CHƯƠNG 4 CELLULOSE

Công việc sản xuất đường đã đẩy mạnh hoạt động buôn bán nô lệ đến châu Mỹ, nhưng đường không hề đơn độc trong việc duy trì chế độ nô lệ trong hơn ba thế kỷ. Việc canh tác các loại cây trồng khác đáp ứng cho thị trường châu Âu cũng phụ thuộc vào nô lệ. Một trong các loại cây này là cây bông. Bông thô được chuyển bằng tàu thủy đến Anh để sản xuất các loại hàng hóa rẻ tiền, sau đó được vận chuyển đến châu Phi để đổi lấy nô lệ cho các đồn điền ở Tân Thế Giới, đặc biệt là ở miền nam của nước Mỹ. Lợi nhuận từ đường là nguồn nhiên liệu đầu tiên cho sự vận hành của tam giác thương mại này, và nó đã cung cấp nguồn vốn ban đầu cho sự phát triển công nghiệp của vương quốc Anh. Nhưng chính cây bông và ngành thương mại bông đã tạo nên sự phát triển kinh tế tột bậc ở Anh vào giai đoạn cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19.

Cây bông và cuộc Cách mạng Công nghiệp

Quả của cây bông có dạng hình cầu, là loại quả nang chứa nhiều hạt có dầu nằm trong một khối sợi bông. Có bằng chứng cho thấy cây bông, một cây thuộc chi Gossypium, đã được trồng tại Ấn Độ, Pakistan và tại Mexico và Peru khoảng 5000 năm về trước, nhưng phải đến khoảng năm 300 TCN, loài cây này mới được châu Âu biết đến khi binh sĩ trong đội quân của Alexander Đại đế trở về từ Ấn Độ với những chiếc áo choàng làm từ bông. Đến thời Trung cổ, các lái buôn Ả Rập đã mang cây bông đến Tây Ban Nha. Cây bông không chịu được giá lạnh và cần nhiều đất ẩm nhưng thoát nước tốt và những mùa hè dài, những điều kiện khí hậu không thể có được trong vùng khí hậu ôn đới của châu Âu. Cây bông đã được nhập khẩu đến nước Anh và các quốc gia phương bắc khác.

Vùng Lancashire của Anh đã trở thành trung tâm của một khu công nghiệp phức hợp khổng lồ, phát triển cùng với ngành sản xuất bông. Khí hậu ẩm ướt của vùng này khiến cho các sợi bông dính vào nhau, đây là điều kiện tối ưu để sản xuất bông, vì sợi bông sẽ ít bị đứt hơn khi thực hiện các quá trình kéo và dệt sợi. Các nhà máy bông đặt tại các vùng khí hậu khô phải chịu chi phí sản xuất cao hơn cũng vì lý do này. Bên cạnh đó, Lancashire cũng có đủ diện tích đất để xây dựng nhà máy và nhà ở cho hàng ngàn nhân công cần thiết cho hoạt động của ngành công nghiệp bông, cùng với nguồn nước ngọt dồi dào cho các công đoạn tẩy trắng sợi, nhuộm và in bông, và Lancashire cũng có nguồn cung cấp than đá rất lớn, yếu tố vô cùng quan trọng sau khi năng lượng hơi nước được tìm ra.

Vào năm 1760, nước Anh đã nhập khẩu 2,5 triệu pound (khoảng 1,13 triệu kilogram) bông thô. Trong vòng chưa đến 80 năm sau đó, các xưởng bông trên toàn nước Anh đã gia công nhiều gấp 140 lần số lượng trên. Sự gia tăng này có ảnh hưởng vô cùng lớn đến công cuộc công nghiệp hóa. Nhu cầu sợi bông giá rẻ đã dẫn đến những đổi mới đột phá trong cơ khí và thực tế là tất cả các công đoạn xử lý bông đều được cơ khí hóa. Thế kỷ 18 đã chứng kiến sự phát triển của máy tỉa hạt bông nhằm mục đích tách sợi bông ra khỏi hạt, máy chải len để chuẩn bị sợi thô, các ống trục và máy kéo chỉ để kéo sợi và bện thành chỉ và các phiên bản khác nhau của hệ thống dệt thoi cơ khí. Ban đầu các máy móc này được vận hành do sức người, và rất nhanh sau đó đã được vận hành bởi động vật hoặc bánh xe nước. Sau đó, khi James Watt phát minh ra động cơ hơi nước, hơi nước trở thành nguồn năng lượng chính để vận hành các máy móc này.

Ngành thương mại bông đã mang lại những hệ quả xã hội vô cùng lớn. Một diện tích lớn trong vùng trung du nước Anh đã bị chuyển đổi từ vùng nông trại với những trung tâm buôn bán nhỏ thành một khu vực với hơn 300 thị trấn và làng nhà máy. Điều kiện sống và làm việc rất tồi tệ. Công nhân phải làm việc nhiều giờ trong nhà máy với những quy định và kỷ luật vô cùng khắc nghiệt và ngặt nghèo. Cho dù không hoàn toàn giống với chế độ nô lệ trong các đồn điền trồng bông ở bờ bên kia của Đại Tây Dương, các hoạt động thương mại bông đã mang đến sự nô dịch, sự nghèo khổ và khốn cùng cho hàng ngàn công nhân làm việc trong những nhà máy bông bụi bặm, ồn ào và ẩn chứa nhiều nguy hiểm. Tiền lương thường được trả bằng các hàng hóa bị định giá cao hơn bình thường, và công nhân không được phép có ý kiến hay bất cứ yêu cầu gì. Điều kiện nơi ở cũng rất tồi tệ, xây dựng tạm bợ và chen chúc trên những khu vực chật chội, tối tăm và tù đọng xung quanh nhà máy. Công nhân và gia đình họ bị dồn vào những nơi ở lạnh lẽo, ẩm thấp và bẩn thỉu, thường là hai hoặc ba gia đình chung một căn nhà, và một gia đình nữa ở tầng hầm. Hơn phân nửa số trẻ con sinh ra dưới các điều kiện sinh hoạt này không thể sống quá năm tuổi. Giới cầm quyền đã tỏ ra lo lắng, nhưng không phải vì tỷ lệ tử vong cao đến đáng sợ này mà vì những đứa trẻ chết “trước khi chúng đủ tuổi để có thể làm việc trong nhà máy hoặc làm những việc khác.” Khi những đứa trẻ đến độ tuổi có thể làm việc trong xưởng bông, nơi mà cơ thể nhỏ bé cho phép chúng chui xuống phía dưới những thiết bị máy móc và dùng những ngón tay nhạy bén của mình để nối lại những sợi chỉ bị đứt, chúng thường bị đánh đập tàn nhẫn để không ngủ gục trong từ 12 đến 14 giờ làm việc một ngày.

Căm phẫn trước sự đối xử tàn bạo với trẻ em và những lạm dụng khác, những phong trào nhân quyền đã phát triển mạnh mẽ và lan rộng kéo theo những quy định về giờ làm việc, lao động trẻ em, an toàn nhà máy và vấn đề sức khỏe, những quy định này chính là những cơ sở đầu tiên cho hầu hết mọi bộ luật công nghiệp đang được sử dụng hiện tại. Các điều kiện này đã khuyến khích nhiều công nhân nhà máy tích cực tham gia vào các phong trào của công đoàn và một số phong trào khác về xã hội, chính trị và cải cách giáo dục. Tất nhiên, những thay đổi không hề dễ dàng. Chủ nhà máy và các cổ đông nắm trong tay quyền lực chính trị rất lớn và không muốn chấp nhận giảm lợi nhuận từ việc buôn bán bông mà một phần là do tiết kiệm chi phí dành cho việc cải thiện điều kiện làm việc của công nhân.

Màn khói đen bốc lên từ hàng trăm xưởng bông là cảnh tượng thường xuyên trên khắp thành phố Manchester, nơi đã phát triển và trở nên hưng thịnh nhờ vào kinh doanh bông. Lợi nhuận từ bông được sử dụng để tiếp tục thực hiện công nghiệp hóa trên toàn bộ khu vực. Các kênh đào và đường sắt được xây dựng để vận chuyển nguyên liệu và than đá đến các nhà máy và các thành phẩm đến cảng Liverpool gần đó. Nhu cầu về kỹ sư, thợ cơ khí, công nhân xây dựng, nhà hóa học và thợ thủ công đã tăng lên - những người với các kỹ năng kỹ thuật cần thiết cho những doanh nghiệp lớn với các sản phẩm dịch vụ đa dạng như thuốc nhuộm, chất tẩy trắng, đúc sắt, gia công kim loại, chế tác thủy tinh, đóng tàu, và xây dựng đường sắt.

Mặc dù tại Anh, pháp luật được ban hành vào năm 1807 đã xóa bỏ việc buôn bán nô lệ, nhưng các nhà tư bản công nghiệp vẫn không ngần ngại nhập khẩu bông do nô lệ sản xuất từ miền nam nước Mỹ. Bông thô, từ các quốc gia trồng bông như Ai Cập, Ấn Độ và Mỹ, là mặt hàng nhập khẩu nhiều nhất tại Anh trong giai đoạn 1825-1873, nhưng sự sản xuất bông đã giảm sút khi nguồn cung cấp bông thô bị cắt đứt trong suốt Thế chiến II. Nền công nghiệp của Anh không bao giờ hồi phục lại như trước chiến tranh, bởi lẽ lúc này các quốc gia trồng bông đã trở thành những nước sản xuất bông quan trọng khi đã kịp trang bị các máy móc chế biến hiện đại và sử dụng nguồn nhân lực bản địa giá rẻ, và cũng là những quốc gia tiêu thụ vải bông đáng kể.

Lĩnh vực thương mại đường đã tạo ra vốn tư bản cho cuộc Cách mạng Công nghiệp, nhưng sự thịnh vượng của vương quốc Anh thế kỷ 19 có được là nhờ vào nhu cầu sử dụng bông. Vải bông có giá thành thấp và được ưa chuộng để làm ra các sản phẩm may mặc và gia dụng. Không có vấn đề gì khi trộn lẫn sợi bông với các loại sợi khác, và có thể dễ dàng giặt và may. Vì thế, vải bông đã nhanh chóng thay thế vải lanh đắt tiền để trở thành lựa chọn của phần lớn dân thường. Sự gia tăng khổng lồ về nhu cầu bông thô tại châu Âu, đặc biệt là tại Anh, đã khiến chế độ nô lệ ở châu Mỹ ngày càng mở rộng. Canh tác bông là một công việc cần nhiều nhân công. Sự cơ khí hóa nông nghiệp, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ phải rất lâu sau này mới được tìm ra, do đó, việc canh tác bông vào thời kỳ này hoàn toàn phụ thuộc vào sức lao động của nô lệ. Trong năm 1840, tổng số nô lệ ở Mỹ vào khoảng 1,5 triệu. Chỉ 20 năm sau, khi lượng bông thô xuất khẩu chiếm đến ⅔ tổng giá trị xuất khẩu của Mỹ, có đến bốn triệu nô lệ trên đất Mỹ.

Cellulose: Polysaccharide cấu trúc

Cũng như các loại sợi thực vật khác, cotton bao gồm hơn 90% cellulose, một polymer của glucose đồng thời là thành phần chính của thành tế bào thực vật. Thuật ngữ polymer thường được gắn với các loại sợi và nhựa tổng hợp, nhưng cũng có rất nhiều loại polymer sẵn có trong tự nhiên. Từ polymer là sự kết hợp của hai từ tiếng Hy Lạp, poly có nghĩa là nhiều và meros có nghĩa là phần - hoặc đơn vị - như vậy, một polymer bao gồm nhiều đơn vị. Polymer của glucose, còn được biết đến với tên gọi polysaccharide, có thể được phân loại tùy theo chức năng của chúng trong tế bào. Polysaccharide cấu trúc, ví dụ như cellulose, có chức năng làm khung đỡ cho sinh vật; polysaccharide tồn trữ, có nhiệm vụ lưu trữ các phân tử glucose cần thiết cho sinh vật. Đơn vị của polysaccharide cấu trúc là β-glucose; và đơn vị của polysaccharide tồn trữ là α-glucose. Như đã đề cập trong chương 3, β-glucose có nhóm OH gắn vào carbon số 1 nằm trên mặt phẳng vòng, trong khi đó α-glucose có nhóm này gắn với carbon số 1 nằm dưới mặt phẳng vòng.

Sự khác biệt giữa α- và β-glucose dường như rất nhỏ, nhưng chính điều này lại gây ra những khác biệt vô cùng lớn trong chức năng và vai trò của những polysaccharide khác nhau bắt nguồn từ các loại glucose khác nhau: trên mặt phẳng vòng, cấu trúc; dưới mặt phẳng vòng, tồn trữ. Sự thay đổi vô cùng nhỏ trong cấu trúc của một phân tử có thể dẫn đến những hệ quả sâu sắc trong tính chất của hợp chất là điều thường xuyên xảy ra trong hóa học. Và polymer α và β của glucose minh họa rất chính xác cho điều này.

Trong cả polysaccharide cấu trúc và tồn trữ, các đơn vị glucose kết hợp với nhau thông qua carbon số 1 của một phân tử glucose và carbon số 4 của phân tử glucose liền kề. Sự kết hợp được thực hiện bằng cách loại bỏ một phân tử nước được tạo thành từ một nguyên tử H của một trong các phân tử glucose kết hợp với nhóm OH của một phân tử glucose khác. Quá trình này được gọi là quá trình trùng ngưng, vì vậy các polymer này có thể được gọi là các polymer trùng ngưng. Mỗi đầu của phân tử glucose có thể nối với các phân tử glucose khác theo cách trùng ngưng, hình thành nên một chuỗi dài các đơn vị glucose với các nhóm OH còn lại phân bố ở phía bên ngoài của chuỗi.

Quá trình trùng ngưng giữa hai phân tử β-glucose (một phân tử nước bị tách loại). Mỗi phân tử glucose có thể lặp lại quá trình này với các phân tử khác ở đầu đối diện.

Sự tách loại H2O giữa C#1 của một phân tử α-glucose và C#4 của phân tử bên cạnh tạo thành chuỗi dài cellulose. Hình này thể hiện năm đơn vị β-glucose.

Cấu trúc điển hình của một phần chuỗi cellulose. Nguyên tử oxy gắn vào mỗi C#1, thể hiện bởi mũi tên, là ở vị trí β, có nghĩa là nằm trên mặt phẳng vòng phía bên trái của nó.

Rất nhiều tính chất khiến vải bông trở thành loại vải đáng thèm muốn có nguyên nhân từ cấu trúc đặc biệt của cellulose. Những chuỗi cellulose dài được xếp chặt với nhau, hình thành một cấu trúc sợi cứng và không thể hòa tan, cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Phép phân tích bằng tia X và kính hiển vi điện tử, những kỹ thuật phân tích được sử dụng để xác định cấu trúc của vật chất, cho thấy các chuỗi cellulose nằm cạnh nhau trong một bó. Cấu hình của liên kết β có mặt trong cấu trúc cho phép các chuỗi cellulose xếp cạnh nhau đủ gần để tạo thành các bó nhỏ, sau đó xoắn lại với nhau để tạo thành các sợi lớn hơn có thể thấy được bằng mắt thường. Hướng ra phía bên ngoài các bó là các nhóm OH không tham gia vào quá trình hình thành chuỗi cellulose, và những nhóm này có ái lực với các phân tử nước. Do đó, cellulose có thể hút nước, đây chính là khả năng hút ẩm mạnh của bông nói riêng và các sản phẩm làm từ cellulose nói chung. Khi nói rằng “bông thở”, điều này không liên quan gì đến không khí, mà muốn nói về khả năng thấm nước của bông. Trong thời tiết nóng bức, trang phục bằng vải bông sẽ hấp thụ mồ hôi của cơ thể như khi chúng bay hơi, tạo cảm giác mát mẻ cho người mặc. Quần áo làm từ sợi nylon hoặc polyester không hút ẩm, do đó mồ hôi không thoát được ra ngoài quần áo mà bị giữ lại trên da, tạo nên trạng thái ẩm ướt khó chịu.

Cánh đồng bông - cũng là cánh đồng cellulose (Ảnh: Peter Le Couteur

Một polysaccharide cấu trúc khác là chitin, một loại cellulose tìm thấy trong vỏ của các loài động vật giáp xác như tôm, cua và tôm hùm. Cũng như cellulose, chitin là β-polysaccharide. Khác biệt duy nhất của chitin so với cellulose là tại vị trí carbon số 2 của mỗi đơn vị β-glucose, nhóm OH được thay thế bởi một nhóm amide (NHCOCH3). Do đó mỗi đơn vị của polymer cấu trúc này là một phân tử glucose mà tại đó NHCOCH3 thay cho nhóm OH tại carbon số 2. Phân tử này được gọi là N-acetyl glucosamine. Tên gọi này dường như không có gì thú vị, nhưng nếu bạn bị chứng bệnh viêm khớp hoặc các bệnh khớp khác thì bạn có thể đã nghe về nó. N-acetyl glucosamine và dẫn xuất của glucosamine, đều được điều chế từ vỏ của các loài giáp xác, là những phương thuốc hữu hiệu cho các bệnh nhân viêm khớp. Các hóa chất này được cho là có khả năng kích thích tái tạo và hỗ trợ cho chất sụn có trong các khớp xương.

Một đoạn cấu trúc của polymer chitin có trong vỏ các loài giáp xác. Tại C#2, nhóm OH của cellulose được thay thế bởi nhóm NHCOCH3.

Con người và tất cả các loài hữu nhũ khác đều thiếu enzyme tiêu hóa cần thiết để phá vỡ các liên kết β trong các loại polysaccharide cấu trúc, vì vậy chúng ta không thể sử dụng chúng làm thức ăn, cho dù có đến hàng tỷ tỷ đơn vị glucose hiện diện dưới dạng cellulose trong thế giới thực vật. Tuy vậy, có nhiều loại vi khuẩn và động vật nguyên sinh có thể tạo ra các enzyme cần thiết để phân tách liên kết β, và qua đó có thể phá vỡ cellulose thành các phân tử glucose thành phần. Trong hệ tiêu hóa của một số loài động vật có một vài khu vực lưu trữ tạm thời, nơi mà các loài vi khuẩn nêu trên sinh sống, giúp cho vật chủ có thể thu nạp nhiều loại thực phẩm. Ví dụ như manh tràng của loài ngựa - một khoang rộng ở vị trí tiếp giáp giữa ruột non và ruột già - là nơi chứa các loại vi khuẩn này. Các loài động vật nhai lại như bò, cừu có dạ dày gồm bốn túi, một trong các túi đó là nơi chứa các loài vi khuẩn cộng sinh cần thiết. Các động vật này thường ợ ngược lên miệng và nhai lại thức ăn, một sự thích ứng trong hệ tiêu hóa của chúng nhằm mục đích tăng cường sự tiếp xúc với các enzyme có thể phá vỡ liên kết β.

Đối với thỏ và những động vật gặm nhấm, loài vi khuẩn cần thiết sống trong ruột già. Vì trong hệ thống tiêu hóa, ruột non là nơi chất dinh dưỡng được hấp thu, và thức ăn phải đi qua ruột non mới đến ruột già, do đó các loài vật này phải ăn lại phân của chúng để có được các sản phẩm từ quá trình phá hủy liên kết β. Khi các dưỡng chất đi qua hệ tiêu hóa lần thứ hai, ruột non có thể hấp thụ các đơn vị glucose tạo thành từ cellulose suốt quá trình trước đó. Đối với chúng ta, cách thức tiêu hóa thức ăn này dường như là một phương pháp khó chịu để giải quyết các liên kết β liên quan đến vị trí của nhóm OH, nhưng đây thực sự là phương pháp rất tốt đối với các loài gặm nhấm. Một số côn trùng, như mối, kiến đục gỗ và các loài bọ ăn gỗ khác, nuôi dưỡng một số vi sinh vật giúp chúng sử dụng gỗ làm thức ăn, gây ra những tổn hại nghiêm trọng cho nhà ở và các công trình xây dựng. Ngay cả khi chúng ta không thể chuyển hóa cellulose, cellulose vẫn rất quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người. Chất xơ thực vật, chứa cellulose và các chất không tiêu hóa được khác, giúp cho chất thải có thể chuyển động dễ dàng trong đường tiêu hóa của chúng ta.

Polysaccharide tồn trữ

Mặc dù chúng ta không có enzyme để phá vỡ liên kết β, chúng ta có enzyme tiêu hóa tách được liên kết α. Cấu hình α được tìm thấy trong các polysaccharide tồn trữ, tinh bột và glycogen. Là một trong những nguồn cung cấp glucose quan trọng nhất đối với con người, tinh bột được tìm thấy trong rễ, củ và hạt của nhiều thực vật. Tinh bột chứa hai loại phân tử polysaccharide hơi khác nhau, cả hai đều là polymer của các đơn vị α-glucose. 20 đến 30% tinh bột là amylose, một chuỗi mạch thẳng bao gồm vài ngàn đơn vị glucose được nối với nhau bởi carbon số 4 của một phân tử glucose với carbon số 1 của phân tử glucose tiếp theo. Khác biệt duy nhất giữa amylose và cellulose là amylose chứa các liên kết α, trong khi đó cellulose chứa liên kết β. Tuy nhiên vai trò của cellulose và amylose hoàn toàn khác biệt.

Cấu trúc tiêu biểu của chuỗi amylose tạo thành từ sự tách loại một phân tử H2O từ các đơn vị α-glucose. Liên kết là α khi nguyên tử -O gắn với C#1 nằm bên dưới mặt phẳng vòng.

Amylopectin cấu thành 70-80% phần tinh bột còn lại. Amylopectin cũng bao gồm chuỗi dài các đơn vị α-glucose nối với nhau qua carbon số 1 và 4, nhưng nó là một phân tử phân nhánh với các liên kết ngang giữa carbon số 1 của một đơn vị glucose với carbon số 6 của một đơn vị glucose khác, cứ giữa mỗi 20 đến 25 đơn vị glucose lại có một nhánh. Sự hiện diện của hơn một triệu đơn vị glucose trong các chuỗi liên kết làm cho amylopectin trở thành một trong những phân tử có kích thước lớn nhất trong tự nhiên.

Cấu trúc phân nhánh của amylopectin. Mũi tên chỉ liên kết α giữa C#1 và C#6 tạo nên các phân nhánh trong amylopectin.

Bên cạnh việc giúp chúng ta có thể tiêu hóa được tinh bột, liên kết α còn chịu trách nhiệm cho nhiều tính chất quan trọng khác. Các chuỗi amylose và amylopectin tạo thành dạng xoắn ốc trong không gian, khác với cấu trúc xếp chặt tuyến tính của cellulose. Khi các phân tử nước có đủ năng lượng, chúng có thể xâm nhập vào các chuỗi xoắn ốc một cách dễ dàng, do đó tinh bột tan trong nước, trong khi cellulose lại không. Tất cả các đầu bếp đều biết rằng độ tan trong nước của tinh bột phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi hỗn hợp tinh bột và nước được đun nóng, các hạt tinh bột sẽ càng lúc càng hấp thu nhiều nước cho đến khi, tại một nhiệt độ thích hợp, các phân tử tinh bột bị đẩy ra xa nhau, tạo thành một mạng lưới các chuỗi phân tử dài nằm phân tán rải rác trong chất nước. Đây là một hệ gel. Thể huyền phù mờ đục ban đầu trở nên trong suốt, và hỗn hợp bắt đầu đặc lại. Do vậy, các đầu bếp thường sử dụng nguồn tinh bột như bột mì, bột ngô và bột sắn hột để làm đặc các loại nước xốt.

Loại polysaccharide tồn trữ ở động vật là glycogen, được tạo thành chủ yếu trong các tế bào gan và cơ vân. Glycogen là phân tử rất giống amylopectin, nhưng trong khi amylopectin có carbon số 1 liên kết ngang α với carbon số 6 ở mỗi 20 - 25 đơn vị α-glucose, cứ giữa khoảng mười đơn vị glucose trong glycogen lại có một mạch nhánh liên kết α. Kết quả là một phân tử có mức độ phân nhánh rất lớn, đây là một hệ quả rất quan trọng cho động vật. Một phân tử mạch thẳng chỉ có hai đầu, nhưng một phân tử có mức độ phân nhánh cao, với tổng số đơn vị glucose cấu thành như nhau, sẽ có một số lượng đầu rất lớn. Khi đột ngột cần sử dụng một lượng năng lượng lớn, rất nhiều đơn vị glucose có thể được lấy ra từ số lượng lớn các đầu mối của phân tử glycogen để đáp ứng nhu cầu năng lượng này. Khác với động vật, các loài thực vật không có nhu cầu bùng nổ năng lượng một cách đột ngột để thoát khỏi kẻ thù hoặc săn đuổi con mồi, nên năng lượng tích trữ dưới dạng amylopectin ít phân nhánh hoặc amylose mạch thẳng có thể đáp ứng được tốc độ chuyển hóa thấp hơn của thực vật. Sự khác biệt hóa học nhỏ bé này, chỉ là số lượng các mạch nhánh, hoàn toàn không liên quan đến loại liên kết, chính là cơ sở cho một trong những khác biệt cơ bản giữa thực vật và động vật.

Khác biệt trong mức độ phân nhánh giữa tinh bột (bao gồm amylose và amylopectin) và glycogen. Mức độ phân nhánh càng cao, số lượng các đầu mạch càng lớn để các enzyme có thể phá vỡ các liên kết đồng thời tại nhiều đầu và tốc độ chuyển hóa glucose càng nhanh.

Cellulose tạo ra Big Bang

Mặc dù có rất nhiều phân tử polysaccharide tồn trữ trong vạn vật, nhưng lượng polymer cấu trúc - cellulose - còn lớn hơn rất nhiều. Ước tính một nửa số lượng các nguyên tử carbon hữu cơ tồn tại trong cellulose. Mỗi năm, khoảng 1014 kilogram (100 tỷ tấn) cellulose được tổng hợp và phân hủy. Không những có số lượng dồi dào, cellulose còn là nguồn nguyên liệu tái tạo được, do vậy khả năng sử dụng chúng như nguồn nguyên liệu rẻ và sẵn có để tạo ra các sản phẩm mới từ lâu đã là mối quan tâm của các nhà hóa học và các nhà sáng lập doanh nghiệp.

Vào thập niên 1830, các nhà hóa học đã phát hiện ra cellulose có thể hòa tan trong nitric acid đậm đặc và dung dịch thu được khi đổ vào nước sẽ tạo thành một hóa chất dạng bột màu trắng có khả năng cháy nổ rất cao. Việc thương mại hóa hóa chất này phải chờ đến tận năm 1845 với phát minh của Friedrich Schönbein, một nhà hóa học Thụy Sĩ ở Basel. Schönbein đã làm những thí nghiệm với hỗn hợp nitric acid và sulfuric acid tại phòng bếp trong căn nhà của mình, mặc dù vợ ông không đồng ý việc này và cũng dễ hiểu khi bà ngăn cấm ông sử dụng nhà của họ làm phòng thí nghiệm. Trong một ngày đặc biệt, khi vợ ông vắng nhà, Schönbein vô tình làm đổ một ít hỗn hợp acid. Trong lúc vội vàng lau sạch hỗn hợp acid này, ông vớ lấy đồ vật đầu tiên trong tầm tay - chiếc tạp dề bằng vải bông của vợ. Ông dùng nó để dọn sạch hỗn hợp acid vừa bị đổ ra ngoài, sau đó ông phơi chiếc tạp dề đã bị ướt lên phía trên lò sưởi. Không lâu sau đó, với một tiếng nổ cực lớn cùng ánh lửa chói mắt, chiếc tạp dề bốc cháy. Chúng ta không biết được phản ứng của vợ ông sau khi trở về nhà và biết rằng Schönbein vẫn lén lút làm thí nghiệm với hỗn hợp nitric acid trong bếp. Điều được ghi lại chỉ là Schönbein đã đặt tên cho hợp chất của ông: schiessbaumwolle, hay là bông thuốc súng. Bông chứa 90% là cellulose, và giờ đây chúng ta biết rằng bông thuốc súng của Schönbein chính là nitrocellulose, một hợp chất tạo thành khi nhóm nitro (NO2) thay thế nguyên tử H trong nhóm OH tại một số vị trí trong phân tử cellulose. Không cần phải nitrate hóa toàn bộ các vị trí, nhưng sự thay thế này xảy ra càng nhiều thì bông thuốc súng càng có khả năng nổ mạnh hơn.

Cấu trúc điển hình của phân tử cellulose. Các mũi tên chỉ các vị trí mà sự nitrate hóa có thể xảy ra với các nhóm OH tại các vị trí C#2, #3, và #6 trên mỗi đơn vị glucose.

Một phần cấu trúc của nitrocellulose hay “bông thuốc súng” với quá trình nitrate hóa; nhóm -NO2 thay thế -H trong các nhóm OH trong mỗi đơn vị cellulose.

Nhận ra lợi nhuận tiềm năng từ phát minh của mình, Schönbein đã thành lập nhà máy sản xuất nitrocellulose với hy vọng nó có thể thay thế thuốc súng. Thế nhưng nitrocellulose có thể là một hợp chất vô cùng nguy hiểm nếu không được giữ khô và thao tác một cách hết sức cẩn thận. Vào thời điểm đó, ảnh hưởng gây mất ổn định hợp chất của lượng dư nitric acid trong vật liệu chưa được hiểu rõ, và do vậy một số nhà máy đã bị phá hủy bởi những vụ nổ vô cùng khốc liệt, điều này đã đẩy Schönbein ra khỏi lĩnh vực kinh doanh. Phải đến những năm 1860, khi các phương pháp phù hợp được phát triển để tẩy sạch lượng dư nitric acid khỏi bông thuốc súng, nó mới có thể đủ độ bền để trở thành một loại thuốc nổ thương mại.

Sau đó, việc điều khiển quá trình nitrate hóa đã tạo ra nhiều sản phẩm nitrocellulose khác nhau, bao gồm bông thuốc súng với hàm lượng nitrate cao, collodion và celluloid với hàm lượng nitrate thấp. Collodion là hỗn hợp nitrocellulose với nước và cồn, được sử dụng phổ biến trong buổi ban đầu của kỹ thuật ảnh. Celluloid, hỗn hợp nitrocellulose và long não (camphor), được xem là loại nhựa thành công đầu tiên và lúc đầu được dùng làm bản phim cho các hình ảnh chuyển động. Một dẫn xuất khác của cellulose, cellulose acetate, được phát hiện là an toàn hơn nitrocellulose và đã nhanh chóng thay thế nitrocellulose trong rất nhiều ứng dụng. Vào lúc khởi đầu của ngành thương mại nhiếp ảnh và công nghiệp điện ảnh, ngày nay là những công ty thương mại dịch vụ khổng lồ, chúng hoàn toàn chịu ơn cấu trúc hóa học của phân tử cellulose với rất nhiều ứng dụng của nó.

Cellulose không tan trong hầu hết các dung môi, nó chỉ tan trong dung dịch kiềm của một dung môi hữu cơ, carbon disulfide (CS2), tạo thành một dẫn xuất của cellulose gọi là cellulose xanthate. Cellulose xanthate là một hệ keo độ nhớt cao có tên thương mại là viscose. Khi viscose bị ép qua những lỗ nhỏ li ti và những sợi tạo thành được xử lý với acid, cellulose được tái tạo dưới dạng những sợi chỉ nhỏ có thể dệt thành một loại vải có tên thương mại là rayon. Trong một quy trình tương tự, thay vì ép qua những lỗ nhỏ, viscose được ép đùn qua một khe hẹp sẽ tạo thành những tấm cellophane (giấy bóng kính). Rayon và cellophane thường được xem là những loại vải tổng hợp, nhưng chúng không hoàn toàn là vải nhân tạo bởi chúng chỉ khác biệt chút ít so với nguyên liệu ban đầu là cellulose tự nhiên.

Cả α polymer của glucose (tinh bột) và β polymer (cellulose) đều là những thành phần thiết yếu trong chế độ dinh dưỡng của con người và đã, đang và sẽ có những chức năng không thể thay thế được trong xã hội loài người. Thế nhưng chính những vai trò không liên quan đến thực phẩm của cellulose và các dẫn xuất của nó mới là điều đã tạo nên những cột mốc đồ sộ trong lịch sử. Cellulose, dưới dạng bông vải, là nguyên nhân của hai trong số các sự kiện lịch sử vô cùng quan trọng trong thế kỷ 19: cuộc Cách mạng Công nghiệp và cuộc Nội chiến Mỹ. Bông là khởi đầu của Cách mạng Công nghiệp, cuộc cách mạng đã cải biến bộ mặt nước Anh thông qua những cuộc di cư từ nông thôn, đô thị hóa, công nghiệp hóa với tốc độ chóng mặt, những đột phá và phát minh, những thay đổi trong xã hội, và sự thịnh vượng mà nó mang lại. Cũng chính bông đã gây ra một trong những cuộc khủng hoảng lớn nhất trong lịch sử Mỹ; chế độ nô lệ là vấn đề quan trọng nhất trong cuộc Nội chiến giữa những người theo chủ nghĩa bãi nô ở miền Bắc và các tiểu bang ở miền Nam, nơi có hệ thống kinh tế phụ thuộc vào sản lượng bông do nô lệ tạo ra.

Nitrocellulose (bông thuốc súng) là một trong những phân tử hữu cơ gây nổ đầu tiên do con người tạo ra, và việc phát hiện ra phân tử này đã đánh dấu sự mở đầu của nhiều ngành công nghiệp hiện đại ngày nay, mà lúc ban đầu phụ thuộc hoàn toàn vào dẫn xuất nitrate của cellulose: thuốc nổ, nhiếp ảnh, điện ảnh. Ngành công nghiệp sợi tổng hợp, khởi đầu từ rayon - một dạng khác của cellulose - đã đóng vai trò thiết yếu trong việc định hình nền kinh tế thế giới thế kỷ 20. Thế giới của chúng ta sẽ là một nơi hoàn toàn khác nếu không có những ứng dụng của phân tử cellulose.