羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC），是由天然纖維素經過化學改性得到的一種水溶性纖維素醚。由於羧甲基纖維素酸式結構的水溶性不好，為了能夠更好地對其進行應用，其產品普遍製成鈉鹽，分子式為[C6H7O2（OH）2OCH2COONa]n 。

羧甲基纖維素鈉簡稱CMC-Na，白色至淡黃色粉末、粒狀或纖維狀物質，吸濕性強，易溶於水，在中性或鹼性時，溶液呈高粘度液。對藥品、光、熱穩定。但對熱是以80℃為限，80℃以上長時間加熱，粘性降低，在水中不溶。其相對密度1.60，薄片相對密度1.59。折射率1.515。 加熱至190～205℃時呈褐色，至235～248℃時炭化。其在水中的溶解度取決於取代度。不溶於酸和醇，遇鹽不沉澱。不易發酵，對油脂、蠟的乳化力大，可長期保存。

根據用途的不同有鹼性和中性兩大類產品，鹼性，工業用低粘度（2%水溶液）0.2～0.5Pa·s；中性，工業用中粘度（2%水溶液）0.3～0.6Pa·s，工業用高粘度（2%水溶液）0.8～1.0Pa·s。

廣泛用於石油工業掘井泥漿處理劑、合成洗滌劑、有機助洗劑，紡織印染上漿劑、日用化工產品水溶性膠狀增粘劑、醫藥工業用增粘及乳化劑、食品工業用增稠劑、陶瓷工業用膠粘劑、工業糊料、造紙工業用施膠劑等。在水處理中用作絮凝劑，主要用於廢水污泥處理，可以提高濾餅的固體含量。

羧甲基纖維素鈉是也增稠劑的一種，由於其本身具有良好的功能特性使其在食品工業得到了廣泛的應用，它也在一定程度上推動了食品工業快速健康的發展。如由於其具有一定的增稠乳化作用，可以用於穩定酸乳飲料並可增加酸奶體系的黏稠性；由於其具有一定的親水性和復水性，可以用於改進麵包和饅頭等麵食的食用品質，延長麵食製品的貨架期、提升口感；由於其具有一定的凝膠作用，有利於食品更好地形成凝膠，因此能夠用於製造果凍和果醬等；其也可以作為可食性的塗膜材料，與其他增稠劑復配使用，塗抹在一些食品表面，可最大程度地使食品保鮮，且由於是可食性材料，對人體健康不會造成不良影響。因此，食用級的CMC-Na作為一種理想的食品添加劑，在食品工業的食品生產中應用非常普遍。

以纖維素為原料，採用兩步法製備CMC-Na。首先是纖維素的鹼化過程，纖維素與氫氧化鈉反應後生成鹼纖維素，之後鹼纖維素與氯乙酸反應生成CMC-Na，稱為醚化反應。

該反應體系必須為鹼性。該過程屬於Williamson醚合成法。反應機製為親核取代。反應體系屬鹼性，在水的存在條件下伴隨一些副反應，如羥乙酸鈉、羥乙酸等副產物生成，由於副反應的存在，會增加鹼和醚化劑的消耗，進而降低醚化效率；同時，副反應中會生成羥乙酸鈉、羥乙酸和更多的鹽類雜質，造成產物的純度和性能降低。想要抑制副反應，不僅要合理用鹼，控制水系用量、鹼的濃度和攪拌方式，以鹼化充分為目的，同時還要考慮到產品對黏度和取代度的要求，綜合考慮攪拌速度、溫度控制等因素，提高醚化速率，抑制副反應發生。

按醚化介質的不同，CMC-Na的工業生產可分為水媒法和溶媒法兩大類。以水作為反應介質的方法叫做水媒法，用於生產鹼性中低檔CMC-Na。以有機溶劑作為反應介質的方法，叫做溶媒法，適用於生產中高檔CMC-Na。這兩種反應都是在捏合機中進行的，屬於捏合法工藝，是目前生產CMC-Na的主要方法。

水媒法是一種較早的工業生產工藝，該方法是將鹼纖維素與醚化劑在遊離鹼和水的條件下進行反應。鹼化和醚化過程中，體系中沒有有機介質。水媒法設備要求較為簡單，投資少、成本低。缺點是缺乏大量液體介質，反應產生的熱量使溫度升高，加快了副反應的速度，導致醚化效率低，產品質量差等。該方法用於製備中低檔CMC-Na產品，如洗滌劑、紡織上漿劑等。

溶媒法又稱有機溶劑法，其主要特點是鹼化和醚化反應是在有機溶劑做反應介質（稀釋劑）的條件下進行的。按反應稀釋劑用量的多少又分為捏合法和淤漿法。溶媒法同水媒法的反應過程一樣，也由鹼化和醚化兩個階段組成，只是這兩個階段的反應介質不同。溶媒法省去了水媒法所固有的浸鹼、壓榨、粉碎、老化等工序，鹼化、醚化均在捏和機中進行。缺點是溫度可控性相對較差，空間要求、成本較高。當然，對不同設備布局的生產要嚴格控制系統溫度、加料時間等，可以製備質量和性能優良的產品。

食用的羧甲基纖維素鈉對含油脂蛋白質的飲料可起到乳化穩定作用，一般油脂飲料的特點是含有不同程度的脂肪和一定量的蛋白質，在存放時易分離上浮，形成不美觀的“項圈”，影響產品的外觀。

另外，蛋白質易凝聚分離，特別是pH值較低的產品，蛋白質必然凝結，而CMC-Na可有效解決這些問題，其在水中溶解為透明穩定膠體，可穩定蛋白質，同時降低脂肪和水之間的表面張力，使脂肪充分乳化。因此，CMC-Na常作為增稠劑用於食品工業中。

羧甲基纖維素鈉具有水化作用，在肉製品、麵包、饅頭等食品中，可以起到組織改良的作用，而且可以使水分不易揮發，可提高產品產量，增加口感。

觸變性的羧甲基纖維素鈉是指大分子鏈有一定數量的相互作用，傾向於形成三維結構。形成三維結構后，溶液的表觀黏度上升；打破三維結構后，表觀黏度下降。觸變現象就是表觀黏度的變化依賴於時間。具有觸變性的羧甲基纖維素對於凝膠體系有重要作用，可用來制果凍和果醬。

羧甲基纖維素鈉能夠在食品表面形成一層膜，可以對果蔬起到一定的保護作用，由於膜的存在，使膜和果蔬之間形成了一個低氧氣、高二氧化碳的氣體環境，從而降低了氣體的交換速率、物質交換速率，用於延長果蔬的保質期。

羧甲基纖維素鈉還具有其他一些特性，如懸浮作用以及化學穩定性等，這些性質也為其在食品工業中廣泛應用奠定了基礎。

（1）在酸性飲料中應用研究

酸性乳飲料具有酸甜獨特的風味，有著廣泛的市場。但在生產過程中，酪蛋白會在酸性條件下發生聚集失穩，因此一般加入多糖，可對酪蛋白起保護作用，使體系穩定並同時保證了良好的口感。而羧甲基纖維素鈉作為一種多糖可穩定酸性乳飲料的機理可描述為：在調酸過程中，當pH值5.2時，CMC-Na開始吸附於酪蛋白膠粒的表面，其作用類似於中性條件下κ- 酪蛋白的作用，吸附層的靜電排斥和空間位阻維持了酪蛋白膠束的穩定存在，且CMC-Na具有增稠作用，可以降低蛋白質顆粒的沉降速率。結果表明，在低pH值下，羧甲基纖維素鈉需要一定濃度才可以；而低於此濃度時，體系會失去穩定。在pH值3.6~4.6，較低pH值體系需更多的羧甲基纖維素鈉來穩定。發酵型酸性乳飲料與調酸型相比，對於穩定劑要求較高。

而含有果粒的酸性乳飲料是在乳飲料中添加一定量的果粒，同樣需加入穩定劑來穩定體系。試驗得出，酸性含乳飲料以CMC-Na為主要的穩定劑。當複合穩定劑中CMC-Na佔0.4%，果膠為0.14%時體系穩定性較好。

還有學者研究，在番茄紅素活性飲料中應用羧甲基纖維素鈉來穩定體系。研究表明，當CMC-Na添加量大於 0.4%時，產品有很好的穩定性，但此時黏度大大增加，所以可選擇與其他膠體復配使用。

傳統的調酸型乳飲料在應用了CMC-Na冷化料工藝優化后，在貨架期內，其產品黏度總是高於熱化料產品的黏度，有更好的穩定性，這也為羧甲基纖維素鈉更好地應用於酸性乳飲料生產中提供了理論依據。

（2）攪拌型酸奶中的應用

乳蛋白在酸性條件下的變性沉澱一直是影響酸乳開發的一個關鍵性問題。因CMC-Na具有多功能的性質，來源豐富，價格便宜，所以多用作穩定劑。

結果表明，CMC-Na受溫度、pH值影響較大，當CMC-Na添加量較小時不能穩定酸奶狀態，當其含量大於 0.4%時酸奶的狀態有所改善，體系趨於穩定；且在0.05%~0.1%時CMC-Na對於酸奶的增稠效果較小，而在含量較大的範圍內（0.4%~0.5%） 增稠效果顯著。

（3）酪蛋白乳液中的應用

乳液是由一種液體以極小的液滴形式分散在另一種與其不相混溶的液體中所構成的分散體系，其為不穩定體系。在眾多食品膠中，羧甲基纖維素鈉和黃原膠由於具有獨特的功能性質，被深入研究。結果表明，CMC-Na與 XG（黃原膠）復配能夠使體系更加穩定。在一定的復配比例下（CMC-Na∶XG為 1∶1，3∶1），總添加量為乳液總質量的0.4%，乳液的分層穩定性會增加，在室溫下貯藏2周，分層現象不明顯。

羧甲基纖維素鈉具有一定的親水性和復水性，因此用於面製品的生產中。

（1）在麵包中的應用

由於羧甲基纖維素鈉中有親水基團，在和面時能夠與水結合形成親水膠體而吸水膨脹，在膨脹后的 CMC-Na可使麵筋的持水性增加，有利於麵包的醒發和焙烤過程中二氧化碳的保持，從而使麵包的體積變大，但是羧甲基纖維素鈉的用量不能超過6%。由於其具有很強的保水性，適合的添加量可以降低麵包的硬度。試驗得出，添加適量（2%~8%）的羧甲基纖維素鈉對於焙烤麵包的品質有明顯改善，以添加6%時效果最好，其次為添加量4%。可以提高麵包體積，改善麵包的結構和風味，可延長麵包的貨架期。這為羧甲基纖維素鈉添加入麵包中，改善麵包品質提供了可能。

（2）在饅頭製作中的應用

羧甲基纖維素鈉添加量對小麥饅頭麵糰中的pH值影響不大，研究表明羧甲基纖維素鈉能有效改善小麥饅頭的質構，有效降低饅頭的硬度、黏著性、咀嚼性，且羧甲基纖維素鈉添加量為0.06%~0.08%時，各質構指標表現的最好。而現在羧甲基纖維素鈉在饅頭中的應用還較少，這也為其應用於新的領域提供了可能，可增加它的應用範圍。

食品增稠劑具有增稠、增濃、穩定、耐鹽和耐溫等特點，被廣泛用於食品調味料中。有學者研究了天然肉味香精製備中增稠劑的選擇和工藝優化，結果表明選擇 5%的羧甲基纖維素作為肉味香精的膠體，60~70 ℃水浴加熱溶解，攪拌30min，膠體溶解后，放置24~48h后溶脹再用於製備肉味味精，產品增稠性比較好，無色無味。

由於羧甲基纖維素鈉具有增稠作用，可用於製作果醬。經過試驗得到，製作菱角番茄醬的最佳工藝是羧甲基纖維素鈉1.9%，檸檬酸0.8%，白砂糖4%，以及菱角醬與番茄醬比為1∶1，此時製得的果醬口感較好，且穩定。

羧甲基纖維素鈉也可以用來製作飲料。玉米飲料貯藏中易於分層、形成沉澱，而以CMC和海藻酸鈉復配可提高穩定性。添加量均為0.05%的羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉時，玉米飲料的沉澱率最小，離心後分層不明顯，穩定性好，這也為玉米飲料市場的發展奠定了一定的基礎。羧甲基纖維素鈉還用於冰激凌的生產，以及酒類的澄清。

交聯羧甲基纖維素鈉（Croscamellose sodium）是羧甲基纖維素鈉在一定條件下進行交聯反應而成的一種不溶於水而在水中溶脹至原體積4~8倍的交聯聚合物，常用作片劑、膠囊劑的崩解劑。

有學者以交聯羧甲基纖維素技術開發了適合番茄醬特性的增稠劑，以環氧丙烷為交聯劑建立了羧甲基纖維素交聯反應試驗。研究證實試驗開發的交聯CMC-Na適合番茄醬增稠，效果較好。

高吸水性樹脂（super absorbent resin，簡稱SAR）是上世紀60年代開始發展起來的一種具有強親水性基團和一定交聯度的新型功能高分子材料。高吸水樹脂的種類很多，所用原料和合成工藝方法也多種多樣。CMC-Na是重要的改性產品，不僅具有良好的水溶性，也是重要的反應中間體。

有學者以草漿纖維素為原料通過二次鹼醚化製備CMC-Na，在引發劑、交聯劑的作用下，與丙烯酸、丙烯醯胺接枝共聚製得具有良好吸水速率和保濕性能的高吸水性樹脂（SAR）。這對充分利用農作物秸桿，提高產品的價值提供了新的途徑。