Карбоксиметилцеллюлоза ( КМЦ ) или целлюлозная камедь [1] — производное целлюлозы с карбоксиметильными группами (-CH2 - COOH), связанными с некоторыми гидроксильными группами мономеров глюкопиранозы , составляющих целлюлозный остов . Часто используется в форме натриевой соли , натрийкарбоксиметилцеллюлозы . Раньше она продавалась под названием Tylose, зарегистрированной торговой маркой SE Tylose. [2]
Карбоксиметилцеллюлоза синтезируется посредством реакции целлюлозы с хлоруксусной кислотой , катализируемой щелочью . [3] Полярные (органические кислоты ) карбоксильные группы делают целлюлозу растворимой и химически реактивной. [ 4] Ткани из целлюлозы, например, хлопок или вискоза (искусственный шелк) , также могут быть преобразованы в КМЦ. [5]
После первоначальной реакции полученная смесь производит приблизительно 60% КМЦ и 40% солей ( хлорид натрия и гликолят натрия ). Этот продукт, называемый технической КМЦ, используется в моющих средствах . [ требуется ссылка ] Дополнительный процесс очистки используется для удаления солей с целью получения чистой КМЦ, которая используется в пищевых и фармацевтических целях. [6] Также производится промежуточный «полуочищенный» сорт, который обычно используется в бумажных приложениях, таких как восстановление архивных документов. [7]
CMC является производным регенерированной целлюлозы [C 6 H 10 O 5 ] n с гидроксиуксусной кислотой ( гидроксиэтановой кислотой ) CH 2 (OH)COOH или монохлорацетатом натрия (Na[ClCH 2 COO]). Основная часть CMC состоит из остатков D-глюкозы , связанных -1,4-связью. Она имеет карбоксиметильные группы (-CH 2 -COOH), связанные с некоторыми гидроксильными группами мономеров глюкопиранозы, которые составляют основную часть целлюлозы. Она часто используется в виде ее натриевой соли, натриевой карбоксиметилцеллюлозы. [8]
КМЦ представляет собой белый или слегка желтый порошок без запаха, вкуса или ядовитых свойств. Он гигроскопичен и хорошо растворяется в горячей или холодной воде, образуя вязкий раствор. Он не растворяется в органических растворителях, таких как метанол , этанол , ацетон , хлороформ и бензол . Функциональные свойства КМЦ зависят от степени замещения структуры целлюлозы (т. е. сколько гидроксильных групп было преобразовано в карбоксиметиленовые группы в реакции замещения), а также от длины цепи основной структуры целлюлозы и степени кластеризации карбоксиметильных заместителей. Он обычно используется в качестве модификатора вязкости или загустителя и для стабилизации эмульсий в различных продуктах, как пищевых, так и непищевых. Он в основном используется, потому что имеет высокую вязкость, нетоксичен и, как правило, считается гипоаллергенным. [8]
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) используется в различных областях, от производства продуктов питания до лечения. [9] Обычно она используется в качестве модификатора вязкости или загустителя , а также для стабилизации эмульсий как в пищевых, так и в непищевых продуктах. Она используется в первую очередь потому, что имеет высокую вязкость , нетоксична и, как правило, считается гипоаллергенной , поскольку основным источником волокна является целлюлоза из хвойных пород древесины или хлопковый линт . Она также используется в непищевых продуктах, в том числе в таких продуктах, как зубная паста , слабительные , диетические таблетки, краски на водной основе , моющие средства , текстильная проклейка , многоразовые грелки , различные бумажные изделия, фильтрующие материалы, синтетические мембраны, средства для заживления ран, а также в кожевенном деле для полировки краев. [10] [11] [12] [ требуется проверка ]
КМЦ зарегистрирована как E466 или E469 (когда она ферментативно гидролизована ). Она используется в качестве модификатора вязкости или загустителя , а также для стабилизации эмульсий в различных продуктах, включая мороженое , майонез и напитки. Она также широко используется в безглютеновых и обезжиренных пищевых продуктах. [13]
Изменяемая вязкость КМЦ (высокая в холодном состоянии и низкая в горячем) делает ее полезной при приготовлении холодных блюд и текстур в напитках и пищевых гелях. При DS около 1,0 она может предотвратить дегидратацию и усадку желатина, а также способствует более воздушной структуре. В некоторых продуктах ее можно использовать для контроля содержания масла и влаги. [14]
CMC используется для достижения тартратной или холодной стабильности в вине, что может предотвратить избыточное использование энергии при охлаждении вина в теплом климате. Она более стабильна, чем метавинная кислота , и очень эффективна в ингибировании осаждения тартрата. Сообщается, что кристаллы KHT в присутствии CMC растут медленнее и изменяют свою морфологию. [15] [ необходим непервичный источник ] [16] [17] [ необходим лучший источник ] Их форма становится более плоской, поскольку они теряют 2 из 7 граней, изменяя свои размеры. Молекулы CMC, отрицательно заряженные при pH вина, взаимодействуют с электроположительной поверхностью кристаллов, где накапливаются ионы калия. Более медленный рост кристаллов и изменение их формы вызваны конкуренцией между молекулами CMC и ионами битартрата за связывание с кристаллами KHT. [18] [17] [ необходима полная цитата ]
КМЦ является распространенным ингредиентом в чистящих средствах из-за его загущающих и стабилизирующих свойств и нетоксичного состава. В моющих и чистящих средствах его можно использовать для улучшения текстуры и содействия суспензии грязи и пыли в чистящем средстве. Его регулируемая вязкость может использоваться для стандартизации текстур продуктов, особенно при использовании вместе с другими химикатами.
КМЦ помогает удалять жир и способствует образованию маленьких пузырьков в мыле. Это, наряду с его способностью удерживать грязь в смесях, может сделать мыло и другие чистящие средства более эффективными. [20]
КМЦ используется в текстильной промышленности в качестве загустителя при текстильной печати, составляя около 2-3% печатных паст. Он также используется в отделке тканей для воздействия на текстуру ткани. Кроме того, КМЦ служит связующим веществом в нетканых материалах, способствуя прочности и стабильности материала. В шлихтовальных приложениях около 1-3% КМЦ используется для защиты пряжи во время ткачества, чтобы уменьшить разрывы.
КМЦ помогает загущать печатные пасты, что делает сами отпечатки более точными. Он также используется для загущения красителей. Кроме того, он является альтернативой синтетическим загустителям. [21]
КМЦ является ингредиентом, используемым в более чем 50% косметических продуктов. Как загуститель, он используется в формулах, где вязкость необходимо точно контролировать. В уходе за волосами около 25% шампуней и кондиционеров используют КМЦ для его кондиционирования и распутывания волос. Он также используется в индустрии косметики и зубной пасты для контроля текстуры продуктов. Благодаря своей способности удерживать влагу, он также используется в средствах по уходу за кожей. КМЦ служит в качестве пленкообразующего агента примерно в 10% солнцезащитных кремов.
КМЦ помогает в суспензии и дисперсии пигмента, связывая другие ингредиенты для равномерного распределения. КМЦ, в сочетании с жирной кислотой этаноламином или 2,2'-иминодиэтанолом в средстве для волос, может образовывать тонкую пленку вокруг волос. [22]
Порошок КМЦ широко используется в производстве мороженого для приготовления мороженого без взбивания или экстремально низких температур, тем самым устраняя необходимость в обычных мешалках или смесях для приготовления соляного льда. [23] КМЦ используется при выпечке хлеба и тортов. Использование КМЦ придает хлебу улучшенное качество при сниженной стоимости за счет снижения потребности в жире. КМЦ также используется в качестве эмульгатора в печенье. Равномерное распределение жира в тесте улучшает выход теста из форм и резаков, достигая получения хорошо сформированного печенья без каких-либо искаженных краев. Это также может помочь уменьшить количество яичного желтка или жира, используемых при приготовлении печенья. Использование КМЦ при приготовлении конфет обеспечивает плавное распределение в ароматических маслах и улучшает текстуру и качество. КМЦ используется в жевательных резинках, маргарине и арахисовом масле в качестве эмульгатора. [24]
КМЦ также используется в многочисленных медицинских целях. [25] [26] [27] [28]
Вот некоторые примеры:
В офтальмологии КМЦ используется в качестве смазывающего агента в растворах искусственных слез для лечения сухости глаз. [32]
В ветеринарии КМЦ используется при операциях на брюшной полости у крупных животных, в частности лошадей, для предотвращения образования спаек кишечника. [33]
Нерастворимая КМЦ (нерастворимая в воде) может использоваться для очистки белков, в частности, в форме заряженных фильтрационных мембран или в виде гранул в катионообменных смолах для ионообменной хроматографии . [34] Ее низкая растворимость является результатом более низкого значения DS (количество карбоксиметильных групп на единицу ангидроглюкозы в целлюлозной цепи) по сравнению с растворимой КМЦ. [35] Нерастворимая КМЦ обладает физическими свойствами, аналогичными нерастворимой целлюлозе, в то время как отрицательно заряженные карбоксилатные группы позволяют ей связываться с положительно заряженными белками. [36] Нерастворимая КМЦ также может быть химически сшита для повышения механической прочности материала. [37]
Более того, КМХ широко используется для характеристики ферментативной активности эндоглюканаз (часть целлюлазного комплекса); это высокоспецифичный субстрат для эндоглюканаз, поскольку его структура была разработана для декристаллизации целлюлозы и создания аморфных участков, которые идеально подходят для действия эндоглюканазы. [ требуется ссылка ] КМХ желательна, поскольку продукт катализа ( глюкоза ) легко измеряется с помощью анализа восстанавливающих сахаров , таких как 3,5-динитросалициловая кислота . [ требуется ссылка ] Использование КМХ в ферментативных анализах особенно важно для скрининга ферментов целлюлаз, которые необходимы для более эффективного превращения целлюлозного этанола . [ требуется ссылка ] КМХ неправильно использовалась в ранних работах с ферментами целлюлаз, поскольку многие связывали активность всей целлюлазы с гидролизом КМХ. [ согласно кому? ] По мере того, как механизм деполимеризации целлюлозы становился все более понятным, стало ясно, что экзоцеллюлазы доминируют в деградации кристаллической (например, Avicel) и нерастворимой (например, CMC) целлюлозы. [ необходима ссылка ]
В стиральных порошках он используется в качестве полимера для суспензии загрязнений, предназначенного для осаждения на хлопчатобумажных и других целлюлозных тканях, создавая отрицательно заряженный барьер для загрязнений в моющем растворе. [ необходима цитата ] КМЦ также используется в качестве загустителя, например, в нефтедобывающей промышленности в качестве ингредиента бурового раствора , где он действует как модификатор вязкости и водоудерживающий агент. [ необходима цитата ]
КМЦ иногда используется в качестве связующего для электродов в современных аккумуляторных батареях (например, литий-ионных батареях ), особенно с графитовыми анодами. [38] Растворимость КМЦ в воде обеспечивает менее токсичную и дорогостоящую обработку, чем с нерастворимыми в воде связующими, такими как традиционный поливинилиденфторид (ПВДФ), для обработки которого требуется токсичный n-метилпирролидон (НМП). [ необходима цитата ] КМЦ часто используется в сочетании со стирол-бутадиеновым каучуком (СБК) для электродов, требующих дополнительной гибкости, например, для использования с кремнийсодержащими анодами. [39]
КМЦ также используется в пакетах со льдом для образования эвтектической смеси , что приводит к более низкой температуре замерзания и, следовательно, большей охлаждающей способности, чем лед. [40]
Водные растворы КМЦ также использовались для диспергирования углеродных нанотрубок, где длинные молекулы КМЦ, как полагают, обволакивают нанотрубки, позволяя им диспергироваться в воде. [ необходима цитата ]
В консервации и реставрации используется как клей или фиксатор (коммерческое название Walocel, Klucel). [ необходима цитата ]
Воздействие на воспаление , метаболический синдром , связанный с микробиотой , и колит являются предметом исследований. [41] Карбоксиметилцеллюлоза, наряду с другими эмульгаторами, предлагается в качестве возможной причины воспаления кишечника [2] посредством изменения микробиоты желудочно-кишечного тракта человека , и предлагается в качестве пускового фактора при воспалительных заболеваниях кишечника, таких как язвенный колит и болезнь Крона . [42] [43] [ необходим неосновной источник ]
Хотя это считается редкостью, существуют сообщения о случаях серьезных реакций на КМЦ. [44] Считается, что кожные пробы являются полезным диагностическим инструментом для этой цели. [45]