3.1 食品工业
CMS无味、无毒、不易霉变、易溶于水,对人体无害,能被人体的α-淀粉酶分解,具有生物可消化性,易被人体吸收,在国家卫生食品标准中日摄入量不受限制。CMS应用于不同的食品中表现出增稠、悬浮、乳化、稳定、保形、成膜、膨化、保鲜、耐酸和保健等多种功能,性能优于羧甲基纤维素(CMC),是取代CMC的理想产品。食品级CMS广泛应用于牛奶、饮料、冷冻食品、快餐食品、糕点、糖浆等产品中。
3.2 医药工业
CMS在医药方面的应用相当广泛。就药物制剂而言,CMS可取代明胶,作为制作胶囊、片剂、糖衣的原材料。通过交联醚化复合等方法变性而得的CMS,具有带电荷的体形网络结构,同时含有亲水性的羟基、羧甲基及羧甲基钠基团,具有超强吸水性(吸水后体积可达原体积的200~300倍)及快速吸水膨胀的效果,能很快将完整的固体制品崩解为细小的颗粒状或粉末,增加主成分的溶出效果,有利于被身体吸收,是一种良好的药物崩解剂。CMS可满足药物加工过程的可塑性及流动性,可用作许多药物片剂、胶囊、缓控释出剂及颗粒剂等制剂的赋形剂。CMS还可以用作血浆体积扩充剂及口服药物的糖浆、悬浮剂等。
3.3 纺织印染工业
CMS用作各种纤维织物的上浆剂,浆料清澈、透明、均匀,具有良好的稳定性。CMS浆料富有黏性和膜形成性,可在经纱表面形成光滑、耐磨、柔韧的薄膜,使纱支能忍受织机的绝对强力、相对活力和摩擦力,为织造更加细密的高级织物及高速高效提供了有利条件。用CMS浆料处理的纱支,易干燥,色泽鲜艳,手感柔和,退浆容易。印染用CMS作为染料,印染助剂的载体糊料,具有相容性和稳定性好的优点。用CMS配制的染色浆料的渗透性也很好,尤其是需要深且透的织物的拷花,可迅速按版型来印刷图案,并可显著提高印花的鲜艳度。
3.4 石油工业
CMS在油井作业过程中可作为泥浆稳定剂、保水剂,起到降低失水量、提高钻井液中黏土颗粒的聚结稳定性的作用。CMS对泥浆的塑性黏度影响小,对动力、切力影响大,有利于携带钻屑,尤其在钻盐膏层时,可使钻井液稳定,降低流失量,防止井壁崩塌,特别适用于矿化度高、pH值高的盐碱井。
3.5 造纸工业
CMS在造纸中的应用也很广泛。在填料中加入CMS作为稳定剂,起增稠黏结作用,使纸张光泽鲜艳,改善纸张的印刷性能,增强纸张的韧性和耐磨性。CMS对细小纤维和填料粒子具有助留作用,用作浆内添加剂,提高助留助滤效果。也用于纸张的表面施胶,可明显提高纸张的干强度和湿强度,并能提高耐油性、吸墨性和抗水性。CMS还可以在纸张涂布中用作黏着剂,使涂料具有良好的均涂性和黏度稳定性,在涂布黏合中使用可以提高纸张的生产和使用性能。
3.6 日用化学工业
CMS具有螯合、离子交换、阴离子絮凝等功能,可作为多功能洗涤助剂用于洗涤剂配制,能很好地封锁钙、镁离子,软化硬水并悬浮,分散污垢防止污垢再沉积,提高洗涤剂的洗涤效果。CMS的除垢效果明显优于CMC,对污秽的扩散能力优异,尤其对疏水性的合成纤维织物的抗污垢再沉淀效果特优。在化妆品工业中,CMS作为固水或吸水保水的胶料,用于抗粉刺药物制剂及皮肤清洁剂的制造。在牙膏中,CMS能形成三维聚合网状结构,可以保证膏体在管中的存储稳定性,延长货架期,提高膏体均匀性和表面光洁度,降低膏体输送动力。CMS还可以配制面膜、洗发染发剂、发胶、复合皂粉等。除此之外,CMS在陶瓷、建材、水处理等工业也有多种用途,由于应用广泛而有“工业味精”之美称。
4 存在问题及对策
目前,CMS在合成工艺及性能方面存在的主要问题有:(1)水媒法。只能合成取代度及黏度较低的产品,产物后处理困难,耗水量大,对环境有污染。目前,工业上很少采用水媒法生产羧甲基淀粉。(2)溶媒法。有机溶剂使用量大,溶剂需要回收,生产成本高且较易污染环境。其中甲醇本身有毒性,大量使用不利于对环境保护和人体健康。异丙醇沸点较高,不易挥发,能耗大,在国内价格相对较高,同时对设备有一定的腐蚀性。(3)干法。生产CMS普遍存在淀粉与反应试剂之间不能充分混合均匀,碱及醚化剂较难渗透到淀粉颗粒内部,从而使产物的平均取代度不高,取代基多分布于颗粒表面,产物溶解性能也不够理想。(4)由于工艺技术的制约,目前国内企业生产的CMS多是中低取代度的产品,产品糊液黏度不稳定,抗酸、耐盐、耐剪切性能相对较差,导致应用受到一定制约。(5)高取代度、高黏度的CMS尽管已有研究报道[13-15],但产品质量不够稳定,现实中工业化生产规模小,系列化品种少,还远远满足不了各行业的应用需求。
针对上述存在的问题,今后的研究工作可以从以下几个方面着手:(1)干法或半干法具有节能减排,绿色环保等优势,是生产CMS的理想工艺,应加强研究。可以从对淀粉进行预处理方面着手。因淀粉结构中含有结晶区及非晶区,结晶区占淀粉颗粒体积的25%~50%,结晶区对水、醚化剂有很强的抵抗能力,在干法及半干法的工艺条件下,传统的一步、多步加碱法,均不足以完全破坏淀粉的结晶结构,反应多发生在非晶区,反应试剂很难触及结晶区域的羟基基团,导致反应不均匀,取代度低。若能采用适宜的方法对淀粉进行预处理,先破坏淀粉的结晶区域,将淀粉制成结构疏松的非晶化淀粉,再进行醚化变性,反应试剂的内扩散阻力就会显著减弱,而易于渗透到淀粉颗粒内部将羟基醚化,进而可以提高取代度,改善产品的性能。(2)在干法工艺还不十分完善的情况下,寻找综合性能更优良的溶剂作反应介质,也可以考虑将传统单一的有机溶剂介质转为两种或多种有机溶剂介质的复配。(3)单变性淀粉虽然改进了天然原淀粉的某些缺陷,但其本身仍然存在不足之处,如CMS就有不耐酸、不耐盐等缺点。而复合变性淀粉产品,如交联-酯化、交联-醚化等产品则兼具两种单一变性淀粉的优良性质[16-18],因此,应加强对CMS复合变性的研究,改进CMS的应用性能。(4)加强对高取代度、高黏度CMS糊液的非牛顿流体性质的研究,为开发质量稳定的CMS及拓展其在实际中的应用提供理论支持。
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