JP4288618B2 - カルボキシメチルセルロースゲルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸または酸水溶液を用いてアニオン系のセルロース誘導体であるカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩（以下、単にＣＭＣと言う。）に分子結合（架橋）を生じさせることによって、食品、医薬品等の安定性向上、保形性向上等のために使用されるゲルを製造する方法に関する。

ＣＭＣは、現在最も一般的に使用されている水溶性高分子である。ＣＭＣは、白色または類白色の粉末であり、水に溶解し、透明で無臭の粘ちょう液になる。ＣＭＣは、天然パルプを原料としているので、安全性が高い。ＣＭＣの分子同士を架橋させることで、セルロースの分子が三次元の網目構造をとり、この網目構造の内部に水をしっかり捉えたゲルが得られる。このようにして得られたゲルは、食品、医薬品、日用品、保冷材、建築用材等に幅広く使用されている。

このようなゲルを製造する方法として、従来からアニオン性水溶性高分子を多価金属イオンで架橋させゲルを調製する方法（例えば、特許文献１、２，３及び４）や、アニオン性水溶性高分子に架橋剤を添加してゲルを調製する方法（例えば、特許文献５、６及び７）、及びアニオン性水溶性高分子に水を加えペースト状に練り放射線を照射することによりゲルを調製する方法（例えば特許文献８及び９、並びに非特許文献１、２及び３）が知られている。

特開平７−９０１２１ 特開平１１−１０６５６１ 特開２０００−１９１８０２ 特開２００５−２６３８５８ 特開２００３−１９０９９１ 特開平９−２７７４２１ 特開平１０−２５１４４７ 特開２００５−８２８００ 特開２００１−２７０３ Bin Fel, Radoslaw A. Wach, Hiroshi Motomo, Fumio Yoshii, and Tamikazu Kume, Journal of Applied Polymer Science, 78, 278-283(2000) Fumio Yoshii, Long Zhao, Radoslaw A. Wach, Naotsugu Nagasawa, Hiroshi Mitomo, and Tamikazu Kume, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 208(2003), 320-324 Radoslaw A. Wach, Hiroshi Mitomo, Naotsugu Nagasawa and Fumio Yoshii, Radiation Physics and Chemistry, 68(2003), 771-779

しかし、多価金属イオンでアニオン性水溶性高分子を架橋させゲルを調製する方法ではゲル中に多価金属イオンが残存する可能性があること、架橋剤を用いるゲルの製造法においては架橋剤の大半に毒性があり、生成されたゲルの用途が限られること、放射線を用いる製造法では放射線を用いるため特殊な設備が必要であることなどの制約があった。

本発明の目的は、環境や人体への安全性が高く、簡単な設備で安価に製造でき、従って、食品や医薬品等に安心して使用できるカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法を提供することにある。

本発明の基本原理は、酸または酸水溶液を用いてアニオン系のセルロース誘導体であるカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩（ＣＭＣ）に分子結合（架橋）を生じさせることができ、これによってＣＭＣゲルが得られるという、本発明者の新たな知見に基づいている。

本発明のより具体的かつ好適なゲル製造方法においては、天然パルプを原料とする安全性の高いアニオン性水溶性高分子であるカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩（ＣＭＣ）を出発物質として採用し、出発物質であるＣＭＣに酸または酸水溶液を加え、混練することにより、ＣＭＣを原料とするゲルを製造するようにしている。

また、本発明の別の観点に係るＣＭＣを原料とするゲルの製造方法においては、ＣＭＣを水と混練させ、ペースト状にした後、そのペースト状ＣＭＣを酸または酸水溶液に浸漬させることにより、ＣＭＣを原料とするゲルを製造するようにしている。

なお、ＣＭＣと酸との混練によるゲル生成の機構は次のように考えられる。
酸処理により生成したゲルの赤外線吸収スペクトルを測定した結果、酸の種類を問わず、ゲルはほぼ同一のものであることが分かった。ゲルの元素分析、熱重量分析、示差熱分析の測定結果から、ゲルは新たに導入された共有結合によるものではなく、ＣＭＣ分子鎖の凝集により生成したゲルであると推定される。用いているＣＭＣはナトリウム塩なので、水溶性であるが酸が入ることによりＣＭＣのカルボキシル基は解離度の低い−ＣＯＯＨの形になる。そのためにＣＭＣ分子鎖の広がりが押さえられ、凝集し、水素結合を形成する。その結果、ゲルが生成する。カルボキシル基が一部−ＣＯＯＮaの形で残っている場合には、架橋点が少なく、より柔らかいゲルが生成するものと考えられる。

さらに、本発明の別な観点に係るＣＭＣを原料とするゲルの製造方法においては、出発物質であるＣＭＣに酸または酸水溶液を加え、混練した後、さらに電離放射線を照射するようにしている。
電離放射線を照射することによって、ＣＭＣに化学結合を導入することができ、ゲル分率を増大させることができる。すなわち、電離放射線を照射することによって、ＣＭＣの分子結合（架橋）が増大し、ゲルの改質が行われる。

さらに、本発明の別な観点に係るＣＭＣを原料とするゲルの製造方法においては、ＣＭＣを水と混練してペースト状にした後、そのペースト状ＣＭＣを酸または酸水溶液に浸漬させた後に、さらに電離放射線を照射するようにしている。
この場合にも、電離放射線を照射することによって、ＣＭＣに化学結合を導入することができ、ゲル分率を増大させることができる。すなわち、電離放射線を照射することによって、ＣＭＣの分子結合（架橋）が増大し、ゲルの改質が行われる。

さらに、本発明の別な観点に係るＣＭＣを原料とするゲルの製造方法においては、ＣＭＣを水に溶解させ、ペースト状にし、そのペースト状ＣＭＣに電離放射線を照射した後、酸または酸水溶液に浸漬させるようにしている。この場合にも、上述した電離放射線の照射と同様の効果が得られる。

本発明によれば、ＣＭＣに酸または酸水溶液を混練するだけでゲルを生成できるので、従来のように毒性のある試薬を使用する必要がない。また、電離放射線を照射しないでゲルを製造する方法では、放射線照射装置などの特別な装置を用いる必要がない。特に、本発明に従って製造されたゲルは、従来のゲルにはない優れた圧縮弾性率を持ち、耐熱性や耐酸性も高いため、これまで以上に広い用途への適用が期待できる。

以下、図面を参照しながら、本発明のＣＭＣゲルの製造方法について、実施例に基づいて詳細に説明する。
実施例１（ゲルＡ）

置換度（エーテル化度）及び粘度（粘度が高ければ分子量も大きい）の異なる各種ＣＭＣ（ダイセル化学工業株式会社製）（図２を参照）と３mole/l のリン酸水溶液とをそれぞれよく混練したところ、用いた全てのＣＭＣでゲル化が起こった。このゲル化のフローを図１（Ａ）に示す。このようにして調製されたゲル（以下、ゲルＡと言う。）は、比較的大きな圧縮弾性率を有する。生成されたゲルＡを水中に投じ、未架橋のＣＭＣ及びリン酸を除去し、水に不溶な部分の割合をゲル分率として求めた。この結果を図２及び図３に示す。図３（Ａ）は、図２のゲル分率に着目して表したグラフであり、図３（Ｂ）は、図２の吸水量に着目して表したグラフである。図３（Ａ）から、粘度が高いＣＭＣほどゲル分率が高くなることがわかる。同様に、図３（Ｂ）から置換度（エーテル化度）が高いＣＭＣほど吸水量が高くなる傾向が認められる。ゲル中のリンをＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）とＩＣＰ（誘導結合プラズマ質量分析装置）を用いて定量した結果、ゲル中にリンが残留していないことが確認された。

以上の実施例は、ＣＭＣとリン酸との混練によるゲルＡの生成に関するものであるが、他の酸についても同様の実験を行なった。その結果を図４の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。図４（Ｃ）は、図４の（Ａ）及び（Ｂ）のデータをグラフ化した図である。図４から、一般的なＣＭＣであるＣＭＣ１３８０とギ酸、クエン酸、酢酸、乳酸、リン酸、マレイン酸、シュウ酸及び塩酸のいずれかの水溶液を混練しても、しっかりした硬さ（Ｎ）を持つＣＭＣゲルＡが生成されることがわかる。なお、アスコルビン酸については、やわらかなゲルが生成されることがわかった。また、どの酸を用いても、酸のｐＨが低いほどゲル分率が高く、ゲルはより硬くなることが明らかであるので、本発明において酸の種類を特定する必要がないことがわかる。さらに、酸の種類、濃度を変えることによってゲルの硬さの調整が可能である。

図２に示された実験結果から、ＣＭＣとして市販のＣＭＣ全てが使用可能であると言える。すなわち、すべてのＣＭＣが、酸または酸水溶液と混練されることによってゲル化されるものと言える。置換度（エーテル化度）、粘度を問わないが、置換度（エーテル化度）、分子量の異なるＣＭＣを用いると、異なる特性を持つゲルＡができる。ＣＭＣの濃度については、高濃度ではゲル化が早く、低濃度では遅い。ＣＭＣの濃度は酸もしくは酸水溶液と混練できる範囲であって、２．５重量％以上、４０重量％以下が望ましい。

ＣＭＣと酸の組み合わせにより異なる特性をもつゲルの製造が可能である。酸の濃度は酸の種類によって異なってくるが、概ね０．１mole/l 以上が望ましい。濃度の高い酸を用いた場合には、ゲル化が早く、ゲル分率が高く、固いゲルができる。このことを説明するための一例として、図５にリン酸濃度（％）とゲル分率（％）との関係を示す。リン酸の場合、その濃度が７．７５％付近まではゲル分率（７２．３５％）が急激に上昇するが、それ以降は濃度が増してもゲル分率は緩やかに上昇する。ＣＭＣの濃度を高くすることによっても、ゲル分率を高めることができる。本発明者による実験によれば、３mole/lのリン酸を混練した場合に、ＣＭＣ濃度（％）が５、１０及び２０の場合、ゲル分率（％）はそれぞれ２１．５、８５．８及び８６．１の値を示した。

ＣＭＣと酸もしくは酸水溶液とを混練する温度は問わない。一般的に、混練時の温度が高いほどゲル化は速やかに進行するが、ＣＭＣが加水分解を受けるほどの温度、例えば７０℃以上での混練は避けるべきである。また、ＣＭＣと酸もしくは酸水溶液とを混練した後放置する時間は問わない。ＣＭＣと酸の濃度が高い場合にはゲル化は瞬時に進行し、混練と同時にゲル化が起こる。濃度が低い場合には、ゲル化は比較的ゆっくりと進行する。一般的に、混練後の放置時間が長いほどゲル分率は高くなるが、概ね２４時間以内に反応は終結する。

実施例２（ゲルＣ）
１つはＣＭＣ２０重量部、そしてもう１つはＣＭＣ２０重量部と１モルのリン酸を混練したＣＭＣゲルＡ（図１（Ａ）に示されたフローに従って生成される。）の２つを用意し、これらＣＭＣ及びＣＭＣゲルＡに、それぞれγ線を照射した。その結果、新たな改質ゲル（以下、ゲルＣと言う。）が得られた。この改質ゲルの製造手順を図６（Ｄ）に簡潔に示してある。吸収線量が５kGy、１０kGy、２０kGy、３０kGy、４０kGy及び５０kGyのＣＭＣ及びＣＭＣゲルＣのそれぞれのゲル分率（％）及び吸水量（ｇ水／ｇゲル）を測定した結果、図６（Ａ）に示す数値データが得られた。なお、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示された数値ｗデータに基いて、それぞれゲル分率（％）及び吸水量（ｇ水／ｇゲル）をグラフ化した図である。

これらのグラフから、酸でゲル化されていないＣＭＣ２０重量部のみの場合は、放射線の吸収線量の増加とともにゲル分率は増加し、吸水量は低下することが容易に理解される。すなわち、放射線を照射することによって、より強固なゲルが得られる。また、ＣＭＣと酸または酸水溶液とを混練して得たゲルの場合、前述したＣＭＣと水を混練して得たペースト状のＣＭＣに放射線を照射する場合に比較してより低線量でゲル化が進行する。さらに、高濃度の酸を用いてゲル化させたゲルでは、吸水量が少なく、放射線の照射による影響をほとんど受けない。
実施例３（ゲルＢ）

２０重量部のＣＭＣと８０重量部の水を混練して生成されたペースト状のＣＭＣを０．１mole/l の塩酸水溶液に投じたところゲル（以下、ゲルＢという。）が生成された。生成されたゲルのゲル分率は３５％で、乾燥ゲル１ｇあたりの吸水量は３４０ｇであった。
図１（Ｂ）にゲルＢの製造手順を簡潔に示す。ゲルＢ調製の条件は、ゲルＡ調製の条件に準ずる。ペースト状に混練したＣＭＣを酸または酸水溶液に浸漬させた場合、ＣＭＣと酸または酸水溶液とを混練してゲル化させるよりも、より濃度の低い酸または酸水溶液でゲル化が起った。
実施例４（ゲルＤ）

上述のように、水を加えてペースト状に混練したＣＭＣを、酸または酸水溶液に浸漬させて得たＣＭＣゲル（以下、ゲルＢと言う。）に、さらにγ線を照射した結果、改質されたゲル（以下、ゲルＤと言う。）が生成された。

このゲルＤの生成過程を図７に示す。また、γ線照射前のゲルＢとγ線照射後の改質ゲルＤのゲル分率（％）の数値データを図８（Ａ）に示す。なお、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された数値データをグラフ化した図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）から次のことが認められる。酸の濃度が十分低い場合には、γ線の照射によってゲル分率が格段に増大する。しかし、γ線の吸収線量が１０ｋＧｙを越えた段階でゲル分率はほぼ横ばいの特性を示すようになる。逆に、酸の濃度が十分高い場合には、ゲルＢの段階で十分高いゲル分率が得られ、γ線を照射してもゲル分率が高まることはない。
実施例５（ゲルＥ）

２０重量部のＣＭＣと８０重量部の水を混練することにより生成したペースト状のＣＭＣに、γ線を５ｋＧｙ照射することにより生成した放射線架橋のＣＭＣゲル１００重量部を１０００重量部の０．１mole/l の塩酸水溶液に入れ、室温で１６時間放置しておいたところ、ゲル分率が３３％から７３％に増加した。乾燥ゲル１ｇ当たりの吸水量は８８７ｇから９０ｇに低下した。これは、塩酸水溶液にゲルを浸漬することにより、物理架橋が進み、新たな改質ゲル（以下、ゲルＥと言う。）ができたことを示すものである。このようにして生成されたゲルは、吸収線量２０ｋＧｙで調製した放射線架橋ゲルのゲル分率、吸水量に相当し、酸中での処理は吸収線量低減化に寄与することを意味する。 放射線で架橋したゲルを酸または酸水溶液に入れることにより、より強度の高いゲルを得ることができる。これは、吸収線量の低減化に寄与する技術となる。

以上のゲルＥが生成されるまでの過程が、図９に示されている。また、図９のフローに従って生成されたゲルＥのゲル分率が図１０（Ａ）に数値データで示されている。なお、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）に示された数値データをグラフ化した図である。図１０（Ｂ）のグラフから容易に理解されるように、ゲルＥに関してのゲル化率は放射線の吸収線量の値が高くても、低くてもほとんど変化がないことがわかる。

以上の実施例においては、例えば、ＣＭＣを酸または酸水溶液と混練して生成したゲルにさらにγ線を照射しているが、本発明の原理から明らかなようにγ線に限定されるものではなく、例えば従来の放射線架橋技術おいて使用されている電子線であっても良い。

さらに、以上の説明では、一種類の酸のみを使用しているが、本発明の原理から見て２種類以上の酸を組み合わせても同様のゲルを生成できることもわかる。
なお、以上の説明では、ゲルＡ、ゲルＢ、ゲルＣ、ゲルＤ及びゲルＥと言う用語を使用しているが、これらはゲル自体の分子結合構造を示すものではなく、単に製造方法の理解を容易にするために使用しているに過ぎない。

以上のようにして生成されたゲルは、工業、農業、医療、食品等の広範囲の分野において利用可能である。以下にその一例を挙げるが、これらに限定されるものではない。
（１）薬剤徐放性カプセル（特に大腸で薬剤を放出できるカプセル）：カルボキシメチルセルロースまたはカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩（以下、ＣＭＣと略す）と酸を混練することにより、耐酸性に優れ、耐アルカリ性が低いゲルができるので、胃では分解されずに腸まで薬剤が届き、腸で薬剤が放出されることが期待される。
（２）食品添加物：食品添加物として認可されている酸とＣＭＣを混練することにより、食品に使用可能なゲルを製造できる。
（３）保冷剤：ＣＭＣを酸と混練することにより容易にゲルができる。酸を除かずに用いれば凝固点降下のためにより低温で使用できる。
（４）金属吸着剤、排水処理剤：ある種の金属に対する金属吸着能がある。
（５）湿布剤、ピーリング剤：ＣＭＣを毒性のない酸と混練することによりゲルができる。酸の濃度、種類によりソフトなゲルを調製できる。

（Ａ）は、ＣＭＣと酸との混練によってゲルを得るまでのフローを示す図であり、（Ｂ）は、ＣＭＣに水を加えて得たペーストを酸に浸漬させてゲルを得るまでのフローを示す図である。 各種ＣＭＣとリン酸との混練によってできるゲルの特性を示す図である。 （Ａ）は、図２に示された粘度とゲル分率の関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、図２に示された置換度（エーテル化度）とゲルの吸水量の関係を示すグラフである。 ＣＭＣ１３８０と各種酸水溶液との混練によって得られた各ＣＭＣゲルの特性を示す図である。 図４（Ａ）と同様の図である。 （Ａ）及び（Ｂ）に示されたデータをグラフ化した図である。 ＣＭＣと混練されるリン酸の濃度と、ゲル分率の関係を示すグラフである。 （Ａ）（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＣＭＣと酸との混練によってできるゲルにγ線を照射して生成した改質ゲルの製造フローと得られた改質ゲルのゲル分率と吸水量を示す図であり、（Ｄ）はＣＭＣと酸との混練によって得たゲルに放射線を照射して改質ゲルを得るまでのフローを示す図である。 ＣＭＣに水を加えて得たペーストを酸に浸漬させて得たゲルに、γ線を照射して改質ゲルを得るまでのフローを示す図である。 ＣＭＣに水を加えて得たペーストを酸に浸漬させて得たゲルに、γ線を照射して生成した改質ゲルのゲル分率と吸水量を示す図である。 ＣＭＣに水を加えて得たペーストにγ線を照射した後、酸に浸漬させて改質ゲルを得るまでのフローを示す図である。 ＣＭＣに水を加えて得たペーストにγ線を照射した後、酸に浸漬させて生成された改質ゲルの特性を示す図である。

符号の説明

ＣＭＣ カルボキシメチルセルロース
ＨＣＬ 塩酸
ＰＡ リン酸
ＣＡ クエン酸

Claims (4)

1. アニオン系のセルロース誘導体であるカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩に、単に酸または酸水溶液を加えることによって分子結合（架橋）を生じさせ、カルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルを得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法。
2. 請求項１に記載のカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法において、得られたカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とする前記ゲルに電離放射線を照射することを特徴とするカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法。
3. カルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩に、単に酸または酸水溶液を加え、混練することにより、カルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とする物理ゲルを得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法。
4. 請求項３に記載のカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法において、前記混練後に、さらに電離放射線を照射し、改質されたゲルを得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアルカリ金属塩を原料とするゲルの製造方法。

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