Selulosa adalah polisakarida kompleks yang terdiri dari banyak unit glukosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4-glikosidik. Selulosa merupakan komponen utama dinding sel tumbuhan dan memberikan dinding sel tumbuhan dukungan struktural dan ketangguhan yang kuat. Karena rantai molekul selulosa yang panjang dan kristalinitas yang tinggi, selulosa memiliki stabilitas dan sifat tidak larut yang kuat.
(1) Sifat selulosa dan kesulitan pelarutannya
Selulosa memiliki sifat-sifat berikut yang membuatnya sulit larut:
Kristalinitas tinggi: Rantai molekul selulosa membentuk struktur kisi yang rapat melalui ikatan hidrogen dan gaya van der Waals.
Derajat polimerisasi tinggi: Derajat polimerisasi (yaitu panjang rantai molekul) selulosa tinggi, biasanya berkisar antara ratusan hingga ribuan unit glukosa, yang meningkatkan stabilitas molekul.
Jaringan ikatan hidrogen: Ikatan hidrogen terdapat secara luas di antara dan di dalam rantai molekul selulosa, membuatnya sulit dihancurkan dan dilarutkan oleh pelarut umum.
(2) Reagen yang melarutkan selulosa
Saat ini, reagen yang diketahui dapat secara efektif melarutkan selulosa terutama meliputi kategori berikut:
1. Cairan Ionik
Cairan ionik adalah cairan yang terdiri dari kation organik dan anion organik atau anorganik, biasanya dengan volatilitas rendah, stabilitas termal tinggi, dan kemampuan penyesuaian tinggi. Beberapa cairan ionik dapat melarutkan selulosa, dan mekanisme utamanya adalah memutus ikatan hidrogen antara rantai molekul selulosa. Cairan ionik umum yang melarutkan selulosa meliputi:
1-Butil-3-metilimidazolium klorida ([BMIM]Cl): Cairan ionik ini melarutkan selulosa dengan berinteraksi dengan ikatan hidrogen dalam selulosa melalui akseptor ikatan hidrogen.
1-Etil-3-metilimidazolium asetat ([EMIM][Ac]): Cairan ionik ini dapat melarutkan konsentrasi tinggi selulosa dalam kondisi yang relatif ringan.
2. Larutan oksidan amina
Larutan oksidan amina seperti larutan campuran dietilamina (DEA) dan tembaga klorida disebut [larutan Cu(II)-amonium], yang merupakan sistem pelarut kuat yang dapat melarutkan selulosa. Larutan ini menghancurkan struktur kristal selulosa melalui oksidasi dan ikatan hidrogen, sehingga rantai molekul selulosa menjadi lebih lunak dan lebih mudah larut.
3. Sistem litium klorida-dimetil asetamida (LiCl-DMAc)
Sistem LiCl-DMAc (lithium chloride-dimethylacetamide) merupakan salah satu metode klasik untuk melarutkan selulosa. LiCl dapat membentuk persaingan untuk ikatan hidrogen, sehingga merusak jaringan ikatan hidrogen antara molekul selulosa, sedangkan DMAc sebagai pelarut dapat berinteraksi dengan baik dengan rantai molekul selulosa.
4. Larutan asam klorida/seng klorida
Larutan asam klorida/seng klorida merupakan reagen yang ditemukan lebih awal yang dapat melarutkan selulosa. Larutan ini dapat melarutkan selulosa dengan membentuk efek koordinasi antara seng klorida dan rantai molekul selulosa, dan asam klorida menghancurkan ikatan hidrogen antara molekul selulosa. Akan tetapi, larutan ini sangat korosif terhadap peralatan dan terbatas dalam aplikasi praktis.
5. Enzim fibrinolitik
Enzim fibrinolitik (seperti selulase) melarutkan selulosa dengan mengkatalisis penguraian selulosa menjadi oligosakarida dan monosakarida yang lebih kecil. Metode ini memiliki berbagai macam aplikasi dalam bidang biodegradasi dan konversi biomassa, meskipun proses pelarutannya tidak sepenuhnya pelarutan kimia, tetapi dicapai melalui biokatalisis.
(3) Mekanisme pelarutan selulosa
Reagen yang berbeda memiliki mekanisme yang berbeda untuk melarutkan selulosa, tetapi secara umum dapat dikaitkan dengan dua mekanisme utama:
Penghancuran ikatan hidrogen: Menghancurkan ikatan hidrogen antara rantai molekul selulosa melalui pembentukan ikatan hidrogen kompetitif atau interaksi ionik, membuatnya larut.
Relaksasi rantai molekul: Meningkatkan kelembutan rantai molekul selulosa dan mengurangi kristalinitas rantai molekul melalui cara fisik atau kimia, sehingga dapat dilarutkan dalam pelarut.
(4) Aplikasi praktis pelarutan selulosa
Pelarutan selulosa memiliki aplikasi penting di banyak bidang:
Persiapan turunan selulosa: Setelah melarutkan selulosa, selulosa dapat dimodifikasi lebih lanjut secara kimia untuk menyiapkan eter selulosa, ester selulosa, dan turunan lainnya, yang banyak digunakan dalam makanan, obat-obatan, pelapis, dan bidang lainnya.
Bahan berbasis selulosa: Menggunakan selulosa terlarut, nanofiber selulosa, membran selulosa, dan bahan lainnya dapat disiapkan. Bahan-bahan ini memiliki sifat mekanis dan biokompatibilitas yang baik.
Energi biomassa: Dengan melarutkan dan mendegradasi selulosa, selulosa dapat diubah menjadi gula yang dapat difermentasi untuk produksi biofuel seperti bioetanol, yang membantu mencapai pengembangan dan pemanfaatan energi terbarukan.
Pelarutan selulosa merupakan proses kompleks yang melibatkan berbagai mekanisme kimia dan fisika. Cairan ionik, larutan amino oksidan, sistem LiCl-DMAc, larutan asam klorida/seng klorida, dan enzim selolitik saat ini dikenal sebagai agen yang efektif untuk melarutkan selulosa. Setiap agen memiliki mekanisme pelarutan dan bidang aplikasinya sendiri yang unik. Dengan studi mendalam tentang mekanisme pelarutan selulosa, diyakini bahwa metode pelarutan yang lebih efisien dan ramah lingkungan akan dikembangkan, yang menyediakan lebih banyak kemungkinan untuk pemanfaatan dan pengembangan selulosa.
Waktu posting: 09-Jul-2024