Cellulose – Chemie, Struktur und Eigenschaften

Die Cellulose gehört zur Stoffklasse der Kohlenhydrate und ist ein Polysaccharid. Der Begriff Polysaccharid bedeutet, dass sich ein Molekül aus mehreren Einfachzuckern bzw. Monosacchariden zusammensetzt. Im Falle der Cellulose ist dieses Monosaccharid die β-D-Glucose. In der ß-D-Glucose zeigt die OH-Gruppe am ersten Kohlenstoffatom (anomeres C-Atom) in der Haworth-Projektion nach oben. Die allgemeine Summenformel der Cellulose kann als (C₆H₁₀O₅)_n angegeben werden, wobei n die Anzahl an Glucoseeinheiten wiedergibt. 

Auf Deutsch wurde die Cellulose teilweise auch „Zellulose“ geschrieben. Heutzutage hat sich allerdings die Schreibweise mit „C“ durchgesetzt.

Die Cellulose ist aus langen Ketten von miteinander verknüpften β-D-Glucoseeinheiten aufgebaut. Die einzelnen Einheiten sind durch eine β-1,4-glykosidische Bindung miteinander verknüpft. Dies bezeichnet eine Bindung, die zwischen dem vierten Kohlenstoff des einen Glucosemoleküls und dem ersten Kohlenstoff des zweiten Glucosemoleküls über ein Sauerstoffatom unter Wasserabspaltung (Kondensation) zustande kommt. Die molekulare Struktur der Cellulose ergibt sich also aus einzelnen Strängen glykosidisch verknüpfter Glucoseeinheiten. Ein Ausschnitt aus der Strukturformel der Cellulose ist in der folgenden Abbildung gezeigt.

Hinweis: Die Abbildung zur Stärke ist hier nur als Zusatz aufgeführt.

In der Natur kommt die Cellulose allerdings nicht als einzelne, molekulare Ketten vor, sondern als Cellulosefasern. Eine Cellulosefaser setzt sich aus Bündeln von Makrofibrillen zusammen. Diese Makrofibrillen setzten sich wiederum aus Bündeln von Mikrofibrillen zusammen. Der kleinste Baustein, aus dem sich die Mikrofibrillen zusammensetzen, sind dann die einzelnen Polysaccharidstränge aus verknüpften Glucoseeinheiten. Die einzelnen Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.

Cellulose ist sowohl in Wasser als auch in gewöhnlichen organischen Lösungsmitteln unlöslich. Sie kann nur durch speziell zusammengesetzte Lösungsmittelsysteme gelöst werden. Außerdem ist die Cellulose sehr stabil und die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Strängen verleihen ihr eine starre Struktur. Sie eignet sich somit für viele verschiedene Anwendungen.

Cellulose wird von der Natur und auch synthetisch vom Menschen vielseitig angewandt. In Pflanzen erfüllt Cellulose eine Funktion als Stabilisator, da sie ein Bestandteil der Zellwand ist. Industriell findet Cellulose vor allem in der Papier- und Bekleidungsindustrie Anwendung. Sie wird zum Beispiel zur Herstellung von Papier und Pappe verwendet. Aus Cellulose können zur Herstellung von Kleidung durch verschiedene Verfahren auch Fasern hergestellt werden. Die Struktur der gewonnenen Cellulosefasern kann sich dabei je nach Verfahren leicht unterscheiden.

In der Chemie wird Cellulose außerdem durch gezielte Modifikationen zu vielen weiteren Werkstoffen und Chemikalien umgesetzt. Ein Beispiel hierfür ist der Kunststoff Cellophan, der vielseitig als Verpackungsmaterial eingesetzt werden kann.

Durch die wichtige Bedeutung der Cellulose als Stabilisator von Pflanzenzellen ist sie in jeder Pflanze zu finden. So enthalten auch viele Lebensmittel Cellulose. Allerdings kann die Cellulose solcher Lebensmittel nicht vom Menschen verdaut werden.

Cellulose kann vom Menschen nicht verdaut werden, da die Verdauungsenzyme des Menschen nicht in der Lage sind, die β-1,4-glykosidische Bindung zwischen den Glucosemolekülen zu spalten. Sie ist für Menschen also unverdaulich und damit ist die Cellulose ein Ballaststoff. Cellulosehaltige Lebensmittel sind wichtig für eine ausgewogene Ernährung, da Ballaststoffe eine zentrale Rolle im Verdauungsprozess spielen.

Cellulose und Stärke sind Polysaccharide, deren Baustein die D-Glucose ist. Trotzdem unterscheiden sie sich stark in ihren Eigenschaften und auch im Aufbau. Die wichtigsten Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Stärke und Cellulose sind in der folgenden Tabelle dargestellt.