基金项目:广西科学基金资助项目(桂科自0991024Z);广西培养新世纪学术和技术带头人专项资金资助项目(2004224)收稿日期:2009206219综述与进展

微晶纤维素的研究进展何耀良1,廖小新2,3,黄科林1,6,吴　睿4,王 5,刘宇宏1,黄尚顺1,李卫国1(1.广西化工研究院,广西南宁　530001;2.广西大学商学院,广西南宁　530004;3.广西桂林市建筑设计研究院,广西桂林　541002;4.广西民族大学化学与生态工程学院,广西南宁　530006;5.广西大学化学化工学院,广西南宁　530004;6.广西新晶科技有限公司,广西南宁　530001) 摘　要:微晶纤维素是天然纤维素水解至极限聚合度得到的一种聚合物,广泛用于食品、医药及其他工业领域,本文综述了国内外微晶纤维素的制备研究进展。 关键词:微晶纤维素;研究进展;制备 中图分类号:TQ352 文献标识码:A 文章编号:167129905(2010)0120012205 微晶纤维素(Microcrystallinecellulose,MCC)是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度(LOOP)的可自由流动的极细微的短棒状或粉末状多孔状颗粒,颜色为白色或近白色,无臭、无味,颗粒大小一般在20～80μm,极限聚合度(LODP)在15～375;不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,在稀碱溶液中部分溶解、润涨,在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质,微晶纤维素被广泛应用于医药、食品、化妆品以及轻化工行业。自1875年Girard首次将纤维素稀酸水解的固体产物命名为“水解纤维素”后,100多年以来,微晶纤维素的研究,一直是纤维素高分子领域中的一个热点课题。美国粘胶纤维公司于1957年研究出微晶纤维素的生产方法,于1961年获得原始专利并工业化生产。美国FMC公司于1961年研究开发生产微晶纤维素,目前已经是全美甚至世界上最大生产公司[1]。我国在微晶纤维素研究方面起步较晚,但从20世纪70年代开始我国在微晶纤维素方面生产已初见成效,20世纪80年代国内厂家生产的微晶纤维素逐步取代国外如西方石油公司、日本等公司的产品,到20世纪90年代我国研制的微晶纤维素质量达到国外同类产品的质量标准。 随着科技的发展,为了更大程度降低成本,有效利用资源和加强环保,人们也在不断研究采用更好的原料和更好的方法来生产微晶纤维素,并进一步探究其可能的用途。本文主要根据国内外的有关文献报道综述了利用不同原料制备微晶纤维素的研究进展。1　国内微晶纤维素研究进展111　甘蔗渣微晶纤维素的制备研究甘蔗渣纤维素的聚合度(DP)一般在500～700之间,水解后的平衡聚合度(DP)在100～200之间。甘蔗渣由于灰分高、白度低(灰分为112%～118%,白度为70%～80%),因此要用它来制备微晶纤维素必须进行增白和降低灰分处理。罗素娟[2]选择盐酸(工业级)来催化水解制备微晶纤维素,其流程见图1。其中固液比为1∶15,水解进行35min,即达到平衡聚合度。研究表明以甘蔗渣浆粕为原料生产微晶纤维素是可行的,产品质量符合标准要求,其中得率为82118%,聚合度为120,其颗粒数量分布较均匀,粒径较小,中位粒径1112μm,小于25μm的产品占9211%,水分2142%,灰分0113%,白度90198%,经应用试验,效果良好,母液可以循环使用。生产废水经处理后达到排放要求。第39卷　第1期2010年1月 化　工　技　术　与　开　发Technology&DevelopmentofChemicalIndustry Vol139　No11Jan12010

图1　盐酸催化水解甘蔗渣制备微晶纤维素流程112　稻草微晶纤维素的制备研究稻草中含有40%的纤维素,陈家楠等[3]研究了利用稻草制备微晶纤维素,其制备流程如下:

其中氢氧化钠碱煮浓度为01015mol,温度120℃,时间2h。酸水解条件是:浓度为2mol的盐酸,在80℃下水解1h。然后漂白和洗涤,过滤分离,在80℃下干燥,经粉碎即得到产品。经分析微晶纤维素的尺寸约20～30μm,聚合度约为80～120,结晶度约0175～0180,符合要求。113　大豆皮微晶纤维素的制备研究大豆皮中含有大约65%的膳食纤维、丰富的糖、蛋白质、少量脂肪及其它微量成分。吕艳蓓[4]研究了利用大豆皮来制备微晶纤维素,具体方法为:首先将大豆皮粉碎、过筛(01175mm),然后用浓度为1%的碳酸氢钠溶液在80℃下煮1h。用水洗至中性;用3%双氧水处理015h进行漂白,并用2%亚硫酸钠和水进行漂洗,然后加入5%的盐酸在100℃处理40min,从而得到较好的微晶纤维素产品。114　穿龙薯蓣微晶纤维素的制备研究袁毅等[5]以提取皂苷后的穿龙薯蓣残渣为原料,分离纯化得到纤维素,再经过水解制得微晶纤维素。具体方法为:纤维素制备:先将提取皂苷后的穿龙薯蓣残渣于40℃干燥,以10%氢氧化钠溶液加热煮沸1h,待冷却后分离固形物并用蒸馏水冲洗干净。然后按每g残渣加2mL5%的次氯酸钠溶液的比例,用醋酸调节pH值为510,加热至55℃处理1h。然后过滤,残渣用蒸馏水冲洗至中性,再用95%的乙醇溶液洗涤除杂,最后水洗至无乙醇味,制得纤维素。微晶纤维素制备:将所制得的纤维素在微沸状态下酸解1h,然后于水解液中加入一定量蒸馏水,待固液分层后,分离固形物并用蒸馏水洗至中性。抽滤、烘干、研磨、过筛,制得微晶纤维素。经测定,样品中MCC为9117%,聚合度为164,结晶度为7711%,平均颗粒大小为23121nm。115　杉木微晶纤维素的制备王宗德等[6]以杉木木材为原料,将制取的纤维素利用稀酸水解,制备了微晶纤维素。水解的最佳条件是:使用质量分数为6%的盐酸,m(杉木纤维素)∶m(盐酸)=1∶20,水解温度为92℃,水解时间为25min。产率可达到9416%。 范国荣等[7]以杉木木材为原料,经过漂洗、水洗、水解、水洗、干燥及粉碎程序制备微晶纤维素,通过正交试验,选出了最佳的制备工艺:3%Na2SO3、4%HCl、90℃下水解60min时得率最高(88%);1%Na2SO3、6%HCl、94℃下水解30min时01074mm的通过率最高,粒度为9712(粒度以通过01074mm计算)。116　棉短绒微晶纤维素制备研究目前,国内主要利用棉花或纸浆生产食品级微晶纤维素,这种方法代价较大而且污染严重。徐永建[8]利用棉短绒作为原料生产食品级微晶纤维素很大程度上避免了这些缺点,其方法如下:纤维素浆制备:将捶打到一定程度的棉短绒放入反应罐,并加入10%NaOH、2%H2O2、015%MgSO4和016%Na2SiO3,然后向罐内通入氧气使罐内压力为015MPa,并在120℃加热反应90min,然后冷却、漂白洗涤,制得纤维素浆。微晶纤维素的制备:将漂洗过的纤维素浆放入30%～35%盐酸中(固液比1∶10)在50～60℃下水解60min,冷却后用水稀释2次,并静置24h使析出粉末状沉淀,然后加入5%的稀碱在80～90℃处理40min直至溶液呈中性,然后用离心机分离,并用水洗涤沉淀物2次,过滤至干,再用95%的乙醇淋洗至滤出液体无颜色,然后加入丙酮淋洗1次,放入烘箱在80℃干燥然后粉碎即得产品。经检测发现产品粒度达到食品级微晶纤维素的要求。117　棉短绒纳米级微晶纤维素制备研究GuanYingTing等[9]研究了用棉短绒制备纳米级微晶纤维素,首先将棉花纤维在80℃干燥2h并31第1期 何耀良等:微晶纤维素的研究进展 切成2cm长,并用粉碎机切成015mm的棉短绒。取5g棉短绒与300mL64%的硫酸混合,在室温下搅拌2h,然后离心分离。将蒸馏水300mL和离心所得产物制成悬浮液,加入500mL的塑料瓶中,放入超声仪中超声处理4h,其中每处理20min后用冰浴冷却10min以防止过热,超声处理完成后离心除去剩余的硫酸,将产物用丙酮或蒸馏水洗涤后,再离心除去,最后用喷雾干燥器干燥得微晶纤维素。用激光粒度分析仪检测得平均粒度为97nm,其中90%颗粒小于154nm[10],而且粒度随酸浓度的改变而改变,通过电子透射电镜发现当水解4h后超声处理得到的MCC平均粒度75nm,而当水解20min后再超声处理所得MCC粒径为107nm。GuanYingTing等还研究了纳米级微晶纤维素对于织物的影响。将平整的织物(含棉纤维112g・m-1,聚酯64g・m-1,毛纤维187g・m-1)放入棉短绒纳米级微晶纤维素和水的悬浮液[5g・(300mL)-1]中浸泡2h(其中固液比例为1∶30)并且每间歇20min搅拌1次,然后将织物在100℃干燥30min,并在165℃熟化5min。利用紫外-可见分光光度计检测处理过的织物,发现其紫外线防护系数提高了20%,而其导热性、手感都没有改变,可见将纳米级微晶纤维素涂在织物表面,能够很好地防止紫外光照射。2　国外微晶纤维素研究进展国外对微晶纤维素的研究较早,从1955年开始就已经有相当规模的生产,主要利用稻壳、甜菜浆[11]、甘蔗渣和玉米芯[12]、小麦、大麦、稻草和芦苇杆[13]、花生壳[14]、丝瓜[15]、印度竹[16]等制备微晶纤维素。各国生产的微晶纤维素种类繁多,性质不一,所采用的工艺条件和设备选型也不尽相同。但是,其主要制造原理和基本工艺路线还是一致的,即采用酸水解、洗涤、干燥、粉碎等化工过程制造微晶纤维素。目前工业化生产的方法主要有化学法、机械法,此外还有微生物发酵法即酶解法正在研制发展过程中。211　甘蔗渣等微晶纤维素及硅微晶纤维素(SM2CC)的制备研究 利用甘蔗渣、稻草及棉花秆作为原料制备的微晶纤维素虽然具有很低的化学反应性和较好的可压塑性,但由于它体积密度太小,流动特性不太好,往往在压片过程中得不到预期的产品,当加入其他添加剂例如二氧化硅制成硅化微晶纤维素[17～19]能很大程度避免这些缺点。MohamedEl2Sakhawy等[20]分别利用稻草、棉花杆、甘蔗渣作为原料制备了微晶纤维素,并对压制成的药片性能进行了比较。首先制备纤维素浆,将漂白的甘蔗、棉花杆浆和稻草浆分别用2mol盐酸或硫酸(固液比为1∶10)回流45min,然后用碱中和至中性,用蒸馏水洗涤、冷却并干燥[21]。结果发现利用甘蔗渣制备的MCC的聚合度比用棉花秆和稻草浆制备的MCC聚合度高,而且利用盐酸制备的MCC比用硫酸制的聚合度高,这是由于纤维素和硫酸发生酯化的缘故(用盐酸水解聚合度依次为:317、245、237;用硫酸水解聚合度依次为:299、232、224)。同时发现棉花秆所得MCC晶粒最大(415～6μm),稻草秆最小(3～512μm),且与酸无关。随后MohamedEl2Sakhawy等分别将2%、4%、6%和8%的稻草浆加入甘蔗浆中制成混合浆,各加入2mol硫酸回流45min然后洗涤干燥,再分别加入2%二氧化硅,制成硅化微晶纤维素(SMCC)。将甘蔗渣、稻草、棉花秆制成的MCC和混合浆制成的SMCC制成药片并进行测定分析,从而得知SMCC药片具有较高的流动性和片强度,以及较好的润滑剂敏感性和湿法制粒特性,压制出的药片具有较高的抗拉强度,而二氧化硅的加入并没有影响MCC的性质。212　橘子皮微晶纤维素的制备研究目前MCC的原料很多都是用木材和棉花,成本较高,而桔子皮中含有6215%的α2纤维素,这是一种廉价易得的原料,而每年都有很多果汁饮料厂将大量橘皮扔掉,PaulMadusEjikeme[22]研究了利用橘子皮制备微晶纤维素。首先制备纤维素。除去橘皮中所含的果汁,将得到的果皮切成碎片在105℃烘干变脆,然后在球磨机中碾碎,在216714%(w/w)的氢氧化钠溶液中,加热至80℃脱木质素,将得到的果浆用水连续洗涤,再分别加入513%的次氯酸钠和双氧水漂白得到白色的纤维素产品。制备微晶纤维素:将得到的白色纤维素在215mol的盐酸中于105℃下反应15min,然后将混合物中和、过滤,并用蒸馏水洗涤所得产品,再将产物在69℃下干燥1h,得到的MCC保存在密封的干燥器中。利用元素分析仪和扫描电子显微镜检测发41 化　工　技　术　与　开　发 第39卷