一种神奇的材料纤维素
张振
法国波多尔大学／材料化学
关键词：纤维素、淀粉、消化
今天给大家介绍一种有趣而神奇的材料，纤维素（cellulose）。
说起纤维素，大家可能感觉有一点点陌生，但是我们每天都会用到纤维素。如果说起纤维素的孪生兄弟淀粉，估计大家就更熟悉了。纤维素和淀粉的化学成分和化学式其实完全一样的， 都是(C6H10O5)n，是一种聚合物（polymer）。我们主食吃的大米、小麦的主要成分就是淀粉，红薯土豆中也含有丰富的淀粉。而纤维素是树、草等植物的主要成分。我们能吃小麦大米，而不能吃树叶树皮获取能量，那是因为我们能消化淀粉而不能消化纤维素，而牛羊等动物却能靠吃草秸秆长大。纤维素和淀粉唯一的区别在于其中葡萄糖单元的键合方式不一样，纤维素是靠β键来连接相邻的葡萄糖单元，而淀粉则是靠α键连接相邻的葡萄单元，见下图：
图一：纤维素与淀粉的分子结构
淀粉分子中葡萄糖单元以α键（图一：1到4）连接，α键有一定角度，不是在一个平面上，所以淀粉分子会在空间上形成一个螺旋状结构。碘分子能够进入这个螺旋中心，所以淀粉遇碘变蓝。这也是鉴别淀粉和纤维素的一个简单方法。α键相对于β键不够稳定，所以淀粉很容易被人类消化。而纤维素中的葡萄糖单元是以β键（图一：1到4）连接，β键和葡萄糖单元是在一个平面内，形成一个层状结构，层于层之间以氢键连接，比较稳定，所以不能够被人类消化。而牛羊的胃要比人类的胃更复杂，牛羊的胃里含有的细菌等，甚至能够分解纤维素比较稳定的结构，所以牛羊才可以吸收纤维素分解的产物。也是因为纤维素的这个稳定结构，纤维素具有一定的物理强度，所以纤维素可以被用来制造桌椅木房子等，我们穿的棉质衣服主要成分也是纤维素。
仅仅是键合角度的一点点不同，就导致了淀粉和纤维素的巨大差距。
人类离不开淀粉，也离不开纤维素。淀粉是我们的主食，很早以前人类通过燃烧木材来获取能源，现在我们穿的棉质衣服，我们的桌椅等等，都是纤维素。纤维素是地球上含量最多的生物聚合物，生物圈中一半以上的碳都储存在纤维素中。植物利用光合作用，将空气中的CO2转化成葡萄糖单元，然后以纤维素或淀粉的形式储存起来。
由于我们不能消化纤维素，很长时间以来，我们都认为纤维素对我们的饮食是没有任何作用的。不过随着营养学和相关科学的深入发展，人们逐渐发现了膳食纤维具有相当重要的生理作用。以致于在膳食构成越来越精细的今天，膳食纤维更成为学术界和普通百姓关注的物质，并被营养学界补充认定为第七类营养素，和传统的六类营养素——蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质与水并列。在消化系统中纤维素有吸收水分的作用，从而增加肠道及胃内的食物体积，可增加饱足感；它又能促进肠胃蠕动，可舒解便秘；同时膳食纤维还可以吸附肠道中的有害物质以便排出。有些蔬菜，比如芹菜中就含有丰富的膳食纤维。
大家可能对纤维和纤维素的概念有些模糊。纤维素是cellulose，是一种聚合物。而纤维的英文翻译是fiber，它用来描述物质的一种形态，细丝状的物质都叫纤维。所以纤维和纤维素是两个完全不一样的概念。根据纤维素的英文发音，另一个大家可能比较熟悉的材料是赛璐璐（celluloid），赛璐璐是人工发明合成的消化纤维素，还是乒乓球的主要成分。
随着纳米科技的发展和我们对纤维素认识的逐步加深，人们在木质纤维中发现了一种纳米材料纤维素纳米晶 （Cellulose Nanocrystals）。纤维素纳米晶具有比钢绳更强的拉伸强度。如果大家想进一步了解纤维素纳米晶，请听下回分解。
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