Celulosa Concepto y Estructura

CELULOSA: Es un compuesto orgánico o biopolímero de origen natural que constituye gran parte de la biomasa terrestre que en contraste con otros polisacáridos estructurales son biomoléculas extracelulares extruidas por las células que las sintetizan, está presente en todo el reino vegetal como parte estructural de la pared celular en una proporción promedio de un 40%. por ejemplo, la madera posee un 50% de celulosa, y el algodón un 90%., por lo que se la denominado como un componente fundamental de la pared de las células vegetales en plantas, madera y fibras naturales. Además, a menudo se encuentra combinada, generalmente, con sustancias como la lignina, hemicelulosas (carbohidratos más cortos principalmente pentosanos), pectinas y ácidos grasos.

Estructura: Es un homopolisacárido lineal constituidos únicamente por monómeros de β-glucosa unidos mediante enlaces β-1,4-O-glucosidicos, por lo que se presentan como largas cadenas no ramificada formadas de varias unidades de β-glucopiranosas que están dispuestas en un solo plano debido a la presencia del anillo glicosídico y a su conformación, la configuración más estable es en forma de silla con los grupos hidroxilos en posición ecuatorial. Su fórmula empírica corresponde a (C6H10O5)n en donde n puede tomar valores partir de 200 se le ha dado un valor promedio de Se han dado valores de 50.000 a 2.500.000 umas correspondientes a 300-15.000 unidades de glucosa. En la molécula de celulosa cada unidad de glucosa contiene tres grupos hidroxilos libres en los átomos de carbono 2, 3 y 6 respectivamente, además presentan grupos OH terminales, es decir estos se encuentran a los dos extremos de la cadena y muestran un comportamiento diferente. Mientras que el grupo OH del C1 que se encuentra a uno de los extremos es un grupo aldehído y por tanto con propiedades reductoras, el grupo OH del grupo C4 que está situado al extremo opuesto de la cadena es un grupo hidroxil-alcohol y en consecuencia no reductor.

Su estructura lineal o fibrosa permite que se establezcan múltiples interacciones por puentes de hidrógeno, los cuales dependiendo de la posición de los grupos OH de las unidades de glucosa pueden ser de dos tipos el primero donde se dan los enlaces por puentes de hidrogeno en la misma molécula entre los grupos hidroxilos de las unidades de glucosa adyacentes originando enlaces intramoleculares. Y el segundo en donde las interacciones por puentes de hidrogeno se dan entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de celulosa originando enlaces intermoleculares. Los enlaces por puentes de hidrógeno intramolecular son los responsables de cierta rigidez de las cadenas de celulosa, mientras que los enlaces por puentes de hidrógeno intermoleculares son responsables por la formación de la estructura supramolecular. Además, las interacciones por puente de hidrogeno les otorga la capacidad de ser impenetrables al agua, lo que hace que a celulosa sea insoluble en esta sustancia.

En la actualidad se ha comprobado que la celulosa presenta una alta capacidad de cristalización debido a tendencia de formación de puentes de hidrógenos como resultado de la organización de distintas supramolecular en niveles superiores, lo cuales adoptan diversas conformaciones cristalinas hasta el momento se han catalogado 7 tipos de conformaciones cristalinas por celulosa en función de los tratamientos que ha experimentado a lo largo de su aislamiento y purificación, así como en su proceso de derivación en la que se destaca la Celulosa Tipo I conocida como Célula unitaria de celulosa nativa, postulada por Meyer – Misch. que consiste en la interacción entre 4 monómeros de glucosa donde existen dos tipos de enlaces por puente de hidrógeno en cada cadena, un enlace entre él oxigeno del OH del C6 en una unidad de D- glucosa y el grupo OH del C2 en la molécula adyacente y otro del grupo OH del C3 con el oxígeno del anillo, y son estas estructuras las responsables de la conformación de las microfibrillas y la

posterior constitución fibra vegetal que al ser observada en el microscopio es similar a un cabello humano. Considerándose que las fibras de celulosa están constituidas de regiones cristalinas altamente ordenadas y que por lo general las estructuras que lo constituyen están orientadas en la misma dirección en forma paralela las cuales les otorga la facultad de ser resistentes a diversos agentes físicos y químicos manteniéndose con un alto índice de estabilidad, además en las regiones cristalinas las cadenas de celulosa se ordenan en forma de microcristalitas y cristalitas que forman las micelas. Y de regiones amorfas que presentan estructuras organizadas de forma desordenadas que son más sensibles y susceptibles a reacciones químicas y que favorece el hinchamiento intercristalino sin cambiar la estructura.

Por otro lado, pese a ser consumida a diaria mediante la ingesta de especies vegetales los seres humanos son incapaz de utilizar este carbohidrato como fuente de energía puesto a

que carecen de la enzima celulasa o β-1, 4-glucosidasa lo que les imposibilita el desdoblamiento e hidrolisis de los enlaces de la β-1,4-O-glucosidicos celulosa para su aprovechamiento a diferencia de otros organismos herbívoros y termitas con sistema digestivo rumiante, algunos microorganismos en especial la bacteria Thermomonospora fusca capaz de sintetizar 4 tipos de celulasa.

PROPIEDADES FÍSICO – QUÍMICAS Dependen de los diferentes tipos de celulosa, en donde existe distintas distancias entre las moléculas que conforman las cadenas, así como también varían sus ubicaciones. Las propiedades también dependen de la cantidad de monómeros que componen la molécula (grado de polimerización). Por ejemplo, cuanto mayor es la distancia entre los monómeros existe menos cohesión entre ambos ocasionando que sea más reactiva y absorba más agua.

Propiedades físicas 

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Grado o Índice de polimerización: Especifica el número de unidades de glucosa que constituyen la molécula lineal. Dependiendo del tipo de celulosa estudiada, este parámetro puede variar desde las 15000 unidades para algunas fibras de algodón hasta valores cercanos a 50 para ciertas celulosas microcristalinas. Índice de cristalinidad: Es la proporción cuantitativa de zonas cristalinas en las cadenas lineales de celulosa, las cuales se asocian en subunidades que se unen por enlaces de hidrogeno que otorgan cohesión formando microfibrillas que se agruparan formando fibrillas, las cuales contienen secuencias alternadas de zonas con estructura cristalina y zonas amorfas. La celulosa es mucho más cristalina que el almidón, dos terceras partes de la celulosa están en forma cristalina. Su densidad es 1.54 g/cm3 Su punto de fusión es 260-270 ° C Su temperatura de descomposición es de 210°C o Dado que el punto de fusión de la celulosa es superior a su temperatura de degradación, esta no se puede modificar industrialmente por fusión debido a que se descompone antes de que las regiones cristalinas se fundan, por este motivo su disolución controlada es la única forma para fabricar fibras sintéticas. En su forma pura es un sólido blanco fibroso, inodoro e insípido.

Propiedades Químicas  Solubilidad o Insoluble en agua (hidrofóbico) y alcohol debido a que se forman múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de las cadenas cercanas de glucosa originando fibras compactas insolubles, Sin embargo, el agua puede penetrar en los espacios interfibrilares, absorbiéndose y produciendo hinchazón de la fibra de celulosa. También es insoluble en ácidos y álcalis débiles diluidos, y en la mayoría de los disolventes orgánicos. o Soluble en ácidos y álcalis fuertes concentrados como el ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, amoniaco, la solubilidad puede depender del grado de polimerización si es 1000 es soluble en ácido sulfúrico concentrado mientras que si es menor a 200 es soluble en NaOH al 10%  Reactividad química

Las principales reacciones químicas son: 1. Hidrolisis de la celulosa para obtener glucosa (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4). Lo núcleos cristalinos denominados cristalitas en las fibrillas de celulosa presenta resistencia a las reacciones de hidrolisis, por lo cual la reacción se desarrolla con diferente velocidad según sea la zona en donde se produzca el ataque, la cual puede ser cristalina o amorfa. 2. Nitración de la celulosa con ácido nítrico 3. Esterificación de celulosa con ácido acético 4. Pirólisis a temperaturas mayores a 350°C sin oxígeno originando carbón y gases como el CO2 5. Combustión en donde se oxida la celulosa hasta dióxido de carbono y agua. (C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°). La celulosa reacciona con oxidantes fuertes de manera exotérmica, lo cual explica la facilidad con la se propagan los incendios. 6. Rayón o viscosa, la celulosa reacciona con hidróxido de sodio y disulfuro de carbono para obtener una fibra artificial.  Grado de sustitución: En los derivados de la celulosa es el número promedio de grupos hidroxilo sustituidos entre los tres disponibles de las unidades de glucosa, Los derivados con un grado de sustitución bajo tienen mayor afinidad con el agua, mientras que los que presentan un grado de sustitución elevado con grupos no polares tendrán menos solubilidad en agua y más en solventes orgánicos.

DERIVADOS DE LA CELULOSA Celulosa como fuente materia prima para la obtención de derivados. Generalmente, la celulosa no se utiliza de manera directa en la industria farmacéutica, cosméticos ni en la de alimentos. Debido a esto la celulosa recibe distintos tratamientos con la finalidad de obtener sus diversos derivados, quienes serán los constituyentes que proporcionen características deseadas en los productos. Por ejemplo, en la industria de alimentos se utiliza como aditivos uno de sus derivados, conocido como carboximetilcelulosa que presenta propiedades funcionales de interés actuando como aglutinante, como espesante y estabilizante. Se puede encontrar disponibles los derivados de la celulosa como: 1. Componente de pastillas (aglomerantes, material de relleno, etc.); 2. Reguladores de viscosidad en preparados semisólidos y en fórmulas en suspensión (cremas, geles, lociones, suspensiones, champús, acondicionadores de cabello, productos alimenticios, pinturas, tintas, ceras y barros especiales etc. 3. Agentes enmascarantes de sabores y olores 4. Materiales de recubrimiento de pastillas y otras formas de dosificación 5. Portadores para cosméticos y formulaciones tópicas 6. Materia prima para la fabricación de plásticos, hilos o ropa Se utiliza en productos como tortillas de maíz por su habilidad de retener agua, en la elaboración de jugos y néctares, rellenos de pie, productos de panificación en productos lácteos (helados), en salsas, aderezos y productos elaborados a base de jitomate: como substituto de grasa.

Estos productos de origen celulósico se pueden agrupar en varios grupos según el tipo de tratamiento y reacción química. Los más importantes a nivel comercial tienen la siguiente clasificación.

De acuerdo con su estructura, cada unidad de celulosa tiene tres grupos hidroxilo libres; que por medio de reacciones con diferentes soluciones y su grado de sustitución (ds), resulta a la conversión de todos o algunos de estos hidroxilos en un ester o éter, alterando así las propiedades de la celulosa. Se debe conocer con más profundidad el disolvente, el polímero y la solución antes de hacer la derivación para que ésta sea exitosa. METILCELULOSA: clorometano CARBOXIMETILCELULOSA: Ácido cloroacético

LA CELULOSA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA La celulosa no es nociva y se utiliza como aditivo, además recibe el nombre de e-460 El polvo de celulosa purificada y la celulosa microcristalina son formas de celulosa ampliamente utilizadas en la preparación de alimentos. Su aroma, sabor y color son prácticamente despreciables y no sufren contaminación microbiana; en la preparación de los alimentos presentan las siguientes propiedades: Estabilizan las espumas y las

emulsiones, Forman geles de textura cremosa, Estabilizan los geles de pectina y almidón al calentar, Modifican las texturas, Mejoran la adhesión, Sustituyen a las grasas y aceites. La celulosa es cada vez más usada por la industria de alimentos procesados, los fabricantes de alimentos la usan para espesar o estabilizar alimentos, reemplazar la grasa y aumentar el contenido en fibra, además de reducir la necesidad de usar ingredientes como el aceite o la harina, que se están volviendo más costosos. Los productos, gomas y fibras de celulosa permiten a los fabricantes de alimentos ofrecer pan blanco con un alto contenido dietético de fibra y helado de bajas calorías que aún se siente cremoso. Los aditivos de celulosa pertenecen a una familia de sustancias conocidas como hidrocoloides que actúan en varias formas con el agua como, por ejemplo, creando geles. La celulosa no es soluble salvo en disolventes especiales con capacidad para romper los enlaces intermoleculares. Sin embargo, algunos derivados de la celulosa son hidrosolubles y desempeñan un papel importante como gomas alimentarias para la preparación de alimentos: Carboximetilcelulosas, Metilcelulosas e Hidroxipropilmetilcelulosas.  En el queso rallado se encuentra Celulosa en polvo, las cuales son minúsculas partículas de pulpa de madera u otras fibras de plantas que revisten el queso y evitan que se apelmace o se comprima al bloquear la humedad.

PREGUNTAS: 1. ¿Cuál es la enzima que permite el aprovechamiento de la celulosa como fuente de energía y que función realiza? 2. ¿Cuáles son los tipos de interacciones por puente de hidrogeno que se establecen en la estructura de la celulosa? 3. ¿Cuáles son los dos principales grupos en los que se divide los derivados de la celulosa? 4. ¿Cuáles son los tipos de celulosa que se utilizan en la Industria Alimentaria? 5. ¿Qué aplicaciones tiene la celulosa en la Industria Alimentaria? 6.

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