Introduktion till cellulosa i mat


Den cellulosa man använder i mat delas in i följande grupper:

E460 Mikrokristallinisk cellulosa (i), cellulosapulver (ii)
E461 Metylcellulosa
E462 Etylcellulosa
E463 Hydroxipropylcellulosa
E464 Hydroxipropylmetylcellulosa
E465 Metyletylcellulosa
E466 Karboximetylcellulosa
E469 Enzymatiskt hydrolyserad karboximetylcellulosa

Cellulosa är en organisk förening, en polysackarid som består av en linjär kedja av många hundra till över tio tusen β(1→4)-länkade D-glukosenheter, en homopolymer. I princip, även om det inte alltid är praxis i branschen, är cellulosapolymerer förnybara resurser.

Det är den strukturella komponenten i den primära cellväggen hos gröna växter, många slag av alger, oomyceter och sjöpung. Vissa bakterier avsöndrar det och bildar biofilm.

Cellulosa är den vanligaste organiska föreningen på jorden. Ungefär 33% av all växtlighet är cellulosa (cellulosainnehållet i bomull är 90% och innehållet i trä är mellan 40 och 50%). För industriella ändamål utvinns cellulosa huvudsakligen ur pappersmassa och bomull.

Vissa djur, särskilt idisslare och termiter, kan smälta cellulosa med hjälp av symbiotiska mikroorganismer som lever i tarmarna. Människor kan också smälta cellulosa i viss mån även om vår matsmältningsapparat inte kan spjälka cellulosans β-1,4-glykosidbindningar och vi därmed inte kan tillgodogöra oss cellulosans energivärde, men ofta äts det som kostfibrer eller grovfoder och fungerar som ett hydrofilt fyllnadsmedel i avföring. I naturen bryts det ner av svampar och bakterier.

Historik

Cellulosa upptäcktes 1838 av den franske kemisten Anselme Payen, som isolerade det från växtmaterial och bestämde dess kemiska formel. Cellulosa användes av Hyatt Manufacturing Company 1870 för att producera de första framgångsrika termoplastiska polymererna, celluloider. Hermann Staudinger bestämde cellulosans polymerstruktur 1920, Shiro Kobayashi och Shin-ichiro Shoda var de första att kemiskt syntetisera cellulosa (utan användning av biologiskt framställda enzymer) år 1992.

Struktur och egenskaper

Cellulosa har ingen smak, är luktfritt, är hydrofilt med en kontaktvinkel på 20-30, är olösligt i vatten och de flesta organiska lösningsmedel, är kiralt och är biologiskt nedbrytbart. Det kan brytas ner i kemiskt i sina glukosmolekyler genom att man behandlar det med koncentrerade syror vid höga temperaturer.

Cellulosa utvinns ur D-glukosenheter, vilka kondenserar genom β(1→4)-glykosidbindningar. Detta kopplingssätt kontrasterar mot det för α(1→4)-glykosidbindningar som finns i stärkelse, glykogen och andra kolhydrater.

Cellulosa är en rak kedjepolymer: till skillnad från stärkelse ringlar den sig inte och avgrenar sig inte, och molekylen antar en längre och ganska stel stavformad konformation, stöttad av den ekvatoriella konformationen hos glukosenheterna. De många hydroxylgrupperna på glukoset från en kedja formar vätebindningar med syremolekyler på samma eller en närliggande kedja, vilket håller kedjorna tätt samman sida vid sida och bildar mikrofibriller med hög draghållfasthet. Denna styrka är viktig i cellväggarna, där mikrofibriller sammanflätas till en kolhydratmatris som ger styvhet till växtceller.

Jämfört med stärkelse innehåller cellulosa också betydligt mer kristallin. Medan stärkelse genomgår en kristallin-till-amorf-övergång när det hettas up över 60-70°C i vatten (som i matlagning), kräver cellulosa en temperatur på 320°C och ett tryck på 25 MPa för att bli amorft i vatten.

Flera olika kristallinstrukturer av cellulosa är kända och de motsvarar platsen för vätebindningarna mellan och inom strängarna. Naturligt cellulosa är cellulosa I, med strukturerna I α and I β. Cellulosa som produceras av bakterier och alger är anrikat med I α medan cellulosa av högre stående växter består i huvudsak av I β. Cellulosa i regenererade cellulosafibrer är cellulosa II. Omvandlingen av cellulosa I till cellulosa II är inte vändbar, vilket tyder på att cellulosa I är metastabil och cellulosa II stabil. Med olika kemiska behandlingar är det dock möjligt att producera strukturerna cellulosa III och cellulosa IV.

Många av egenskaperna hos cellulosa beror på dess kedjelängd eller polymerisationsgrad, antalet glukosenheter som bildar en polymermolekyl. Cellulosa från pappersmassa har generellt sett kedjelängder på mellan 300 och 1700 enheter eller glukosringar, bomull och andra växtfibrer samt bakteriell cellulosa har kedjelängder på mellan 800 till 10.000 enheter. Molekyler med mycket små kedjelängder som är ett resultat av cellulosans nedbrytning kallas cellodextriner. I motsats till cellulosa är cellodrextrinerna vanligtvis lösliga i vatten och organiska lösningsmedel.

Vegetabiliska cellulosa brukar finnas i en blandning med hemicellulosa, ligning, pektin och andra ämnen, medan mikrobiell cellulosa är helt ren, har en mycket högre vattenhalt och består av långa kedjor.

Olika cellulosakällor används för olika ändamål, av ekonomiska skäl. Massa och papper tillverkas vanligen av trä, medan textilfibrer i allmänhet inte är isolerade från träfibrer. Bomull är en biologisk källa till nästan ren cellulosa, men detta används vanligtvis inte i livsmedelsklassade cellulosaformer utan används istället till olika cellulosaderivat, farmaceutiska eller kemiska användningsområden, såsom kromatografi, målarfärger och sprängämnen. Bakteriella källor till cellulosa har också utvecklats genom att Acetobacter xylinum jäser glukossubtrat från majssirap. Dessa producerar cellulosa med liten partikeldiameter med mer yta än pulvercellulosa utvunnen ur pappersmassa. De har hög draghållfasthet och hög vattenhållande förmåga och används för närvarande som en högt värderad specialkemikalie med applikationer som sträcker sig från akustiska högtalare till högkvalitativt papper, livsmedelsdieter och konstgjord hud.

Cellulosa från bomull behöver bara en behandling med varm natriumhydroxidlösning som tar bort protein, pektinämnen och vax, för att man ska få fram cellulosa av hög kvalitet. Trä kräver en mera omfattande behandling för att lösa hemicellulosorna och ligninget (deliginifiering). Dessutom finns det relativt små mängder cellulosa som härrör från bakterier kommersiellt tillgängligt, så de används inte till mat.

Massaprocessen

Trä innehåller ungefär 50% cellulosa, 30% hemicellulosa och 20% lignin. Massaprocessen skiljer cellulosa från lignin och hemicellulosa (strukturellt obesläktade polysackarider), ger det en fibrös form som renas, torkas och levereras i stora rullar.

Under pappersmassabehandlingen barkas timmer och huggs till flis. Det mals mekaniskt och rötas (kokas) därefter kemiskt med hjälp av antingen sulfit eller alkaliska processer vid förhöjd temperatur i tryckkärl eller kokare. Båda processerna kan modifieras så att de framställer cellulosa med högre renhet som inte bara är fritt från ligniner och hemicellulosa, men ock ytterligare degraderad så att resultatet blir produkter med reducerad molekylärvikt och derivat. Diverse sulfitprocesser används för delignifiering av massa, inklusive bisulfitprocessen – vilken använder kalciumbisulfit i närvaro av svaveldioxid med pH på mellan 2 och 6 på olika träslag. Alkaliska processer använder antingen natriumhydroxid (utspädd natriumhydroxid) eller natriumsulfat (Kraftprocess) som alkalikälla. Kraftprocessvätska innehåller kaustiksoda och natriumsulfid, och ökar delignifiering samt även massans styrka. Kemikalier som används i massaprocessen är potentiella föroreningar som kan återvinnas, vilket ökar kostnaderna för investeringarna i pappersbruket. Nya fabriker utformas med energieffektivitet, kemisk återhämtning och vattenföroreningar i åtanke. Nyare syrealkalisystem undviker användning av svavelföreningar, men fibrerna har lägre rivstyrka.

En annan metod för att bryta ner lignocellulosa (annat än Kraft eller sulfitprocesserna) är ångexplosion. Här används fuktmättad flis under högt tryck och höga temperaturer vilket betyder mildare villkor för papperstillverkare och gjutna byggmaterial.

Efter massatillverkning krävs flera åtgärder, inklusive blekning och alkaliutvinning, för att man ska kunna utveckla produkter med önskad molekylärvikt och fysisk fiberlängd. Blekning kan inbegripa upp emot 12 steg, som klorering, hypokloritblekning, klordioxidblekning och extraktion med koncentrerad natriumhydroxid tillsammans med mellanliggande extraktion (tvätt) efter varje oxidativt stadium. Det måste vara renat och blekt för att klara lagstiftningskraven när det gäller matkemikalier. Rening kan innebära tillsats av ytaktiva ämnen i ett ytterligare varmt svagt alkaliskt avskiljningssteg efter klorering. Ett annat alternativ är att behandla massan med ytterligare ett bad i 6-10% natriumhydroxid efter blekningen. De slutliga stegen i de flesta reningsverken inkluderar användningen av svavelsyra och möjligtvis kelatbildare.

Derivat

Cellulosans hydroxylgrupper (-OH) kan helt eller partiellt reageras med diverse reagenser för att framställa derivat med användbara egenskaper som främst cellulosa estrar eller cellulosaetrar (-OR). I princip, även om det inte alltid är praxis i branschen, är cellulosapolymerer förnybara resurser.

Exempel på estrar är cellulosaacetat, cellulosatriacetat, cellulosapropoionat, cellulosaacetatpropionat, cellulosabutyrat, nitrocellulosa (cellulosanitrat), cellulosasulfat.

Cellulosaacetat och cellulosatriacetat är film-och-fiberbildande material med en mängd användningsområden.

Exempel på eterderivat är de former av cellulosa som vi också känner som E460 mikrokristallinisk cellulosa (i) cellulosapulver (ii), E461 metylcellulosa, E462 etylcellulosa, E463 hydroxipropylcellulosa, E464 hydroxipropylmetylcellulosa, E465 metyletylcellulosa, E466 karboximetylcellulosa, E469 enzymatiskt hydrolyserad karboximetylcellulosa.

8 kommentarer

Filed under Kemi, Matsaker, Stabiliseringsmedel

8 responses to “Introduktion till cellulosa i mat

  1. Pingback: Stabiliseringsmedel: Mikrokristallinisk cellulosa (i), cellulosapulver (ii) (E460)) « Matsaker

  2. Pingback: Stabiliseringsmedel: Metylcellulosa (E461) « Matsaker

  3. Pingback: Stabiliseringsmedel: Etylcellulosa (E462) « Matsaker

  4. Pingback: Stabiliseringsmedel: Hydroxipropylcellulosa (E463) « Matsaker

  5. Pingback: Stabiliseringsmedel: Hydroxipropylmetylcellulosa (E464) « Matsaker

  6. Pingback: Stabiliseringsmedel: Metyletylcellulosa (E465) | Matsaker

  7. Pingback: Stabiliseringsmedel: Karboximetylcellulosa (E466) | Matsaker

  8. Pingback: Stabiliseringsmedel: Enzymatiskt hydrolyserad karboximetylcellulosa (E469) | Matsaker

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s