JP4270525B2

JP4270525B2 - 球状再生セルロース微粒子及びそれからなる水懸濁液、ゲル状物質及び球状再生セルロース微粒子の製法

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Publication number: JP4270525B2
Application number: JP35024197A
Authority: JP
Inventors: 郁也宮本; 博文小野
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11171901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセルロース微粒子及びそれから得られる水懸濁液、ゲル状物質及びセルロース微粒子の製法に関するものであり、さらに詳しくは食品、医薬、塗料用途などに有用な再生セルロース微粒子、水懸濁液、ゲルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ナイロン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、セルロースなど数多くの高分子微粒子が様々な工業用途に用いられている。これらの中でも特にセルロースは生体適合性に優れていること、食物繊維としての性能があることなどから、食品、医薬分野で非常に幅広い用途があり、用途に応じて微粒子の形態を変化させて使用されている。例えば、セルロース微粒子を水に分散させた水懸濁液は、ココアや牛乳などの飲料の分散安定剤として用いられている。また乾燥させた微粉化セルロースはアイスクリームなどの食品添加剤、錠剤整形時の形態安定剤、あるい化粧クリームや洗剤などの添加剤などに用いられている。
【０００３】
一般にこれらのセルロース微粒子の性能を支配している構造因子は粒径とその分布、形態などである。特に食品、化成品など一部の用途では微粒子の粒径を小さくすることが望まれており、今までにも数多くの微細化の試みがなされてきた。これらの中で最も容易なものは物理的方法である。これはボールミルなどの機械力によって粒子同士を衝突させる方法、あるいは凍結割断法などである。これらの方法では化学的にセルロースが変性する心配がない反面、粒径はそれほど小さくならないこと、また粒子の形状、粒径などは一定ではなく分布が広いという致命的な欠点がある。例えばこれを応用したものとして特開昭５６−１００８０１の微小繊維状セルロース（ミクロフィブリル化セルロース）が挙げられる。これはパルプの水懸濁液を高圧用均質化装置で処理したものであるが、これで得られたセルロースは大きさの不均一なフィブリル状であり、かつその大きさは数１０μｍにも及ぶ。よってこれらの懸濁液はざらつき感が非常に強く用途はかなり限定される。
【０００４】
一方化学的処理によって得られた微結晶素材として微結晶セルロース（特公昭４０−２６２７４）がある。これは木材パルプあるいはコットンリンターのようなセルロース原料の非晶部分を鉱酸で加水分解して崩壊させて得た結晶の集合体からなる粉体である。ただこれらの微粒子の平均粒径は１５〜４０μｍであり、１μｍ以下の微結晶はほんの０〜２％であることが特開平３−１６３１３５の追試実験によって示されている。特開平３−１６３１３５ではこれらの問題をクリアしさらに微細化したセルロースの分率を増加させることを目的として、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、スチームエクスプロージョン分解、水蒸気蒸煮のうちの１つまたは２つ以上の組み合わせ処理を前処理として、その後に媒体を湿式粉砕するという方法を開発した。この方法によると水懸濁液にした際、積算体積５０％の粒径が０．３〜６μであり、かつ３μ以下の積算体積割合が２５％以上の微粒化セルロース素材が得られる。
【０００５】
しかし、上記の特公昭４０−２６２７４及び特開平３−１６３１３５の方法で得られる微粒化セルロースから得られる懸濁液の粒径は少なくともサブミクロン以上の混合物であるため、水懸濁液の透明感は著しく低いという欠点があり、ある種の食品分野への応用が制限されている。
【０００６】
また天然セルロースを６０％以上の濃厚硫酸で極限まで加水分解することによって幅３０ｎｍ、長さ１００〜２００ｎｍの比較的小さいｒｏｄ状微結晶セルロースが得られることが知られている。これを１〜２０％含むサスペンションも透明感に優れている。ただ、これらの微結晶セルロースは長軸方向と短軸方向の比（Ｌ／Ｄ）が１０以上のｒｏｄ状であり、食品として大量に使用した際、食感として若干の苦み感を生ずるという問題点がある。また粒径としても長軸方向の長さは１００〜２００ｎｍと比較的大きい。よって食品添加剤として他の懸濁液などと混合する際、均一性が低くなりやすいなどの問題点もある。
【０００７】
他方、錠剤成型用の補助助剤としてセルロース微粒子が用いられている。錠剤の中でも一面の中央に割線を有した、いわゆる割線錠は、患者の服用性を向上させるために比較的弱い力で分割することが求められている。その反面、輸送時の錠剤の摩損や破壊などが少ないことも要求されており、そのバランスを保つことが課題の一つとされている。従来技術では割線錠の形態を変えることでそれらの値を向上させようという試みがなされてきたが充分な結果は得られていない。また助剤であるセルロース微粒子の種類を変えても満足な結果は今のところ得られていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、食品として用いた際、ざらつき感、苦み感がなく、分散性の高い透明性に優れたセルロース水懸濁液及びゲル状物質を調製できるようなセルロース微粒子、及び錠剤を形成した際に低打圧でも成形性が良く、かつ摩損性の低いセルロース微粒子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記のように従来技術には様々な問題点が存在する。本発明者らはかかる点に鑑み、これらの問題点をクリアすべく鋭意検討を重ねた結果、原料セルロースに再生セルロースを用い、硫酸あるいは塩酸による加水分解処理を行って得られる再生微粒子セルロースが、平均粒径２０〜１００ｎｍの範囲であり、ほぼ均一な球状であることを見いだした。そして驚くべきことに、これらのセルロース微粒子の中で結晶化度が高いサンプルから形成される錠剤は、低打圧で成形可能で摩損性が非常に小さいことを見いだした。またこの範囲の再生セルロース微粒子から得られる水懸濁液は、幅広いＰＨにおける分散性、透明感、食感が従来のものに比べて著しく優れていること、この懸濁液を水溶液中で濃縮した場合、透明かつ弾性率が高いゲル状物質が生成することを見いだし、本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子。
（２）動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍであり、かつその粒径分布曲線の半値幅が５０ｎｍ以下である球状再生セルロース微粒子。
（３）広角Ｘ線回折法から求められる結晶化度が６０％以上であることを特徴とする上記（１）記載の球状再生セルロース微粒子。
（４）動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子と水からなる水懸濁液。
（５）動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子と水からなるゲル状物質。
（６）重量比で３ｗｔ％以下の界面活性剤を含む上記（４）記載の水懸濁液。
（７）再生セルロースを反応温度２５〜７５℃、反応時間５〜１００時間、重量比で２０％以上５５％以下の硫酸で、あるいは反応温度６０〜９０℃、反応時間１５０〜３００分、２Ｎ以上４Ｎ以下の塩酸で加水分解処理することを特徴とする上記（１）記載の球状再生セルロース微粒子の製法。
【００１１】
本発明における平均粒径とは、動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた水懸濁液中での数平均の値である。この際０．０１ｗｔ％に調製した懸濁液をＤＬＳ測定するものとする。本発明における粒径分布曲線とは上記ＤＬＳ測定で得られたものである。本発明における球状とは、凍結乾燥後のセルロース微粒子の電子顕微鏡写真もしくはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）写真において観察される微粒子の直径が、おおよそプラスマイナス２５％以内の範囲に収まることを言う。本発明における球状再生セルロース微粒子は、平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に収まり、かつ形状が球状な再生セルロースであることを条件とする。これらの条件が満たされれば、従来技術に比べて透明度、分散性が高く、かつ食品としてのざらつき感、苦み感がない懸濁液が得られる。
【００１２】
そしてここで粒径分布曲線の半値幅が５０ｎｍの条件が満たされれば、さらにその性能は著しく向上する。
【００１３】
本発明における結晶化度とは、磯貝らによって報告された方法［ＡｋｉｒａＩｓｏｇａｉａｎｄＭａｋｏｔｏＵｓｕｄａ繊維学会誌Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．８ｐ．３２４（１９９０）］に従い、広角Ｘ線回折パターンから（１）式を用いて求められるセルロースII型についての値である。
χｃ＝Ｉ（００２）−Ｉａｍ／Ｉ（００２）Ｘ１００（１）
【００１４】
ここでＩ（００２）、Ｉａｍはそれぞれ図１に示すように２θ＝１２゜における全回折強度及び非晶成分のみの回折強度を表す。セルロース微粒子のχｃは水懸濁液の分散性や透明性にそれほど影響を及ぼさないが、χｃが６０％以上であれば、それから得られる錠剤は低打圧でも強度が高く、かつ摩損性が著しく低い。χｃを６０％以上にするためには、後述する加水分解反応の条件として、酸濃度を高くするか反応時間を長くする必要がある。
【００１５】
本発明における水懸濁液とは、本発明におけるセルロース微粒子が液全体に均一に分散したものを指し、一部の微粒子が沈降したり、２相、３相に分離したような不均一なものは含まない。水懸濁液の分散性は、懸濁液の濁度を尺度として評価することができる。本発明における濁度とは、１ｗｔ％水懸濁液の６６０ｎｍの吸光度を指し、吸光度が高いほど懸濁液の濁度は高い。様々なＰＨにおける水懸濁液の濁度は以下の実験方法に従って測定する。ＰＨ＝２〜１０に調製した所定濃度の水懸濁液に２分間超音波処理を施した後濁度をそれぞれ測定し、それ以後一日おきに濁度を測定する。本発明における水懸濁液は、サンプル調製時点で、ＰＨ＝２〜１０の９種類の懸濁液の濁度のふれ幅が２０％以内に収まり、かつその状態が１０日以上継続する。
【００１６】
本発明における界面活性剤を含む水懸濁液は、フィルム作成やコーティングの際に安定に懸濁液をキャストできると共に他の素材に対する接着性を増大させる働きがある。一般に、界面活性剤は親水基の種類によってアニオン性、カチオン性、非イオン性、両性の４種類に分類できるが、本発明においてはその種類は問わないが、透明な液体状であることが望ましい。界面活性剤の濃度は３ｗｔ％以下でなければならない。３ｗｔ％を越える界面活性剤はセルロース微粒子の分散性を阻害する。懸濁液のコーティング安定性は、懸濁液と素材との接触角の大きさを指標として判定することができる。すなわち懸濁液の水滴を素材の上に滴下し、その水滴を写真撮影した際、その接触角が小さいほど素材との親和性は高く、コーティング安定性は高い。
【００１７】
本発明におけるゲル状物質とは、本発明におけるセルロース微粒子と水からなり、系全体に微粒子が分散したままゲル状となったものを指し、一部の微粒子が沈降したり、水が遊離したような不均一なものは含まない。懸濁液とゲル状物質との違いは、動的粘弾性測定において損失弾性率（Ｇ’’）と貯蔵弾性率（Ｇ’）との比ｔａｎδ（Ｇ’’／Ｇ’）で判定することができる。この際測定はＧ’が線型領域で行うものとする。本発明ではｔａｎδが１より小さいものはゲル状物質とする。
【００１８】
本発明におけるセルロース微粒子は、２０〜５５％の硫酸水溶液、あるいは２Ｎ〜４Ｎの塩酸で再生セルロースを加水分解処理したスラリーを脱イオン水で希釈し、遠心分離−デカンデーション処理したを繰り返した後、０．１ｗｔ％以下の濃度に希釈したのち凍結乾燥、あるいは臨界点乾燥あるいはスプレードライ法を用いて乾燥する事によって得られる。この際、水をアセトンやエタノールに置換した後に凍結乾燥あるいは臨界点乾燥することによっても微粒子の凝集を防ぐことができる。またセルロース微粒子を水懸濁液やゲル状物質として用いる場合は、凍結乾燥することなく、「ＮＥＶＥＲＤＲＹ」の状態で上記の溶液からそのまま、あるいは濃縮することによっても単離できる。遠心分離−デカンデーション処理でサスペンションが中性になりにくい場合は、脱イオン水による透析、あるいは中和処理を併用することも好ましい。反応の際の酸濃度は酸の種類によって異なる。硫酸を用いた場合は２０％〜５５％、塩酸の場合は２Ｎ〜４Ｎでなければならない。酸濃度が上記範囲より低い場合は加水分解反応が充分に起こらない。一方酸濃度が高い場合はセルロースが一部溶解して収率が著しく低下する。反応時間、反応温度については酸濃度に併せて適宜変化させる必要がある。硫酸を用いた場合、おおよそ反応温度は２５〜７５度、反応時間は５ｈから１００ｈ程度である。一方塩酸を用いた場合は、反応温度は６０度から９０度、反応時間は１５０分〜３００分である。反応の終了は溶液をサンプリングして酸濃度を希釈し、ＤＬＳを測定してその粒径から判断する。
【００１９】
本発明における再生セルロースとは、天然セルロースを一度溶剤に溶解し、再生して得られるものであれば形態、重合度は何でも良い。また原料となる天然セルロースの種類、溶剤の種類は問わない。但し上記（１）式から求められるＸ線結晶化度χｃが２０％以上であることを条件とする。
【００２０】
本発明における微粒子の平均粒径、形状の確認に用いた測定法の詳細について以下に示す。
１）粒径分布：大塚電子製ＤＬＳ７００を用い、０．０１ｗｔ％の水懸濁液を２５℃、散乱角６０°で測定した。また粒径は数平均での値を用いた。
２）形状：ＤｅｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＮａｎｏＳｃｏｐｅ IIIを用い、０．１ｗｔ％の水懸濁液を凍結乾燥した後、２５℃、大気中でのｔａｐｐｉｎｇモードで測定した。
【００２１】
【実施例】
以下実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
【００２２】
実施例１〜３および比較例１〜３
公知の方法で調製した銅アンモニアセルロース溶液から得られた再生セルロース不織布１０ｇを５０ｗｔ％の硫酸１０００ｇに浸責し、７０℃で１６時間加水分解処理した。得られたセルロース微結晶分散液を１００００ｒｐｍの速度で１０分遠心分離した。沈殿物をデカンデーションにより取り出し、脱イオン水を注入して攪拌し、再び遠心分離した。この操作を数回繰り返すことによって、セルロースは沈殿することなくセルローススラリーが得られた。これを凍結乾燥して得られたサンプルを実施例１とする。
【００２３】
また加水分解に用いる酸が２Ｎの塩酸であり、反応温度が９０度、反応時間が２００時間であること以外は実施例１と全く同じ条件で球状再生セルロース微粒子を調製した。これを実施例２とした。
【００２４】
また加水分解に用いる硫酸濃度が３８ｗｔ％であること以外は実施例１と全く同じ条件で球状再生セルロース微粒子を調製した。これを実施例３とする。
【００２５】
また硫酸濃度が１８％である以外は実施例１と同様の条件で球状再生セルロース微粒子を調製した。これを比較例１とする。
【００２６】
また公知の方法で天然セルロースの微結晶セルロースサスペンションを調製した。以下にその製法を示す。ＤＰ＝１５００のアラスカパルプを６４ｗｔ％の硫酸で７０度、１０分間加水分解処理した。得られた分散液を上記と同様の方法で連続の遠心分離−デカンデーションの繰り返し処理を行い、比較サンプルとして０．０１ｗｔ％のサスペンションを得た。これを実施例１と同様に凍結乾燥して得られたセルロースを比較例２とする。
【００２７】
また特開平３−１６３１３５記載の方法で調製した０．０１ｗｔ％のセルロース懸濁液から凍結乾燥で得られたセルロースを比較例３とする。
【００２８】
これらのサンプルのＡＦＭ写真を図２〜４に示す。すなわち、実施例１、２のセルロース微粒子は図２に、実施例３および比較例１のセルロース微粒子は図３に、そして比較例２および比較例３のセルロース微粒子は図４に示す。比較例２、３はｒｏｄ状であるのに対して、実施例１、２、３及び比較例１はほぼ球状の微粒子から形成されていることがわかる。また実施例１〜３及び比較例１のセルロース微粒子を広角Ｘ線回折測定し、結晶化度χｃを求めた結果を表１に示す。ここで比較例２、３についてはセルロースＩ型の結晶型を持つため、本法では結晶化度は算出できない。実施例１、２に比べて実施例３のχｃは小さく、酸加水分解の際の硫酸濃度がχｃに影響を及ぼすことが明らかになった。さらにこれら実施例１〜３及び比較例１〜３のセルロース微粒子を０．０１％含む水懸濁液を調製し、これらのＤＬＳ測定から求めた数平均の粒径及びその粒径分布の半値幅を表１に併せて示す。実施例１、２、３の平均粒径は比較例３に比べて著しく小さい。また比較例１、２に比べても実施例１、２、３の平均粒径は小さいことがわかる。
【００２９】

【００３０】
実施例４〜７および比較例４〜６
実施例１〜３の球状再生セルロース微粒子を１％含む水懸濁液を調製し、それぞれ実施例４〜６とした。また実施例４の水懸濁液に０．５ｗｔ％の界面活性剤［旭化成工業社製アミノ酸系界面活性剤「アミノサーファクタント」（アニオン性）］を添加したサンプルを実施例７とした。また比較例１〜３のセルロース微粒子を１ｗｔ％含む水懸濁液を調製しそれぞれ比較例４〜６とした。これらのサンプルについて分散性試験を行った結果を表２に示す。またこれら６種類の水懸濁液のポリ塩化ビニルフィルム上での接触角を測定した結果も併せて示す。
【００３１】
分散性の指標である濁度は上述の方法に従って測定した。すなわち１ｗｔ％水懸濁液をＰＨ＝２〜１０に調製し、温度２５℃、周波数４５ｋＨｚ、本田電子社製強力超音波洗浄機を用いて２分間超音波処理を施した後６６０ｎｍの吸光度を測定する。それ以後一日おきに濁度を測定する。
【００３２】
ここではＰＨ違いによる濁度のふれ幅が１０％未満の状態が１０日以上継続するサンプルを◎、１０％以上２０％未満のサンプルを○、１０日までに濁度の値が２０％以上に変化してしまうものを△、固形分が沈殿して吸光度が測定できない場合を×として表示した。比較例５はＰＨ＝２，３の条件で濁度が５０％以上高くなった。また比較例６はＰＨ＝２〜４の条件下、調製後すぐに沈殿物を生じた。これに対して実施例４、５、６はＰＨ＝２〜１０のすべての範囲で濁度の変化幅は２０％未満であり、全てのＰＨにおいて良好な分散性を示した。またその状態は１０日以上継続した。特に実施例１はこの効果が高いことがわかる。このように本発明において得られるセルロース微粒子からなる水懸濁液は、従来のものに比べて幅広いＰＨで分散性が高いことが明らかになった。さらに粒径分布の狭い単分散性の高い水懸濁液は著しくその効果が高いことが明らかになった。
【００３３】
また接触角の結果から本発明における水懸濁液は従来品に比べて汎用プラスチックであるポリ塩化ビニルフィルムとの接触角が小さく、コーティング安定性が高いことが予想される。中でも、少量の界面活性剤を含むサンプルは著しくその効果が大きいことが示された。
【００３４】

【００３５】
次に実施例４〜６及び比較例４〜６の水懸濁液の食品としての苦み感を１００人のパネラーにランク付けをさせ、性能を調査した。この際ランクとしてはＡＢＣＤの４種類を選びＡを最高ランク（苦み感なし）、Ｄを最低ランク（苦み感強い）とした。その結果を表４に示す。また実施例１〜３の球状再生セルロース微粒子を４ｗｔ％含むゲル状物質を調製し、それぞれ実施例８〜１０とした。また比較例１〜３のセルロース微粒子を４ｗｔ％含む懸濁液を調製し、比較例７〜９とした。これらの６種類のサンプルについても同様に苦み感の検査を行った。この結果を表５に示す。
【００３６】
これらの結果から、本発明で得られる水懸濁液、及びゲル状物質は食品としての苦み感が非常に低いことがわかる。さらに粒径分布の狭い実施例１はこの効果が著しい。
【００３７】

【００３８】

【００３９】
次に実施例１〜３及び比較例１〜３のセルロース微粒子６００ｇ、フェナセチン８００ｇ、とうもろこしでんぷん２００ｇ、乳糖４００ｇをポリ袋中で３分間混合し、ついでステアリン酸マグネシウムを１０ｇ加え更に３０秒間混合したものをロータリー打錠機で８．５mmφ、隅角平杵（割線付き）の杵を用いてターンテーブル回転速度２４ｒｐｍで打錠し、片面に割線のある錠剤を得た。これを実施例１１〜１３及び比較例１０〜１２とする。この錠剤の高度及び摩損度を表６に示す。
【００４０】

【００４１】
これらの結果から、本発明の球状再生セルロース微粒子から作成された割線錠は、比較例に比べて同じ打錠圧で比較するとより高い硬度となり、かつ低い摩損度となる。さらに本発明の球状再生セルロース微粒子の中でもＸ線結晶化度の高いサンプルはその効果が著しいことが明らかになった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、幅広いＰＨにおいて分散性が高くかつ食品としての苦み感の低い水懸濁液やゲル状物質を調製できるような球状再生セルロース微粒子を得ることができ、またこの中で粒径分布の一定範囲以下のサンプルについては著しい効果が得られる。またＸ線結晶化度の高い微粒子から得られる錠剤は低打圧でも成形性が高く、かつ摩損性が小さい優れたものである。よって本発明から得られるセルロース微粒子は、食品分野だけでなく医薬、建築材料をはじめ様々な用途で展開可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状再生セルロース微粒子の広角Ｘ線回折パターン。
【図２】実施例１、２の球状再生セルロース微粒子のＡＦＭ写真。
【図３】実施例３および比較例１の同写真。
【図４】比較例２、３の同写真。

Claims

動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子。
動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍであり、かつその粒径分布曲線の半値幅が５０ｎｍ以下である球状再生セルロース微粒子。
広角Ｘ線回折法から求められる結晶化度が６０％以上であることを特徴とする請求項１記載の球状再生セルロース微粒子。
動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子と水からなる水懸濁液。
動的光散乱法（ＤＬＳ）で求めた０．０１ｗｔ％水懸濁液の数平均粒径が２０ｎｍ〜１００ｎｍである球状再生セルロース微粒子と水からなるゲル状物質。
重量比で３ｗｔ％以下の界面活性剤を含む請求項４記載の水懸濁液。
再生セルロースを反応温度２５〜７５℃、反応時間５〜１００時間、２０％以上５５％以下の硫酸で、あるいは反応温度６０〜９０℃、反応時間１５０〜３００分、２Ｎ以上４Ｎ以下の塩酸で加水分解処理することを特徴とする請求項１記載の球状再生セルロース微粒子の製法。