朱墨書棋駱　微林春香（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，　福建　福州　350108；2.福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地，　福建　福州 350108）

微晶纖維素的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350108；2.福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地，福建福州 350108）

微晶纖維素（MCC）是可以自由流動的纖維素晶體組成的天然聚合物。它是天然纖維素經(jīng)過稀酸水解并且經(jīng)一系列處理后得到的極限聚合度產(chǎn)物。微晶纖維素作為天然植物纖維原料在化工、輕工、日用化學(xué)品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。論述了微晶纖維素的性質(zhì)、研究現(xiàn)狀、應(yīng)用及其市場前景，較為全面地介紹了微晶纖維素。

微晶纖維素（MCC） 性質(zhì)制備市場前景

微晶纖維素(Microcrystal1ine cellulose，MCC)是由可自由流動的纖維素晶體組成的天然聚合物。它是纖維原料經(jīng)稀酸水解并且經(jīng)一系列處理后得到的極限聚合度的產(chǎn)物[1]。自1875年Girard第一次將纖維素稀酸水解的固體產(chǎn)物命名為“水解纖維素”后，一百多年來微晶纖維素的研究，一直是纖維素高分子領(lǐng)域中一個熱點課題。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，這一曾被視為無法利用的產(chǎn)品，如今卻在生產(chǎn)與應(yīng)用方面取得了迅速發(fā)展。人們對它的制備方法、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進(jìn)行了不斷深入的研究，并將其廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品以及輕化工部門。由于纖維素廣泛地存在于自然界，根據(jù)專家估計，全球每年可生產(chǎn)數(shù)千億t的纖維素，是石油無法比擬的可再生重大資源。

1　微晶纖維素的性質(zhì)

微晶纖維素主要有三個基本的特征:

（1）平均聚合度達(dá)極限聚合度值。

（2）具有纖維素I的晶格特征(晶胞中:心與四角子鏈按同一方向平行排列)，且結(jié)晶度高于原纖維素。

（3）具有極強吸水性，且在水介質(zhì)中經(jīng)強力剪切作用后有生成凝膠體的能力。通常所說的水解纖維素是各類降解纖維素混合產(chǎn)物的總稱，而微晶纖維素僅限于具有上述三個特征的水解纖維素。這個特征是衡量與檢驗是否是微晶纖維素的唯一標(biāo)準(zhǔn)，也是區(qū)分微晶纖維素與水解纖維素的主要的標(biāo)準(zhǔn)。

表明微晶纖維素性質(zhì)的物化指標(biāo)有很多，主要有結(jié)晶度、聚合度、結(jié)晶形態(tài)、吸水值、潤濕熱、容重、粒度、比表面積、流動性、反應(yīng)性能、凝膠性能、化學(xué)成分等。

1.1結(jié)晶度

結(jié)晶度指的是結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分率。結(jié)晶度的大小對纖維素纖維尺寸穩(wěn)定性和密度等都有影響。結(jié)晶度常規(guī)測量方法有X-射線衍線法和紅外光譜法[2]。經(jīng)分析后表明，微晶纖維素都保留著纖維素I的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度和晶體大小都比纖維原料大，結(jié)晶度一般都在0.60以上[3]。

結(jié)晶度可以通過X-射線衍射法測得，計算方法是通過擬合X-射線衍射強度曲線，計算擬合曲線的面積或高度得到結(jié)晶度[2]。紅外光譜法測定結(jié)晶度的測定原理:結(jié)晶區(qū)中的羥基難以被重水取代，但無定形區(qū)中的羥基卻很容易被重水取代，羥基被重水取代后，會表現(xiàn)出不同的紅外譜圖，從而測出微晶纖維素的結(jié)晶度[3]。上述兩種方法測定的結(jié)晶度是有一定差值，結(jié)晶度值只是一個相對值，而不是絕對值[4]。故在比較結(jié)晶度大小時候，一定要以同樣的測試方法為前提。

1.2聚合度

聚合度是指纖維素中的重復(fù)葡萄糖結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。不同原料所得到的MCC的聚合度差別較大。MCC分散性越小，說明MCC的分布均一[5]。從理論上而言，纖維素原料都可以生產(chǎn)不同聚合度范圍的MCC產(chǎn)品。

聚合度的測定方法很多，常用到的有黏度法、超速離心法、滲透壓法等，目前人們常用的是黏度法。黏度法通常用銅乙二銨、銅氨和鉻乙二銨溶液為溶劑，不僅效果好且裝置簡單易操作[6]。

1.3比表面積

比表面積是指單位質(zhì)量顆粒狀物質(zhì)總面積，是評價多孔物質(zhì)性能的重要參數(shù)之一。MCC的比表面積可以根據(jù)氮氣吸附和水蒸氣吸附的BET(Brunner-Emmett-Teller method)測定。在水蒸氣吸附時，由于氫鍵力較弱，當(dāng)MCC浸沒在水中時，氫鍵很容易被破壞。用不同方法和不同處理方式所得到的比表面積不相等。由氮氣吸附法直接得到的是有效面積，而由水蒸氣吸附法得到的是內(nèi)在表面積。

1.4吸水值

吸水值是指MCC在水中潤脹程度的標(biāo)志。顆粒的大孔體積對吸水值影響最大，大孔體積越多，吸水值就越大，但與粒徑無關(guān)。這主要是因為在大孔中保留有大量的粒子間結(jié)合水，在測定吸水值時部分結(jié)合水起決定性的作用。MCC制備成不同濃度的水溶液時其數(shù)值變化將隨著水溶液由起始濃度的不斷增高而增大。當(dāng)濃度增至MCC含量為20%左右時，吸水值達(dá)到最大值(200%～300%)，然后吸水值將隨其濃度的繼續(xù)升高而不斷下降。

1.5可壓性

可壓性是粉狀體被壓制成形的可能性和壓縮物的堅實程度。一般以片劑的硬度衡量可壓性。林均柱等[7]研究了不同MCC樣品在既不相同粒度的MCC且在不同壓力下壓制的片劑硬度。指出同一種原料，其片劑強度隨壓力升高而提高。同一種原料在同一壓力下，粒度越小，接觸面積越大，片劑的強度也越高。

1.6流動性

微晶纖維素具有很好的流動性，不同原料制備的MCC流動性不相同。這與MCC黏結(jié)性和顆粒大小有關(guān)[7]。黏結(jié)性小則流動性較好，顆粒越大，粒間摩擦力小，流動性好。

2　微晶纖維素的研究進(jìn)展

隨著科技發(fā)展，為了更大程度降低成本，有效利用資源和加強環(huán)保，人們也在不斷研究采用更好的原料和方法來生產(chǎn)微晶纖維素，并進(jìn)一步探究其可能的用途。此處主要根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)和報道綜述了利用不同原料制備微晶纖維素的研究進(jìn)展。

2.1國內(nèi)微晶纖維素研究進(jìn)展

羅素娟[8]選擇鹽酸(工業(yè)級)來催化水解制備微晶纖維素。研究表明了以甘蔗渣漿粕為原料生產(chǎn)微晶纖維素是可行的，產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。其中得率為82.18%，聚合度為120，其顆粒數(shù)量分布比較均勻，粒徑比較??；經(jīng)應(yīng)用試驗，效果良好，且母液可以循環(huán)使用，生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后達(dá)到排放要求。

陳家楠等[9]研究了利用稻草制備微晶纖維素；呂艷蓓[10]研究了利用大豆皮來制備微晶纖維素；袁毅等[11]以提取皂苷后的穿龍薯蕷殘渣為原料，分離純化得到纖維素，再經(jīng)過水解制得微晶纖維素；王宗德等[12]用杉木木材為原料，將制取的纖維素利用稀酸水解，制備了微晶纖維素。目前，國內(nèi)主要利用棉花或紙漿生產(chǎn)食品級微晶纖維素，但這種方法代價較大而且污染嚴(yán)重。徐永建[13]用棉短絨作為原料生產(chǎn)食品級微晶纖維素，很大程度上避免了這些缺點。

2.2國外微晶纖維素研究進(jìn)展

國外對微晶纖維素的研究較早，從1955年開始就已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模的生產(chǎn)，主要利用稻殼、甜菜漿[14]、玉米芯[15]、甘蔗渣、小麥、大麥、蘆葦桿[16]、稻草、花生殼[17]、絲瓜[18]、印度竹[19]等制備微晶纖維素。各個國家生產(chǎn)的微晶纖維素種類繁多、性質(zhì)不一，且所采用的工藝條件和設(shè)備選型也不盡相同，但主要制造原理和基本工藝路線卻是一致的，即采用酸水解、洗滌、干燥、粉碎等化工過程制造微晶纖維素。目前工業(yè)化生產(chǎn)的方法主要有化學(xué)法、機械法，此外還有微生物發(fā)酵法即酶解法正在研制發(fā)展過程中。

Mohamed E1-Sakhawy等[20]分別利用棉花桿、稻草、甘蔗渣作為原料制備了微晶纖維素，并對壓制成的藥片性能進(jìn)行了比較；Paul Madus Ejikemet[21]研究了用橘子皮制備微晶纖維素；Foster A和Agblevor·Maha M等[22]分別用酸水解法及酶水解法制備微晶纖維素。

3　微晶纖維素的應(yīng)用

由于微晶纖維素有較低聚合度和較大的比表面積等特殊性質(zhì)，MCC被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品以及輕化工行業(yè)。

3.1醫(yī)藥工業(yè)

在制藥工業(yè)中，微晶纖維素常用作吸附劑、助懸劑、崩解劑、稀釋劑。微晶纖維素廣泛應(yīng)用于藥物制劑，主要在口服片劑和膠囊中用作稀釋劑和黏合劑，不僅可用于濕法制粒也可用于干法直接壓片，還有一定潤滑和崩解作用，在片劑制備中非常有用。

3.2日用化工

微晶纖維素作為拼料，用于許多化妝品、皮膚治療與護(hù)理用品及清潔洗滌劑的制造。

MCC還可用來生產(chǎn)美容液和乳液。與傳統(tǒng)的方法相比，不僅減少了油的用量，使產(chǎn)品不再黏結(jié)，而且適用于油性皮膚；膠體微晶纖維素可部分或完全替代羊毛脂、礦物油、蜜蠟等制成各種清潔或保濕柔軟用膏霜；在牙膏中加入MCC可促進(jìn)葡萄糖醇等生物活性物質(zhì)的活性；利用MCC的助燃特性和黏合作用，可用作電焊條用助燃劑和黏合劑；在陶瓷生產(chǎn)過程中，將MCC加入到陶土中，可提高陶瓷的半成品率，經(jīng)焙燒后該種陶瓷輕盈剔透、質(zhì)地優(yōu)美。除此之外，微晶纖維素還可用于助濾劑、地毯清潔劑、觸媒載體等其他多方面。

3.3食品工業(yè)

MCC可作為食品添加劑，因其天然純凈，無味無毒，不影響色、味、形，而具有獨特優(yōu)勢。因為MCC與人們?nèi)粘Ｋ鶖z人的纖維素組分相同，所以是一種安全、可靠的食品添加劑。微晶纖維素作為食品添加劑主要的功能有:用作乳化劑、泡沫穩(wěn)定劑、高溫穩(wěn)定劑、非營養(yǎng)性充填物、懸浮劑、增稠劑、保形劑和控制冰晶形成劑等。

3.4輕工化工

在陶土中添加微晶纖維素，不僅能增加濕坯的強度，提高半成品率，而且焙燒時燒除纖維質(zhì)能使陶瓷具有質(zhì)輕透明的特色。

微晶纖維素膠液能在玻璃表面上形成極黏的膜式涂層，能為玻璃纖維提供纖維素的表層，使其可以用一般的紡織機器加工。

在涂料中添加微晶纖維素，能夠使涂料具有觸變性，以控制涂料的黏度、流動性與涂刷性能。加人微晶纖維素可以對一些水溶性涂料起到穩(wěn)定和增稠的作用。微晶纖維素還可以用于漆的制造。以纖維素黃原酸鹽制成的微晶纖維素作為觸變劑，能制得用于滲透性吸附材料的吸水乳膠漆。指甲油(尤其是硝基漆型) 加少量微晶纖維素粉末，可以像薄纖維層一樣起增強作用。

在合成革生產(chǎn)中，微晶纖維素粉末作為增黏劑和微孔劑而獲得普遍地應(yīng)用。由于MCC顆粒在二甲基甲酞胺中的潤脹良好，對合成革浸漬液有增黏作用，且在合成革的聚氨醋涂層中產(chǎn)生極細(xì)微的孔隙結(jié)構(gòu)，使得合成革產(chǎn)品彈性好，革質(zhì)柔軟，強度和透氣性均良好，具有真皮的特征和良好的使用性能，因此其作為真皮代用品已得到廣泛應(yīng)用。此外, 微晶纖維素還可作為多功能添加劑。在日本，微晶纖維素作為橡膠和塑料填充劑、復(fù)寫紙配料、過濾助劑、電焊條戮合劑和助嫩劑使用。微晶纖維素還可用于化學(xué)工業(yè)等方面，如在氯堿工業(yè)的離子膜鹽水二次精制上，可作為碳素?zé)Y(jié)管式過濾器助濾劑[23]。

4　微晶纖維素的前景展望

為了進(jìn)一步實現(xiàn)市場效益，人們在不斷的探索利用更廉價的原料和更為環(huán)保的方法來制備微晶纖維素，并積極探究其潛在的其他用途。例如，美國生產(chǎn)了一種能夠穩(wěn)定水溶性乳膠的微晶纖維素，用于制備防化學(xué)輻射防護(hù)涂層；另外，一種商品名為Anvory的微晶纖維素，具有很高的密度(1.52 kg/m3)，熱解后能生成與碳、石墨、金剛石相似結(jié)構(gòu)的牢固物質(zhì)；美國FMC公司研究開發(fā)的硅化微晶纖維素，已廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域。可以看出，微晶纖維素具有很大的研究空間和廣闊的市場前景。

目前微晶纖維素已經(jīng)進(jìn)入全面應(yīng)用階段，特別是在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、日用化工、合成革工業(yè)中的應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展。作為天然植物纖維的原料制品，微晶纖維素具有先天優(yōu)勢和獨特性質(zhì)，成為多功能的助劑，代替合成產(chǎn)品，從而開辟微晶纖維素的應(yīng)用途徑。

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林春香，lcx2010@fzu.edu.cn

朱墨書棋（1991—）女在讀研究生研究方向為環(huán)境友好材料，聯(lián)系郵箱：370525592@qq.com