셀룰로스

요약 고등식물 세포벽의 주성분으로 목질부의 대부분을 차지하는 다당류로 섬유소(纖維素)라고도 한다. 화학식은 (C6H10O5)n이다.

구조 및 성질

자연계에 가장 많이 존재하는 유기화합물로 섬유소라고도 한다. 식물 세포벽의 기본구조이며, 모든 식물성 물질의 30% 이상을 차지한다. 식물의 세포막과 목질부를 이루고 있는 주성분이다. 화학식은 (C₆H₁₀O₅)n으로,  화학구조는 D-글루코스가 β-1,4 결합으로 다수 중합되어 있으며 사슬형태로 연결되어 있다.

냄새가 없는 흰색 고체이며 물에 녹지 않는다. 셀룰로스는 다당류 중에서 분자량이 가장 큰 물질로 분자량은 천연상태에서 수만∼수십만에 이른다. 물이나 에탄올, 에테르 등에는 녹지 않고 알칼리에는 상당히 강하나 산이나 구리암모니아용액 내에서는 가수분해되어 글루코스가 된다. 글루코스로 분해되기 직전의 화합물로서 다량의 셀로비오스를 생성한다. 이밖에 여러 가지 유기화학·물리화학적인 연구을 실시한 결과 셀룰로스의 분자는 많은 글루코스가 탈수 축합하여 셀로비오스 모양으로 결합하여 생긴 고분자로 추정되고 있다. 이와 같은 결합을 β-1,4-글루코시드 결합이라 한다.

셀룰로스 분자는 다수가 모여서 섬유를 이루는데 그 최소단위는 미셀이라 하여 지름 0.05nm, 길이 0.6nm 이상이다. X선 해석 결과 미셀은 결정구조를 이루고 있음이 밝혀졌다. 미셀과 미셀의 연결 부분은 비결정영역이 되어 있다. 이 결정영역과 비결정영역이 섬유의 강도, 탄력성, 염색성, 흡습성을 결정하게 된다. 셀룰로스에서 수분을 제거하면 비결정영역이 결정성을 띄게 되어 탄성과 강도가 증가되며, 이를 물이나 알칼리에 담그면 액체가 비결정영역에 스며들어 팽윤한다.

생합성과 분해

식물은 시토스테롤(Sitosterol)이라는 콜레스테롤과 유사한 지방 성분과 포도당(glucose)을 결합시켜 새로운 포도당을 만들어 내고 CesA라는 효소군을 이용하여 이를 이미 만들어져 있는 셀룰로스 가닥에 결합시키면서 셀룰로스를 합성한다. 이 과정은 원형질막에서 이루어진다.

사람은 셀룰로스를 소화시킬 수 없으나, 소나 말 등의 초식동물이나 흰개미 등은 셀룰로스를 분해하는 것이 가능하다. 이는 셀룰로스를 분해할 수 있는 효소인 셀룰라아제(cellulase)를 직접 분비할 수 있기 때문이 아니라 동물의 대장 또는 초식동물 등의 소화관 내에 서식하는 미생물과 흰개미와 같은 곤충의 소화관 내의 원생생물이 분비하는 셀룰라아제를 이용하기 때문이다. 셀룰라아제는 셀룰로스의 β-1,4 글리코시드 결합을 가수분해하여 셀룰로스 분자의 길이를 줄여 나가며 결과적으로 올리고당이나 글루코스 등으로 전환된다.

분포

셀룰로스는 자연계에서 다량으로 존재하는 유기화합물로 공업적으로도 중요한 자원이다. 고등식물에는 물론 세균·바닷말·해산동물인 멍게류의 외피에도 존재하며, 아세트산균의 균체 외분비물에도 함유되어 있다. 또 조개류의 점액 속에 존재하는 셀룰로스에는 황산에스터가 존재한다.

용도

셀룰로스는 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되고 있으며 셀룰로스유도체를 이용하여 플라스틱, 폭발물, 접착제, 필름, 소포제(消泡劑), 셀룰로이드, 셀로팜 등의 다양한 용도로 사용된다. 이외에 사람의 장에서 소화, 흡수되지 않으면서 장을 자극하여 장의 운동을 도와 변비예방에 도움을 주므로 이러한 특징을 이용하여 식품산업에도 이용되고 있다.