基于生物油和/或水的均质纤维产品及其生产方法

1.本发明涉及凝胶状形式的均质纤维素纤维产品，所述均质纤维素纤维产品几乎不包含任何半纤维素(也可能包含木质素)。
2.未来，人们希望在各种应用中增加生物基原材料的使用，并同时替代不可再生或化石原材料。这样的应用存在于，例如食品、天然产品、药品、塑料、涂料和许多其他产品中。
3.纤维素是世界上最常见的生物基材料和聚合物。纤维素从多种来源获得，例如植物和树木。以最可持续的方式，纤维素纤维或最常见地纸浆可通过化学方法从木材中生产。最常见的方法是基于硫酸盐或亚硫酸盐的方法，但基于溶剂的方法也是已知的。硫酸盐和亚硫酸盐工艺可用于生产纸张和溶解纸浆。上述纤维素等级之间的区别在于半纤维素含量，所述半纤维素含量尽量在可溶性纸浆中最小化，而在纸张纸浆中最大化。
4.如果纤维未漂白，除了纤维素外纤维还含有木质素和半纤维素。当纸浆是漂白的，木质素被去除，只剩下含有半纤维素和纤维素的纤维。通常，纸浆纤维长0.5至4毫米，直径约为其长度的百分之一。此外，纤维具有厚度为几微米的纤维壁。
5.颗粒纤维素可由纤维状纤维素制成，借此纤维状纤维素的物理结构被破坏。这可通过化学方法和机械方法完成。在化学方法中，例如用浓缩的无机酸降解纤维结构，借此同时从纤维中去除半纤维素。在这种情况下，获得微晶纤维素，即mcc。
6.如果对上述方式制备的纤维进行机械处理，则获得mfc，即微纤化纤维素。两种方法目前在本领域中都是已知的。
7.然而，阿尔托大学已经开发出一种新的且成本效益好的mcc制造方法，也称为aaltocell
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。该品牌涵盖了最终产品和mcc制造工艺。此外，aaltocelltm基微晶纤维素可以是纯纤维素，或者如果纤维没有经过漂白以去除木质素，则还可以在纤维中含有木质素。含木质素的微晶纤维素是从未上市的全新产品。
8.所述技术基于通过化学方法生产微晶纤维素，即mcc，在这种情况下，最终的mcc基本上不含纳米颗粒和半纤维素。


背景技术：

9.已知可以通过在水相中机械研磨从纤维纸浆制造凝胶。然而，在这种情况下，使用的是机械生产的微纤化纤维素，使得所述微纤化纤维素是一种水基mfc纤维混合物，所述水基mfc纤维混合物，除了微粒之外还具有纳米级颗粒，并且除了纤维素之外还含有半纤维素。
10.此外，已知这种纤维mfc纸浆可在油/水相中进行机械处理，并且获得还含有不同量的水的油状mfc纤维混合物。
11.上述工艺的挑战在于，在所有情况下，对于纤维，进料稠度相均小于3％，通常为1-2％，这显著增加了工艺的能源成本。
12.此外，在油相和水相中的mfc所含的上述部分纤维素颗粒多为纳米级，其健康影响尚不清楚。以这种方式制造的产品不符合食品或制药行业的要求，从而它们在最终产品中
的潜在用途需要进行长期且昂贵的调查。
13.基于上述情况，显然需要开发一种新的水基和油基纤维产品，所述水基和油基纤维产品是可接受食品和药品级的、均质的，且其中的颗粒是微米级而非纳米级的。此外，以高稠度操作的方法将是有利的。


技术实现要素：

14.因此，本发明的一个目的是提供一种用于生产油基或水基均质纤维产品的新方法，所述方法使用已基本去除半纤维素的、化学生产的微晶纤维素(mcc)作为原料。
15.此外，本发明的一个目的是提供一种用于生产油基或水基均质纤维产品的方法，在所述方法中可使用高进料稠度。
16.在我们开发的新方法中，可将含有木质素和纤维素或仅含有纤维素的干燥的或更优选未干燥的mcc(注意：未干燥的mcc仅可作为aaltocell
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基产品)制成油基或水基均质纤维产品(部分疏水或亲水凝胶状纤维素纤维产品)，其中微晶纤维素可通过两级机械方法降解成凝胶状形式，参见图1。
17.油基混合物中通常也存在少量的水，但通常不需要单独添加这样的水，因为优选的微晶纤维素本身已经含有水。
18.本发明实现了许多优点。此外，当将混合物进料至机械处理时，由mcc形成的水基或油基混合物对于纤维的稠度可保持在高水平，从而使工艺的能耗保持在低水平。
19.因为使用mcc，获得了不存在显著量的纳米级颗粒的产品。由此获得一种产品，所述产品的健康影响已进行了研究，从而根据本发明的纤维产品符合食品和制药行业的要求。
20.此外，通过使用根据本发明的两级机械处理，使mcc重组并均匀分布到各种等级的油中，例如植物油或可可脂，或分散到水相中。当成功时，所述方法要求油基凝胶状混合物在将油-纤维混合物引入到上述机械装置之前含有少量水，通常至少2％的水。少量的水会在装置中产生空化，从而纤维状态发生改变并借助纤维混合物最终通过的小喷嘴形成其最终形状。
附图说明
21.图1.两级装置的工作原理示例，借此由未干燥的aaltocell
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纤维产品得到水基和油基凝胶。
22.图2.左侧示出进料稠度/最终产品稠度为10％的水基凝胶状纤维素纤维混合物，以及右侧示出进料稠度/最终产品稠度为10％的纸浆/木质素基凝胶状混合物。
23.图3.进料稠度为8％的油基凝胶状纤维素纤维混合物。
24.图4.图中间示出一种水凝胶状混合物，其在10％的进料稠度为下制备，用水稀释至稠度为1.5％。如图所示，左侧为未经机械处理的mcc，右侧为在15％的进料稠度下经过机械处理的mcc。
25.定义
26.在本文中，术语“均质纤维产品”包括具有部分疏水或亲水凝胶形式的混合物或水胶体。
[0027]“mcc”，即微晶纤维素，包括由纤维状纤维素通过化学降解生产的颗粒(微晶)纤维素，其中所述纤维状纤维素已同时去除半纤维素。所述微晶纤维素可以是未漂白或漂白的。
[0028]
在本文中，“机械处理”因此指的是含mcc混合物的第一加压处理步骤，通过所述步骤实现空化，导致颗粒结构的劣化和可能部分去纤维(defiberization)，以及第二处理步骤，其中通过施加压力使混合物通过处理设备中的小间隙，从而可进一步处理混合物的弱化部分以将混合物颗粒混合成均质纤维产品。
[0029]“空化”则指的是通过混合物的流动(以及由此产生的气泡)对纤维进行改性，通常是通过弱化纤维结构。
具体实施方式
[0030]
本发明涉及一种由微晶纤维素(mcc)制备油基或水基均质纤维产品的方法。在该方法中，mcc与油或水或其混合物混合成纤维混合物，并且所述mcc可通过两级机械处理而降解成均质形式。
[0031]
纤维混合物中的典型液体是水或油，在后一种情况下，纤维中也有一些水。
[0032]
mcc通常是未漂白的，在这种情况下，mcc同时含有木质素和纤维素，或mcc是漂白的，仅为纤维素。优选地mcc是未漂白的，在这种情况下mcc是含木质素的微晶纤维素。
[0033]
mcc也可以是干燥的或未干燥的。然而，优选地，mcc是未干燥的，这有助于获得均质凝胶状混合物。
[0034]
在机械处理之前，通过将mcc与油或水混合，将mcc转化为纤维混合物。
[0035]
然而，如果使用油基混合物，该混合物通常含有0.5至20重量％，优选1至10重量％的水。优选地，所述油基混合物包含至少1％的水和1％的纤维。通常，所有浓度均以重量百分比表示。
[0036]
所述油选自液体油或当温度升高到》20℃时变成液体的油。优选地，选择植物或动物来源的油，或化石油。然而，最合适地，所述油选自食用油，例如亚麻籽油、芥子油、杏仁油、豆油、大麻油、棕榈油、花生油、蓖麻油、椰子油或玉米油，通常选自植物油，例如菜籽油、芥花油、葵花籽油、橄榄油或可可脂。
[0037]
本发明方法的一个特定特征是，当将油基或水基纤维混合物进料至机械处理时，可使用比以前更高的稠度。该进料稠度优选为基于纤维的5至20重量％，更优选为10至15重量％。
[0038]
为了使机械处理尽可能有效，使用两级机械处理。
[0039]
根据本发明的实施方案，在两级机械处理的第一步骤中，进行处理，使纤维混合物的液体部分空化，从而纤维颗粒的结构发生改变，通常软化。
[0040]
根据本发明的第二实施方案，在两级机械处理的第二步骤中，当混合物借助压力通过小间隙时，使在第一步骤中结构改变的部分纤维颗粒分离成纤维。
[0041]
在一个示例性实施方案中，油基凝胶状纤维素纤维混合物在测试中制备如下：未干燥的aaltocell
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纤维共混物(共混物中aaltocell纸浆的含水量为50％)与菜籽油混合，使得混合物含有2、4、6和8％的纤维和水。当使这种混合物通过图1的设备时，发现纤维产品像在水相中一样降解，但与油形成均质混合物。以前没有观察到或公开报道过这种现象。
[0042]
如图1所示，这种装置通常可具有过滤器模块、喷嘴模块、湍流模块和阀门模块。
[0043]
以类似方式制备水基凝胶状纤维素纤维混合物，但不含油，达到了15％的最大进料稠度，但最优选10％。
[0044]
过去，通过不同方法干燥的mcc或mfc仅与油混合，问题是混合物不均质，其中纤维在油中结块。通过上述方法获得的混合物是均质的，并且与纤维形成油混合物，其中油不会从纤维中分离出来，从而可以说是以一种新的方式生产的油基凝胶状纤维素纤维混合物。
[0045]
过去也制备过水基纤维素凝胶，但以低进料密度且仍以上述方式获得的mfc凝胶含有纳米级颗粒，我们的方法不生产纳米级颗粒，而是所有颗粒都是微米级的，至少基本上是这样的。
[0046]
图4示出一种水基凝胶状混合物，所述水基凝胶状混合物通过前述的机械方法以10％的进料稠度进行制备并稀释至1.5％的稠度。这产生了一种均匀地分布在水溶液中且甚至超过66小时不沉降的水胶体。
[0047]
本发明还涉及通过所述方法制备的产品。因为在本发明的方法中mcc用作纤维素来源，所以可生产不存在显著量的纳米级颗粒的产品。对这种产品的健康影响已经进行了研究，从而根据本发明的纤维产品符合食品和制药行业的要求。
[0048]
因此，根据本发明的产品可用于食品，因此也可用于药物添加剂。
[0049]
优选地，通过上述方法制备的油基aaltocell
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基凝胶状混合物可用于脂肪基和油基食品以改善诸如蛋黄酱、巧克力和沙拉酱的例如口感。此外，所述混合物还可用于添加了亲水纤维的塑料中。在这种情况下，可以提高亲水纤维在塑料产品中的附着力，从而显著提高复合材料的强度性能，并油减少摩擦，例如油减少在挤出机式混合器中摩擦时，促进其生产。
[0050]
通过上述方法制备的水基aaltocell
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基凝胶状混合物又可有利地用于食品中以改善诸如芥末、番茄酱、酸奶、果汁和运动饮料等最终产品的口感。
[0051]
实施方案
[0052]
实施方案1.一种用于生产水基和油基高稠度凝胶状纤维素纤维混合物的机械方法，其中粒径主要为微米级，且混合物几乎不含任何纳米级颗粒。
[0053]
实施方案2.一种用于生产水基和油基高稠度凝胶状纤维素纤维混合物的机械方法，其中粒径为微米级，且混合物不含纳米级颗粒。
[0054]
实施方案3.机械方法通常需要两个阶段，其中在第一步中，使纤维混合物的液体部分(其是水性的)空化，从而纤维颗粒软化并且可部分地分离成纤维。在第二步中，可完成纤维颗粒的软化部分的去纤维。
[0055]
实施方案4.一种机械方法，其中当油基混合物还包含水时(水能够使空化步骤进行)获得油基凝胶状混合物，以及油均匀分布在凝胶状混合物中。优选地，油基混合物中有至少2％的水，更优选8％。
[0056]
实施方案5.一种机械方法，其中在机械处理之前形成纤维混合物，其中将mcc添加到水基或油基液体中以达到基于纤维的5至20重量％的稠度。