Cellulose là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Cellulose

Cellulose là một polysaccharide tự nhiên có cấu trúc tuyến tính, được tạo thành từ các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic β(1→4). Đây là thành phần chính của thành tế bào thực vật, đóng vai trò tạo nên độ bền cơ học và hình dạng cấu trúc cho cây. Về mặt hóa học, cellulose là polymer bền vững và không phân nhánh, với số lượng đơn vị glucose có thể lên đến hàng ngàn trong một chuỗi đơn.

Là hợp chất hữu cơ phổ biến nhất trên hành tinh, cellulose chiếm khoảng 1,5 nghìn tỷ tấn trong sinh khối tự nhiên mỗi năm. Khả năng tái tạo, phân hủy sinh học và không độc hại khiến cellulose trở thành vật liệu sinh học lý tưởng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất giấy, vải sợi, dược phẩm, thực phẩm chức năng và vật liệu sinh học tiên tiến.

Một số tính chất nổi bật của cellulose bao gồm:

• Không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường
• Chịu nhiệt tốt và khó bị phân hủy trong điều kiện tự nhiên
• Dễ dàng tạo liên kết hydro nội và ngoại phân tử, tạo ra cấu trúc vi sợi (microfibrils) cực kỳ bền vững

Cấu trúc hóa học của Cellulose

Cấu trúc hóa học của cellulose là một chuỗi polymer dài gồm các đơn vị β-D-glucopyranose, được liên kết bởi liên kết glycosidic $\beta(1 \rightarrow 4)$. Mỗi đơn vị glucose trong chuỗi bị xoay 180° so với đơn vị liền kề, tạo nên cấu trúc hình răng cưa có khả năng tạo nhiều liên kết hydro, góp phần tăng cường độ bền cơ học.

Chuỗi cellulose thường liên kết song song với nhau thành bó gọi là vi sợi (microfibrils), có chiều rộng khoảng 5–20 nm. Trong các vi sợi này, có hai vùng chính: vùng tinh thể (crystalline region) với cấu trúc chặt chẽ và vùng vô định hình (amorphous region) nơi chuỗi polymer có sự sắp xếp lỏng lẻo hơn.

Bảng dưới đây so sánh đặc điểm giữa hai vùng cấu trúc chính trong cellulose:

Đặc điểm	Vùng tinh thể	Vùng vô định hình
Mức độ sắp xếp chuỗi polymer	Rất cao	Thấp
Độ bền cơ học	Cao	Thấp
Tốc độ thủy phân	Chậm	Nhanh

Nguồn gốc và phân bố tự nhiên

Cellulose phân bố rộng rãi trong giới thực vật, là thành phần chiếm từ 30–50% khối lượng khô của thành tế bào thực vật bậc cao. Các loài cây gỗ như thông, bạch đàn và tre chứa hàm lượng cellulose rất cao, trở thành nguồn nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp giấy và dệt may.

Ngoài thực vật, một số vi khuẩn cũng có khả năng tổng hợp cellulose tinh khiết. Tiêu biểu là Gluconacetobacter xylinus, thường được ứng dụng trong sản xuất màng sinh học cellulose vi khuẩn (bacterial cellulose). So với cellulose thực vật, cellulose vi khuẩn có độ tinh khiết và khả năng tạo màng tốt hơn, thích hợp cho các ứng dụng y sinh như băng vết thương hoặc vật liệu cấy ghép.

Một số nguồn cellulose tự nhiên phổ biến:

1. Gỗ (từ cây lá kim và cây lá rộng)
2. Bông (chứa đến 90% cellulose tinh khiết)
3. Vỏ trái cây, thân cây nông nghiệp (rơm, bã mía)
4. Vi khuẩn sinh cellulose như Komagataeibacter

Vai trò sinh học của Cellulose

Cellulose đóng vai trò thiết yếu trong cấu trúc thành tế bào thực vật, góp phần định hình hình dạng, độ cứng và khả năng chịu áp lực của tế bào. Cấu trúc vi sợi của cellulose được bao quanh bởi hemicellulose và lignin, tạo nên thành tế bào sơ cấp và thứ cấp, giúp cây có khả năng chống lại tác động cơ học và mất nước.

Ở cấp độ hệ sinh thái, cellulose là nguồn cung cấp carbon chính cho nhiều sinh vật phân hủy như nấm, vi khuẩn và động vật ăn cỏ. Tuy nhiên, không phải sinh vật nào cũng có khả năng phân giải cellulose, do cần có enzyme cellulase – loại enzyme chỉ được tạo ra bởi một số nhóm vi sinh vật cộng sinh trong hệ tiêu hóa của động vật nhai lại như bò, dê, cừu.

Sơ đồ dưới đây mô tả chu trình sinh học phân hủy cellulose:

• Thực vật → Chứa cellulose trong thành tế bào
• Động vật ăn cỏ tiêu hóa thông qua vi khuẩn ruột sản xuất cellulase
• Cellulose thủy phân thành glucose
• Glucose sử dụng để tạo năng lượng hoặc tổng hợp hợp chất sinh học khác

Tính chất vật lý và hóa học

Cellulose tồn tại dưới dạng chất rắn màu trắng hoặc gần như không màu, không mùi và không vị. Nó không tan trong nước và các dung môi hữu cơ như ethanol, acetone hoặc ether. Độ hòa tan kém này đến từ sự hiện diện dày đặc của các liên kết hydro giữa các chuỗi polymer, tạo thành cấu trúc bền vững và không dễ bị phá vỡ.

Về mặt nhiệt học, cellulose có nhiệt độ phân hủy từ khoảng 260–270°C. Khi gia nhiệt, cellulose không nóng chảy mà phân hủy thành các hợp chất nhỏ hơn như furfural, khí CO₂ và các hydrocacbon thơm. Điều này khiến cellulose không thể gia công bằng phương pháp nhiệt dẻo như các polymer tổng hợp.

Một số phản ứng hóa học đặc trưng của cellulose bao gồm:

• Thủy phân: Bằng acid hoặc enzyme cellulase để tạo ra glucose
• Ester hóa: Với acid nitric, acetic, tạo cellulose nitrate hoặc cellulose acetate
• Ether hóa: Tạo các dẫn xuất như carboxymethyl cellulose (CMC), được sử dụng trong thực phẩm và dược phẩm

Công thức thủy phân cellulose tổng quát: $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+ / enzyme} nC_6H_{12}O_6$

Các phương pháp xử lý và biến đổi Cellulose

Việc xử lý cellulose thô để tạo ra các sản phẩm có tính năng vượt trội là chủ đề nghiên cứu rộng rãi trong hóa học polymer. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là biến đổi hóa học để tạo ra các dẫn xuất cellulose. Các quá trình này thường yêu cầu phá vỡ cấu trúc tinh thể bằng hóa chất hoặc enzyme.

Một số dẫn xuất quan trọng:

• Cellulose acetate: Ứng dụng trong sản xuất phim ảnh, sợi dệt, bộ lọc thuốc lá
• Cellulose nanocrystals (CNCs): Vật liệu nano có độ bền cơ học cao, dùng trong vật liệu composite
• Carboxymethyl cellulose (CMC): Chất làm đặc, ổn định nhũ tương trong thực phẩm và mỹ phẩm

Ngoài ra, kỹ thuật xử lý bằng dung môi ion hoặc hệ dung môi hữu cơ như NaOH/ure cũng được nghiên cứu để làm tan cellulose mà không phá vỡ chuỗi polymer, mở đường cho các công nghệ chế tạo vật liệu sinh học mới như màng cellulose tái sinh hoặc sợi lyocell.

Ứng dụng công nghiệp

Cellulose là nguyên liệu công nghiệp đa năng với vai trò trung tâm trong nhiều chuỗi sản xuất. Nhờ tính chất tự nhiên, không độc hại và thân thiện môi trường, cellulose được ưa chuộng trong các ngành:

• Ngành giấy: Khoảng 90% giấy hiện nay được sản xuất từ cellulose, thông qua quá trình nghiền và tẩy trắng bột gỗ
• Dệt may: Dẫn xuất cellulose như viscose, rayon, lyocell được sử dụng để sản xuất vải mềm, thấm hút tốt
• Thực phẩm: Vi sợi cellulose và CMC là phụ gia tăng độ nhớt, tạo cấu trúc cho thực phẩm ít chất béo
• Dược phẩm: Viên nén thuốc sử dụng MCC (microcrystalline cellulose) như tá dược nén

Bảng tóm tắt một số ứng dụng tiêu biểu:

Sản phẩm	Dạng Cellulose	Ứng dụng
Giấy in	Cellulose thô	Truyền thông, tài liệu
Vải viscose	Cellulose tái sinh	Quần áo, nội thất
Viên nén thuốc	MCC	Tá dược, ổn định liều
Phụ gia thực phẩm	CMC	Chất làm đặc, ổn định cấu trúc

Cellulose trong công nghệ bền vững

Cellulose đang nổi lên như một giải pháp vật liệu then chốt trong chuyển đổi xanh. Các sản phẩm làm từ cellulose có thể thay thế nhựa truyền thống trong bao bì, vật liệu cách nhiệt, và thậm chí là trong ngành điện tử. Do khả năng phân hủy sinh học và tính tái tạo cao, cellulose giúp giảm phát thải carbon và giảm lượng rác thải không phân hủy.

Một số xu hướng nghiên cứu mới:

• Màng bao bì cellulose sinh học thay thế màng nhựa PE, PET
• Cellulose aerogel làm vật liệu cách nhiệt nhẹ, hiệu suất cao
• Cellulose dẫn điện hoặc composite với graphene cho thiết bị cảm biến

Một số sáng kiến nổi bật đã được công bố trên tạp chí Nature, ví dụ nghiên cứu về vật liệu composite cellulose sinh học có thể sử dụng trong pin và thiết bị điện tử phân hủy sinh học: Nature - Sustainable Cellulose Materials

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Tuy nhiều tiềm năng, việc khai thác cellulose trên quy mô lớn vẫn gặp một số trở ngại:

• Chi phí cao do cần xử lý hóa học phức tạp để tách cellulose khỏi lignin và hemicellulose
• Công nghệ tách cellulose tinh khiết còn phụ thuộc nhiều vào hóa chất độc hại như NaOH, CS₂
• Khó kiểm soát độ tinh thể và tính chất cơ lý khi chuyển thành dạng nano hoặc màng mỏng

Để khắc phục, các hướng nghiên cứu đang tập trung vào:

1. Sử dụng enzyme và vi sinh vật để xử lý cellulose sinh học hiệu quả hơn
2. Phát triển dung môi xanh và quy trình thân thiện môi trường
3. Tích hợp cellulose với vật liệu nano để tạo ra composite có tính năng cao

Các công trình gần đây cho thấy tiềm năng phát triển các hệ thống vật liệu kết hợp cellulose và vật liệu hai chiều (2D materials) như graphene, mở ra khả năng ứng dụng trong pin dẻo, điện tử sinh học, và thiết bị y tế tái hấp thụ.

Tài liệu tham khảo

1. Habibi, Y., Lucia, L. A., & Rojas, O. J. (2010). "Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications." Chemical Reviews, 110(6), 3479–3500. DOI: 10.1021/cr900339w
2. Moon, R. J., et al. (2011). "Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites." Cellulose, 18(3), 581–607. DOI: 10.1007/s10570-011-9492-7
3. Klemm, D., et al. (2005). "Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material." Angewandte Chemie International Edition, 44(22), 3358–3393. DOI: 10.1002/anie.200460587
4. Shoseyov, O., et al. (2013). "Cellulose nanocrystals: properties, production, and applications." Current Opinion in Biotechnology, 24(2), 316–323. DOI: 10.1016/j.copbio.2012.11.003
5. Isogai, A. (2020). "Wood nanocelluloses: fundamentals and applications as new bio-based nanomaterials." Journal of Wood Science, 66(1). DOI: 10.1186/s10086-020-01802-6