食品食品加工中的增稠剂_六_羧甲基纤维素钠

2010年第3期总第133期 www.cmrc.com.cn 肉类研究 MEAT RESEARCH 　2010.3 ���� ���� 羧甲基纤维素钠 刁静静 (黑龙江省农产品加工工程技术研究中心，黑龙江 大庆　163319) 摘　要：羧甲基纤维素钠属于改性天然纤维素，在食品应用中起到优良的功能特性。本文阐述了 CMC的结构性质，并总结了其在食品工业中的应用特性，以便开发出CMC新的功能性产品，推动食品 工业的发展。 关键词：羧甲基纤维素钠；分子结构；功能性质 Sodium Carboxymethyl Cellulose DIAO Jingjing （Agri-Food processing Development centre of Heilongjiang, Daqing Heilongjiang 163319 China） Abstract：Sodium carboxymethyl cellulose (CMC) belonged to reshaped native cellulose, possessed superordinary function characteristic in food appliciation. The paper explained constitutional characteristic of CMC, summarized application property in food industry. In order to new function characteristics of CMC were developed, and impulsed the development of food industry. Key words: sodium carboxymethyl cellusose; molecular structure; function characteristic. 中图分类号：TS202　　文献标识码：A　　文章编号：10 0 1- 8 1 2 3 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 0 6 6- 0 3 收稿日期：2010-01-14 羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose，CMC），是纤维素的羧甲基化衍生物，又 名纤维素胶，是最主要离子型纤维素胶。CMC通常是 由天然纤维素与苛性碱及一氯醋酸反应后制得的一种 阴离子型高分子化合物，化合物分子量从几千到百万 不等。分子的单位结构为图1所示。CMC属于天然纤 维素改性，目前联合国粮农组织（FAO）和世界卫生 组织（WHO）已正式称它为“改性纤维素”[1]。 羧甲基纤维素钠的合成方法是由德国人E. Jansen于1918年发明的，并于1921年获准专利而见诸 于世，此后便在欧洲实现商业化生产。CMC当时只为 图1 CMC的结构图 粗产品，作胶体和粘结剂使用。1936-1941年，羧甲 基纤维素钠工业应用研究相当活跃，发表了几个相当 有启发性的专利，第二次世界大战期间，德国将CMC 用于合成洗涤剂中作为抗再沉积剂，并作为某些天然 食品食品加工中的增稠剂(六) Thickening and Gelling Agents for Food Process ing(Ⅵ) ���� 肉类研究 2010年第3期总第133期 ���� 胶（如明胶，阿拉伯胶）的代用品，使CMC工业得 到很大的发展。美国Hercules公司于1943年开始CMC 的工业生产，并于1946年生产精制羧甲基纤维素钠产 品，该产品被认可为安全食品添加剂[2]。CMC因具有 许多特殊性质，如增稠、粘结、成膜、持水、乳化、 悬浮等，且本身无毒、无嗅、不易发酵、热稳定性好 等特点而被广泛应用于石油、地质、日化、食品、医 药等行业，被誉为“工业味精”[3,4]。本文对CMC的 结构和性质，及其在食品工业中的应用做了详细的阐 述，并展望其发展前景。 1　CMC的结构特性 CMC为白色或微黄色粉末、粒状或纤维状固 体，是一种大分子化学物质，能够吸水膨胀，在水中 溶胀时可以形成透明的黏稠胶液，水悬浮液的pH值为 6.5-8.5。该物质不溶于乙醇、乙醚、丙酮和氯仿等 有机溶剂。固体CMC对光及室温较稳定，在干燥的环 境中，可以长期保存。 CMC是纤维素醚的一种，通常是以短棉绒（纤 维素含量高达98%）或木浆为原料，通过氢氧化钠 处理后再与一氯乙酸钠反应而成，化合物分子量 6400（±1000）。通常有两种制备方法：水煤法和溶 媒法[5]。也有其他植物纤维被用于制备CMC[6,7]。 商品用的CMC有食品级及工业级之分，后者带 有较多的反应副产物。衡量CMC质量主要指标是取代 度（Degree of substitution, DS）和聚合度。CMC 的实际取代度一般在0.4－1.5之间，食品用CMC的取 代度一般为0.6－0.95，近来修改后的欧洲立法允许 将DS最大为1.5的CMC用于食品中[8]。一般来说，取 代度不同，CMC性质也不同；DS增大，溶液透明度 和稳定性越好。据报道，CMC取代度在0.7-1.2时透 明度较好，其水溶液粘度在pH6-9时最大[9,10]。取代 度决定了CMC的性质，而取代基的分布也会对产品性 质产生影响，DS和取代基分布的准确测定是优化反应 条件、确定结构性质关系的先决条件。羧甲基可以在 葡萄糖单元（AGU）的2、3、6位上发生取代，有八 种可能的结构单元（无取代：C2；C3；C6、C2；C3； C2；C6；C3；C6；C2；C3；C6）构成了高分子链。不 同高分子链中重复单元的分布也可能是不同的。 CMC的聚合度影响产品的黏稠度，聚合度指纤 维素链的长度，决定着其黏度的大小。纤维素链越长 溶液的黏度越大，CMC溶液也是如此，CMC的黏度 大小与溶液酸碱度、加热时间的长短、溶液中是否存 在盐等因素有关。一般低黏度产品质量稳定，而高 黏度的产品在湿热天热时粘度不稳定，影响使用[11]。 CMC溶液是假塑性流体，随剪切速率增加，表观黏 度降低，与剪切时间无关，当剪切停止时立即恢复到 原有黏度；干态的CMC能够耐140-150℃的温度几分 钟；和大多数溶液一样，当温度升高时CMC溶液黏度 降低，冷却后恢复，但长时间高温可能引起CMC降解 而导致黏度降低；随着溶液pH值的降低，黏度下降， 这是由于酸性pH值条件下，羧基被抑制电离而导致黏 度下降[12,13]。另外CMC所产生的黏稠度还与溶液的pH 值、溶液中是否存在盐、加热时间长短有关。pH值7 左右时，对黏度的影响较少，保护胶体性最佳；pH低 于3时CMC可以发生沉淀现象；pH为10或更高时，黏 度有微小的增高现象；含有1%柠檬酸或乳酸和5%乙酸 的CMC溶液可在室温下保存数月之久而不发生明显的 变化。遇二价金属离子则生成盐而沉淀，是去黏性， 聚合度越大，醚化度越小，则越易受盐类的影响[14]。 2　CMC的功能特性及其在食品工业中的应用 CMC在食品应用中不仅是良好的乳化稳定剂、 增稠剂，而且具有优异的冻结、熔化稳定性，并能提 高产品的风味，延长贮藏时间[15]。1974年，联合国粮 农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）经过严格 的生物学、毒理学研究和试验后，批准将纯CMC用于 食品，国际标准的安全摄入量（ADI）是25mg/kg体 重/日，即大约没人一天约1.5g。 2.1　增稠和乳化稳定性 食用CMC对含油脂蛋白质的饮料可以起到乳化 稳定的作用。这是因为CMC溶解在水里后成为一种 透明的稳定胶体，蛋白质粒子在胶体膜的保护下成为 带同一电荷的粒子，就可以使蛋白质粒子处于稳定状 态。它又有一定得乳化作用，所以同时又可降低脂肪 和水之间的表面张力，使脂肪充分乳化。CMC可以提 高产品的稳定性，这是由于当产品的pH值偏离蛋白质 的等电点时，羧甲基纤维素钠能与蛋白质形成一种复 合结构，这种结构可以使产品的稳定性提高。 2.2　提高膨松度 将CMC用于冰淇淋中，可以提高冰淇淋的膨胀 度，改进融化速度，赋予良好的形感和口感，并可以 在运输和存储过程中控制冰晶的大小和生长，使用量 按总量的0.5%的配比添加。这是由于CMC具有较好 的保水性、分散性，将胶体中的蛋白粒子、脂肪球、 水分子有机地结合起来，形成一个均匀稳定的体系。 2.3　亲水性和复水性 CMC的此种功能性质一般用于面包生产，可使 蜂窝均匀、体积增大、减少掉渣，同时还有保温保鲜 的作用；添加CMC的面条持水性好，耐煮、口感好。 这是由CMC的分子结构决定的，它是纤维素衍生物， 在分子链中有大量的亲水性基团：-OH基、-COONa 2010年第3期总第133期 ���� ���� 基，因此CMC具有比纤维素更好的亲水性和持水性。 2.4　凝胶化作用 触变性CMC是指大分子链有一定数量的相互作 用，倾向于形成三维结构，形成三维结构后，溶液黏 度表现增高，打破三维结构后，黏度表现下降，触变 现象就是表观黏度变化依赖于时间。具有触变性的 CMC对胶凝体系有重要的作用，可以用来制作果冻、 果酱等食品。 2.5　可作为澄清剂，泡沫稳定剂，增加口感 CMC可用于酒类生产，使口感更为醇厚、馥 郁，后味绵长；在啤酒生产中可用作啤酒的泡沫稳定 剂，使泡沫丰富持久，改善口感。CMC是一种聚电解 质[16]，在葡萄酒中可能参与了保持酒体各类平衡的反 应，同时还与已经形成的结晶结合，改变了晶体的结 构，使晶体在葡萄酒中的存在条件发生变化，引起沉 淀物的聚沉。 3　展望 由于CMC是一种无毒副作用的食品添加剂，所 以随着人们对食品质量要求的提高，CMC将会有广阔 的发展空间。CMC除了在食品工业中具有一定得功 能特性，在电子、农药、皮革、塑料、日用化工等领 域也具有优异的性能，所以我们应该着力于深入研究 CMC的特性，以便于开发出多种应用领域，而且继续 研究其在食品工业中的功能稳定性，使其能满足不同 的应用条件。 参考文献 [ 1 ]　詹志萍. 羧甲基纤维素钠的内在质量及其对 酸 性 食 品 质 量 的 影 响 [ J ] . 中 国 食 品 添 加 剂 . 1997(4):38-39. [2]　高勃, 汤烈贵. 纤维素科学[M]. 北京: 科学出版社. 1996. [3]　隋卫平, 姜秋. 甜叶碱与羧甲基纤维素钠相互作用 的研究[J]. 济南大学学报. 1994, (3):90-92. [4]　郑忻, 郑荟. 发展纯级羧甲基纤维素钠有关问题的 探讨[J]. 煤炭科技。 2002，（4）：11-13. [5]　Togrul, H., Arslan, N. Production of carboxiymethyl cel lulose from sugar beet pulp cel lulose and rheological behaviour of carboxymethyl cellulose[J]. Carbohydrate polymers. 2003, 54(1):P. 73-82. [6]　Kutsenko, L. I. Synthesis of carboxymethyl cellulose based on short fibers and lignified part of flax pedicels (boon)[J]. Journal of applied chemistry. 2005,78(12)： 2014-2018. [7]　李静. 羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸 性乳体系的稳定作用[D]. 上海交通大学硕士 集. 2007, 1. [8]　Phillips, G. O., Williams, P.A. Handbook of hydrocolloids, ed. G. O. Phillips, Williams, P. A.[M]. 2000, USA : Woodhead publishing Ltd. 219-229. [9]　蒋萍初, 白曼. 离子型表面活性剂临界胶束浓度的 研究―不同添加剂对CMC的影响[J]. 上海师范大 学学报（自然科学版）. 1994, (1):44-46. [10] 刘祥. 高粘度羧甲基纤维素钠的研制[J]. 安徽工业 大学学报. 2001,(2): 114-116. [11] 李素芬, 徐振兴, 祝艳敏. 稳定CMC粘度的方法[J]. 河北化工. 1992, 1: 19-20. [12] Diego G. D., Jose M. et al. Rheology of food stabilizers blends[J]. Journal of food engineering. 2004, 64: 143-149. [13] Diego G. D., Jose M. et al. Rheology of aqueous solutions of food additives: Effect of concentration, temperature and blending[J]. Journal of food engineering. 2003(56):387-392. [14] 张丽平, 余晓琴. 羧甲基纤维素钠（CMC）在食品 工业应用的情况和研究动态[J]. 2006, 1: 119-125. [15] 徐季亮. 羧甲基纤维素钠在冰淇淋中的应用[J]. 冷 饮与速冻食品工业. 1999(4):22-24. [16] Rodriguez C. R., Correa G. I., De C. J. A new method for the stabilization of wines with respect to the potassium bitartrate precipitation [J]. American Journal of enology and viticulture. 1990, 41(1):16~20. 大 学 论 坛