微晶纤维素质量影响因素的探讨

微晶纤维素质量影响因素的探讨 徐永建．敬玲梅 (陕西科技大学造纸学院，陕西省造纸技术与特种纸品开发重点实验室) (教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西科技大学，西安，710021) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．摘 要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ： 分析了采用不同原料制备微晶纤维素(MCC)的特点及工艺参数的改变对MCC的聚合度 ： (DP)、圆整度等的影响。表明对木材，禾本科类采用先预水解处理后再用乙酸乙醇法制备MCC，可获 ； 得高纯度Mcc，探讨了漂白、干燥、粉碎等工艺过程对Mcc质量的影响。 ： 关键词：微晶纤维素 酸水解预处理 乙酸乙醇法 微晶纤维素(MicrocrystallineCellulose简称 MCC)是可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合 物．它是纤维原料经稀酸水解并经一系列处理后得 到的极限聚合度的产物【1】。目前MCC在制药、食品、 皮革等行业中作为崩解剂、稳定剂以及增黏剂等已 经有着广泛的应用．利用MCC的特性创造经济效益。 但是国内生产的MCC跟国外相比还有着一定的差 异，导致价格低了数倍，为了提高国产MCC的质量， 需要对影响MCC质量的因素进行分析．但更多的是 要进行大量的实验来证实这些因素的具体影响范 围．并最终使MCC产品有实质性的发展。 影响MCC质量的因素很多，主要是原料和工艺， 而原料和工艺又是相互联系和制约的，不同的原料 必须采用相应的工艺来制备微晶纤维素。 1原料与工艺 制备MCC的原料中。棉和木材在生产中已经得 到应用．而其他的原料如棉短绒，针织物下脚料等也 有研究．但还未达到工业化规模。不同的原料需要 采用不同的工艺．国外的生产工艺已经比较完善，且 获得的产品质量也较高．而我国的工艺由于其原料 ·收稿日期：2009—7—19 10 的不同则发展较慢．使得国内的MCC质量还有待提 高。与国外产品相比。我国MCC的流动性较差。圆整 度、粒径差别较大，干法制粒困难，不同条件下崩解 性差异大。因此在生产工艺上希望能有实质性的改 进，达到低污染、低能耗生产MCC的目的。 1．1木材制备微晶纤维素 国外MCC产品是以特殊等级的高a一纤维素含量 的纯木材纤维素为原料。其工艺如下： 原料中j／t／HCl在105℃下处理15分钟_洗涤、干 燥一5％悬浮液在WARING捏合机中混合30分钟一 胶体微晶纤维素一干燥_MCC产品。 产物商品名为AVICEL微晶纤维素(食品级、医 药级)和AVIVIN微晶纤维素(工业级)Ⅲ。而国内采用 木材制备的MCC质量不及国外的水平．常常应用于 较低层次。 1．2棉制备微晶纤维素 以棉为原料生产微晶纤维素。是国内传统采用 的方法。其工艺为： 催化水解一+过滤洗涤．+低温干燥_+机械造粉． 水解用稀盐酸做催化剂，若采用含有少量硫酸 的盐酸做催化剂，产品的得率和白度都有所提高。水 解后的物料采用清水洗涤或用碱中和洗涤的方法把 镒 万方数据 产品洗至中性。低温干燥后进行造粉，可以采用喷雾 流化造粉或气流粉碎造粉．把产品粉碎至要求的范 围。这样可以制得质量较高的微晶纤维素。 1．3甘蔗渣制备微晶纤维素 甘蔗渣与其他原料的最大区别在于其灰分高、 白度低，灰分通常在1．2％。1．8％之间。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。甘蔗渣_预处理_加盐酸、助剂 水解_加水、除灰剂洗涤一干燥、造粉_MCC产品。 甘蔗渣灰分组成除了机械杂质以外．主要成分 是Ca，Na，Fe，Si等，要降低灰分，必须进行二步处理， 首先通过漂洗的方法除去机械杂质．然后加人除灰 剂。把灰分降低至要求的范围。 用甘蔗渣制备的微晶纤维素．可以用于食品工 业、化妆品工业、人造革生产以及其它工业生产上。 1．4农作物类制备微晶纤维素 秸秆在我国的产量相当大．但其利用率却不高． 在农村，像稻草、麦秆、玉米杆等往往是被焚烧处理， 不仅危害环境还浪费资源。可采用以下工艺制备 MCC，使农作物能得到高值化利用。其工艺如下： 原料。蒸煮一+洗涤。漂白_脱水，酸水解一洗 涤。漂白_÷烘干．粉碎叶MCC产品 · 1．5豆皮微晶纤维素的制备 大豆皮制备MCC不仅增加食品中铁的含量．还 含有丰富的糖、蛋白质等营养成分。利用食品加工过 程中的下脚料来制备MCC是提高原料综合利用的有 效途径田。其工艺过程如下： 大豆皮粉碎、过筛(80目卜+NaHCO，溶液在80％ 下处理ldx时_漂白叶100℃下酸处理40分钟一MCC 产品。 1．6其他 根据MCC的用途不同，还可采用其它方法生产。 例如用于电焊条等生产上使用的MCC．可以采用针 织物的下脚料、稻草、木屑、竹粉等制取，不但来源方 便，而且产品价格低廉。其制备方法如下： 15％一20％碱液除杂_÷洗涤除碱一+lO％盐酸95． 1000C下处理l小时-÷离心分离一水洗至中性一千 燥、粉碎、筛选_MCC产品 事实上．只要是含植物纤维的原料都可以制备 蒜津造纸拶＼国皿圈团皿 MCC。像国外还有采用橘皮制备MCC的。但需综合 考虑各项因素．选择合适的原料制备不同用途的 MCC，才能达到高值化利用的目的。 2生产中工艺改变对MCG质量的影响 国内制备MCC的工艺大都是有调整空间的．但 这些都需要通过大量的实验才能确定工艺中各个参 数对产品的影响．从而提高产品质量。 2．1酸水解对MCC的影响 聚合度(DP)、结晶度指标、表面粗糙度、完整 度，都跟水解因素(P<0．05)有很大关系。水解的三个 变量分别是浓度、时间、温度。DP随着HCI浓度和温 度的增加而减少．MCC聚合物链的规律性不受水解 浓度、温度和时间的影响，而表面粗糙度和圆度随选 择变量的增加而增加。MCC产品微粒的形态和表面 平滑度随着HCL浓度、温度、时间的增加而增iJI][31。 2．2工艺改变对MCC的影响 木材、禾本科作为广泛应用的纤维原料．含纤维 素、半纤维素、木素三大部分，为了制备高纯度的 MCC．陕西科技大学正在着手研究经水或弱酸预处 理除去半纤维素后．再采用乙醇自催化法或乙酸乙 醇法脱木素，再经洗涤、漂白、干燥等获得MCC的方 法，这样获得的产品质量和纯度都较高。采用预处 理技术使后面木素沉淀减少了半纤维素的干扰．为 制备高纯度MCC仓'J造条件。且采用乙醇脱木素既环 保又经济．乙醇也可回收利用．但这些都还处于研究 阶段，要想工业化还有待更深入的研究。 2．3不同行业生产中的影响 MCC在制药、食品、皮革等行业的运用已经相当 广泛。MCC在这些行业中的运用如果不恰当也会引 起MCC产品质量的下降。像在食品行业中。MCC由 于其胶体特性而作为稳定剂．如果未将纤维素的无 定形区除去．则制得的产品不会具有胶体特性。不能 作为摇溶剂运用于乳制品等。而对于制药行业．高 的容积密度有利于压片．而在压片过程中提高MCC 粉未流动性有利于稳定压片质量。药片的抗张强度 部分取决于制粉基底的压缩性和药片的加速压缩恢 复性。高的可压缩性和塑性导致高的抗张强度，抗 张强度的减少使药片的加速压缩恢复性伴随着多孔 性的产生。加速压缩恢复性随着水解因素的增加而 万方数据 天津造妊国皿日圈衄，矿、 减少．经初步研究MCC的吸水性与多孔性有很大关 系131。 同样如果MCC的特性不能满足该行业的要求。 也会影响产品质量，像MCC的粒度，吸水性，流动性 等对药粒的粒径、休止角、均匀度、脆碎度、松密度和 轻敲密度有很大的影响14】。 2．4其他 国内的MCC微观形态往往是棒状或椭圆状．而 国外的MCC的整体表现为粗糙的球形．表面是密集 的薄片[S1．微观上的差异导致宏观上产品质量的不 同。且通过比较国内#bMCC的特性，其粒度、流动性， 崩解性等的差异[61。造成这些结果的原因可能是原 料、水解因素以及未采用流化干燥工艺造成的。这 些问都有待研究者的不断努力才能得到改进。 改进MCC-E艺不能只看前面的酸处理等过程． 还要注重后期加工的作用。同样未经加工的MCC随 着研磨时间的不同，其吸水性也不同。是随时间的增 加而增加的[51。国内与国外MCC粒度分布的差异是 否可以通过不同粒度的MCC按一定配比混合来弥补 等．都是需要研究的课题。 针对不同用途的MCC．其在漂白段也是有严格 要求的．尤其是药用和食品级的MCC中的氯化物含 量要低于0．03％。除了常用的过氧化氢漂外。还可采 用臭氧．氧碱漂等工艺。而采用不同的干燥粉碎工 艺．得到的MCC的粒度也会不同。从而影响MCC的流 动性等。 总的来说．要制备高质量的MCC必须对MCC的 12 特性有着充分的理解．对MCC制备工艺有着探索和 创新的精神．对提高MCC质量的途径应该有着更广 的思维，从而使我国的MCC能够达到世界领先水平． 创造更多的经济效益。 参考文献： ⋯1王宗德，胡庆国．微晶体纤维素的特性及其应用 田．江西林业科技2000，26—28 [2】2罗素娟，浅谈微晶纤维素的生产和制备过程【I】， 广西化纤通信。1998年第1-2期，26—28 『31吕艳蓓，利用大豆皮制备微晶纤维素的初步研究 Ⅱ】，食品研究与开发，2007年V01．28NO．06，77—79 [4】Jen—SenWu、Hsiu—OHo、Ming—ThauSheu．A statisticaldesigntoevaluatetheinfluenceofmanufac- turingfactorsonthematerialpropertiesandfunction- alitiesofmicrocrystaUinecellulose【『】．EuropeanJournal ofPharmaceuticalSciences12；2001 【5】王文刚、崔光华，离心制粒工艺制备微晶纤维素 空白微丸的研究田，解放军药学学报第五期第18 卷．268-271 【6】S．ARDIZZONE、F．S．DIOGUARDI、T． MUSSINI、P．R．MUSSINI、S．1支ONDININI、B． VERCELLIandA．VER．TOVA．Microcrystallinecel— lulosepowders：structure，surfacefeaturesandwater sorptioncapabilityU】．Cellulose6；1999 [7】黄桂华、李爱国，国产与进口微晶纤维素性能的 比较Ⅱ】，中国医药工业杂志2003．34(11)，561-563 作者简介： 本课题得到陕西省重点实验室项目“棉短绒综合利用”的资助．TQ类 徐永建，(1970生-)，性别：男，籍贯：陕西西安，职称：教授 学位：博士．主要从事低污染／溶剂制浆技术和植物纤维资源化研究 电话：029—86168238：E—mail：xuyongjian@sust．edu．ca 万方数据 微晶纤维素质量影响因素的探讨 作者： 徐永建， 敬玲梅 作者单位： 徐永建(陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术与特种纸品开发重点实验室)， 敬玲梅 (教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室,陕西科技大学,西安,710021) 刊名： 天津造纸 英文刊名： TIANJIN PAPER MAKING 年，卷(期)： 2010,32(1) 参考文献(7条) 1.黄桂华;李爱国 国产与进口微晶纤维素性能的比较[期刊]-中国医药工业杂志 2003(11) 2.S ARDIZZONE;F S DIOGUARDI;T MUSSINI;P.R.MUSSINI S.RONDININI B.VERCELLI A.VERTOVA Microcrystalline cellulose powders:structure,surface features and water sorption capability 1999(06) 3.王文刚;崔光华 离心制粒工艺制备微晶纤维素空白微丸的研究[期刊论文]-解放军药学学报 2002(05) 4.Jen-Sen Wu;Hsiu-O Ho;Ming-Thau Sheu A statistical design to evaluate the influence of manufacturing factors on the material properties and functionalities of microcrystalline cellulose 2001(12) 5.吕艳蓓 利用大豆皮制备微晶纤维素的初步研究[期刊论文]-食品研究与开发 2007(06) 6.罗素娟 浅谈微晶纤维素的生产和制备过程 1998(1-2) 7.王宗德;胡庆国 微晶体纤维素的特性及其应用[期刊论文]-江西林业科技 2000 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tjzz201001003.aspx