Selulosa ialah polisakarida kompleks yang terdiri daripada banyak unit glukosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4-glikosidik. Ia merupakan komponen utama dinding sel tumbuhan dan memberikan dinding sel tumbuhan sokongan struktur dan ketahanan yang kuat. Disebabkan oleh rantai molekul selulosa yang panjang dan kekristalan yang tinggi, ia mempunyai kestabilan dan ketaklarutan yang kuat.
(1) Sifat-sifat selulosa dan kesukaran untuk melarutkannya
Selulosa mempunyai sifat-sifat berikut yang menjadikannya sukar untuk dilarutkan:
Kehabluran tinggi: Rantai molekul selulosa membentuk struktur kekisi yang ketat melalui ikatan hidrogen dan daya van der Waals.
Tahap pempolimeran yang tinggi: Tahap pempolimeran (iaitu panjang rantai molekul) selulosa adalah tinggi, biasanya antara ratusan hingga ribuan unit glukosa, yang meningkatkan kestabilan molekul.
Rangkaian ikatan hidrogen: Ikatan hidrogen terdapat secara meluas di antara dan di dalam rantai molekul selulosa, menjadikannya sukar untuk dimusnahkan dan dilarutkan oleh pelarut umum.
(2) Reagen yang melarutkan selulosa
Pada masa ini, reagen yang diketahui yang boleh melarutkan selulosa secara berkesan terutamanya termasuk kategori berikut:
1. Cecair Ionik
Cecair ionik ialah cecair yang terdiri daripada kation organik dan anion organik atau bukan organik, biasanya dengan volatiliti yang rendah, kestabilan terma yang tinggi dan kebolehlarasan yang tinggi. Sesetengah cecair ionik boleh melarutkan selulosa, dan mekanisme utamanya adalah untuk memutuskan ikatan hidrogen antara rantai molekul selulosa. Cecair ionik biasa yang melarutkan selulosa termasuk:
1-Butil-3-metilimidazolium klorida ([BMIM]Cl): Cecair ionik ini melarutkan selulosa dengan berinteraksi dengan ikatan hidrogen dalam selulosa melalui penerima ikatan hidrogen.
1-Etil-3-metilimidazolium asetat ([EMIM][Ac]): Cecair ionik ini boleh melarutkan selulosa berkepekatan tinggi di bawah keadaan yang agak sederhana.
2. Larutan pengoksidaan amina
Larutan pengoksidaan amina seperti larutan campuran dietilamina (DEA) dan kuprum klorida dipanggil [larutan Cu(II)-amonium], iaitu sistem pelarut kuat yang boleh melarutkan selulosa. Ia memusnahkan struktur kristal selulosa melalui pengoksidaan dan ikatan hidrogen, menjadikan rantai molekul selulosa lebih lembut dan lebih larut.
3. Sistem litium klorida-dimetilasetamida (LiCl-DMAc)
Sistem LiCl-DMac (litium klorida-dimetilasetamida) merupakan salah satu kaedah klasik untuk melarutkan selulosa. LiCl boleh membentuk persaingan untuk ikatan hidrogen, sekali gus memusnahkan rangkaian ikatan hidrogen antara molekul selulosa, manakala DMAc sebagai pelarut boleh berinteraksi dengan baik dengan rantai molekul selulosa.
4. Larutan asid hidroklorik/zink klorida
Larutan asid hidroklorik/zink klorida merupakan reagen awal yang ditemui yang boleh melarutkan selulosa. Ia boleh melarutkan selulosa dengan membentuk kesan koordinasi antara rantai molekul zink klorida dan selulosa, dan asid hidroklorik yang memusnahkan ikatan hidrogen antara molekul selulosa. Walau bagaimanapun, larutan ini sangat menghakis peralatan dan terhad dalam aplikasi praktikal.
5. Enzim fibrinolitik
Enzim fibrinolitik (seperti selulase) melarutkan selulosa dengan memangkinkan penguraian selulosa kepada oligosakarida dan monosakarida yang lebih kecil. Kaedah ini mempunyai pelbagai aplikasi dalam bidang biodegradasi dan penukaran biojisim, walaupun proses pembubarannya bukanlah pembubaran kimia sepenuhnya, tetapi dicapai melalui biopemangkinan.
(3) Mekanisme pembubaran selulosa
Reagen yang berbeza mempunyai mekanisme yang berbeza untuk melarutkan selulosa, tetapi secara amnya ia boleh dikaitkan dengan dua mekanisme utama:
Pemusnahan ikatan hidrogen: Memusnahkan ikatan hidrogen antara rantai molekul selulosa melalui pembentukan ikatan hidrogen kompetitif atau interaksi ionik, menjadikannya larut.
Pengenduran rantai molekul: Meningkatkan kelembutan rantai molekul selulosa dan mengurangkan kekristalan rantai molekul melalui cara fizikal atau kimia, supaya ia boleh dilarutkan dalam pelarut.
(4) Aplikasi praktikal pembubaran selulosa
Pelarutan selulosa mempunyai aplikasi penting dalam pelbagai bidang:
Penyediaan derivatif selulosa: Selepas melarutkan selulosa, ia boleh diubah suai secara kimia selanjutnya untuk menyediakan eter selulosa, ester selulosa dan derivatif lain, yang digunakan secara meluas dalam makanan, perubatan, salutan dan bidang lain.
Bahan berasaskan selulosa: Menggunakan selulosa terlarut, gentian nano selulosa, membran selulosa dan bahan lain boleh disediakan. Bahan-bahan ini mempunyai sifat mekanikal dan biokompatibiliti yang baik.
Tenaga biojisim: Dengan melarutkan dan menguraikan selulosa, ia boleh ditukar menjadi gula yang boleh ditapai untuk penghasilan biobahan api seperti bioetanol, yang membantu mencapai pembangunan dan penggunaan tenaga boleh diperbaharui.
Pembubaran selulosa merupakan proses kompleks yang melibatkan pelbagai mekanisme kimia dan fizikal. Cecair ionik, larutan amino oksidan, sistem LiCl-DMAc, larutan asid hidroklorik/zink klorida dan enzim selolitik kini diketahui sebagai agen berkesan untuk melarutkan selulosa. Setiap agen mempunyai mekanisme pembubaran dan bidang aplikasinya yang unik. Dengan kajian mendalam tentang mekanisme pembubaran selulosa, dipercayai bahawa kaedah pembubaran yang lebih cekap dan mesra alam akan dibangunkan, memberikan lebih banyak kemungkinan untuk penggunaan dan pembangunan selulosa.
Masa siaran: 9 Julai 2024