纤维素是一种天然存在的碳水化合物和聚合物，由葡萄糖单元组成的无支链长链构成。它是植物细胞壁中主要的承重组分，通常被认为是地球上含量最丰富的生物聚合物。纤维素分子链聚集形成坚韧的原纤维，增强生物组织的强度，并构成木材和棉花的纤维骨架。纤维素也是生产纸张、再生纺织纤维、薄膜及化学改性材料的重要工业原料。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
发现与化学结构
法国化学家安塞尔姆·帕扬在研究植物材料的组成后，于1838年报告了纤维素的发现。他的研究在木质组织中鉴定出一种难以分解的碳水化合物组分，这一组分不同于其周围的其他物质，由此使纤维素成为化学研究的对象。(acscell.org)
纤维素由D-葡萄糖残基通过β(1→4)糖苷键连接而成：一个残基的1号碳原子通过氧原子与下一个残基的4号碳原子相连。其常用的重复单元式为(C₆H₁₀O₅)ₙ，其中n表示脱水葡萄糖单元的数量。每条分子链所含的单元数，即聚合度，随生物来源和加工方式而变化；木材纤维素可含有数百至数千乃至更多的残基。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
多条分子链通过氢键和范德华力相互结合，形成纤维素微原纤维。其中既有排列有序的结晶区，也有有序程度较低的结构和位于表面的分子链。这些结构的组织方式会影响纤维素的刚度、化学可及性以及抵抗酶促降解的能力。改变植物中纤维素合酶的实验表明，微原纤维结构的变化可以提高纤维素转化为糖的效率。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
分布与生物学功能
纤维素通常约占干燥木材质量的40%—50%。经过精练和漂白的棉花，其纤维素含量可达约99%。这些材料的差异不仅在于纤维素含量，也体现在分子链长度、结晶度及纤维的组织方式上。(fpl.fs.usda.gov)
在细胞壁中，纤维素是复合结构的一部分，该结构还含有半纤维素、果胶及其他组分。许多次生细胞壁还含有木质素，这是一种化学性质不同的聚合物。周围的物质会影响组织的力学性质，以及酶和加工用化学品接触纤维素的难易程度。因此，应将纤维素与木材本身区分开来：木材含有多种主要聚合物，而非单一物质。(genomicscience.energy.gov)
微原纤维的取向有助于决定植物细胞的扩张方式。由于微原纤维具有刚性，它们对不同方向的扩张施加不同程度的限制，从而影响细胞形态和组织结构。例如，对芹菜支持组织的研究测得其中的微原纤维横向尺寸仅为数纳米，并探讨了其内部堆积方式如何影响细胞壁结构。(research.usc.edu.au)
生物合成
植物利用嵌入细胞膜的纤维素合酶合成纤维素。这些蛋白质以尿苷二磷酸葡萄糖这一活化的糖基供体为原料，延长聚合物链。新合成的分子链穿过酶跨膜区域内的通道，到达细胞膜外侧，并在那里聚集成原纤维。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
在种子植物中，纤维素合酶组装成具有特征性莲座状外形的复合体。不同的合酶同工型组合分别参与初生细胞壁和次生细胞壁的形成。结构研究支持这样一种模型：三聚体合酶单元组成更大的复合体，能够生成约由18条分子链构成的微原纤维；不过，纤维素的组织方式因生物和组织而异。(elifesciences.org)
某些细菌也能合成纤维素。比较细菌与植物合成系统的研究发现，尽管两者的合成装置在组织方式上存在差异，但其酶结构和分子链生成机制具有一些保守特征。(elifesciences.org)
物理性质与降解
纯化的纤维素呈白色，无气味，其性质在很大程度上取决于物理形态。它不溶于水和大多数常见溶剂，但可溶于某些专门的溶剂体系。不溶于水并不意味着纤维素不能与水分相互作用：纤维素基材料可以吸收水分，同时保留其聚合物骨架。溶解、溶胀和化学降解是不同的过程。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
纤维素可发生水解，使其糖苷键断裂。微生物产生的纤维素酶是参与这一分解过程的酶。由于纤维素分子链紧密堆积成原纤维，并嵌于其他细胞壁组分之间，要实现高效转化并不容易。实验表明，木质素、木聚糖以及积累的分解产物，都可能抑制纤维素酶与纤维素结合，或阻碍其沿纤维素移动。(energy.gov)
在人类食物中，纤维素属于膳食纤维的一部分，因为人体产生的酶无法将其消化。这种营养学分类不同于工业上将其归类为纤维状聚合物的方式。(ncbi.nlm.nih.gov)
加工与应用
造纸术利用从植物材料中获得的富含纤维素的纤维。化学制浆通过去除纤维周围的大量细胞壁物质，使纤维彼此分离。研究人员也在开发其他制浆工艺，以生产适合后续分离纳米纤维素的富纤维素纸浆。(fpl.fs.usda.gov)
木浆为人造丝和玻璃纸提供纤维素原料。再生纤维的生产过程是先溶解纤维素，再将其重新成形为固态纤维；莱赛尔纤维采用氧化胺溶剂工艺。化学改性则会改变聚合物本身：例如，醋酸纤维素含有经乙酰化的羟基，可用作成纤材料。(cottonworks.com)
纳米纤维素涵盖具有纳米尺度尺寸的纤维素材料。其应用研究涉及包装薄膜、涂层、复合材料、过滤材料和水泥添加剂等领域。这些材料的开发需要控制原纤维尺寸、表面性质和加工行为，而不能将所有来源的纤维素视为可以相互替代的原料。(research.fs.usda.gov)
纤维素也是生产生物乙醇的原料。工业转化通常需要先进行预处理和酶促水解，释放葡萄糖，再通过发酵将其转化为乙醇。如何让酶有效接触纤维素，是这一转化途径面临的主要技术瓶颈。(www1.eere.energy.gov)