CN1173904A - 微原纤化纤维素和从初生纤维外壁植物纸浆,尤其从甜菜纸浆生产它的方法 - Google Patents
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Abstract
含有至少约80%初生外壁和载负羧酸的微原纤化纤维素,及其制备方法,尤其从甜菜纸浆制备,其中纸浆在中等温度60—100℃下水解;使用浓度低于9wt%的碱进行至少一次纤维素的提取;和通过混合、研磨或任何高机械剪切加工将纤维素残留物均化,之后让细胞悬浮液通过小直径的锐孔,让悬浮液经受至少20MPa的压降和经受高速剪切作用,随后经受高速的减速冲击。该纤维素的突出之处在于纤维素的悬浮液在脱水之后能够再生。
Description
本发明涉及新型薄壁组织纤维素和其生产方法。更具体地说,本发明涉及新型的微原纤化纤维素和从初生纤维外壁植物纸浆,尤其从提取糖类后的甜菜纸浆生产它的方法。
纤维素是具有重要工业价值的、有许多用途的物质,它包括:
-食品应用,作为增稠剂稳定分散液、乳液和悬浮液,用于低热量食品,低脂肪或低胆甾醇食品等;
-工业应用,用于涂料,纸张,纺织品,农业,化妆品等;
-药物应用,如药剂的赋形剂,沉淀控制剂,膏剂或乳剂载体,肠内传输剂,等;
迄今,所有的纤维素具有各种各样的缺点。
Weyerhaeuser的WO93/11182描述了具有网状结构的细菌纤维素。除了非常昂贵以外,这类细菌纤维素还在食品应用中引起污染问题。
ITT工业公司的FR-A-2472628描述了主要由从木纸浆获得的次生外壁组织构成的微原纤化纤维素。一旦脱水后这一纤维素不能调和成悬浮液。这会引起突出的贮存和运输问题,因为悬浮液的最大纤维素含量为大约4%。
为了试图克服上述缺点,ITT工业公司的FR-A-120471描述了可再分散的干燥次生外壁组织(因为它是从木纸浆获得的)微原纤化纤维素,其特征在于存在阻止在纤维素纤丝之间形成氢键的添加剂。添加剂的量是很大的(至少相对于纤维素的50wt%,优选至少相对于纤维素的同样量)。该添加剂例如是多羟基化化合物,如含有5-6个碳原子的糖或二醇,硼酸盐或碱金属磷酸盐,非质子传递溶剂,胺或季铵化合物。除了定义“纤维素”被不适宜地表示至多半纤维素的产品以外,这一“纤维素”是高成本的并不适合于所有的应用。此外,若不加入添加剂,这一纤维素在干燥后仅仅能够恢复其初始粘度的2%至最大20%。若要保持粘度则需要存在基本上与纤维素同样量的添加剂。
Weibel的EP-A-0102829描述了同时分离甜菜纸浆中的纤维素成分和半纤维素成分的方法。但是,与以上列举的FR-A-2472628一样,一旦脱水,薄壁组织纤维素不易再次调和成悬浮液,引起同样的贮存和传输问题。
此外,植物残留物尤其甜菜纸浆的经济利用具有重要的工业价值。
本发明的一个目的是提供微原纤化纤维素,它能够在脱水之后无需加入添加剂就能调和成悬浮液。
本发明的另一目的是提供微原纤化纤维素,它在干燥后无需加入添加剂能够几乎再次达到全部其初始粘度。
本发明的又一目的是提供一种由初生纤维外壁植物纸浆、尤其甜菜纸浆的经济利用来生产纤维素的方法。
本发明实现了所有这些目的。
从下面的叙述将使本发明的其它目的和优点变得更加明显。
一般,天然纤维素总是为微原纤形式,这些微原纤丝或多或少地结合形成纤维,薄壁和膜。各纤维素微原纤丝是由从纤维素被生物合成的一种方法得到的平行纤维素链的精确组合体构成的。纤维素微原纤丝一般被认为仅仅沿着它们的轴方向含有几个缺陷。它们的机械性能几乎接近于纤维素的理论机械性能:韧性为大约130GPa和断裂韧性为大约13GPa。纤维素微原纤丝具有重要应用价值,如果它们能够离解和再成形。
纤维素微原纤丝通常高度结合成壁或纤维形式。在次生外壁中的微原纤丝被构造成高度取向的层,形成了不能离解的纤维;在初生外壁中的微原纤丝按照无规则方式沉积。薄壁组织是初生外壁组织的典型例子。尽管很难,如果不是不可能的话,在没有损害的情况下分离次生外壁纤维素微原纤丝,但容易解离初生外壁微原纤丝,不仅仅因为它们的较疏松的组织而且因为隙间多糖(它们通常载负(charged))占这些外壁的很大百分数。
薄壁组织的例子是甜菜纸浆,柠檬属水果(柠檬,柑桔,柚子)和大部分的水果和蔬菜。次生外壁植物物质的例子是木材。
初生外壁的微原纤丝能够使用机械剪切操作来加以拆散,该操作将使次生外壁的纤维断裂生产微原纤丝。换句话说,仅仅通过断裂原始纤维能够从次生外壁获得微原纤丝。
初生外壁纤维素因此是具有潜在价值的材料。
下面就甜菜纸浆来说明本发明。
甜菜纸浆主要由薄壁组织和因此由初生外壁细胞构成。
固体甜菜纸浆的组成能够根据纸浆的来源和种植条件来变化。一般纸浆含有:
-15-30%的纤维素;
-12-30%的果胶;
-12-30%的半纤维素;
-2-6%的蛋白质;
-2-6%的矿物质;
-2-6%的木质素,单宁,多酚和阿魏酸酯。
早就有人建议处理甜菜纸浆从薄壁组织细胞中分离纤维素。以上列举的EP-A-0102829涉及这样一种方法并描述:
-将甜菜纸浆悬浮在酸性(PH<4.5)或碱性(PH>10.0)含水介质中;
-将悬浮液加热至高于125℃(0.5MPa)的温度;
-将悬浮液在高于125℃的温度下保持15秒-360秒;
-让加热的悬浮液在管式反应器中经受机械剪切,随后通过小的释压孔快速降压至常压范围;
-过滤悬浮液并回收含有薄壁组织纤维素的不溶性级分和含有半纤维素的可溶性级分(滤液);
-通过用次氯酸钠漂白来处理纤维素级分,然后机械除纤来生产由细胞壁片段构成的薄壁组织纤维素浆。
如以上所述,一旦脱水,使用EP-A-0102829的方法获得的纤维素不易调和成悬浮液。
本发明提供一种从初生纤维外壁植物纸浆,尤其从提取糖类后的甜菜纸浆生产微原纤化纤维素的方法,包括以下步骤:
(a)纸浆的酸性或碱性水解部分地提取果胶和半纤维素;
(b)从步骤(a)的悬浮液中回收固体残留物;
(c)在碱性条件下从来自步骤(b)的纤维素物质的残留物进行第二次提取,这一步骤在步骤(a)是酸性的条件下是必须的和在步骤(a)是碱性的条件下是任意性可有可无的;
(d)如果必要,通过从步骤(c)中分离悬浮液来回收纤维素物质残留物;
(e)洗涤来自步骤(b)或步骤(d)的残留物;
(f)任意性地,漂白来自步骤(e)的纤维素物质;
(g)通过从步骤(f)分离悬浮液来回收纤维素物质;
(h)将来自步骤(g)的纤维素物质稀释在水中获得2-10%干燥物质的浓度;
(i)将来自步骤(h)的细胞悬浮液均化;其特征在于:
(j)步骤(a)是在约60-100℃之间,优选在约70-95℃,和更优选在约90℃的温度下进行的;
(jj)至少一个碱性提取步骤是对纤维素物质进行的,该碱性提取是用选自苛性苏打和钾碱的碱进行的,碱的浓度低于约9wt%,优选约1-6wt%;
(jjj)均化步骤(i)是按如下进行的:混合或研磨或任何高机械剪切操作,随后让细胞悬浮液通过小直径的孔并让悬浮液经受至少20MPa的压降并经受高速剪切作用,随后经受高速的减速冲击。
条件(j)、(jj)和(jjj)是新型的。下面的结果将表明,它们能够生产出具有独特的结构、形态、化学和流变性能的新型的初生外壁纤维素。
在步骤(a)中,术语“纸浆”是指湿的,脱水的,仓库贮存的或部分脱果胶的纸浆。
提取步骤(a)能够在酸性介质或碱性介质中进行。
对于酸性提取,纸浆在水中悬浮几分钟,将用诸如盐酸或硫酸的酸的浓溶液酸化的且PH在1-3之间和优选在1.5-2.5之间的悬浮液均化。
对于碱性提取,纸浆被加入到碱如苛性苏打或钾碱的碱性溶液中,其中浓度低于9wt%,优选低于6wt%,尤其在1-2wt%之间。能够加入少量的水溶性抗氧化剂如亚硫酸钠Na2SO3以控制纤维素的氧化反应。
根据本发明,步骤(a)是在约60-100℃之间,优选在约70-95℃之间和更优选在约90℃的“中等”温度下进行的。这与现有技术中使用的高温(>125℃)相反。步骤(a)的时间是在1小时-4小时之间。在本发明的步骤(a)中,发生部分水解,释放和溶解果胶和半纤维素,而保持纤维素的分子量。
在步骤(b)中,从来自步骤(a)的悬浮液中回收固体残留物。
当第一次提取(a)是酸性水解时,第二次提取步骤(c)是强制性的并在碱性条件下进行。当第一次提取步骤(a)是碱性水解时,第二次提取步骤(c)是任意性可有可无的。
因此,如果必要,来自步骤(b)的纤维素物质残留物在步骤(c)中进行第二次提取步骤。这后一步骤是碱性提取步骤。
因此,本发明的方法总是包括至少一个碱性提取步骤。
根据本发明,各碱性提取步骤-即任意性的步骤(c)的碱性提取步骤和/或步骤(a)的提取,如果是碱性的话-必须用碱进行,优选的是该碱选自苛性苏打和钾碱,其浓度低于约9wt%,优选在约1-约6wt%之间。
申请人发现,使用本发明方法的条件进行每一碱提取步骤避免了不可逆的转变:
纤维素I →纤维素II
这一转变将损害为本发明的产品的特定性能所必要的微原纤丝结构。
每一碱性提取步骤的时间是在1小时-4小时之间,优选约2小时。
在步骤(d)中,从任意性的步骤(c)中回收固体残留物。
在步骤(e)中,来自步骤(b)或步骤(d)的残留物用大量的水洗涤以回收纤维素物质残留物。
根据本发明,在纤维素微原纤丝的表面上保留一定百分数的非纤维素酸性多糖(果胶,半纤维素),具有防止它们相互之间结合的效果。这一百分数的酸性多糖一般是少于约30wt%,优选少于5wt%。太高量的酸性多糖将需要太长的均化时间,但根据本发明,这一百分数必须高于0%。
步骤(e)的纤维素物质然后任意性地在步骤(f)中按照本身已知的方式漂白,例如用亚氯酸钠,次氯酸钠,相对于5-20%干燥物质的过氧化氢等。能够在约18℃和80℃之间,优选在约50℃和70℃之间的温度下使用不同浓度。步骤(f)的时间是在约1小时-约4小时之间,优选在约1小时和约2小时之间。按照这种方式获得含有85-95wt%的纤维素的纤维素物质。
在步骤(h)中,来自步骤(e)的悬浮液,任意性地在步骤(f)中漂白,被再次在水中稀释至2-10%干燥物质,然后送至步骤(i),根据本发明,该步骤是按如下进行的:混合或研磨或任何高机械剪切操作,随后让细胞悬浮液通过小直径的孔并让悬浮液经受至少20MPa的压降并经受高速剪切作用,随后经受高速的减速冲击。
混合和研磨例如是经几分钟-约1小时的时间通过混合机或研磨机,在例如提供了四叶片式螺杆的WARING掺混机,或混合磨机或任何类型的研磨机如胶体磨的装置中,在以下条件下进行:干燥纤维素物质的浓度是2-10wt%。在混合或研磨过程中,悬浮液升温。贮料器优选提供了偏转肋,借助偏转肋使液体流回到贮料器中心螺杆的叶片。
均化适合在MANTON GAULIN型均化器中进行,在该均化器中悬浮液在狭窄的通道中经受高速和高压的剪切作用并抵抗一冲击环。均化条件如下:在混合或研磨之后,干燥纸浆在悬浮液中的浓度是2-10wt%。在悬浮液被预热至40-120℃之间,优选85-95℃之间的温度后再加入到均化器中。均化操作的温度保持在95-120℃之间,优选高于100℃。在均化器中,悬浮液经受20-100MPa、优选高于50MPa的压力。
纤维素悬浮液经过1-20遍,优选2-5遍进行均化,一直到获得稳定的悬浮液为止。
应该指出的是,在本发明全文中的均化操作的作用不同于在以上列举的ITT工业公司的专利(即FR-A-2472628和EP-A-0120471)中的作用。在本发明的方法中,均化步骤的作用是使微原纤丝拆散而不是破裂,而在以上提到的ITT工业公司的专利中同样的步骤的作用是使次生外壁纤维断裂获得微原纤丝。
理想地,步骤(i)的均化步骤之后接着进行高速机械剪切操作,例如在SYLVERSON公司的ULTRA TURRAX装置中。
我们发现,在欲均化的悬浮液中更高干燥物质浓度下和在更高均化温度下进行这一处理更加有效。这是指,随着纤维素浓度的提高,所要求的遍数减少。但是,在处理过程中悬浮液的粘度,它直接取决于被处理悬浮液的浓度,是一个限制因素。事实上,该装置不是设计来操作处理太粘稠的悬浮液。
申请人发现,对于室式研磨存在特殊的阀门,用它能够减少遍数。此外,如果向欲均化的悬浮液中添加水溶性分散剂,悬浮剂或增稠剂如羧甲基纤维素,纤维素醚,凝胶化多糖(瓜耳胶,巴西棕榈蜡,藻酸盐,角叉胶,黄原胶,和它们衍生物)将减少遍数。
甜菜纸浆含有4-6%的不溶于水的无机化合物。
土壤残留物和相当大(>1mm)的玻璃片料是甜菜纸浆中存在的无机化合物。本申请人发现在这些不溶性无机化合物中的草酸钙一水合物和硅石晶体。在细胞内部发现草酸钙一水合物,该细胞一般位于容器附近的木料和韧皮束内。草酸钙晶体包含在某些细胞中并构成了植物内一定形式的贮存钙。这些无机物(矿物)的性质、量和比例能够根据种植植物的土壤,甜菜品种,生长过程中的气候等变化。
草酸钙晶体的存在将在均化过程中引起以下问题:它们高度磨损和优选除去它们或至少基本上减少它们的量。除去能够在酸性介质例如盐酸中处理来进行,例如在步骤(a)中进行的酸提取(当然,如果该步骤是在酸性条件下进行),该步骤将草酸钙一水合物转化成可溶于水的草酸和氯化钙。
草酸钙也可以通过机械掺混和筛选加以除去。申请人发现,通过在步骤(a)之前掺混和筛选脱水后的纸浆、并仅仅保留粒径在约20μm和1000μm,优选在75μm和约600μm之间的级分,能够减少残留无机物的浓度。
当纤维素残留物含有不可忽略量的游离草酸钙晶体或在碱提取后或在漂白后留在细胞内的草酸钙晶体时,能够在例如WARING掺混机型混合机或任何其它研磨机中温法进行中等程度地研磨以使细胞破裂,随后过滤或通过合适的筛网过筛。筛目可由本技术领域中熟练人员轻易地确定,例如在20-75μm之间,如75、60、40或20μm的筛目,这取决于混合和研磨的程度,即取决于所获得的细胞的尺寸和工业上的可行性。
消除草酸钙的另一种方式是进行氧化处理,例如用臭氧或过氧化氢,与步骤(f)中的漂白处理相结合。
为了消除草酸钙晶体,漂白步骤(f)也能够使用臭氧或过氧化氢来进行。
消除或至少减少草酸钙晶体的量的任何方式能够相互结合使用或单独使用,这在每一种具体情况下由技术熟练人员来确定。
使用本发明的方法获得的微原纤化纤维素是纤维素I。
其特征在于它含有至少约80%,一般至少约85%的初生外壁,和在于它载负羧酸。术语“羧酸”是指简单的羧酸,它们的聚合物和它们的盐类。这些羧酸一般是糖醛酸类,如半乳糖醛酸和葡糖醛酸。
本发明的微原纤化纤维素突出表现在它在脱水后能够调和成悬浮液。
本发明的微原纤化纤维素是15%-50%的晶体。
它由截面积在约2nm和4nm之间的微原纤丝组成。
本发明的微原纤化纤维素可形成稳定的、液晶型的、主要由向列畴组成的悬浮液。
本发明的微原纤化纤维素具有以下几组有益性能:
-独特的流变性能,使得在2-12范围内的PH值和0℃-100℃范围内的温度下能够生产最低浓度为0.2%且在高于1%的浓度下外观为凝胶状的稳定悬浮液。
在水中的1%(干燥物质)浓度下本发明的纤维素在性能上象弱凝胶。通过研究产物在振荡中的振荡粘弹性能,发现在频率范围内G′和G″是稳定的和G′=5G″,G′是体系的弹性组分和G″是粘性组分。应该指出的是,黄原酸不象凝胶。本发明的纤维素在20℃下的粘度高于黄原酸在20℃下的粘度并等于黄原酸在80-90℃下的粘度。
至于粘度,在水中的2%浓度下,本发明的纤维素在与相同浓度下的高粘度CMC(≈20000mpa.s)相同的粘度下具有剪切速率为1.8s-1。本发明的纤维素所具有的粘度大大高于黄原酸的粘度(≈7000mpa.s)。1.8%的本发明纤维素和0.2%的CMC在水中的混合物具有有益的流变性能,因为溶液达到了高于25000mPa.s的粘度。
本发明的纤维素是流变流动性和触变性物质。
-独特的物理和化学性能,在于纤维素主要由纤维素和残留量的果胶或半纤维素(它们提供特殊的物理和化学性能)组成。本发明的纤维素由或多或少分离的天然或纤维素I型的微原纤丝组成。
-非常高的化学反应活性,非常大的可接近表面面积;
-优异的水保留能力;
-高的悬浮容量
-增稠能力。
由上述方法制备的本发明纤维素优选被浓缩至约50%的干燥物质,由沉淀法(例如从醇类如乙醇、异丙醇或任何其它类似醇类沉淀),由冻熔方法,由通过压滤机的加压操作(对于其它的水解胶体如黄原酸、CMC等则不能使用),由过滤法,由脱水法,由对(分子尺寸大于所使用渗析膜的孔径的)吸湿性溶液的渗析,或通过使用本技术领域中熟练人员已知的用来浓缩悬浮液的任何其它方法。
纤维素,直接来自本发明的方法或在浓缩步骤之后,能够由蒸发、脱水、在控制湿度下低温干燥、喷雾干燥、转鼓干燥、冻干或临界点干燥,或由以产物的二级状态获得产物的任何其它方法进行高能量的干燥。在控制温度下的低温干燥就它们是温和的且能量消耗较低而言是特别理想的。
与ITT工业公司的专利EP120 471相反,在没有加入添加剂的情况下在干燥后微原纤化结构最高仅仅恢复其初始粘度的20%(4页,38-42行),但本发明的纤维素在没有加入添加剂的情况下几乎完全恢复其初始粘度。
本发明的纤维素也具有有益的成膜和增强性能。
当本发明的微原纤丝的悬浮液被涂敷在一表面,例如金属、玻璃、陶瓷等表面上并让其干燥时,微原纤丝在表面上形成膜。
本发明的纤维素,以薄层的形式铺展,在脱水后形成膜。通过测量校正的杨氏模量(Ecor)来测定膜的性能,杨氏模量给出了***的劲度。例如在25%湿度下Ecor=2500-3000MPa。
湿的纸片也可以在制造过程中用本发明纤维素的悬浮液处理,从而改进它们的物理性能,尤其它们拉伸强度。
在非食品领域中,本发明的纤维素有许多潜在的应用:
-由于油漆,它在水相中构成良好的增稠剂并能够替代羟丙基纤维素,例如;
-它的成膜和增强性能能够用于油漆、纸张、粘合剂涂层等的胶乳。
在转变表面之后将1%-15%的微原纤化纤维素引入胶乳(和其它水溶性产物)或热塑性化合物或乙酸酯纤维素中会显著改进弹性模量和拉伸强度。
-作为能够用于钻探泥浆的增稠剂。
在化妆品和护理品领域中,本发明的微原纤化纤维素构成了增稠剂,它可与在这些领域中使用的Carbopol或其它增稠剂相匹配。这一产物的优点是不象其它产物那么粘稠,显著改进了产物的漂洗性能和使它具有更合适的手感。
在造纸工业中,能够引用以下这些:
-通过将微原纤化纤维素引入纸浆中来利用该纤维素的增强性能;
-结合使用微原纤化纤维素的增稠、增强和成膜性能来涂敷某些特殊的纸浆。该纤维素也具有有益的阻隔性能。
本发明的纤维素也能够沉积在纸张的表面上改进纸张的不透明性和均匀性。
本发明的纤维素能够单独或与其它化合物如通常在造纸工业中使用的颜料和填料一起使用。
例如通过将纤维素引入纸浆中来利用纤维素的增强性能。
在食品领域中:
-微原纤化纤维素能够稳定乳液,用作香料载体,凝胶剂和尤其用作增稠剂;
-它能够代替在这一领域中使用的其它增稠剂或与它们一起产生协同作用,如黄原酸、CMC或微晶纤维素。
协同作用从经济观点来看是特别重要的。这是指极少的产物能够用来获得同样的效果。
微原纤化纤维素在食品领域中的应用的例子是:脂肪代用品,蛋黄酱的稳定,色拉调味剂,和一般来说所有的乳液、冰淇淋、泡沫化乳油、所有类型的饮料、可铺展的浆料、奶油或发酵面团、牛奶点心、肉制品等的增稠剂。
对于同样类型的流变效果而言,本发明的纤维素比黄原酸和细菌纤维素更加便宜。
由下面的非限制性实施例更加详细地说明本发明,引用了附图,其中:
-图1是单独的薄壁组织细胞的光学显微照片;
-图2是天然纤维素(纤维素I)的透射电子显微照片;
-图3是纤维素II的透射电子显微照片;
-图4是在Gaulin均化器中均化之前的细胞外壁的透射电子显微照片;
-图5是在Gaulin均化器中均化之后(6遍)单独的微原纤丝的透射电子显微照片。
-图6是在Gaulin均化器中均化之后(10遍)单独的微原纤丝的透射电子显微照片。
实施例1:甜菜纸浆的提纯
从法国的Nassandres地区收割的甜菜的脱水纸浆在去离子水中被调和成悬浮液。为了更好地发生水合作用,使用装有四叶片螺杆的WARING掺混机型混合机,并断断续续混合45分钟。通过添加H2SO4的溶液将悬浮液酸化至PH2。这一悬浮液在室温(25℃)下保持15分钟,然后加热至80℃用恒定的机械搅拌2小时。该悬浮液通过金属筛过滤并用大量的水洗涤。洗涤后的固体残留物用碱溶液提取。将它在苛性苏打溶液中调和成悬浮液,浓度经调节后获得最终苛性苏打浓度为2wt%和干燥物质百分数为2.5wt%,两者都以全部液体为基础计。添加占全部液体的0.1wt%的亚硫酸钠(Na2SO3)。在恒定的机械搅拌下将悬浮液升温至80℃加热2小时。经过这一处理后,通过0.6mm筛进行过滤。固体残留物用水洗涤涤一直到获得中性的滤液为止。
在洗涤后,将固体残留物在已用苛性苏打和乙酸的混合物缓冲至PH4.9的3.4g/l亚氯酸钠溶液(NaClO2)中调和成2.5%的悬浮液。在恒定的机械搅拌下将悬浮液升温至70℃加热3小时。通过不锈钢网筛过滤,然后用水洗涤一直到获得无色滤液为止。使用瓷漏斗在减压下过滤获得了具有3%-5%(重量)干燥物质的浅灰色纤维素残留物。固体残留物的中性糖组成是由基于乙酸醛醇的气相色谱表征的化学分析进行测定的,该乙酸醛醇是在多糖的酸水解,糖单体的还原和乙酰化之后获得的。乙酸醛醇通过使用GC来验证以及通过使用肌醇作为内部参比,考虑到每一种醛醇的特定响应系数之后来测量糖。色谱仪是具有与HEWLETT-PACKARD 3395积分仪连接的火焰电离检测器的HEWLETT-PACKARD 5890。使用SP2380(0.53mm×25m)柱,其中U氮气作为载气。
醛醇被洗脱,其中停留时间是色谱柱的特性。通过研究来确定每一种乙酸醛醇的响应系数。知道面积和起始肌醇的量,然后使用每一种乙酸醛醇的峰的表面积,能够推算对应的糖的量,并能够计算所获得的每一种中性糖单体相对于样品中中性糖的总量的重量百分数。所获得的葡萄糖几乎全部是从纤维素的水解得到的;葡萄糖的百分数因此给出了纤维素在样品中的纯度指数。其它中性糖类一般是木糖,半乳糖,甘露糖,***糖和鼠李糖并预测残留果胶和半纤维素的量。
所得到的纤维素残留物的化学分析表示85%葡萄糖。
实施例2:甜菜纸浆的提纯
重复实施例1的整个系列的处理,在亚氯酸钠处理和相应的漂洗步骤之后增加与第一次处理等同的第二次亚氯酸钠处理。这将生产具有中性糖化学组成的白色纤维素残留物,该组成在第二次漂白步骤中很少变化。化学分析表示在所得到的纤维素残留物中86%葡萄糖。
实施例3:甜菜纸浆的提纯
将脱水纸浆调和在去离子水中,然后使用实施例1中所述方法进行算水解。过滤和用水洗涤,除去所溶解的果胶和半纤维素。使用实施例1中所述方法用碱性溶液提取固体残留物。这一碱性处理进行第二次。固体残留物用水洗涤一直到在使用亚氯酸钠和实施例1所述方法进行两个连续漂白步骤之前获得中性滤液为止。化学分析表示89%葡萄糖。
实施例1,2和3表明提取步骤越多。则残留物中纤维素的纯度越高。
实施例4:甜菜纸浆的提纯
重复实施例1的整个系列的处理,用盐酸溶液代替硫酸溶液将悬浮液调节至PH2。
纤维素残留物含有90%葡萄糖,与实施例3中获得的类似。
实施例5:甜菜纸浆的提纯
脱水纸浆在去离子水中调和成悬浮液。为了更好地发生水合作用,使用装有四叶片螺杆的WARING掺混机型混合机,并断断续续混合45分钟。通过添加苛性苏打的溶液将悬浮液调至碱性,浓度经调节后获得最终苛性苏打浓度为2wt%和干燥物质百分数为2.5wt%,两者都以全部液体为基础计。添加占全部液体的0.1wt%的亚硫酸钠(Na2SO3)。在恒定的机械搅拌下将悬浮液升温至80℃加热2小时。经过这一处理后,通过0.6mm筛进行过滤。固体残留物用水洗涤一直到获得中性的滤液为止。这一碱性处理进行第二次。固体残留物用水洗涤一直到在使用亚氯酸钠和实施例1所述方法进行两个连续漂白步骤之前获得中性滤液为止。
化学分析表示87%葡萄糖。
实施例6:甜菜纸浆的提纯
进行实施例5的整个系列的处理,代替实施例5的两个碱处理步骤,使用用苛性苏打的三个连续的碱处理,浓度经调节后获得最终苛性苏打浓度为2wt%。固体残留物用水洗涤一直到在使用亚氯酸钠和实施例1所述方法进行两个连续漂白步骤之前获得中性滤液为止。
化学分析表示92%葡萄糖。
实施例7:甜菜纸浆的提纯
进行实施例5的整个系列的处理,用使用钾碱溶液的两个连续处理代替使用苛性苏打的两个碱处理步骤,浓度经调节后获得最终钾碱浓度为2wt%。固体残留物用水洗涤一直到在使用亚氯酸钠和实施例1所述方法进行两个连续漂白步骤之前获得中性滤液为止。使用钾碱,所获得的纤维素残留物具有的纯度类似于用苛性苏打获得的纯度。
实施例8:苛性苏打浓度的影响
通过按照与实施例1中相同的方式混合,将脱水纸浆在去离子水中调和成悬浮液。所获得的悬浮液加热回流20分钟,然后通过0.6mm的筛过滤。固体残留物在苛性苏打溶液中调和成悬浮液,浓度经调节后获得最终苛性苏打浓度为2wt%或8wt%和干燥物质含量为2.5wt%,两者都相对于总液体而言。这一悬浮液在20℃下磁力搅拌3小时。在这一处理后,通过0.6mm的筛过滤并水洗涤一直到获得中性的滤液为止。
在提取后,用2%或8%苛性苏打处理后获得的葡萄糖的百分数示于下表I:
表I
苛性苏打的浓度对纤维素残留物纯度的影响
苛性苏打浓度按重量 摩尔 | 葡萄糖按重量 |
2% | 0.5M | 48 |
8% | 2M | 58 |
能够看出在第一次碱处理步骤中,更浓的苛性苏打的使用获得更高纯度的纤维素。
实施例9:苛性苏打浓度的影响
用与实施例6中相同方式处理脱水纸浆。提纯的纤维素残留物在使用瓷漏斗减压过滤后产生4%的浆料,在八个单独的实验中按照相同方式同时处理。向0.6g这一样品加入50ml的2%,7%,9%,9.5%,10%,12%,14%和17%(重量)的苛性苏打溶液。在温度T=20℃下,在恒定的磁力搅拌2小时进行处理。在用盐酸中和和这些悬浮液用蒸馏水渗析后,残留物在小贮料器中在50℃的烘箱中干燥,获得每一实验的纤维素残留物的薄膜。
在其它实验中,将一滴渗析后的悬浮液沉积在电子显微镜栅条上,然后在检测之前加以干燥。
X-射线研究表明,从用2-9wt%的苛性苏打处理过的纤维素获得的膜将按照与起始纤维素相同的方式衍射。这些被确认为纤维素I(在0.54nm,0.4nm和0.258nm处有衍射峰),结晶度是大约35%。相反,对于用9.5%和9.5%以上的浓度的苛性苏打处理过的纤维素膜,获得衍射谱,它是纤维素II的特征。其特征在于在0.7nm,0.44nm和0.258nm处的衍射峰。
电子显微镜检测表明,用2-9wt%苛性苏打处理过的样品属于缠绕的光滑纤维素微原纤丝形式,它们相互之间滑动(图2)。相反,在用9.5%和9.5%以上浓度的苛性苏打处理后,样品聚集成由相互结合在一起的基元组成的微凝胶颗粒(图3)。这一转变的纤维素不再具有本发明纤维素的性能。
为了保留本发明纤维素的特殊性能,天然纤维素的晶体结构必须加以保护;因此,如果在碱提取步骤使用苛性苏打溶液,必须不超过9%的浓度。
实施例10:矿物的除去
在再水合之前,干燥的纸浆在装有1mm筛网的混合磨机中研磨10分钟。在磨机出口通过600μm和75μm的筛子过筛,回收粒度低于75μm的一种颗粒级分和在75μm和600μm之间的极大级分。在560℃下煅烧8小时后,将灰分与样品的起始灰分比较。对于各级分得到灰分量:在75μm和600μm之间,分离出包含5%的矿物的级分,而在低于75μm时分离出包含12%矿物的级分。
研磨,然后过筛,得到的级分已减少了矿物含量。
实施例11:矿物的除去
来自实施例1-7中所述提纯步骤的残留物在漂白步骤之后在WARING掺混机中非常高速地混合3分钟,然后通过25μm的筛子过筛。通过光学显微镜来观察这一处理的效果,因为当在偏振光下观察时草酸钙晶体具有双折射的性能。在处理之前,在观察板的底部上的细胞之间观察到许多晶体,和在某些细胞内观察到晶体。处理后,在板的底部上的细胞之间不再观察到晶体。
这一实施例表明,能够消除晶体,这取决于混合和通过合适孔径的筛进行洗涤的量。
实施例12:均化的作用
来自实施例1-7所述处理的悬浮液是主要由纤维素组成的提纯后细胞的悬浮液。显微镜观察表明,细胞或多或少地分离。在60℃下预热1小时后,这些悬浮液以2%的浓度在40MPa下连续15次通过GAULIN均化器。将温度快速升高至80-100℃。
在均化器中由活塞将提纯后的悬浮液高速推入管道中,然后通过小直径的锐孔,在锐孔中悬浮液经受较大的压降,然后冲向冲击环。结合这两现象(压降和减速冲击)产生剪切作用和纤维素微原纤丝的分离。让悬浮液通过锐孔几次,获得分离的纤维素微原纤丝的稳定悬浮液。这可从光学或电子显微镜的观察来证实。照片4清楚地表明,纤维素微原纤丝的缠绕结构组成了甜菜的薄壁组织细胞的初生外壁。在照片5中,能够看见或多或少相互分离的纤维素微原纤丝。这一分离效果是在GAULIN均化器中均化处理的直接后果。
处理的样品是单独的微原纤丝的悬浮液并具有凝胶的外观。
所获得的纤维素具有至少90%的初生外壁。
由X-射线观察到它的结晶度是33%。
电子显微镜观察表明,微原纤丝的平均截面是2-4nm;它们长于7μm并可以长至15-20μm。
实施例13:均化的作用(时间)
按照实施例3中所述处理甜菜纸浆,然后在WARING掺混机中高速混合3分钟,然后分成3部分。第一部分保持原样,第二部分在50MPa下通过GAULIN均化器达6遍,第三部分在50MPa下通过10遍。图6表示了在10遍通过GAULIN均化器之后的单独的微原纤丝。用具有直锥几何形状的CARRI-MED CSL50流变仪研究这些悬浮液。与最低应力对应的屈服点用来获得直接与凝胶强度相关的粘度值。所获得的悬浮液也可由57.6s-1的剪切速度下的粘度来表征。以1%的浓度对三种悬浮液进行研究的结果示于表II中。
表II
在屈服下的悬浮液的流变性能
样品 | 遍数 | σ0 (Pa) | η(MPa.s)在57.6s-1下 |
1 | 0 | 1.4 | 16 |
2 | 6 | 4.3 | 186 |
3 | 10 | 7.6 | 328 |
清楚地看出,均化的作用,因纤维素微原纤丝的分离,引起流变性能的显著改进。微原纤丝的性能与实施例12中的那些相同,除了初生外壁的百分数是90%。
实施例14:悬浮液的稳定性
在实施例12中获得的悬浮液的主要性能是它们形成稳定悬浮液的能力。
根据实施例12处理的悬浮液以0.1-7%的浓度贮存几个月,一直没有产生低于95%的沉降体积。
实施例15:悬浮液的稳定性
根据实施例12处理的纤维素微原纤丝的悬浮液在20℃下用0.1M三氟乙酸溶液处理2小时。
使用相应的乙酸醛醇分析中性糖得到纤维素百分数为95%。所获得的悬浮液不是稳定的。
三氟乙酸优先引起果胶和半纤维素的水解。从而观察到与果胶和半纤维素的水解有关的稳定性的损失。
这一实施例清楚地表明,这些悬浮液的稳定性归因于与纤维素微原纤丝键接的果胶和半纤维素的存在。
实施例16:调和成悬浮液
根据实施例12制备的样品在扁平的聚乙烯贮料器中由烘箱干燥。在100℃下12小时后,获得干燥纤维素的膜。将该膜(0.2g)浸泡在10ml的处于室温(25℃)的水中并用玻璃板轻轻摩擦。30分钟后,获得粘稠的浆料。用水稀释这一浆料得到纤维素微原纤丝的悬浮液,其性能与起始悬浮液的性能相同。
实施例17:调和成悬浮液
根据实施例12制备的样品在扁平的聚乙烯贮料器中由烘箱干燥。在100℃下12小时后,获得干燥纤维素的膜。将这些膜切成条并放入有去离子水的WARING掺混机中。在15分钟搅拌后,这些条解离得到纤维素微原纤丝的悬浮液,其性能与起始悬浮液的性能相同。
实施例18(对比):调和成悬浮液
根据实施例12制备的样品在60℃的烘箱中干燥12小时。所获得的纤维素的膜按照实施例15中那样用三氟乙酸处理。然后将处理过的膜在水中调和成悬浮液。
这些样品很难分散而且无法恢复纤维素的初始性能。
这一实施例表明,未载负(uncharged)的纤维素(偏离本发明的范围)实际上不能在脱水后在没有显著地损害其流变性能的情况下调和成悬浮液。
实施例19:反应活性
根据实施例12制备的本发明纤维素用Trichoderma reesei CL-847(木霉菌)的酶混合物培养。在锥形烧瓶中将810mg的本发明纤维素在30蒸馏水中调和成悬浮液。搅拌得到均匀的纤维素微原纤丝的悬浮液,让它在50℃下平衡15分钟。通过将31.10mg的酶(对应于25FPU/g的纤维素)溶解在15ml的PH为4.8的柠檬酸钠缓冲液中制得酶溶液。在50次振荡/分钟下水平搅拌的情况下,将该溶液加入到已在50℃下培养的反应介质中。在4小时,8小时和24小时的反应之后,取出3ml的均匀反应介质(从而不改变浓度)并在锥形烧瓶中在100℃下回流20分钟使酶变性,从而停止酶反应。在10000g下离心处理10分钟,然后通过孔径0.45μm的微孔纤维素膜进行过滤。使用HPLC和葡萄糖和纤维素二糖标准进行分析。可以看出,本发明的纤维素被酶混合物快速水解,在4小时水解后得到0.45mg的还原糖(葡萄糖和纤维素二糖)/每mg的起始纤维素,在8小时水解后获得0.58mg/每mg的起始纤维素和在24小时水解后获得0.85mg/每mg的起始纤维素。
实施例20:在工业中试设备上从甜菜纸浆生产微原纤化纤维素的方法的最优化
将脱水的甜菜纸浆在苛性苏打溶液中调和成悬浮液,浓度在相对于总液体的1.5-2wt%之间。
所需要的水量应使得液体/固体重量比是约15(在15kg水中有1kg纸浆)。
在搅拌下在罐中调和成悬浮液。所得到的悬浮液升温至80℃加热2小时。
通过筛目低于250μm的离心干燥机将液体级分中与悬浮液的固体级分分离。在离心过程中漂洗滤饼。
回收的滤饼在新的1.5%苛性苏打溶液中被调和成悬浮液,按与以上相同的液体/固体(DM)比。
再一次,在搅拌下将所得到的悬浮液升温至80℃加热2小时。
再次进行干燥,这一次使用更细的筛目(25-100μm),用水漂洗滤饼。
然后在已用33%盐酸将PH调节至4-5的3.5g/l亚氯酸钠溶液中将纤维素滤饼调和成悬浮液。这一悬浮液的液体/固体(DM)比再次是约15。
漂白的纤维素然后用10-30μm筛目进行离心来回收。
漂洗滤饼并一直离心处理到获得透明的滤液为止。
获得的纤维素然后再次在水中稀释,得到干燥物质含量在3-4%之间。然后让悬浮液进入FRYMA混合磨机中使细胞外壁破裂并“预均化”产物。
研磨过的产物然后在450巴和550巴之间的压力下在APV GAULIN均化器中均化。产物被预热至高于95℃的温度,使产物在通过锐孔时沸腾。这一操作的目的是引起空化。
产物进行3-10遍,这取决于所需均化的程度。
然后通过LAROX或CHOQENET型压滤机将纤维素浓缩成高于35%的干燥物质含量。
实施例21:在干燥前后悬浮液的粘度比较
按照实施例20制备纤维素。
样品N°1和N°2按以下制备。将纤维素压缩成40%的干燥物质,然后干燥至60%(N°1)和85%(N°2)。
两样品然后在20℃和50%相对湿度的调节室中干燥,然后在咖啡研磨机中研磨30秒,然后使用ULTRA TURRAX经2分钟调和成悬浮液(2%干燥物质)。
对照物是使用ULTRA TURRAX经2分钟均化的含有2%干燥物质的纤维素。
在静置4小时后(因为纤维素的触变性质),使用HAAKE VT500粘度仪,一种测量MVII的装置,在1.8s-1的剪切速度下测量样品N°1和N°2和对照物的粘度。
获得以下结果:
对照物的粘度:25Pa.s
样品N°1的粘度:25Pa.s
样品N°2的粘度:22Pa.s
因此,本发明的纤维素在干燥至60%的干燥物质之后仍能恢复其粘度的100%,和在干燥至85%的干燥物质之后仍能恢复其粘度的90%。
因此,本发明的纤维素不同于ITT工业公司的专利EP120471的纤维素,后者在没有加入添加剂的情况下仅仅最多恢复其初始粘度的2-20%并需要添加相对于纤维素的至少100wt%的添加剂以恢复几乎所有它的初始粘度。
实施例22:马铃薯纸浆纤维素(在提取淀粉后)的提取
马铃薯纸浆的提纯
马铃薯纸浆(已提取淀粉)在去离子水中调和成悬浮液。为了更好地发生水合作用,使用装有四叶片螺杆WARING掺混机型混合机,断断续续混合45分钟。通过添加苛性苏打的溶液将悬浮液调至碱性,浓度经调节后获得最终浓度为2wt%苛性苏打和2.5wt%干燥物质,两者都以全部液体为基础计。在恒定的机械搅拌下将悬浮液升温至80℃加热2小时。经过这一处理后,通过0.6mm筛进行过滤。固体残留物用水洗涤一直到获得中性的滤液为止。这一碱性处理进行第二次。固体残留物用水洗涤一直到在使用亚氯酸钠和实施例1所述方法进行两个连续漂白步骤之前获得中性滤液为止。
在洗涤后,将固体残留物在已用苛性苏打和乙酸的混合物缓冲至PH4.9的3.4g/l亚氯酸钠溶液(NaClO2)中调和成2.5%的悬浮液。在恒定的机械搅拌下将悬浮液升温至70℃加热3小时。悬浮液通过不锈钢网筛过滤,然后用水洗涤一直到获得无色滤液为止。使用瓷漏斗在减压下过滤获得了具有3%-5%(重量)干燥物质的纤维素残留物。
所得到纤维素残留物的化学分析表示93%葡萄糖。粘度法平均聚合度是大约1000。
均化
按照实施例12中那样进行均化。
悬浮液的稳定性
来自使用以上规程所获得的马铃薯纸浆的微原纤丝的悬浮液是稳定的。
悬浮液的粘度
对于0.3%干燥物质的悬浮液:
Brookfield粘度:250MPa
30rpm,针n°2
实施例23:胡萝卜纤维素的提取
轧碎1kg的10%DM胡萝卜(即100g干燥物质)。轧碎的胡萝卜在苛性苏打溶液中调和成悬浮液,获得100g的干燥物质在2升2%苛性苏打溶液中的混合物。
在机械搅拌下将悬浮液升温至90℃加热2小时。在这一处理后,通过离心进行液体/固体分离。漂洗固体残留物。然后将其在1.5%苛性苏打溶液中调和成悬浮液,液体/固体比为15。
将混合物再次离心并回收固体残留物和漂洗。
在按实施例12中所述均化后,所获得的悬浮液在水中是稳定的并具有凝胶外观。
虽然已经针对甜菜、马铃薯和胡萝卜纸浆描述了本发明的方法,但也可用来处理任何薄壁组织,例如任何柠檬属水果(柠檬,柚子,柑桔)和大部分的其它水果和蔬菜。
Claims (21)
1、微原纤化纤维素,其特征在于它含有至少约80%的初生外壁和在于载负羧酸。
2、根据权利要求1的微原纤化纤维素,其特征在于它含有至少约85%的初生外壁。
3、根据权利要求1或权利要求2的微原纤化纤维素,其特征在于羧酸是糖醛酸。
4、根据权利要求3的微原纤化纤维素,其特征在于糖醛酸选自半乳糖醛酸和葡糖醛酸。
5、根据权利要求1-4中任何一项的微原纤化纤维素,其特征在于它具有结晶度为15%-50%。
6、根据权利要求1-5中任何一项的微原纤化纤维素,其特征在于它包含截面在约2nm和约4nm之间的微原纤丝。
7、一种从含有纤维素、果胶、半纤维素、蛋白质和矿物的初生纤维外壁植物纸浆,尤其提取糖类后的甜菜纸浆,生产权利要求1的微原纤化纤维素的方法,该方法包括以下步骤:
(a)纸浆的酸性或碱性水解部分地提取果胶和半纤维素;
(b)从步骤(a)的悬浮液中回收固体残留物;
(c)在碱性条件下从来自步骤(b)的纤维素物质的残留物进行第二次提取,这一步骤在步骤(a)是酸性的条件下是必须的和在步骤(a)是碱性的条件下是任意性可有可无的;
(d)如果必要,通过从步骤(c)中分离悬浮液来回收纤维素物质残留物;
(e)洗涤来自步骤(b)或步骤(d)的残留物;
(f)任意性地,漂白来自步骤(e)的纤维素物质;
(g)通过从步骤(f)分离悬浮液来回收纤维素物质;
(h)将来自步骤(g)的纤维素物质稀释在水中获得2-10%干燥物质的浓度;
(i)将来自步骤(h)的细胞悬浮液均化;其特征在于:
(j)步骤(a)是在约60-100℃之间的温度下进行的;
(jj)至少一个碱性提取步骤是对纤维素物质进行的,该碱性提取是用浓度低于约9wt%的碱进行的;
(jjj)均化步骤(i)是按如下进行的:混合或研磨或任何高机械剪切操作,随后让细胞悬浮液通过小直径的孔并让悬浮液经受至少20MPa的压降并经受高速剪切作用,随后经受高速的减速冲击。
8、根据权利要求7的方法,其特征在于步骤(a)是在约70-95℃之间的温度下进行的。
9、根据权利要求8的方法,其特征在于步骤(a)是在约90℃的温度下进行。
10、根据权利要求7-9中任何一项的方法,其特征在于各碱提取步骤是使用选自苛性苏打和钾碱的碱进行的。
11、根据权利要求7-10中任何一项的方法,其特征在于每一碱提取步骤所使用碱浓度是在约1%-约6%(重量)范围内。
12、根据权利要求7或11的方法,其特征在于将溶于水的选自分散剂、悬浮剂和增稠剂的添加剂加入到欲在步骤(i)中均化的悬浮液中。
13、根据权利要求7或12的方法,其特征在于均化步骤(i)是在95-120℃之间和优选高于100℃的温度下进行的。
14、根据权利要求7或13的方法,其特征在于在步骤(a)之前,脱水纸浆被研磨和过筛保留粒度在约20μm和约1000μm之间,优选在约75μm和600μm之间的级分。
15、根据权利要求7-14中任何一项的方法,其特征在于在步骤(f)中进行漂白和在于它与臭氧或过氧化氢的氧化处理相结合。
16、根据权利要求7-14中任何一项的方法,其特征在于漂白是在步骤(f)中进行和在于这一处理使用臭氧或过氧化氢来进行。
17、根据权利要求7-16中任何一项的方法,其特征在于在洗涤步骤(e)之后或在漂白步骤(f)之后,纤维素悬浮液被中等程度地湿法研磨,然后用筛目在约20μm和约75μm之间的网筛过滤。
18、根据权利要求7-17中任何一项的方法,其特征在于来自均化步骤(i)的纤维素被浓缩。
19、根据权利要求18的方法,其特征在于浓缩进行到高于约50%干燥物质。
20、根据权利要求18或权利要求19的方法,其特征在于通过加压、过滤或低温和控制湿度的干燥来进行浓缩。
21、根据权利要求7-20中任何一项的方法,其特征在于在步骤(i)的均化之后进行高剪切操作。
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