Почему целлюлоза может веками лежать в воде, а крахмал нет?

Коротко: и целлюлоза, и крахмал состоят из глюкозы, но «сборка» у них разная. Из-за этого целлюлоза образует практически нерастворимые, плотно упакованные кристаллические пучки, почти недоступные воде и ферментам, а крахмал легко набухает, диспергируется и быстро съедается микробами. Поэтому целлюлоза может лежать в воде годами, а крахмал — нет.

Чуть подробнее по пунктам:

1. Тип связи и форма цепи

• В крахмале глюкозы соединены α-(1→4) и (в амилопектине) α-(1→6) связями. Цепи сворачиваются в рыхлые спирали, амилопектин ещё и сильно разветвлён — много «концов», куда легко подступиться воде и ферментам.

• В целлюлозе — β-(1→4) связи. Такие цепи строго вытянутые и выстраиваются параллельно.

2. Водородные связи и кристалличность

• Целлюлозные цепи плотно «склеены» множеством внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей. Из них формируются микрофибриллы с высокой степенью кристалличности. Вода туда почти не проникает, доступ к гликозидным связям закрыт.

• Крахмал гораздо более аморфен (особенно после набухания/желатинизации), вода легко его пронизывает.

3. Растворимость и физическое поведение в воде

• Целлюлоза в холодной воде практически не растворяется и слабо набухает. Без кислот/щелочей или специальных растворителей её гидролиз идёт чрезвычайно медленно.

• Крахмальные гранулы уже в тёплой воде желатинизируются: цепи выходят из упорядоченной упаковки, образуется клейстер/гель. Это многократно увеличивает доступность связей для гидролиза.

4. Биология и ферменты

• Крахмал — запасной полисахарид растений. В природе повсюду есть амилазы (у бактерий, грибов, животных), они быстро расщепляют α-связи. Даже если просто оставить крахмал в воде, микрофлора его «подберёт» и довольно скоро разложит.

• Целлюлоза — структурный материал. Ферменты, разрушающие β-(1→4) связи (целлюлазы), есть у сравнительно узких групп микроорганизмов. Вода без активной целлюлолизной микрофлоры целлюлозу почти не берет; да и плотная кристалличность сильно мешает даже тем микробам, что могли бы её есть.

5. Степень полимеризации и ветвление

• У целлюлозы обычно выше средняя длина цепей, меньше «концов» и нет разветвлений — меньше слабых мест.

• У крахмала (особенно амилопектина) много разветвлений → много концов цепей → быстрый старт гидролиза.

Итог: крахмал физически разбухает и становится доступным для воды и амилаз, поэтому в естественных условиях быстро разлагается. Целлюлоза из-за β-связей, кристалличности и слабой растворимости инертна: в нейтральной воде без специфических ферментов и агрессивной химии она может сохраняться очень долго, вплоть до веков.