專利名稱：來自植物種子的纖維和其用途的制作方法
相關申請的交叉參考
相應的美國申請為申請?zhí)?9/419,438，申請日1999年10月15日地美國申請的部分繼續(xù)申請。USSN 09/419,438的完整公開引入本文作為參考。
發(fā)明領域
本發(fā)明涉及一種對基于植物種子的纖維(SBF)進行加工以獲得增強纖維添加劑(EFA)的方法；優(yōu)選的EFA；和其應用。
背景技術：
可對谷物如玉米和大豆進行加工以分離出有用的成分，如蛋白質、油、淀粉和種子纖維。通常對淀粉進行改性以制得用于食品和工業(yè)應用的產(chǎn)品。油一般進行精煉，并用作烹飪用油和/或烘焙用油。大豆蛋白質則一般加工成食品添加劑。玉米面筋蛋白質通常用作家禽工業(yè)中的飼料成分。種子纖維通常用作許多寵物食品和牛飼料中的飼料成分。但是，人們希望能夠獲得適宜用作其它用途的加工后的種子纖維，例如，用于造紙和/或用作供人類消費的食品添加劑。
發(fā)明概述
除其它方面，本申請?zhí)峁┝藢诜N子的纖維進行加工以獲得增強纖維添加劑的方法。在常規(guī)應用過程中，該方法包括用稀酸溶液對基于種子的纖維進行處理。典型的稀酸溶液包括強酸或弱酸和含水液體或水。優(yōu)選所述酸為強酸，如鹽酸或硫酸。基于種子的纖維優(yōu)選用稀酸溶液處理足夠的時間以減少基于種子的纖維的木質素含量。形成的纖維在本文中有時也稱為酸處理纖維?？蓪λ崽幚砝w維進行洗滌處理，以除去殘余的酸和雜質，再對其進行干燥以形成增強的纖維添加劑。在本文中，術語“增強纖維添加劑”是指基于種子的纖維，其按照本文中描述的一般方式經(jīng)酸處理而得以增強，而不論其是否進行過其它的增強處理。
在優(yōu)選的加工過程中，該方法包括用改性劑對酸處理纖維進行處理。改性劑優(yōu)選包括酸性亞氯酸鹽溶液或過氧化物溶液。優(yōu)選的典型酸性亞氯酸鹽溶液包括含水液體、選自硫酸和鹽酸的強酸以及選自亞氯酸鈉、亞氯酸鉀、亞氯酸鎂和亞氯酸鈣的亞氯酸鹽。優(yōu)選的典型過氧化物溶液優(yōu)選包括過氧化氫和含水液體或水。酸處理纖維可以用酸性亞氯酸鹽溶液處理，或者用過氧化物溶液處理，或者兩者均采用。酸處理纖維通常用改性劑處理足夠長的時間以改善纖維的亮度。形成的具有改善的亮度的纖維也被稱為增強纖維添加劑或改性纖維。通常對改性纖維進行洗滌，以除去殘余的化學物質和雜質，再對其進行干燥，以形成優(yōu)選的增亮的增強纖維添加劑。在某些情形下，該處理也會導致以百分比計的木質素含量的降低。
本發(fā)明也提供了一種造紙方法和紙產(chǎn)品。所述紙的制備過程是將木材進行加工而得到木漿；使木漿與增強纖維添加劑合并而形成改性漿料，將改性漿料放置于網(wǎng)板上；使改性的漿料排水；壓榨改性的漿料和將改性的漿料干燥。木漿可通過化學造漿或機械造漿方法制得。本發(fā)明也提供了一種紙產(chǎn)品，其包含木漿和增強纖維添加劑。采用EFA也可制得交替紙，包含來自木材的交替纖維。
本發(fā)明也提供了一種制備食品的方法和得到的食品，其中，通過使一種配料或多種配料與增強纖維添加劑混合而形成食品。
附圖簡述


圖1顯示了按照本發(fā)明加工基于種子的纖維的方法的流程圖。
圖2顯示了掃描電鏡(SEM)的數(shù)字打印輸出圖，為100倍的來自玉米濕法制粉過程的磨碎的玉米纖維(SBF-C)。
圖3顯示了掃描電鏡(SEM)的數(shù)字打印輸出圖，為100倍按本發(fā)明方法制備的來自玉米纖維的磨碎的增強纖維添加劑(EFA-C)。
圖4為SBF-C和EFA-C的傅里葉變換拉曼光譜比較。
圖5顯示了含和不含EFA-C(來自玉米皮的增強纖維添加劑)的手抄紙的耐破強度(burst strength)。
圖6顯示了含和不含EFA-C的手抄紙的抗拉強度(tensilestrength)。
圖7顯示了含和不含EFA-S(來自大豆皮的增強纖維添加劑)和EFA-W(來自小麥中間產(chǎn)品的增強纖維添加劑)的手抄紙的耐破強度。
圖8A顯示W(wǎng)MU試驗造紙機的示意圖。
圖8B顯示典型的造紙機。
圖9顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的耐破強度。
圖10顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的抗拉強度。
圖11顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的抗撕強度(tear strength)。
圖12為使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的Scott結合強度。
圖13顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的氣孔率。
圖14顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的松密度。
圖15顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的耐折疊強度。
圖16顯示了加入2.0％EFA-C的Scott結合內部紙強度的提高值。
圖17顯示了使用和不使用EFA-C制造的紙張的氣孔率。
圖18顯示了加入2.0％EFA-C使紙致密化。
圖19顯示了不含EFA的40lb紙張在800倍下的SEM圖。
圖20顯示了在勻漿步驟之前加入1％EFA-C制備的40lb紙張在800倍下的SEM圖。
圖21顯示了含和不含EFA的紙的傅里葉變換紅外反射光譜。
圖22顯示紙的近紅外相關光譜。
圖23為用EFA增強的紙和不含EFA的紙的掃描電鏡(SEM)圖像的數(shù)字打印輸出圖。
圖24顯示了由無EFA紙取得的紅外化學圖像的黑白數(shù)字打印輸出圖。
圖25顯示了由EFA紙取得的紅外化學圖像的黑白數(shù)字打印輸出圖。
圖26為用于紙評價的NIR響應與EFA用量間的關系圖。
圖27為在進行纖維素酶-金成像后SBF樣品的TEM圖像的數(shù)字打印輸出圖。
圖28為在進行纖維素酶-金成像后EFA樣品的TEM圖像的數(shù)字打印輸出圖。
圖29顯示了評價EFA對油炸蘑菇的脂肪和含水量的影響的研究結果。
圖30顯示了評價EFA對油炸小胡瓜的脂肪和含水量的影響的研究結果。
發(fā)明詳述
I.一般解釋
本發(fā)明提供了一種對由谷物如玉米、燕麥、小麥、大豆和稻米獲得的纖維進行加工以獲得增強纖維添加劑的方法。所述增強纖維添加劑適用于各種用途，包括但不限于用作造紙?zhí)砑觿┗蚴称诽砑觿?br> 本文中的術語“基于種子的纖維”或“SBF”是指由植物獲得的非木材纖維?；诜N子的纖維包含各種聚合物，包括纖維素、半纖維素和木質素?！袄w維素”為葡萄糖的直鏈聚合物，其構成纖維的“主鏈”結構。在纖維素聚合物間的氫鍵使得纖維素纖維具有很高的強度?！鞍肜w維素”是指一類糖的聚合物，包括六碳糖甘露糖、半乳糖、葡萄糖、和4-O-甲基-D-葡糖醛酸和五碳糖木糖和阿拉伯糖。除了單糖側鏈和乙酰基取代基外，半纖維素聚合物基本上是直鏈的。半纖維素聚合物比起纖維素更易溶解且更不穩(wěn)定，并可采用堿如氫氧化鈉由植物細胞壁加溶。“全纖維素”是指纖維的所有纖維素和半纖維素?！澳举|素”是一種苯氧基丙醇單元的復雜聚合物，其具有無定形的三維結構。木質素是一種將纖維保持在一起的粘合劑或結合劑。
舉例來說，典型的玉米仁包含(wt％)約39-40％的半纖維素(高半纖維素含量，工業(yè)化紙漿的好的補充)；11-30％的纖維素(低纖維素含量，對于紙來說是不好的)；3-6％木質素(低，好)；＜1％的灰分(低，好)；22-23％淀粉；3-4％脂肪；和10-12％蛋白質。
II.增強纖維添加劑(EFA)的制備
II.A.加工步驟
本發(fā)明提供了一種將基于種子的纖維材料(SBF)加工成增強纖維添加劑(EFA)的方法。該方法包括用酸處理SBF(“酸處理步驟”)以形成酸處理纖維或改性的基于種子的纖維材料。(在本文中，“改性”是指SBF不再為其未處理的形式)。可對酸處理纖維進行洗滌并用作增強纖維添加劑。在優(yōu)選的加工過程中，酸處理纖維再用改性劑處理(“表面改性步驟”)，以形成改性纖維。然后對改性纖維進行洗滌，并用作優(yōu)選的增強纖維添加劑(EFA)。圖1中示出了優(yōu)選方法的流程圖和某些選定的變量(任選地，并且優(yōu)選地，SBF可在酸處理步驟之前進行進行洗滌或其它處理)。本文中，術語SBF通常是指酸處理之前的纖維材料，不管其是否進行過預先的洗滌或其它處理。
II.A.1.酸處理
在酸處理步驟中，用酸處理SBF以進行改性。觀察改性過程以軟化并松弛纖維。在此酸處理步驟中，SBF與稀酸溶液混合而形成酸性漿液。酸漿反應足夠長的時間以軟化并松弛纖維。優(yōu)選地，反應在升高的溫度下進行，即溫度高于80℃，通常為100至140℃。
術語“稀酸溶液”是指少量的酸與大量的水結合形成的溶液。與水結合的酸量可取決于酸的強度、被處理的纖維和所需增強纖維添加劑的性質?？筛鶕?jù)SBF干重量的重量百分比為基準計算酸的用量。稀酸溶液可通過使強酸或弱酸與水合并制得。通常，采用弱酸制得的稀酸溶液會比采用強酸制得的稀酸溶液包含更大摩爾量的弱酸。常規(guī)采用的稀酸溶液為鹽酸、硫酸、乙酸、高氯酸和磷酸組合物。通常，在稀酸溶液中的酸的含量為干SBF的約0.001-5wt％(例如，每100g干重的纖維采用約0.001-5g的酸)，更優(yōu)選干SBF的約1-約4wt％，首選干SBF的約2-約3wt％。
優(yōu)選地，稀酸溶液與SBF的合并比例為10∶1，更優(yōu)選約6∶1，首選約3∶1。
優(yōu)選地，稀酸溶液的pH值低于5，通常為約0.5至約3，優(yōu)選約1至約3，首選約1至約2。
酸處理步驟優(yōu)選在升高的溫度下進行(高于21℃，通常高于80℃)，壓力范圍為1個大氣壓至500psi，通常為10psi至30psi，從而便利酸穿透入纖維中，并減少完成反應所必需的時間。如果反應溫度太高，則收率可能會有不希望出現(xiàn)的下降。從而，反應優(yōu)選在約100℃至約140℃，更優(yōu)選約110℃至約130℃，首選約115℃至約120℃溫度下進行。優(yōu)選地，酸處理步驟在能夠于高于100℃的溫度下操作的密閉壓力容器中進行。適宜的壓力容器的實例包括循環(huán)反應器(例如，來自位于Danvers，MA的M/K系統(tǒng)公司的蒸煮器)或夾套式混合反應器(例如，來自位于Nashua，NH的Beloit公司的Pandia蒸煮器)。在反應器內的典型壓力為10-50psi。反應器無需清除空氣。
在獲得所需的溫度后，使反應繼續(xù)進行一段時間，通常經(jīng)過該時間應足以觀察到纖維顯著軟化和松弛。通常，酸處理反應的時間低于2.5小時，例如約0.5至約2小時通常足夠。通常優(yōu)選的處理時間為約1至約2小時，例如約1至約1.25小時。在反應繼續(xù)進行所需的一段時間后，將反應器冷卻至室溫，并排空至大氣壓?；蛘?，用壓力將熱的廢酸溶液通過冷凝器吹出，用冷水冷卻固體內容物。然后，從反應容器中排出酸處理纖維。
可對酸處理纖維進行洗滌以除去廢酸溶液。本文中，“廢酸溶液”是指酸處理步驟之后的稀酸溶液。廢酸溶液通常包含提取出來的木質素、淀粉、殘余的化學物質和其它在稀酸溶液中未發(fā)現(xiàn)的雜質。優(yōu)選酸處理纖維用水進行洗滌。更優(yōu)選地，如果酸處理纖維用作增強纖維添加劑，洗滌步驟應進行至濾液為中性pH值(例如，pH值介于約6.0-8.0，優(yōu)選約7.0)。通常，可通過用3-4體積的水交換廢酸溶液，獲得具有中性pH值的濾液。洗滌后的酸處理纖維可用作增強纖維添加劑。任選地，可將洗滌后的酸處理纖維進行干燥。
在優(yōu)選的加工過程中，對酸處理纖維進行洗滌，并在表面改性步驟中進一步進行改性。當酸處理纖維將在表面改性步驟中進一步改性時，優(yōu)選來自酸處理步驟中的殘余酸與酸處理纖維共存，以有助于在表面改性步驟中保持酸性pH值。因此，當酸處理纖維將在表面改性步驟中進行進一步改性時，優(yōu)選洗滌除去大部分提取出的木質素、淀粉和其它顆粒物質，而留下一些廢酸溶液。通常這可通過用1-2倍體積的水交換酸溶液來完成。特別優(yōu)選的是，當表面改性加工過程包含溫和的酸性亞氯酸鹽處理時，來自酸處理步驟中的殘余酸與酸處理纖維共存。
II A.2.表面改性
酸處理纖維優(yōu)選用一步或多步表面改性步驟進行處理。表面改性步驟的目的是改善所形成的增強纖維添加劑(EFA)的亮度，并改善EFA的親水性。表面改性步驟的一個實例是漂白步驟。雖然SBF可以無需以前的酸處理步驟而在表面改性步驟中進行處理，但優(yōu)選在SBF進行酸處理步驟之后再進行表面改性步驟。
在表面改性步驟中，酸處理纖維與改性劑進行接觸以形成優(yōu)選的增強纖維添加劑。本文中，“改性劑”是指能夠改變纖維的疏水性、親水性和/或亮度的組合物或溶液。改性劑優(yōu)選增加纖維的親水性(或降低疏水性)，例如，通過加入親水基團或從纖維中除去疏水基團，或者改變纖維的表面積，從而使更多的親水基團(或更少的疏水基團)暴露出來。表面改性劑也可以增加纖維的亮度，例如，通過除去木質素。表面改性劑的一個實例為漂白劑?？梢允褂糜糜谀静闹茲{工業(yè)中的漂白劑。溫和的酸性亞氯酸鹽溶液是優(yōu)選的漂白劑。過氧化物(通常為過氧化氫)是另一種有用的漂白劑。酸處理纖維的處理可采用溫和的酸性亞氯酸鹽溶液，過氧化物溶液或者兩種溶液的組合。優(yōu)選組合使用酸性亞氯酸鹽溶液與過氧化物溶液(在不同的步驟中)作為漂白劑。當采用兩種處理過程時，通?？稍鰪娎w維的亮度和親水性。
在典型的酸性亞氯酸鹽處理過程中，使酸處理纖維與酸性亞氯酸鹽溶液合并并進行加熱。本文中，術語“酸性亞氯酸鹽溶液”是指包含亞氯酸鹽、強或弱酸及任選的含水載體的溶液。優(yōu)選地，酸性亞氯酸鹽溶液的pH值低于5，通常為約2至約5，優(yōu)選約2至約4，首選約2.5至約3。
酸性亞氯酸鹽溶液與酸處理纖維合并而形成纖維漿液。一般向酸性亞氯酸鹽溶液中加入水，從而使形成的纖維漿液包含約1wt％-約20wt％的固體，更優(yōu)選約5wt％-約10wt％的固體。通常，漿液包含約1-約5wt％的亞氯酸鹽，更優(yōu)選約1-約3wt％，首選約1-約2wt％，所述重量百分數(shù)以干纖維重量計。例如，漿液包含約1-2g的亞氯酸鹽/100g的纖維(干重)。
雖然改性步驟可在室溫下進行，但優(yōu)選在升高的溫度(＞21℃)下進行以增加反應速率。但如果溫度太高，則可能觀察到收率有不希望出現(xiàn)的下降。通常，漂白步驟的溫度為約50℃至約80℃，更優(yōu)選約55℃至約75℃，首選約65℃至約75℃。反應通常在密閉容器中在大氣壓下進行，間歇性地對內容物進行混合。反應時間為約0.5小時至約2小時，更優(yōu)選約1小時至約2小時，首選約1小時至約1.5小時。
在完成酸性亞氯酸鹽處理之后，可用水洗滌改性纖維以除去提取的物質和過量的化學物質，然后無需進一步處理即可用作增強纖維添加劑(EFA)。
可以選擇改性步驟包括過氧化物處理步驟。如果進行過氧化物處理步驟，則優(yōu)選過氧化物為過氧化氫，并且其與纖維的結合量為干纖維的約1-約10wt％，更優(yōu)選約2-約7wt％，首選約3-約6wt％。優(yōu)選地，過氧化物包含于包含過氧化物和含水溶劑如水的溶液中。通常，過氧化物溶液的pH值至少為9，例如為9至11.5，優(yōu)選約9.5至11，首選約10至約10.5。優(yōu)選地，通過向漂白溶液中加入堿以獲得所需的pH值，從而將過氧化物制成溫和的堿性溶液。
與酸性亞氯酸鹽處理一樣，過氧化物處理可在室溫下進行。但是，優(yōu)選反應在升高的溫度(＞21℃)下進行以增加反應速率并減少反應時間。然而，反應溫度不應太高或反應進行太長時間，否則會造成收率不希望的降低。過氧化物處理步驟的溫度通常為約50℃至80℃，經(jīng)常為55℃至75℃，優(yōu)選約55℃至約65℃；處理時間為約0.5至約2小時，通常為1-2小時，優(yōu)選約1至約1.5小時。在過氧化物處理后，纖維通常用水洗滌至pH值為約7.0，以除去過量的化學物質和殘余的提取物，并可用作增強纖維添加劑(EFA)。
如果酸性亞氯酸鹽處理和過氧化物處理均用于表面改性，則優(yōu)選在進行過氧化物處理之前進行酸性亞氯酸鹽處理。這將減少pH值的調節(jié)。
II.A.3.其它處理步驟
可將如上所述制備的增強纖維添加劑(EFA)干燥并粉碎以形成粉末。優(yōu)選地，EFA的干燥在升高的溫度下進行以減少干燥時間。但是，如果溫度太高，則會降低亮度。通常，加工過的EFA的干燥，是將纖維置于至少35℃，通常為40-70℃，優(yōu)選45-65℃，首選約55-60℃溫度下干燥至多8小時，或者，干燥至纖維的含水量低于6wt％。干燥后的EFA可粉碎至任何適宜的尺寸，這取決于其用途。例如，可將纖維粉碎成100目(美國標準)尺寸以提供類似淀粉的粉末添加劑(粉碎至100目意味著，物料被粉碎，使用通過100目美國標準篩的成分)?？刹捎肦etsch磨或任何其它類型的粉碎機。應小心處理，不應在粉碎過程中造成纖維燒焦或燃燒。
II.B.用于加工的物料
II.B.1.酸處理步驟
在酸處理步驟中可采用強酸或弱酸。適宜的強酸的實例包括鹽酸、硝酸和硫酸。適宜的弱酸的實例為乙酸(CH3COOH)、檸檬酸、亞硫酸和碳酸(H2CO3)。優(yōu)選酸為強酸。首選酸為硫酸或鹽酸。
II.B.2.表面處理步驟
漂白劑是公知的?！凹垵{和造紙技術員手冊(Handbook for Pulp& Paper Technologists)”(G.A.Smook，TAPPI出版(1989))討論了各種有用的漂白手段，它們可引入本文作為參考。
適宜的漂白處理的實例包括使纖維與元素氯在酸性介質中進行反應；反應產(chǎn)物用氫氧化鈉進行堿萃取；使纖維與次氯酸鹽在堿性溶液中進行反應；使纖維與二氧化氯在酸性介質中進行反應；使纖維與過氧化物在堿性介質中進行反應；使纖維與元素氧在高壓下于堿性介質中進行反應；和使纖維與臭氧反應。
溫和的酸性亞氯酸鹽溶液為優(yōu)選的改性劑。適宜的亞氯酸鹽的實例包括亞氯酸鈉、亞氯酸鈣、亞氯酸鎂和亞氯酸鉀。優(yōu)選的亞氯酸鹽為亞氯酸鈉。優(yōu)選地，亞氯酸鹽與強酸如鹽酸或硫酸及含水載體如水合并。例如，酸性亞氯酸鹽溶液包括1∶1摩爾比的亞氯酸鈉和鹽酸?；蛘撸嵝詠喡人猁}溶液可包含2∶1的亞氯酸鉀和硫酸。
另一種優(yōu)選的改性劑包括過氧化物。過氧化氫為適宜的過氧化物的實例。優(yōu)選地，通過將過氧化物與含水載體(水)及堿性物質混合將過氧化物制備成溫和的堿性溶液。氫氧化鈉和氫氧化鉀為適宜的堿性物質的實例。
任選地，螯合劑可包含于過氧化物溶液中。螯合劑是公知的。適宜的螯合劑的一個實例為硅酸鈉。螯合劑將與體系內的各種金屬離子結合。
III.增強纖維添加劑(EFA)的選定性質
本發(fā)明的方法提供了一種改性的加工過的纖維，其被稱為增強纖維添加劑(EFA)。如果EFA不通過漂白進行改性，則通常其與原料具有相同顏色的亮度。優(yōu)選的EFA的顏色一般為白色至淺黃褐色，其亮度通常至少為約50 ISO，優(yōu)選至少約70 ISO，首選至少約80 ISO。纖維的亮度或白度可通過與公知的氧化鎂標準比較在特定檢測波長和反射角下反射藍光的能力來度量(TAPPI測試方法T 452 om-87)。
EFA可由重要的水和油容量表征，通過AACC(美國谷類化學家協(xié)會)方法56-20的改進方法來測量。該方法如實施例7所述。通常，EFA的水容量至少為200wt％，通常至少為約300wt％，當按照本文所述的優(yōu)選加工過程制備時，約為500wt％。EFA的油容量通常至少為150wt％，一般至少為200wt％，當按照本文所述的優(yōu)選加工過程制備時，約為300wt％。
EFA也顯示出在高剪切或均質條件下在水溶液中具有增粘特性。包含1.5wt％EFA的均質后的水溶液通常表現(xiàn)出粘度至少為10cP(采用Brookfield公司生產(chǎn)的粘度計測量)，一般至少為約100cP，當采用本文所述優(yōu)選方法制得的EFA制備時，其粘度至少為約400cP。
當由玉米制備時，EFA通常至少包含約70-100wt％的碳水化合物(包括纖維素和半纖維素)，更典型為約80-約95wt％，在某些情形下為約85-約95wt％。大部分的碳水化合物成分，即約75wt％至約95wt％為不溶性膳食纖維。更典型地，當由玉米制備EFA時，EFA包含約85-約90wt％的不溶性膳食纖維。
來自燕麥的EFA通常包含至少80-100wt％的碳水化合物(包括半纖維素和纖維素)，更典型地為80-90wt％，在某些情形下為約85-90wt％。
來自大豆的EFA通常包含70-100wt％的碳水化合物(包括半纖維素和纖維素)，更典型地為約80-95wt％，在某些情形下為約80-85wt％。
增強纖維添加劑期望的特性據(jù)信是源于化學改性，化學改性導致材料的全纖維素，即纖維素和纖維素性質發(fā)生改變。這將在以下的第VIII節(jié)進行描述。通常，可觀察到加工過程導致纖維材料中與半纖維素特征相對的纖維素特征變得更大(比較加工前后的纖維材料)。此外，與結構、顏色和纖維素特征的暴露相關的許多觀察結果據(jù)信與至少在表面上改性木質素有關，所述改性包括物理和化學改性。
當采用掃描電鏡進行檢驗時發(fā)現(xiàn)，與未加工處理的纖維如粉碎的玉米纖維(SBF-C)相比，粉碎的增強纖維添加劑(EFA)的結構會具有增大的表面積。SBF-C通常具有結構化的、鋸齒狀且像巖石一樣的外觀，而EFA則具有更輕的羽毛似的模糊外觀。表面積增加據(jù)信部分導致EFA的多種所期望的性質。
IV.EFA的使用
IV.A.有關用途的一般評論
EFA可用于改變各種工業(yè)制品的粘性或流變性。例如，EFA可用于紙涂料制劑和油漆。EFA也可用于食品配方中。此外，EFA適用于增強紙的強度。
IV.B.造紙
在造紙工業(yè)中，經(jīng)常要使用添加劑以改變紙的性質。例如，加入濕粉用作內施膠；加入無機添料(如碳酸鈣、二氧化鈦和粘土)用于光學增強性質并作為纖維替代材料。其它合成增強添加劑也是公知的。
EFA也適用于造紙工業(yè)，優(yōu)選用作纖維替代材料。EFA是天然的，低灰分含量且重量輕。與無機填料相反，可以使用EFA而不會顯著增加紙頁的重量。的確，如本文所述制得的EFA可保持或增加應用時紙的強度，其中，紙的基本重量會降低超過10％，例如高達33％。EFA增加應用時紙的強度且不會同時增加基本重量的能力，對于造紙設備和紙消費者來說均具有吸引力。造紙廠商可受益于通過這種應用降低材料消耗和操作成本，而紙消費者受益于通過該應用實現(xiàn)較低的運送成本和郵寄成本。特別地，新聞紙和LWC(輕量涂布的)紙大大受益于因使用EFA而使紙基本重量減少。
對某些造紙應用來說，不太關心木材纖維的減少，而更關心紙強度的增加。已發(fā)現(xiàn)EFA可增加紙強度，甚至在催化加入水平下也如此。本文中，術語“催化加入水平”是指EFA以少量加至紙中，通常加入量低于10wt％，一般含量為0.1-10wt％，以造紙紙漿含量計；更一般地為約0.5-3.0wt％，優(yōu)選為約0.5-2.0wt％。由強度增加而獲益的市場包括液體包裝、漂白紙板、細紙、襯里紙板和瓦楞紙板。
此外，EFA是環(huán)境友好的造紙?zhí)砑觿?。木材纖維的使用可減少例如5-33wt％，而僅使用催化量的EFA。木材纖維消耗的減少不僅保護了木材纖維的供應，而且隨之降低了造漿和/或漂白化學品的用量，減少下水中的B.O.D.值(生物需氧量)，減少能量消耗(例如，電和/或化石燃料能源)，以及減少產(chǎn)品運送/運輸成本。
IV.B.1.造紙方法
紙基本上是由紙漿纖維的網(wǎng)形成的。紙漿是用于造紙的纖維性原料，通常來源于植物。但是，動物、礦物或合成纖維也包括在內。用于造紙的紙漿最普遍的來源是木材?？梢允褂梅悄静膩碓慈绻炔莼蛑T如亞麻/亞麻(linen/flax)；大麻；和合成纖維(例如，聚乙烯纖維)的材料當然也可以使用混合物。在紙產(chǎn)品中，由這些材料形成的物質在本文中被稱作“紙纖維”。通常，這種非木材來源的用量很少。紙漿也可來自二次纖維或再循環(huán)纖維。
紙通常由紙漿或其它纖維的含水漿液形成，將所述漿液通過絲網(wǎng)或篩網(wǎng)過濾并干燥。造紙商通常由諸如木屑、木板、稻草、黃麻、衣服或再循環(huán)紙之類的原料獲得紙漿，將這些原料潤濕并攪打以分離出紙纖維并形成纖維漿液。然后，將纖維漿液在勻漿機中勻漿，使纖維的表面更為粗糙。
在獲得紙漿后，可通過手工或機械形成紙。手工或機械造紙采用相同的基本步驟(1)成型；將紙漿漿料涂敷至篩網(wǎng)上；(2)排水；使水借助于諸如重力之類的力排出，或借助于水柱引起的壓力差排出；(3)壓榨；通過推擠水而進一步由紙頁中脫水；和(4)干燥；對紙頁進行空氣干燥或在熱表面上干燥。重要的是，紙漿應以低濃度涂敷至篩網(wǎng)上(例如，約0.1-約1.0％的固體)，以使纖維均勻分布且使紙具有均勻性(G.A.Smook；第2版，紙漿和造紙技術員手冊；Angus WildePublications Inc.1994)。
紙漿制造過程可為化學過程、機械過程或化學-機械過程，這取決于所希望的木質素脫除量。采用化學手段生產(chǎn)的紙漿通常強度更高且易于漂白以增加亮度。另一方面，機械紙漿則有可能保留更多的木質素。因此，機械紙漿較弱，且更難于漂白?；瘜W-機械紙漿的強度性質通常介于機械紙漿與化學紙漿之間。不同等級的紙是由不同類型的紙漿制造的。例如，新聞紙級通常是采用機械紙漿。高質量的書寫和印刷級紙通常采用漂白的化學紙漿。
如前所述，在紙漿制造過程中通常加入化學物質以除去木質素。但是，化學物質也會從纖維中除去半纖維素。通常希望保留一定程度的半纖維素，這是因為，半纖維素是一種天然的粘合劑，其可給紙漿提供附加的抗拉和破裂強度。因此，希望用含半纖維素的添加劑如本發(fā)明方法制得的EFA(增強纖維添加劑)代替失去的半纖維素。
IV.B.2.EFA在造紙中的應用--一般討論
優(yōu)選地，造紙用纖維添加劑應是低脂肪、蛋白質、木質素和灰分的，但應具有高的全纖維素并包含半纖維素。半纖維素是親水性的，從而促進各紙纖維間的氫鍵。因此，半纖維素起到粘合劑的作用，并可改善紙強度。由于木質素是疏水性的，并使形成的紙發(fā)黃，通常希望減少木質素在紙?zhí)砑觿┲械暮?。木質素也會起到膠水的作用，從而將各纖維保持在一起。與此相反，優(yōu)選各纖維是易于分散的。
雖然其它纖維(具有高木質素含量)可用作強度添加劑，但玉米纖維是特別重要的紙?zhí)砑觿湓蛟谟?，玉米纖維具有足夠的半纖維素含量，相對低的木質素和灰分含量。例如，玉米纖維包含約3-6％的木質素，而軟木包含約25-31％的木質素，硬木包含約16-24％的木質素。
由以下的第VIII節(jié)討論可以明顯看出，按照本發(fā)明的加工過程可得到改性的或增強的纖維添加劑，與用來制備增強纖維添加劑的SBF原料相比，其具有特別希望的特性變化，包括全纖維素特征、半纖維素特征和纖維素特征。相對高的纖維素特征是指，在紙內，在分散性和排列方式方面，纖維材料將以類似木材纖維的形式表現(xiàn)。本文所定義的半纖維素特征部分是指將發(fā)生所希望的強度增加。整體上總的全纖維素含量是指其它不希望出現(xiàn)的作用被減至可接受的范圍內。此外，據(jù)信，表面特性和木質素特性的改變也會促進物料作為紙?zhí)砑觿┑牟僮鳌?br> IV.B.3.加工過程
在造紙過程中的磨漿和打漿階段之前或在此階段中，可將EFA加至造紙紙漿漿料中(圖8B)。優(yōu)選地，EFA與造紙紙漿漿料一起進行磨漿以增強EFA與造紙紙漿纖維間的混合和接觸。EFA的優(yōu)選用量應足以增強所形成紙的性質，但不能太高，以至于不希望出現(xiàn)地抑制造紙紙漿的排水或者對設備的操作有不利影響。優(yōu)選地，EFA在造紙紙漿中的含量為約0.1-約10wt％，更優(yōu)選約0.5-約3.0wt％，首選約0.5-約2.0wt％，以造紙紙漿內容物為基準。
任選地，除EFA外，可向造紙紙漿體系中加入陽離子淀粉以使纖維絮凝，幫助排水，并保留纖維和填料。陽離子淀粉是通過淀粉與包含氨基、亞氨基、銨、锍或 基團的試劑發(fā)生化學反應而生產(chǎn)的，所有這些基團均帶正電荷。目前，可商購的重要衍生物為叔氨基和季銨淀粉醚。其有效性的關鍵因素是與帶負電荷的底物間的親合性(O.B.Wurzburg；改性淀粉性質和用途；CRC Press Inc.，1986)。
EFA提供了減少造紙紙漿用量的選擇，例如，減少高達33％，并同時保持紙的耐破強度和抗拉強度性質。此外，EFA增加了造紙過程中的濕強度和可操作性，從而使得能夠增加機械速度，并降低輕量級紙的斷幅。
參考圖8A，顯示出Lou Calder造紙機的操作過程。該機器可以以6-150fpm的機器速度進行生產(chǎn)，生產(chǎn)出75-200lb/小時的紙，基本重量為18-400lb。
參考標號1是打漿機給料器。機器箱標為2，打漿機箱標為3，后箱為4。托盤水箱標為5，pH值控制在6，臺輥為7，壓紋輥為8，第一壓榨為9，第二壓榨為10，施膠壓榨為11，第一干燥器為12，第二干燥器為13，收起輥為14。真空伏輥為15。
該設備為標準的造紙設備，可用于本文所述的造紙過程中。
IV.B.4.產(chǎn)品
本發(fā)明也提供了包含EFA的紙產(chǎn)品。EFA可用于改善紙的許多性質，例如，紙的內部結合強度，如耐破性、Scott結合性和拉伸性；堆積性/包裝性，如堆積密度。所有這些紙性質可采用已公開的TAPPI測試方法測量。
EFA適用于各種紙材料。紙材料可分類成紙(新聞紙、固定紙(stationary)、薄頁紙、袋紙、手巾紙、餐巾紙等)或紙板(襯墊紙板、瓦楞紙芯、紙管、鼓、奶硬紙盒、用于做鞋和谷物箱的再循環(huán)紙板、屋頂氈、纖維板等)。工業(yè)上通常將紙根據(jù)用于紙中的纖維類型和紙的重量進行分類。EFA適用于所有類型的紙。但是，它通常用于增強高級紙如證券紙、高級紙張和紙板如襯墊紙板或瓦楞紙芯層的性質。
證券紙是高質量印刷或書寫紙的廣義定義。它們是由漂白的化學紙漿和棉纖維制備的，可在其上印水印。高級紙用于書寫、打印和印刷。它們可為白色或彩色的，并由漂白的硫酸鹽漿或亞硫酸鹽軟木紙漿制成，為了平滑和不透明，可包含硬木紙漿。襯墊紙板是未漂白的美國長葉松或花旗松硫酸鹽軟木漿紙張，可制成各種重量。通常，襯墊紙板是一種兩層的紙板。襯墊紙板的壓縮強度和耐破強度是重要的。瓦楞紙芯是由未漂白的半化學紙漿制成的。其被形成波浪形結構，并夾在襯墊紙板的兩層間而形成波狀結構。瓦楞紙芯通常用于制造紙箱。
IV.B.5.其它觀測
通常，對于以EFA用作添加劑的方式使用的，具有優(yōu)良性能的造紙用添加劑材料來說，應提供以下的性質
(A)優(yōu)良的半纖維素親水性；
(B)類纖維素的纖維性質；和
(C)能夠在紙中形成橋連的微原纖維的纖維結構。
半纖維素的親水性有助于材料的分散能力，以及與紙漿中纖維素材料的氫鍵。類纖維素纖維性質提供優(yōu)良的與紙漿中其它纖維素纖維摻混性質。適宜的微纖維結構使得可形成微原纖維，通過在紙漿(纖維素)纖維間形成橋連網(wǎng)絡可增加紙的整體強度。
如上所述，通過下述實驗，本發(fā)明制得的增強纖維添加劑(EFA)提供了這種材料。通常，作為改性的結果(a)在整個纖維材料中纖維素特征的百分比一般高于處理之前的值；(b)相對于開始時的纖維，纖維素特征與半纖維素特征間的比值通常增加；(c)全纖維素特征通常增加。所述材料具有突出的、可觀察的微結構，并在紙產(chǎn)品中形成微原纖維結構，這些由以下的實施例說明并由圖19和20的比較所描述。可觀察到的類纖維素結構使材料與纖維素紙漿材料一致，如以下實施例所述。
IV.C.EFA作為食品添加劑的應用
膳食纖維對于消化過程來說是非常重要的，并在防止諸如結腸癌之類的疾病中起著重要作用。膳食纖維也被認為可減少血清中的膽固醇含量，這對預防心臟病非常重要。“膳食纖維”包括植物細胞壁的可溶性和不可溶性成分，它們是人體消化道的內源性(非菌類)酶不能消化的。膳食纖維在小腸中不被吸收，因此，可進入大腸(結腸)。“不溶性纖維”包括寡糖和多糖，如纖維素和半纖維素?！翱扇苄岳w維素”用于指那些按照下述文獻所述的方法至少50％是可溶的纖維L.Prosky等，J.Assoc.Off.Anal.Chem.，71，1017-1023(1988)。可溶性纖維的實例包括果膠、β-葡聚糖(小纖維素型支化葡萄糖聚合物)以及膠類物質如黃原膠。纖維添加劑在食品中作為膳食纖維的應用記載于以下文獻中營養(yǎng)標記與教育條例(Nutrition Labeling andEducation Act)(NLEA)，1990。
對于食品生產(chǎn)商來說，通常在食品配方中使用不溶性與可溶性纖維的組合。不溶性纖維產(chǎn)品主要用于強化食品，而可溶性纖維產(chǎn)品則用于功能性。功能性包括外觀、增粘性、水容量和油容量。
由于EFA同時具有顯著的水容量(即親水特性)和顯著的油容量(即親脂特性)，因此，不僅可用作乳化劑、增粘劑或因類似的理由應用，而且還可用其它材料增強或加強，并用作運載工具的一部分，例如，運送營養(yǎng)物(nutraceutical)。因此，在摻入食品產(chǎn)品之前或直接消化之前，它可用各種營養(yǎng)物、膳食補充劑等加強。
EFA適合用作膳食纖維補充劑。與許多的可商購纖維添加劑不同，EFA同時提供食品強化和功能性兩個作用。更具體而言，質地、稠度和口感由于其吸收性而得到改善。
通常，EFA的用量至少為約0.5wt％，例如，約1wt％，以加工前用于制備食品的食品配方混合物的總量計，不論其為固體或液體。在焙烤食品中，用量至少為0.5％，例如，1％或更多，通常至少為3wt％，以面粉成分為基準。
IV.C.1.加工
EFA可包含于食品配方或營養(yǎng)補充劑中。其可用于任一種摻入不溶性纖維的現(xiàn)有食品配方中，并且因其具有增粘性，可以全部或部分代替現(xiàn)有食品配方中的可溶性纖維產(chǎn)品。
IV.C.2.食品產(chǎn)品
本發(fā)明也提供了包含EFA的食品。由于EFA具有增粘特性，因此，其適用于營養(yǎng)飲料而賦予稠的乳狀的口感，并有助于使微顆粒如椰子粉和礦物質懸浮，有助于穩(wěn)定乳液。EFA也可用作果汁中的乳濁劑。由于具有增粘特性，EFA也適用于實現(xiàn)所需的質地并附著于色拉調料或類似調料，調味汁和填料。
EFA的保水能力使其適于用作添加劑以防止焙烤食品如面包和百吉圈變陳。有利地，EFA適用于焙烤食品和通常用于纖維強化消費的面包店產(chǎn)品。而且，EFA的保水能力使其適合于作為在冷凍食品中提供冷凍/解凍穩(wěn)定性，并增加像絞細牛肉的肉類中烹調收率的組分。
通常，對于含面粉的食品來說，EFA一般可以以任何可接受的含量使用。例如，至少占面粉成分的0.5wt％或更多。在食品配方中，包括飲料和固體食品混合物，EFA通?？梢砸匀魏慰山邮艿暮渴褂?，例如，至少0.5wt％，基于加工過程如任一種烹調過程前所有成分總重量。
IV.D.EFA的其它用途
EFA也可用于粘合劑配方中以改善粘合強度及保水性。EFA可用于改善油漆制劑的流變性，且不會使VOC’s(揮發(fā)性有機化合物)增加。紙涂料配方通常包含化合物(例如CMC(羧甲基纖維素))以改變涂層顏色的保水能力。由于EFA具有高水容量，其可有益地用在紙涂層應用中。
V.實施例
實施例1酸處理
可采用玉米纖維例如來自玉米濕磨操作的SBF制備EFA。玉米纖維(SBF-C)得自Cargill Corn Milling，Cedar Rapids，Iowa。玉米纖維(SBF-C)于70目篩上采用細微噴射的水洗滌以除去細纖維、游離的淀粉和蛋白質。經(jīng)測量，得到的洗滌過的纖維的含水量為50％。然后，將大約1200g(600g，干基)纖維負載于M/K蒸煮器的篩分籃(有一個100目的篩底)，并插入壓力容器中。
將包含2％硫酸(基于纖維干重)的稀酸溶液與SBF合并，稀酸溶液與SBF的比例為10∶1(重量比)。稀酸溶液包含12g的100％硫酸(或12.5g的以96％濃度購買的酸)和5387.5g的水。在稀酸溶液中硫酸和水的量按照如下所示確定
稀酸溶液的總重量600g×10＝6000g
所需水量6000-600g(來自濕纖維)-12.5g的H2SO4
＝5387.5g水
將稀酸溶液緩慢地加至于蒸煮器中的玉米纖維中，開啟循環(huán)泵。在確認稀酸溶液在反應器中循環(huán)后，將反應器的蓋子密封。將反應溫度設置在120℃，達到反應溫度的時間設置在45分鐘，然后設置保持1小時。將反應容器中的加熱器打開。記錄反應器內溫度和壓力隨時間的變化。在達到120℃目標溫度后，繼續(xù)反應1小時。1小時后，打開向反應器供應的冷卻水以冷卻反應器內容物。打開反應器上的取水閥，從反應器中排出廢稀酸溶液。小心地取出在反應器籃中的纖維，采用兩次各6升的水洗滌。繼續(xù)洗滌直至洗滌水的pH值為水性(例如在6.0-8.0之間，典型地為約7.0)。
實施例2.第一次表面改性酸性亞氯酸鹽處理
來自實施例1的酸處理纖維再在表面改性步驟中進行處理。酸處理纖維與酸性亞氯酸鹽溶液合并形成纖維漿液，該漿液包含10％的纖維和90％的酸性亞氯酸鹽溶液。酸性亞氯酸鹽溶液包含1.5wt％(基于干纖維)的亞氯酸鈉和0.6wt％(干纖維)的鹽酸。反應在密封的塑料袋中進行，pH值約2-3，反應溫度為65-75℃，反應時間為1小時。在用酸性亞氯酸鹽溶液處理后，將纖維漿液用2升的水稀釋，在布氏漏斗中過濾。重復該步驟，直至得到的濾液澄清并在中性pH下(例如，pH6.0-8.0，優(yōu)選約7.0)。
實施例3.第二次表面改性過氧化物處理
來自實施例2的酸性亞氯酸鹽處理的纖維再進行堿性過氧化物溶液處理。將纖維與3-8wt％(干纖維)的過氧化氫及2wt％(干纖維)的氫氧化鈉合并，pH值為約10-10.5，固體濃度為10-20％。加入作為螯合劑的硅酸鈉(干纖維的3wt％)。過氧化物處理步驟在密封的塑料袋中進行，反應溫度為60-65℃，反應時間為1小時。在反應后，將纖維漿液用2升的水稀釋，在布氏漏斗中過濾。重復該步驟，直至得到的濾液澄清并在中性pH下。漂白處理過的纖維在35-60℃的空氣循環(huán)烘箱中干燥，然后，采用Retsch磨粉碎至100目大小(例如150-250微米)。
實施例4.結構掃描電鏡
由玉米濕磨工藝獲得的粉碎后玉米纖維(SBF-C)的結構和由實施例3獲得的粉碎后增強纖維添加劑(EFA-C)的結構在100倍下用掃描電鏡(SEM)進行檢測。
采用標準SEM樣品制備技術干燥并制備樣品。圖2和3分別顯示出粉碎的玉米纖維(SBF-C)和增強纖維添加劑(EFA-C)的掃描電子顯微照片。粉碎的玉米纖維(SBF-C)具有鋸齒和巖石狀的外觀。未加工的纖維是非常結構化的(成束)(圖2)。而粉碎的增強纖維添加劑的結構與SBF-C比較基本上是不同的。SBF-C具有鋸齒和巖石狀的外觀，EFA-C具有更輕、更纖細、羽毛似的或模糊的外觀。結果，與未處理的纖維相比，EFA-C具有增加的表面積。
本文中，將在100倍下通過掃描電鏡(SEM)對EFA觀察看到的并在圖3中列舉的結構類型(與圖2對照)稱為羽毛似的模糊的結構。其是典型的本發(fā)明增強纖維添加劑的特性，當按照如上所指的實驗觀察時，這樣一種外觀至少在部分顆粒中會引起注意。通常，取樣的較大顆粒的外觀是最引人注目的，特別是在SEM下顯示出粒徑在100微米或更大的那些顆粒。
實施例5.組成拉曼光譜
比較SBF-C和EFA-C的拉曼散射光譜。圖4中顯示出兩種纖維的傅立葉變換拉曼光譜的對比。在兩種光譜間的最突出的差異是在于1600cm-1和1630cm-1處與木質素有關的譜帶的消失(U.P.Agarwal andSally A.Ralph，Appl.Spectrosc，51，1648，1997)。
實施例6.組成對木質素含量的影響
采用由Tappi公開的TAPPI測試方法T236cm-85所述的方法測量SBF-C和EFA-C的κ值和％K1ason值，該方法引入本文作為參考。結果如表1所示。從表1可以看出，來自SBF-C的幾乎90％的木質素通過改性方法被除去。這證實了實施例5的傅里葉變換拉曼反射分析中看到的數(shù)據(jù)。
表1.SBF-C和EFA-Cκ值(KN)的比較
在該實施例中的EFA-C按照實施例1、2和3制備；即用酸、亞氯酸鹽和過氧化物處理。
實施例7化學和膳食纖維分析
將EFA-C樣品送至Medallion實驗室(Minneapolis，MN)進行最接近的化學分析和膳食纖維分析，采用NLEA(營養(yǎng)標記與教育條例)方法進行。漂白處理過的纖維的最接近的化學和營養(yǎng)分析結果概括于表2。由AOAC International公布的正式方法作為參考也列于表2中。
表2.EFA-C的組成和性質
分析表明，增強纖維添加劑主要是不溶性纖維，或者按照NLEA指南為膳食纖維。這對于纖維食品添加劑來說是理想的組分。
纖維的水容量百分比(WHC)采用改變的AACC(美國谷物化學家協(xié)會)方法56-20測定。在水容量試驗中，將1.25g的纖維與過量的水(12.5mL)在預先稱量的50mL離心管中混合。將混合物的pH值調節(jié)至7.0，將樣品在間歇混合下于室溫下水合60分鐘。然后，將樣品在6000g下離心25分鐘。倒轉試管呈45度角保持30秒，將過量的水除去。WHC百分比為試管內容物的最后重量除以纖維樣品的初始重量，再乘以100。WHC百分比被認為是在低速離心下1g纖維保持的最大水量。
采用與水容量相同的方法測量油容量(OHC)，只是不調整pH值，并且用玉米油代替去離子水。
實施例8.造紙EFA-C的實驗室研究
造紙配料制備從Georgia Pacific得到商購的硬木和軟木漂白硫酸鹽紙漿。在5加侖的容器中，將50％硬木與50％軟木的摻混物用蒸餾水形成漿液，使其濃度為1.2wt％。將0.5wt％的EFA-C(由玉米纖維制備的增強纖維添加劑)加至1.2％濃度的硬木/軟木造紙漿液中。
勻漿Tappi方法T-200描述了采用槽式(valley)攪拌器進行實驗室打漿的方法。采用槽式攪拌器對包含EFA-C的硬木/軟木造紙紙漿配料進行勻漿。將配料勻漿至450mL CSF(加拿大標準打漿度)。紙漿的打漿度采用TAPPI測試法T-227測量。在獲得450mL CSF后，將配料用去離子水稀釋至濃度為0.3％，采用Lightning混合器進行溫和攪拌以保持纖維懸浮于造紙配料中。
制備手抄紙按照TAPPI測試方法T-205，采用下述手抄紙程序制備紙。對基本重量為1.2g的手抄紙(40lb紙片或40lb/3300ft2或60g/m2)和1.8g的手抄紙(60lb紙片或60lb/3300ft2或90g/m2)進行比較。在某些情形下，向手抄紙鑄模中加入20lb/ton的陽離子標記玉米淀粉(Charge+110，得自Cargill)，以有助于排水和保持力。
手抄紙測試將手抄紙送至Integrated Paper Services(IPS，Appleton，WI)。按照TAPPI測試方法T-220，即紙漿手抄紙物理測試對手抄紙進行調理和測試。采用的儀器紙厚度-Emveco ElectronicMicroguage 200A；破裂-Mullen Burst Test Model“C”；撕裂-Elmendorf Tear Tester；拉伸-SinTech。
結果表3示出含和不含EFA-C的手抄紙評價的紙性質。
表3.手抄紙測試結果
圖5中示出了含和不含EFA-C的手抄紙的耐破強度。該圖還顯示了加入20lb/ton陽離子淀粉增強的耐破強度。不含EFA-C的60lb紙張(對照樣)與含0.5％EFA-C的40lb紙張具有相同的耐破強度。
圖6示出了含和不含EFA-C的手抄紙的抗伸強度。該圖還顯示了加入20lb/ton陽離子淀粉增強的抗拉強度。不含EFA-C的60lb紙張(對照樣)與含0.5％EFA-C的40bl紙張具有至少相同的抗拉強度。
結論在實驗室中制備的含0.5％EFA-C的40lb紙張與不含EFA-C的60bl紙張具有相同的耐破強度和抗拉強度。催化量的EFA-C(0.5％)可在標準60lb紙張中代替33％的硫酸鹽漿木材纖維而無損于耐破強度和抗拉強度。加入20lb/ton的陽離子淀粉也會增加耐破強度和抗拉強度。
實施例9.造紙EFA-大豆和EFA-小麥的實驗室研究
造紙配料制備從Georgia Pacific得到商購的硬木和軟木漂白硫酸鹽紙漿。在5加侖的容器中，將50％硬木與50％軟木的摻混物用蒸餾水形成漿液，使其濃度為1.2wt％。將0.5wt％的EFA-S(由大豆皮制備的增強纖維添加劑)加至硬木/軟木漿液摻混物中。如前所述制備另一種硬木/軟木摻混物，其中包含0.5wt％的EFA-W(由小麥麩皮制備的增強纖維添加劑)。
勻漿Tappi方法T-200描述了采用槽式(valley)攪拌器進行實驗室打漿的方法。采用槽式攪拌器對包含EFA-S和EFA-W的硬木/軟木造紙紙漿配料進行勻漿。將配料勻漿至450mL CSF(加拿大標準打漿度)。紙漿的打漿度采用TAPPI測試法T-227測量。在獲得450mL CSF后，將配料用去離子水稀釋至濃度為0.3％，采用Lightning混合器進行溫和攪拌以保持造紙配料中的纖維呈懸浮狀態(tài)。
制備手抄紙按照TAPPI測試方法T-205，采用下述手抄紙程序制備紙。選擇基本重量為1.2g的手抄紙(40lb紙片或40lb/3300ft2或60g/m2)和1.8g的手抄紙(60lb紙片或60lb/3300ft2或90g/m2)進行比較。向手抄紙鑄模中加入20lb/ton的陽離子濕粉(AltraCharge+130，得自Cargill)，以有助于排水和保持力。
手抄紙測試將手抄紙送至Integrated Paper Services(IPS，Appleton，WI)進行評價。按照TAPPI測試方法T-220，即紙漿手抄紙物理測試對手抄紙進行調理和測試。采用的僅器紙厚度-EmvecoElectronic Microguage 200A；破裂-Mullen Burst Test Model“C”；撕裂-Elmendorf Tear Tester；拉伸-SinTech。
結果表4記載了含和不含EFA-S和EFA-W的手抄紙評價結果。
表4.手抄紙測試結果
圖7中示出了含和不含EFA-S和EFA-W的手抄紙的耐破強度。不加EFA-S或EFA-W的60lb紙張(對照樣)與含0.5％EFA-S或EFA-W的40bl紙張具有相同的耐破強度。
結論在實驗室中制備的含0.5％的EFA-S和EFA-W的40lb紙張與不含EFA-S或EFA-W的60bl紙張具有相同的耐破強度。沒有象前面采用EFA-C所看到的那樣，在實驗室中測量使用EFA-S或EFA-W造成的拉伸提高。
實施例10.造紙EFA-C試驗造紙機研究
在西密歇根大學(Western Michigan University)紙科學和工程系進行試驗造紙機試驗。生產(chǎn)能力如下生產(chǎn)率75lb/hr-200lb/hr，取整的基本重量18lb/3300ft2-400lb/3300ft2，機器速度6fpm-150fpm。圖8A顯示了試驗造紙裝置的示意圖。
關于圖8A，30表示稠物料流，31表示基本重量控制閥，32和33表示混合和加料罐，35表示高位調漿箱系統(tǒng)，36表示壓紋輥，37表示伏輥，38表示排水箱，39表示去下水管線的污水。用此設備可以得到約160lbs/小時的產(chǎn)量。
造紙配料制備
由西密歇根大學提供漂白的硬木和軟木硫酸鹽漿，為商購的市售紙漿。制備不同的兩批60％硬木和40％軟木配料用于此項研究。一批不含EFA-C，并標記為“對照樣”。另一批含0.5％EFA-C，并標記為“EFA-C”批。如下制備每批料將5％重量濃度的60％硬木和40％軟木在荷蘭式打漿機(Hollander Beater)內摻合并混合在一起。用自來水得到5％的濃度。當用水將紙漿摻混并再次水合后，將紙漿轉移至后箱并用自來水稀釋至1.5％重量濃度。加入H2SO4將紙漿的pH調節(jié)至7.5。從后箱中，將紙漿輸送通過單圓盤Jordon勻漿機，直至得到450mLCSF的打漿度。通過TAPPI測試方法T-227測得打漿度。Jordon勻漿機上的操作參數(shù)是裝載重量為40lbs，而流速為60gpm。各批的勻漿時間保持恒定(12分鐘)。在勻漿前以0.5％重量的配料水平將EFA-C材料加到后箱。一旦完成勻漿，將紙漿移至機器箱并稀釋至0.5％重量濃度。
造紙目標為36lb/3300ft2和73lb/3300ft2的兩種不同基本重量級的紙。通過控制機器速度得到基本重量。如果在試驗期間需要的話，在原料箱中加入10lb/ton的陽離子淀粉(Charge+110)。將0.5％(重量)的紙漿從機器箱轉移至高位調漿箱。從該高位調漿箱，將紙漿轉移至長網(wǎng)造紙機，在此發(fā)生第一步的脫水。使?jié)窦埛ㄟ^壓紋輥和抽濾箱，在此從紙幅上除去更多的水。使紙幅通過伏輥，由此轉移至毛布并進入第一壓榨工段。從第一壓榨工段，將紙幅轉移到另一副毛布上進入第二壓榨工段，并從那里進入第一干燥器工段。通過尺寸壓榨機和第二干燥器工段。最終步驟的紙幅通過軋光機組并卷到卷軸上。
紙測試所有的紙測試由西密歇根大學紙科學和工程系進行。表5表示所參考的TAPPI測試方法和每一測試重復的次數(shù)。
表5TAPPI測試方法
結果紙測試結果如表6所示。
表6西密歇根大學試驗造紙機試驗
圖9顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的耐破強度。36lb的紙張測得統(tǒng)計學上顯著的改進，而73lb紙張則沒有。
圖10顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的抗拉強度。測得36lb和73lb紙張沿機器方向(MD)的抗拉強度均有統(tǒng)計學上顯著的改進；而在與機器交叉方向(CD)上，僅73lb紙張有統(tǒng)計學上顯著的改進。
圖11顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的抗撕強度。測得36lb和73lb紙張的抗撕強度均有統(tǒng)計學上顯著的改進。
圖12顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的Scott結合強度。36lb和73lb紙張在Scott結合方面均有統(tǒng)計學上顯著的改進。
圖13顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的Scott氣孔率。36lb和73lb紙張的氣孔率均有統(tǒng)計學上顯著的改進。
圖14顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的松密度。36lb和73lb紙張的松密度均有統(tǒng)計學上顯著的改進。
圖15顯示了使用和不使用EFA-C制造的兩種不同基本重量的紙的耐折疊強度。36lb和73lb紙張均有統(tǒng)計學上顯著的改進，只是73lb紙張在與機器交叉的方向上沒有改進。
結論西密歇根大學(WMU)試驗造紙機的試驗在統(tǒng)計學上驗證了實驗室觀察結果，即0.5％的EFA-C統(tǒng)計學上增強了紙的抗破裂和抗拉強度性能。此外，該試驗研究還在統(tǒng)計學上驗證了當將0.5％的EFA-C加到常規(guī)的漂白硬木-軟木造紙配料中時，以下紙性能增強Scott結合、撕裂、折疊、氣孔率和松密度。
實施例11造紙試驗性研究EFA和陽離子淀粉
在西密歇根大學紙科學和工程系進行試驗造紙試驗。該試驗的目的是要確定加入陽離子淀粉是否會改變EFA-C的紙強度增強性能。
造紙配料制備
由西密歇根大學提供漂白的硬木和軟木硫酸鹽漿，為商購的市售紙漿。制備不同的兩批60％硬木和40％軟木配料用于此項研究。一批不含EFA-C，并標記為“對照樣”。另一批含2.0％EFA-C，并標記為“EFA-C”批。
如下制備每批料將5％重量濃度的60％硬木和40％軟木在荷蘭式打漿機內摻合并混合在一起。用自來水得到5％的濃度。當用水將紙漿摻混并再次水合后，將紙漿轉移至后箱并用自來水稀釋至1.5％。加入H2SO4將紙漿的pH調節(jié)至7.5。從后箱中，將紙漿輸送通過單圓盤Jordon勻漿機，直至得到450mLCSF的打漿度。通過TAPPI測試方法T-227測得打漿度。Jordon勻漿機上指定的操作參數(shù)是裝載重量為40lbs，而流速為60gpm。各批的勻漿時間保持恒定(12分鐘)。在勻漿前以2.0％重量的配料水平將EFA-C材料加到后箱。一旦完成勻漿，將紙漿移至機器箱并稀釋至0.5％的濃度。
造紙目標為36lb/3300ft2和73lb/3300ft2的兩種不同基本重量級的紙。通過控制機器速度得到基本重量。如果在試驗期間需要的話，在原料箱中加入10lb/ton的陽離子淀粉(電荷+110)。將0.5％的紙漿從機器箱轉移至高位調漿箱。從該高位調漿箱，如前述將紙漿轉移至長網(wǎng)造紙機。如前述使紙幅通過尺寸壓榨機和第二干燥器工段。最終步驟的紙幅通過軋光機組并卷到卷軸上。
紙測試所有的紙測試由西密歇根大學紙科學和工程系進行。表7表示所參考的TAPPI測試方法和每一測試重復的次數(shù)。
表7.TAPPI測試方法
結果紙測試結果如表8所示。
表8西密歇根大學試驗造紙機試驗
圖16表明加入2.0％EFA-C增強Scott結合內部紙強度。當加入10lb/ton的陽離子淀粉時測得額外增加。
圖17顯示了EFA-C使紙張氣孔較少的能力。由TAPPI測試方法Gurley氣孔率測得的氣孔率，是由100ml空氣通過給定紙張區(qū)域需要的時間來衡量?？諝馔ㄟ^紙張的時間越長，則紙張的孔越少。Gurley氣孔率越高，則涂層保持力越大。
圖18表明加入2.0％EFA-C使紙致密化。
結論加入2.0％EFA-C增加了紙的內部結合強度，此強度由Scott結合TAPPI測試方法測定。當把2.0％EFA-C結合到紙中時，紙張氣孔變少。加入2.0％EFA-C增加了紙的松密度。與2.0％EFA-C一起往紙中加入陽離子淀粉會增強上述的性能。試驗造紙機研究還表明結合使EFA和陽離子淀粉在機器的排水和保持力的運轉參數(shù)方面的協(xié)同作用。
實施例12造紙紙產(chǎn)品中EFA-C的分析
本研究的目的在于確定是否可以建立采用顯微和/或分光鏡技術來鑒定紙上的EFA的測試方法。在西密歇根大學紙科學和工程系的試驗造紙機上用不同濃度的EFA-C造紙。
造紙配料制備
由西密歇根大學提供漂白的硬木和軟木硫酸鹽漿，為商購的市售紙漿。制備不同批的60％硬木和40％軟木配料用于此項研究。每批含有以下含量的EFA-C0％、0.5％、1.0％和2.0％。如下制備每批料將5％重量濃度的60％硬木和40％軟木摻在一起并在荷蘭式打漿機內混合。用自來水得到5％的濃度。當用水將紙漿摻混并再次水合后，將紙漿轉移至后箱并用自來水稀釋至1.5％。用H2SO4將紙漿的pH調節(jié)至7.5。從后箱中，將所有紙漿輸送通過單圓盤Jordon勻漿機三次，測得打漿度為480mLCSF(TAPPI測試方法T-227)。Jordon勻漿機上的操作參數(shù)是裝載重量為20lbs，而流速為60gpm。各批的勻漿時間保持恒定。配料從后箱抽出，經(jīng)單圓盤Jordon勻漿機到達機器箱上。一旦后箱被抽空，將Jordon勻漿機關掉。然后將此批料從機器箱移回到后箱。此過程對于含有不同水平的EFA-C的每批料重復三次。一旦勻漿完成，則將紙漿轉移到機器箱，并稀釋至0.5％的濃度。
造紙目標為20、40和60lb/3300ft2的三種不同基本重量級的紙。通過控制機器速度得到基本重量。為可運轉的目的，在原料箱內加入10lb/ton的陽離子淀粉(Charge+110)。將0.5％的紙漿從機器箱轉移至高位調漿箱。從高位調漿箱中將紙漿如前述轉移至長網(wǎng)造紙機。如前述使紙幅通過尺寸壓榨機和第二干燥工段。最終步驟的紙幅通過軋光機組并卷到卷軸上。
實施例13紙性能顯微鏡檢查
將來自實施例12的紙樣品進行常規(guī)掃描電鏡檢查，以確定在造紙方法中使用EFA-C是否造成任何結構變化。
圖19顯示了上述方式制備的40lb紙張的800倍SEM圖?？勺⒁獾?，在纖維重疊形成紙表面時有連接纖維和大空隙空間的小微原纖維。已知微原纖維的存在增加紙張的強度(T.E.Conners和S.Banerjee，Surface Analysis of Paper，CRC Press，1995)。圖20顯示了在勻漿步驟之前加入1％EFA制備的40lb紙張的800倍SEM圖?？勺⒁獾皆搶嵤├形⒃w維的量增加。還可注意到圖19中觀察到的空隙空間減少，表明較好地形成了紙張。
在上述紙張上觀察到了總共23％的微原纖維產(chǎn)量的增加。在20幅不加入EFA的紙的SEM視場圖和20幅加入1％EFA-C的紙的SEM視場圖上進行計算。不含EFA的紙平均每個顯微圖視場有13個微原纖維，而含有1％EFA-C的紙平均每個顯微圖視場有16.5個微原纖維，因此比非EFA紙增加了23％。
實施例14紙性能傅里葉變換紅外光譜分析
用紅外光譜分析手抄紙以確定是否可以建立紙中使用EFA的檢測方法。掃描未加入EFA-C的40lb紙張和含有1％EFA-C的40lb紙張的傅里葉變換紅外反射光譜。圖21顯示試驗的結果。頂部的光譜來自未加入EFA-C的紙，中間的光譜是含1％添加劑的紙，而底部的光譜是在以簡單的1∶1比率因子進行光譜扣除之后的剩余部分。兩個光譜的最大差別區(qū)域在圖中的圓圈內。
實施例15紙性能近紅外反射分析
雖然FTIR反射分析適于定性工作，但它較不適于定量，尤其是在具有高或可變含水量的樣品中。因為FTIR分析表明存在差別區(qū)域，故將近紅外反射分析用于定量研究。
對一組手抄紙進行近紅外反射分析?？偣彩褂昧鶄€不同的手抄紙組，未加入EFA-C的20lb、40lb和60lb紙張，和加入1％EFA-C的20lb、40lb和60lb紙張。從多張手抄紙上切出代表性的樣品，并進行近紅外反射光譜掃描。使用每一張紙的三個區(qū)域，得到總共18個被分析的樣品。
圖22是采用簡單相關分析，即一種常規(guī)的用于考查近紅外數(shù)據(jù)以進行定量分析的方法得到的。給出了在各波長處的簡單相關系數(shù)(線性程度)。這用于確定哪些波長更適于建立定量測量模型。
可注意到兩個最高度相關的區(qū)域。如果我們對數(shù)據(jù)應用多元線性回歸算法，則可以采用這兩種波長建立線性相關。由這些數(shù)據(jù)建立的線性相關的相關系數(shù)為0.96，而在95％置信度下的標準誤差為0.14。這明確表明了可以采用獨立分析法測定紙中EFA的含量。
實施例16EFA-C與商購纖維添加劑的比較
比較EFA和其它商購的不溶性膳食纖維，包括solka floc、微晶纖維素、燕麥纖維、玉米糠和小麥糠。表9給出了比較。
表9 EFA-C與商購的不溶性纖維產(chǎn)品的比較
除了小麥糠僅含有38-50％TDF，商購產(chǎn)品的總膳食纖維(TDF)含量約為81％-100％。所有這些產(chǎn)品作為濃縮的膳食纖維源用于食物增強。在實例7中所述的近似分析證明，EFA-C含有約87.2％的不溶性膳食纖維，與其它商購的纖維產(chǎn)品相當。
實施例17功能化
食品制造商通常在食品配方中組合使用不溶性和可溶性纖維。不溶性纖維產(chǎn)品主要用于強化，而可溶性纖維產(chǎn)品用于功能化。進行基本功能試驗以評價各種產(chǎn)品的增粘性、水容量和油容量。試驗方案如實施例7所述。
初步的篩選揭示，與某些其它的商購不溶性纖維產(chǎn)品，包括微晶纖維素、solka floc和玉米糠相比，EFA具有更高的增粘性、水容量和油容量。觀測的EFA功能表明，它可以提供改進的感觀性能如口感，以及理想的產(chǎn)品性能如食品的乳液穩(wěn)定性、粘著力、混濁度、抗變陳、冷凍/解凍穩(wěn)定性和烹調產(chǎn)率。功能試驗的結果總結在表10中。
表10多種不溶性纖維產(chǎn)品的功能篩選
*相同字母的值在95％的置信區(qū)間內沒有顯著性差異。
@相同字母的值在95％的置信區(qū)間內沒有顯著性差異。
實施例18增粘性
使用以下三種方法之一將3g的纖維分散至200g去離子水中，制備樣品進行增粘性分析
1.在磁攪拌盤內攪拌1分鐘(“攪拌”)
2.在Warring摻合機中高速剪切1分鐘(“剪切”)
3.在Gaulin勻化器中以5000psi單程通過均化(“均化”)。
室溫下24小時后，使用Brookfield RV粘度計，#2轉子，轉速20rpm，測定250ml燒杯中樣品的粘度。
兩種微晶纖維素MCC產(chǎn)品在所有的纖維中表現(xiàn)出最大的增粘能力。高速剪切下微晶纖維素RC581F達到1000cP以上，而微晶纖維素CL-611F達到130cP。但是，這些產(chǎn)品還含有59％羧甲基纖維素(CMC)，它是一種導致粘度增加的可溶性纖維。這些樣品表現(xiàn)為乳白色、不透明懸浮體，并在24小時后輕微沉淀。不含可溶性纖維的微晶纖維素FD-100、solka floc和玉米糠在任何一種混合/剪切條件下不增加粘度，且快速沉淀至燒杯的底部。
均化下EFA-C的粘度達到400cP以上，并具有白色、半透明、懸浮的聚集外觀，并且不從溶液中沉淀出來。這對于純的不溶性纖維產(chǎn)品而言是一種良好的功能。由于EFA的增粘特征，它適用于營養(yǎng)飲料以提供濃稠的、乳脂狀口感，有助于懸浮細固體如可可粉和礦物質，并有助于穩(wěn)定乳液。此添加劑的聚集外觀類似果醬。因此，此添加劑可以用作果汁飲料或運動飲料中的混濁劑。
實施例19 EFA的保水性能的食品應用實施例
EFA結合最高達其體重5倍的水的能力導致其可顯著地改進面包房產(chǎn)品的貨架期，并有機會使這些產(chǎn)品含有低水平至中等水平的不溶性纖維。
在此實施例中，用以下成分制備5種家庭制作的面包。
面包粉 40.8
水 23.1
全小麥面粉 13.0
蛋 8.9
蜂蜜 7.9
脫脂干乳 1.9
新鮮的黃油 1.4
鹽 1.2
檸檬汁 0.9
活性干酵母 0.9
100％
將酵母溶于水并放在一邊?；旌蠞癯煞植⒓拥礁傻某煞种?，使用Hobart混合器和生面團鉤混合1分鐘。將生面團提起兩次，然后在375°F下烘焙50分鐘。
對樣品A，將1％EFA(基于面粉)加到面包混合物中。樣品B、C和D分別含有3％、5％和7％EFA(基于面粉)，第五個樣品不含EFA并用作對照。此配方中不另加入水和其它成分，對任何面包也不進行加工改變。由Medallion實驗室分析最終產(chǎn)品的百分含水量和可溶性、不溶性和總膳食纖維。結果如下
從上表中可以看出，在含有3-7％EFA的面包中水含量更高。這些數(shù)據(jù)還表明，可以通過加入較少量的EFA而適當?shù)卦黾用姘牟蝗芾w維含量。在黃色蛋糕和軟類型燕麥粗粉糕點中可見類似的觀察結果。
為了進一步說明EFA的水結合性能，用以下成分在實施例2中制備奶蛋糊
奶 52.3
面粉 35.2
蛋 11.4
烘焙粉 0.9
鹽 0.2
100％
以總奶蛋糊重量為基數(shù)，樣品A含有1％的EFA，樣品B含有1.5％的EFA，而樣品C含有2％的EFA。將奶蛋糊混合在一起直至光滑并靜止10分鐘。用奶蛋糊覆蓋洋蔥、蘑菇、小胡瓜和雞肉，并在液體植物油中在375°F下深度油炸4分鐘。從熱油中取出油炸產(chǎn)品，并將其放在紙巾上冷卻。然后除去油炸奶蛋糊分析脂肪百分含量(酸性水解)和水百分含量(真空烘箱)。蘑菇和小胡瓜的結果如圖29和30所示。
由于EFA親水性強于親脂性，因此可見含EFA的油炸食品的脂肪含量減少。而且，由于EFA的纖維性質，EFA的加入可以給油炸產(chǎn)品提供額外的強度，導致在油煎和裝運期間較少發(fā)生破裂。
實施例20.利用EFA的保油性能的食品應用實施例
由于EFA能結合最高達其重量3倍的脂肪和其重量5倍的水，因此將EFA加到加工的肉產(chǎn)品將直接導致烹調產(chǎn)率增加，并且在EFA的存在水平占肉混合物總重量的1％-3％時可改進產(chǎn)品中水和脂肪的含量。
將四種不含添加劑或防腐劑的80％瘦的碎牛頸肉的樣品用作此實施例中進行試驗的基礎。對于樣品A，將恰好1％(w/w)的磨碎的EFA加到500克的碎牛頸肉中。類似地，將2％和3％(w/w)的磨碎的EFA分別加到碎牛頸肉樣品B和C中。第四個樣品不加入EFA，并用作對照。采用帶平槳附件的Hobart混合器將所有的樣品混合物低速摻混10分鐘以確保每一個樣品良好地混合?；旌衔镏形搭~外加入水和其它成分。然后將肉混合物制成125克小餡餅。將小餡餅置于冷庫中以確保所有的樣品具有相同的初始烹飪溫度。在350°F下將每種類型的四個肉餡餅的每一側油炸6分鐘。將油炸的小餡餅置于金屬絲架上，并冷卻至室溫，然后稱量每個餡餅以確定烹飪產(chǎn)率的變化。還分析了樣品的含水量(AOAC方法960.39)和脂肪含量(AOAC方法950.46)。
分析的結果如下。
從上述的結果可以看出，將EFA加到碎牛頸肉中導致烹飪產(chǎn)率的增加。加入EFA還增加了小餡餅的脂質和水含量。而且，所有含EFA的肉餡餅外表比對照組更為多汁和吸引人。
VI.紙生產(chǎn)中增強纖維添加劑的作用方式
如實施例8和9所示，已發(fā)現(xiàn)含0.5％EFA的40lb(40#)手抄紙具有與不含任何EFA的60lb(60#)手抄紙相同的抗拉和抗撕強度；因此在相同的CSF下，0.5％的增強玉米纖維(EFA-C)具有代替標準的60#紙張中的33％木纖維的潛力而不會損失強度。因此，EFA材料具有作為高附加值紙?zhí)砑觿┊a(chǎn)品的重要潛力。在這部分，分析EFA材料的增強性能的可能作用方式及其與紙纖維的可能的相互作用。
VI.A.表面性能
圖23顯示用EFA增強的紙和不含EFA的紙的掃描電鏡(SEM)圖像。所有在本研究中的紙在西密歇根大學的試驗造紙試驗中生產(chǎn)，以上結合實施例10對其進行了描述。在第一次以100倍放大率觀察時，表面形態(tài)沒有明顯的差異。
但是，在更強的放大率下，出現(xiàn)引入注意的性能。以上聯(lián)系實施例13對其進行了討論，且其通過與圖19和20的比較而很清楚。圖19顯示了不含EFA紙的800倍放大率下的SEM圖。觀察到將較大纖維連接在一起的微原纖維。這些纖維是已知的，在造紙工藝中已有記錄，并有助于強度增加性能。這些微原纖維在紙張的形成過程中形成，因此增加了氫鍵作用。
圖20顯示1％EFA增強的紙的SEM圖。微原纖維的形成有可觀的增加。為了確定是否該形成是一貫的作用，將多個SEM視場和多個紙張成像并計算微原纖維。用EFA材料制備的紙張的微原纖維產(chǎn)生量比非EFA紙增加超過10％(典型＞15％，例如約23％)。可以合理地推斷微原纖維產(chǎn)生量的增加在EFA的增強性能中起到重要的作用，這種增強一般通過在較大紙漿(纖維素)纖維之間提供微原纖維的橋連網(wǎng)絡而實現(xiàn)。
VI.B.深度性能
雖然SEM是一種強有力的表面技術，但它確定結構細節(jié)，尤其是在表面上不可見的細節(jié)的能力是有限的。另一種紙分析技術為激光同焦點掃描顯微鏡(CLSM或LCSM)。該技術不僅允許觀察表面細節(jié)，還可以掃描進材料的Z方向，以重建結構的三維表象。
進行實驗以獲得不含EFA的紙和含1％EFA的紙的LCSM熒光圖。使用兩種激發(fā)波長。第一波長來自542-納米激光，而第二波長來自488納米激光。通過結合兩幅圖像，產(chǎn)生復合圖像。使用不同顏色以表現(xiàn)來自不同納米激光的圖像。取至多20個Z系列切片，然后加到合成圖像上以提高視場的深度。
當檢查圖像的形態(tài)差異時，沒有出現(xiàn)引人注意的特征。EFA紙和非EFA紙都觀察到具有類似的結構特征，纖維填充和密度。也就是說，EFA紙和非EFA紙的總的形態(tài)是相似的，以至于通過這種類型的觀察不能區(qū)分。這對于許多紙應用而言是重要的，因為它表明EFA添加劑可能不會導致紙的總體結構的顯著變化，盡管如上所述，它將導致微原纖維作用的改進。實際上，從下面一節(jié)的討論中將明顯看出，沒有觀察到總體形態(tài)差異的一個原因在于EFA通過部分覆蓋紙的纖維素纖維而起作用(即與大纖維素纖維排列一致)，然后，部分是因為EFA的半纖維含量，形成橋連的微原纖維。
VI.C.化學檢測
盡管不可檢測的形態(tài)特征在評價EFA添加劑是否導致任何顯著的紙形態(tài)的變化方面是一種正的觀察結果，但紙中EFA的化學檢測對于理解其化學相互作用和提供確定EFA添加劑在紙中的存在和位置的機制方面是重要的。
紙材料的分光鏡檢查提供了一種確定EFA紙和非EFA紙的化學異同的方法。如聯(lián)系實施例14的討論，圖21顯示了紙FTIR反射光譜(a)含EFA添加劑；(b)不含EFA添加劑；和(c)在圖21的底部線條，是兩種光譜之間的差異。在底部線條所示的一個區(qū)域，兩種光譜相當不同。它是1200-1300cm-1區(qū)域。這種差異的出現(xiàn)緣于化學差異，不僅僅是總反射差異。
在代表這些差異的圖21的底部線條，可注意到主要的差異光譜帶在1137cm-1和1220cm-1處。這些差異可以用于各種方法。例如
1.通過將這些波長與化學成像系統(tǒng)結合使用，可以產(chǎn)生EFA在紙中分布的化學映象；和
2.可以建立用于直接測定制成的紙中EFA含量的定量分析方法。
VI.D.化學成像
化學成像是一種可以用于將材料內化學組成的相互作用形象化的技術。拉曼和紅外成像系統(tǒng)都是可用的。因為紙樣品傾向于具有高熒光背景(因此具有進行CLSM的能力)，所以拉曼成像是不現(xiàn)實的。但是，紅外成像可以提供關于表面化學形態(tài)的非常詳細的圖型。
圖24顯示非EFA紙的紅外化學圖象，而圖25顯示EFA紙的紅外化學圖象。采用被稱為主要分量分析(PCA)的化學計量技術產(chǎn)生圖象。這種類型的技術提高了在檢查的材料中發(fā)現(xiàn)的變量“主要分量”的化學差異。圖24、25中所示的圖象為紙圖象的第三主要分量圖。在化學成像中，圖像上形成的差別來自化學差異，而不是形態(tài)差異。所用的測量和成像分析是由ChemIcon公司，匹茲堡，PA完成的，采用該公司的設備和軟件，在Cargill公司，即本申請的受讓人的監(jiān)督下進行。
可注意到非EFA材料(圖24)表現(xiàn)出非常小的差別化學形態(tài)。這表明相當均勻的化學組成。但是，加入EFA的紙的圖象(圖25)顯示出明顯的差別。也就是說，整個圖象存在局部的化學差異。實際上，在對EFA圖象進行嚴密檢查時，可以看出由于EFA材料的存在而產(chǎn)生的化學變化是定位的或者有序的，沿著(或排成一行和局限于)各紙(這種情況下為紙漿或纖維素)纖維束。也就是說，EFA是定位的，從而使其覆蓋，或至少部分覆蓋各種紙纖維(即，這種情況下為纖維素或紙漿纖維)。由于EFA材料具有顯著的全纖維素特征，它易于與木(纖維素)纖維相互作用。由于其半纖維素特征，EFA起到造紙中的“膠”的作用。因此，可以推斷EFA添加劑采用半纖維素“膠”薄膜有效地覆蓋(或部分覆蓋)各紙(全纖維素)纖維，并以這種方式增加紙的總體強度。
為了確保PCA3圖象差別是來自EFA，將小片磨碎的EFA材料置于紙上并在主要分量空間成像。
可注意到當進行實驗并由研究者繪出差別時，以顏色表現(xiàn)出化學差異以提高所產(chǎn)生的圖象的差別。在目前的圖中提供了黑白圖象。
VI.E.定量分析
一旦觀察到EFA可以被光譜檢測，甚至是光譜成像，則可以推斷可以建立定量光譜模型。這種模型可以使人們不僅能夠確定是否有EFA材料存在于紙中，而且能夠確定EFA存在的數(shù)量。
將校準數(shù)據(jù)組與含0％和1％EFA添加劑的數(shù)據(jù)放在一起，以證明可以建立定量光譜模型。通過記錄各紙樣品的近紅外反射光譜，建立了光譜相關圖。
在上面實施例15中討論的圖22顯示了所產(chǎn)生的相關圖?？勺⒁獾接袃蓚€區(qū)域與EFA最高度相關。這兩種波長直接與FTIR光譜扣除中的基本差異帶的第三倍頻相關(根據(jù)圖21)。
采集這些近紅外數(shù)據(jù)并利用多元線性回歸算法，發(fā)現(xiàn)使用這兩種波長的線性相關。圖26顯示了通過這種計算產(chǎn)生的線性圖。
VI.F.結論
根據(jù)以上的實驗和分析，可以得出以下關于EFA的紙應用的結論
1.EFA可增強紙，同時含和不含EFA的紙的整體結構在800倍SEM下觀察僅有微小的差異。
2.在微原纖維產(chǎn)生量和EFA含量之間存在統(tǒng)計學上有效的聯(lián)系。這種效果至少部分導致EFA的增強特征。
3.紅外光譜特征的差異是可觀測的，這表明在EFA和纖維素之間存在化學差異。
4.FTIR光譜的差異是真實的，因為這些光譜帶的倍頻存在于NIR相關分析中。
5.NIR成像形象地顯示，EFA將來自EFA加入的化學差異形象化為紙(纖維素)纖維的“涂層”。這種效果導致EFA的增強特征。
6.光譜差異之大足以建立一種利用NIR分析紙中EFA的方法。
VII.化學親合探針
關于評價EFA特征的另一有用的評價工具是化學親合探針。特別地，存在可以與透射電子顯微鏡(TEM)成像一起使用的酶親合探針。
更為普遍地，可以使用細胞化學親合探針來區(qū)分樣品的化學性能。特別是，纖維素酶-金親合探針選擇性地結合纖維素材料，而不會與角質素和其它疏水材料結合。
這種研究的一個合理的前提是細胞壁的親水性影響親合金探針與切片表面上的底物的結合。這種前提得到以下觀察結果的支持含有木栓質或角質素的細胞壁不被纖維素酶-金標記，即使含有纖維素。另一方面，木化細胞壁如木質部成分被纖維素酶-金標記?？紤]到將SBF轉化為EFA的優(yōu)選處理可以除去或改變木質素的存在并影響纖維的親水性，可進行試驗以通過用纖維素-金探針結合來評價是否存在可檢測的差異。
在圖27中，畫出了由玉米纖維素金親合探針評價SBF-玉米樣品的數(shù)字圖象。在圖28中，畫出了類似處理的EFA-C樣品的數(shù)字圖象。圖28中的探針密度較高，表明EFA已經(jīng)以使其對探針更敏感的方式發(fā)生改性。由此推斷，這是因它被改性為具有更高、更易受影響的纖維素和半纖維素特征的材料。這得到第VIII節(jié)分析的支持。VIII.通過帶脈沖電流計檢測器的高性能陰離子交換色譜(HPAE-PAD)
測定木質纖維材料(即SBF和EFA)中的簡單單糖
在此節(jié)所述的方法可以用于分離和定量分析在植物的木質纖維組分中普遍存在的單糖。這些組分包括但不限于阿拉伯聚糖、半乳聚糖、葡聚糖、木聚糖和甘露聚糖組分。所述方法包括用硫酸水解木質纖維素材料，然后用帶脈沖電流計檢測器的高性能陰離子交換色譜(HPAE-PAD)直接分析所得的單糖。該方法是先前在文獻中公開方法的改版，參見K.A.Garlab，L.D.Bourquin，G.C.Fahey，Jr.，J.Agric.Food Chem.，37，1287-1293，1989；和M.W.Davis，J.WoodChem.Technol，18(2)，235-252，1998。本文引入這兩篇參考資料的全部內容作為參考。材料
50％(w/w)的氫氧化鈉和濃硫酸購自Fisher Scientific。去離子水(＞18MΩ-cm)由Barnstead/Thermolyne NANOpure Infinity水純化系統(tǒng)得到。D-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-木糖和D-甘露糖購自Sigma化學公司。所有的糖類的純度＞99％。樣品和標準物制備
將每份樣品干燥并研磨以通過40目的篩。采用設定在130℃的NIR濕氣天平來測定每份樣品的含水量。按照TAPPI方法T249cm-85，Tappi Test Methods，Tappi Press，Atlanta，Ga，1985(本文引入該Tappi方法的全部內容作為參考)水解樣品。概括地說，稱量40-60毫克的樣品裝入玻璃試管。將恰好1ml 72％的硫酸加到試管中的材料中。將樣品在30℃水浴中放置1小時，并不時地用玻璃攪拌棒攪拌以促進樣品材料的溶解。然后用去離子水將水解產(chǎn)物稀釋至4％(w/w)硫酸，并將其置于103±7kPa的高壓釜中60分鐘。水解后，在容量瓶中將樣品稀釋到1000ml，并在注射前過濾通過0.45微米的尼龍注射過濾器。采用與樣品類似的方式水解標準溶液。色譜條件
采用帶脈沖電流計檢測器的高性能陰離子交換色譜(HPAE-PAD)對糖類進行分離和定量。DX-500色譜系統(tǒng)(Dionex公司，Sunnyvale，CA)由梯度泵(GP50型)、配備Rheodyne注射閥的自動進樣器(AS-50型)和采用結合配備pH-Ag/AgCl參比電極的脈沖電流計檢測器的電化學檢測器(ED-40型)組成。使用CarboPac PA-1分析柱(250mm×4mm同前)和保護柱(50mm×4mm同前)分離糖類。脈沖電流計波形設定值E1、E2、E3和E4分別設定在+0.1、-2.0、+0.6和-0.1V，持續(xù)400、10、30和60msec，總共持續(xù)500msec，以上操作系根據(jù)公開的DionexTechnical Note 21，這里引用作為參考。洗脫劑采用過濾、脫氣和去離子的高純水制備，并在增壓的氦下儲存。為了清洗柱子，以1mL/min將100mM的NaOH泵入10分鐘，以1mL/min泵入去離子水10分鐘，以重新平衡柱子，并通過以1mL/min泵入去離子水40分鐘而洗脫糖類。為了穩(wěn)定基線和最優(yōu)化檢測器靈敏度，以0.6mL/min將300mM的NaOH加到后柱，以上操作系根據(jù)Dionex Technical Note 20，這里引用作為參考。每份樣品的總運轉時間為60分鐘。結果
通過用各糖類的峰面積除以相應的濃度來確定各單糖的響應因子(RF)。分析物濃度以樣品材料的干重為基礎，報告值為采用外部計算技術得到精確至0.1％的兩次重復測定的平均值。所有的濃度基于各糖類的無水重量當量，如對于阿拉伯糖和木糖為0.88，對于半乳糖、葡萄糖和甘露糖為0.90。報道的％數(shù)值為樣品中總糖類物質的％。
1.基于種子的纖維(SBF)對照組(即未經(jīng)過本文所述的處理)
2.增強纖維添加劑(EFA)--(即一般根據(jù)實施例1-3處理)
關于分析的一般性觀察
一般來說，當根據(jù)本文所述的技術進行處理時，以上所述的分析能夠用于從純粹的SBF的材料中識別和區(qū)分出優(yōu)選的EFA材料。特別是，當根據(jù)所述和總結的方法進行評價時，本文的阿拉伯聚糖、半乳聚糖、葡聚糖、木聚糖和甘露聚糖百分含量可被看作是樣品的“全纖維素因子”或“全纖維素特征”。此因子一般涉及樣品中糖類的總量，它與半纖維素或纖維素的存在相關。這是因為所示的單糖值為纖維素和半纖維素組分的反映。
本文一般將關于葡聚糖分析所得的值稱為“纖維素因子”或“纖維素特征”。這是因為葡萄糖單糖與纖維素的存在最為密切相關。
本文將阿拉伯聚糖、半乳聚糖、木聚糖和甘露聚糖的存在總量稱為“半纖維因子”或“半纖維素特征”。這是因為所述的單糖一般與所評價的樣品中半纖維素的存在相關。
上述不是意圖說明樣品中纖維素的精確百分含量或半纖維素的精確百分含量具體地與所測定的因子相關。而是說這些因子一般可表示這些材料相對于其它物質存在的相對數(shù)量，并且還與樣品中可能發(fā)現(xiàn)的其它糖類相關。
為進行上述的實驗，可以根據(jù)本文所述的原理(參見實施例1-3)在經(jīng)過和未經(jīng)過酸處理、酸性亞氯酸鹽處理和過氧化物處理的材料之間進行比較。特別地，基于玉米種子的纖維(或SBF-C)一般是未經(jīng)酸、酸性亞氯酸鹽或過氧化物處理的材料。玉米增強纖維添加劑(或者EFA-C)是相同的材料，但是已根據(jù)本文所述的原理進行了處理，即一般根據(jù)實施例1-3進行了處理。類似地在此實驗中，將SBF-大豆與EFA-大豆比較，SBF-燕麥與EFA-燕麥進行比較。
從此實驗中容易看出某些一般性觀察結果，例如
1.將SBF轉化成EFA一般導致所測得的以百分率表示的纖維素因子可觀地增大。
2.SBF材料一般表現(xiàn)出總纖維素因子不大于45％，一般為20-40％；而EFA材料表現(xiàn)出總纖維素因子至少為50％，一般為50-85％。
3.SBF材料一般表現(xiàn)出比相關的EFA材料更高的半纖維素因子。(上下文中的“相關的”是指相同的樣品，但是在本文所述的方法(實施例1-3)處理之后將樣品轉化成EFA)。
4.SBF材料一般具有大于23％的總半纖維素因子，而EFA材料一般具有至少5％但不大于23％，一般不大于21％的總半纖維素因子。
5.將SBF處理轉化為EFA一般增加了以百分比表示的總的可測量全纖維素因子。
6.關于玉米，SBF-C的總纖維素特征一般小于30％，而EFA-C的總纖維素特征一般至少為60％，即64-81％。
7.關于玉米，SBF-C的總半纖維素特征一般至少為40％，即43-53％，而EFA-C的總半纖維素特征一般不低于5％，且一般不大于15％，即8-9.2％。
8.關于玉米，SBF-C的總全纖維素特征一般為68-78％，而EFA-C的總全纖維素特征一般為73-90％。
9.關于SBF-大豆，典型的總全纖維素特征小于70％，例如63.8％，而關于EFA-大豆，總全纖維素含量一般至少為70％，例如75-85％。
10.關于EFA-大豆，通常發(fā)現(xiàn)半纖維素含量不小于5％，例如18.5-20.4％。
11.關于大豆，將SBF轉化為EFA的處理一般導致所測的總纖維素特征增大，例如SBF-大豆的總纖維素特征一般為35-45％，而EFA-大豆的總纖維素特征一般至少為50％，典型為55-65％。
12.關于燕麥，SBF-燕麥一般表現(xiàn)出總纖維素特征小于40％，典型為30-36％，而EFA-燕麥(EFA-O)一般表現(xiàn)出總纖維素特征至少為60％，典型為65-75％。
13.關于燕麥，將SBF轉化為EFA的處理一般導致總半纖維素特征的減少。
14.關于SBF-燕麥，總半纖維素特征一般大于25％，即30-40％，而關于EFA-燕麥，總半纖維素特征不小于5％，并且一般不大于20％，即10-17％。
15.關于燕麥纖維，將燕麥纖維轉化為EFA燕麥纖維的處理導致總全維素特征增加。一般SBF-燕麥的總全纖維素特征為65-75％，而EFA燕麥的總全纖維素特征至少為80％，典型為84-88％。
當進一步考慮上述的觀察結果時，形成某些印象，例如
A.通常，EFA相對于SBF而言，總纖維素因子與總半纖維素因子的比率增大。也就是說，將SBF纖維材料轉化成EFA纖維材料的處理使總纖維素特征/總半纖維素特征比率增大，而同時使半纖維素特征保持至少5％。一般該比率至少達到2∶1。
1.對于玉米，該比率從小于1∶1增大到至少5∶1，一般至少為7∶1。
2.對于大豆，該比率從約1.5∶1增大到至少2∶1，一般至少為2.5∶1。
3.對于燕麥，該比率從約1∶1增大到至少4∶1。
B.總半纖維素特征占總全纖維素特征的百分比一般隨著將SBF處理成EFA而減小。
1.對于玉米，總半纖維素特征與總全纖維素特征的比率從SBF的大于0.5∶1(一般為0.6∶1或更大)減小到一般不大于0.2∶1。
2.對于大豆，該比率從大于0.3∶1減小到一般不大于0.3∶1。
3.對于燕麥，該從率從一般至少0.45∶1減小到不大于0.3∶1，一般為0.2∶1或更小。
C.根據(jù)本發(fā)明的原則將SBF轉化成EFA的處理一般相應地使總纖維素特征和總纖維素特征與總全纖維素特征的比率增大。
例如
1.對于玉米，SBF-C一般表現(xiàn)出總纖維素特征與總全纖維素特征的比率不大于約0.5∶1，而EFA-玉米表現(xiàn)出總纖維素特征與總全纖維素特征的比率一般至少為0.7∶1。
2.對于大豆，SBF的總纖維素特征與總全纖維素特征的比率不大于約0.65∶1，而EFA大豆的該比值一般不小于約0.69∶1。
3.對于燕麥，SBF-O的總纖維素特征與總全纖維素特征的比率一般不大于約0.6∶1，而EFA-O的總纖維素特征與總全纖維素特征的比率一般不小于約0.75∶1。
IX.在形成EFA過程中對SBF的其它改性
可以在形成EFA之前進行加工以實現(xiàn)纖維中存在的天然油含量的降低。一種除去天然油的方法是索氏提取。將SBF材料裝入索氏提取器套管，將溶劑加到貯器并開始回流。經(jīng)過24小時，可以將溶于所選擇的溶劑的天然油萃取到溶劑部分。在用于除去不同極性的油的方法中，可以對同一SBF材料進行一系列的提取。例如，可以用非極性溶劑如戊烷或己烷來除去非極性油。在萃取24小時后，可以除去戊烷或己烷部分，并將更大極性的溶劑如二氯甲烷裝入索氏提取器。24小時后，可以除去該溶劑并用更大極性的溶劑如甲醇來代替。萃取處理24小時后，除去該溶劑并將SBF材料干燥。將三個溶劑部分蒸發(fā)得到對應于特定的溶劑體系的油餾分。然后可以用該SBF材料生產(chǎn)不受殘留的天然油污染的EFA。
而且，由于EFA的親水和疏水性質，它在使用前可以被添加劑增強或強化。例如，它可以與營養(yǎng)物結合。
在某些情況下可以預期，對用于形成EFA的SBF，或對形成后的EFA的另外的改性可能也是需要。例如，在形成EFA之前的加工可以包括降低纖維中天然油的含量。或者，可以在EFA形成后降低油含量。
權利要求
1.一種纖維產(chǎn)品，該纖維產(chǎn)品包含
(a)酸處理的基于種子的纖維材料，該纖維材料具有
(i)總纖維素特征至少為50％。
2.根據(jù)權利要求1的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料的纖維素特征與半纖維素特征之比率為至少2∶1。
3.根據(jù)權利要求2的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料包含酸處理的玉米纖維；和
(b)酸處理的玉米纖維的總纖維素特征為至少60％。
4.根據(jù)權利要求3的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的玉米纖維材料的總半纖維素特征為至少5％；和
(b)酸處理的玉米纖維材料的纖維素特征和半纖維素特征的比率為至少5∶1。
5.根據(jù)權利要求2的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料包含酸處理的大豆纖維；和
(b)酸處理的大豆纖維的總纖維素特征為至少50％。
6.根據(jù)權利要求5的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的大豆纖維材料的纖維素特征與半纖維素特征的比率為至少2∶1。
7.根據(jù)權利要求2的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料包含酸處理的燕麥纖維；和
(b)酸處理的燕麥纖維的總纖維素特征為至少60％。
8.根據(jù)權利要求7的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的燕麥纖維的總半纖維素特征為至少5％；和
(b)酸處理的燕麥纖維的纖維素特征與半纖維素特征的比率為至少4∶1。
9.根據(jù)權利要求1的纖維產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料包含選自基本上以下的酸處理材料酸處理玉米纖維、酸處理燕麥纖維、酸處理大豆纖維及其混合物。
10.根據(jù)權利要求1的纖維產(chǎn)品，其中
(a)所述的酸處理的基于種子的纖維材料包含由包括以下步驟的方法得到的纖維材料
(i)用稀酸溶液洗滌基于種子的纖維，該稀酸溶液包含基于種子的纖維干重的至少0.1％的酸；
(ii)用酸性亞氯酸鹽處理得自步驟10(a)(i)的材料；和
(iii)用過氧化物處理得自步驟10(a)(ii)的材料。
11.一種纖維產(chǎn)品，該纖維產(chǎn)品包含
(a)采用100倍的SEM檢查時具有模糊表面外觀的、磨碎的、酸處理的、基于種子的纖維材料。
12.一種紙產(chǎn)品，該紙產(chǎn)品包含
(a)0.1-10％的酸處理的基于種子的纖維材料，以形成紙的造紙組合物中的其余纖維含量為基數(shù)。
13.一種紙產(chǎn)品，該紙產(chǎn)品包含
(a)紙漿纖維；和
(b)酸處理的基于種子的纖維材料。
14.根據(jù)權利要求13的紙產(chǎn)品，其中
(a)酸處理的基于種子的纖維材料的總纖維素特征為50-85％。
15.一種紙產(chǎn)品，該紙產(chǎn)品包含
(a)至少部分被改性的基于種子的纖維材料覆蓋的紙纖維，其中該基于種子的纖維材料沿紙纖維方向取向；該基于種子的纖維材料是總纖維素特征為至少50％的改性的基于種子的纖維材料。
16.根據(jù)權利要求15紙產(chǎn)品，其中
(a)改性的基于種子的纖維材料基本上選自改性的玉米纖維、改性的燕麥纖維、改性的大豆纖維及其混合物。
17.一種食品，該食品包含
(a)面粉；和
(b)至少0.5％的酸處理的基于種子的纖維材料，以形成該食品的混合物中存在的面粉的重量計算。
18.根據(jù)權利要求17的食品，該食品包含
(a)至少3％的酸處理的基于種子的纖維材料，以形成該食品的混合物中存在的面粉的重量計算。
19.一種食品組合物，該食品組合物包含
(a)占所有未加工成分至少0.5％重量的酸處理的基于種子的纖維材料，該纖維材料的總纖維素特征至少為50％。
20.一種食品組合物，該食品組合物包含
(a)占所有未加工成分至少0.5％重量的酸處理的基于種子的纖維材料，該纖維材料的總纖維素特征為至少50％。
21.一種加工基于種子的纖維的方法，該方法包括下列步驟
(a)將基于種子的纖維與稀酸溶液混合形成酸漿；和
(b)洗滌得自步驟21(a)的酸處理纖維。
22.根據(jù)權利要求21的加工基于種子的纖維的方法，該方法還包括
(a)步驟21(a)之后，采用包括下列步驟中至少之一的改性步驟所進行的進一步加工
(i)用酸性亞氯酸鹽溶液處理纖維的步驟；
(ii)用過氧化物溶液處理纖維的步驟；和
(iii)在分開的處理步驟中，用酸性亞氯酸鹽溶液和過氧化物溶液處理纖維的步驟。
23.根據(jù)權利要求21和22中任一項的方法，其中
(a)所述的將基于種子的纖維與稀酸溶液混合的步驟包括與基本上選自以下的稀酸溶液混合鹽酸、硫酸、醋酸、高氯酸和磷酸。
24.根據(jù)權利要求21-23中任一項的方法，其中
(a)所述將基于種子的纖維與稀酸溶液混合的步驟包括提供基于種子的纖維干重的0.1％-2.0％的酸。
25.權利要求21-24中任一項的方法，其中
(a)所述的將基于種子的纖維與稀酸溶液混合的步驟包括提供在100-140℃溫度下的酸漿。
26.根據(jù)權利要求21-25中任一項的方法，其中
(a)所述的將基于種子的纖維與稀酸溶液混合的步驟進行的時間為0.5-2小時。
27.根據(jù)權利要求21-25中任一項的方法，其中
(a)在所述的洗滌得自步驟21(a)的酸處理纖維的步驟之后，用基本上選自以下的酸性亞氯酸鹽處理酸處理纖維亞氯酸鈉溶液、亞氯酸鉀溶液、亞氯酸鎂溶液和亞氯酸鈣溶液。
28.根據(jù)權利要求27的方法，其中
(a)用酸性亞氯酸鹽溶液處理的步驟包括用被處理的酸處理纖維重量的1％-5％的亞氯酸鹽處理。
29.根據(jù)權利要求21-28中任一項的方法，其中
(a)在步驟21(b)之后進行用過氧化物溶液處理的步驟。
30.根據(jù)權利要求29的方法，其中
(a)在步驟21(b)和用過氧化物溶液處理的步驟之間進行用酸性亞氯酸鹽溶液處理的步驟。
31.根據(jù)權利要求29和30中任一項的方法，其中
(a)所述的用過氧化物溶液處理的步驟包括用過氧化氫處理。
32.根據(jù)權利要求21-31中任一項的方法，其中
(a)充分進行全部的處理以減少所述基于種子的纖維材料中木質素的含量。
33.一種造紙方法，該造紙方法包括如下步驟
(a)在紙中提供根據(jù)權利要求21-32中任一項的方法制造的酸處理的基于種子的纖維材料。
34.根據(jù)權利要求33的造紙方法，其中
(a)該造紙方法包括制備紙漿混合物的步驟；和
(b)在所述紙漿混合物中提供酸處理的基于種子的纖維材料。
35.根據(jù)權利要求34的方法，其中
(a)在所述紙漿混合物中提供數(shù)量至少為混合物中紙漿重量0.1％的酸處理的基于種子的纖維材料。
36.根據(jù)權利要求33-35中任一項的方法，其中
(a)所述的在紙中提供酸處理纖維材料的步驟包括采用酸處理的基于種子的纖維材料提供至少部分的紙纖維涂層。
37.一種制備食品的方法，該方法包括如下步驟
(a)在食品中提供根據(jù)權利要求21-32中任一項的方法制備的酸處理的基于種子的纖維材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對基于種子的纖維(SBF)進行改性以形成增強纖維添加劑(EFA)的方法。該方法包括酸處理步驟和任選的至少一種纖維改性步驟。本發(fā)明還公開了優(yōu)選的EFA產(chǎn)品和用途。
文檔編號D21C9/14GK1402803SQ0081636
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月13日 優(yōu)先權日1999年10月15日
發(fā)明者J·V·薩特雅沃魯, D·E·伽列, K·R·安德森, J·T·麥克當那德, P·R·克羅戈曼 申請人:卡吉爾公司