脹到原來體積的100倍。由於纖維可以使食物膨脹，減緩糖類中能量的釋放速度，因此高吸水性纖維可以幫助控制食慾，有助於保持適當的體重。
纖維理想的攝入量是每天不少於35克。如果食物選擇得恰當，很容易就可以達到這個標準而不需要進行額外的補充。薩里大學的營養學家約翰·迪克森（JOhn Dickerson）曾強調指出，在營養本不豐富的飲食中加入麥茨會對健康造成危害。其原因是麥鼓中含有大量的肌醇六磷酸，這是一種抗營養物質，它會降低身體對包括鋅在內的各種礦物質的吸收。總之，最好還是從大量不同的食物來源中獲得纖維，這些食物來源包括燕麥、小扁豆、蠶豆、植物種子、水果以及生食或輕微烹製的蔬菜。蔬菜中大部分的纖維在烹製過程中都被破壞了，因此蔬菜最好還是生食。
常用纖維素
多聚合纖維素
大連醫科大學第一臨床學院與中國科學院大連化學物理研究所（簡稱大連化物所），歷經多年合作完成的“多聚合纖維素預防組織粘連的基礎與臨床套用研究”研製成功一種可用來預防創作與手術後組織粘連的高科技新材料--多聚合纖維素，並在基礎實驗和臨床套用研究中證明它具有良好的粘連效果。
如何使外科手術既能達到治療疾病又不造成嚴重粘連併發症，是當今外科亟待解決的問題。自1993~1999年，由骨科姜長明教授主持的課題組研製一種新型可吸收的防粘連材料-多聚合纖維素（Poly-CMC），分別在骨科、普外、神經外科等多學科進行了廣泛的基礎與臨床前瞻性的研究。在基礎研究中，他們與大連化物所合作，以多聚合纖維素為原料，聚葡糖為交聯劑，成功地完成了多聚合纖維素的合成及藥物篩選工作。動物實驗研究分別進行了多聚合纖維在防止肌腱、神經、硬膜、關節及腹腔術後粘連的研究，證明預防粘連效果明顯。臨床套用研究觀察了多聚合纖維防止肌健粘連的療效。多聚合纖維素具有良好的生物相容性，是一種理想的防粘連材料。它可杜絕或減少由於粘連引起起的術後併發症，降低手術死亡率和病殘率。
木質素纖維
木質素纖維是天然木材經過化學處理得到的有機纖維，外觀為棉絮狀，呈白色或灰白色。通過篩選、分裂、高溫處理、漂白、化學處理、中和、篩分成不同長度和粗細度的纖維以適應不同套用材料的需要．由於處理溫度高達250℃以上，在通常條件下是化學上非常穩定的物質，不為一般的溶劑、酸、鹼腐蝕，具有無毒、無味、無污染、無放射性的優良品質，不影響環境，對人體無害，屬綠色環保產品，這是其它礦物質素纖維所不具備的。纖維微觀結構是帶狀彎曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉處是扁平的，有良好的韌性、分散性和化學穩定性，吸水能力強，有非常優秀的增稠抗裂性能。
纖維素醚
建築級纖維素醚是鹼纖維素與醚化劑在一定條件下反應生成一系列產物的總稱。鹼纖維素被不同的醚化劑取代而得到不同的纖維素醚。按取代基的電離性能，纖維素醚可分為離子型（如羧甲基纖維素）和非離子型（如甲基纖維素）兩大類。按取代基的種類，纖維素醚可分為單醚（如甲基纖維素）和混合醚（如羥丙基甲基纖維素）。按可溶解性不同，可分為水溶性（如羥乙基纖維素）和有機溶劑溶解性（如乙基纖維素）等，乾混砂漿主要用水溶性纖維素，水溶性纖維素又分為速溶型和經過表面處理的延遲溶解型。
纖維素醚在砂漿中的作用機理如下：
（1）砂漿內的纖維素醚在水中溶解後，由於表面活性作用保證了膠凝材料在體系中有效地均勻分布，而纖維素醚作為一種保護膠體，“包裹”住固體顆粒，並在其外表面形成一層潤滑膜，使砂漿體系更穩定，也提高了砂漿在攪拌過程的流動性和施工的滑爽性。
（2）纖維素醚溶液由於自身分子結構特點，使砂漿中的水份不易失去，並在較長的一段時間內逐步釋放，賦予砂漿良好的保水性和工作性。
甲基纖維素
將精製棉經鹼處理後，以氯化甲烷作為醚化劑，經過一系列反應而製成纖維素醚。一般取代度為1.6~2.0，取代度不同溶解性也有不同。屬於非離子型纖維素醚。
（1）甲基纖維素可溶於冷水，熱水溶解會遇到困難，其水溶液在pH=3~12範圍內非常穩定。與澱粉、胍爾膠等以及許多表面活性劑相容性較好。當溫度達到凝膠化溫度時，會出現凝膠現象。
（2）甲基纖維素的保水性取決於其添加量、粘度、顆粒細度及溶解速度。一般添加量大，細度小，粘度大，則保水率高。其中添加量對保水率影響最大，粘度的高低與保水率的高低不成正比關係。溶解速度主要取決於纖維素顆粒表面改性程度和顆粒細度。在以上幾種纖維素醚中，甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素保水率較高。
（3）溫度的變化會嚴重影響甲基纖維素的保水率。一般溫度越高，保水性越差。如果砂漿溫度超過40℃，甲基纖維素的保水性會明顯變差，嚴重影響砂漿的施工性。
（4）甲基纖維素對砂漿的施工性和粘著性有明顯影響。這裡的“粘著性”是指工人塗抹工具與牆體基材之間感到的粘著力，即砂漿的剪下阻力。粘著性大，砂漿的剪下阻力大，工人在使用過程中所需要的力量也大，砂漿的施工性就差。在纖維素醚產品中甲基纖維素粘著力處於中等水平。
羥丙基甲基纖維素
羥丙基甲基纖維素是產量、用量都在迅速增加的纖維素品種。是由精製棉經鹼化處理後，用環氧丙烷和氯甲烷作為醚化劑，通過一系列反應而製成的非離子型纖維素混合醚。取代度一般為1.2~2.0。其性質受甲氧基含量和羥丙基含量的比例不同，而有差別。
（1）羥丙基甲基纖維素易溶於冷水，熱水溶解會遇到困難。但它在熱水中的凝膠化溫度要明顯高於甲基纖維素。在冷水中的溶解情況，較甲基纖維素也有大的改善。
（2）羥丙基甲基纖維素的粘度與其分子量的大小有關，分子量大則粘度高。溫度同樣會影響其粘度，溫度升高，粘度下降。但其粘度高溫度的影響比甲基纖維素低。其溶液在室溫下儲存是穩定的。
（3）羥丙基甲基纖維素的保水性取決於其添加量、粘度等，其相同添量下的保水率高於甲基纖維素。
（4）羥丙基甲基纖維素對酸、鹼具有穩定性，其水溶液在pH=2~12範圍內非常穩定。苛性鈉和石灰水，對其性能也沒有太大影響，但鹼能加快其溶解速度，並對粘度銷有提高。羥丙基甲基纖維素對一般鹽類具有穩定性，但鹽溶液濃度高時，羥丙基甲基纖維素溶液粘度有增高的傾向。
（5）羥丙基甲基纖維素可與水溶性高分子化合物混用而成為均勻、粘度更高的溶液。如聚乙烯醇、澱粉醚、植物膠等。
（6）羥丙基甲基纖維素比甲基纖維素具有更好的抗酶性，其溶液酶降解的可能性低於甲基纖維素。
（7）羥丙基甲基纖維素對砂漿施工的粘著性要高於甲基纖維素。
羥乙基纖維素
由精製棉經鹼處理後，在丙酮的存在下，用環氧乙烷作醚化劑進行反應而製成。其取代度一般為1.5~2.0。具有較強的親水性，易於吸潮。
（1）羥乙基纖維素可溶於冷水中，熱水溶解較為困難。其溶液在高溫下穩定，不具有凝膠性。在砂漿中高溫下可使用時間較長，但保水性較甲基纖維素低。
（2）羥乙基纖維素對一般酸鹼都具有穩定性，鹼能加快其溶解，並對粘度略有提高，其在水中分散性比甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素略差。
（3）羥乙基纖維素對砂漿抗垂掛有好的性能，但對水泥的緩凝時間較長。
（4）國內一些企業生產的羥乙基纖維素，因含水量大，灰份高而導致其性能明顯低於甲基纖維素。
羧甲基纖維素
由天然纖維（棉、等）經過鹼處理後，用一氯醋酸鈉作為醚化劑，經過一系列反應處理而製成離子型纖維素醚。其取代度一般為0.4~1.4，其性能受取代度影響較大。
（1）羧甲基纖維素吸濕性較大，一般條件儲存會含有較大水份。
（2）羧甲基纖維素水溶液不會產生凝膠，隨溫度升高而粘度下降，溫度超過50℃時，粘度不可逆。
（3）其穩定性受pH影響較大。一般可用於石膏基砂漿中，不能用於水泥基砂漿中。在高鹼性時，會失去粘度。
（4）其保水性遠遠低於甲基纖維素。對石膏基砂漿有緩凝作用，並降低其強度。但羧甲基纖維素價格明顯低於甲基纖維素。
