E460(i) Cellulosa microcristallina

La cellulosa è un importante polimero lineare di carboidrati, biodegradabile, biocompatibile, rinnovabile, un composto a bassa densità. 

Il nome definisce la struttura della molecola:

• Cellulosa. Si tratta di un composto organico con la formula (C₆H₁₀O₅)n, un polisaccaride costituito da una catena lineare di diverse centinaia di migliaia di unità β(1 4) legate D-glucosio. La cellulosa è un importante componente strutturale della parete cellulare primaria delle piante verdi, di molte forme di alghe e di oomyceti. Alcune specie di batteri secernono per formare biofilm.
• Microcristallina. Questo termine si riferisce alla piccola struttura cristallina del materiale. I materiali microcristallini hanno cristalli visibili solo al microscopio.

Il procedimento di sintesi si svolge in diverse fasi:

• Estrazione della cellulosa:. La cellulosa viene estratta da fonti naturali, come il legno o il cotone. In questa fase, la cellulosa viene separata da altre impurità presenti nel materiale di partenza.
• Trattamento alcalino. La cellulosa estratta viene sottoposta a un trattamento con una soluzione alcalina per rimuovere impurità e componenti non desiderati. Questo aiuta a purificare la cellulosa.
• Sfibratura. La cellulosa purificata viene sfibrata in particelle molto piccole per aumentarne l'area superficiale. Questo può essere fatto attraverso processi meccanici come la macinazione o la frantumazione.
• Trattamento enzimatico. Le particelle di cellulosa vengono sottoposte a un trattamento enzimatico per ridurre ulteriormente le dimensioni delle particelle e migliorare la loro cristallinità. Gli enzimi utilizzati possono includere la cellulasi.
• Lavaggio e purificazione. Le particelle di microcristallina cellulosa vengono lavate per rimuovere eventuali residui o impurità. Questo può essere fatto attraverso processi di lavaggio e filtrazione.
• Essiccazione. La microcristallina cellulosa viene essiccata per rimuovere l'umidità residua e ottenere una consistenza solida. Questo può essere fatto attraverso l'essiccazione a caldo o a bassa temperatura.
• Macinazione. Dopo l'essiccazione, la microcristallina cellulosa viene macinata in una polvere fine per ottenere la forma desiderata per l'utilizzo finale.
• Imballaggio. Infine, la microcristallina cellulosa viene confezionata in contenitori adeguati per la distribuzione e l'utilizzo industriale o commerciale.

Si presenta in forma di polvere bianca cristallina, inodore.

Da dove si ricava

Tramite  un processo di idrolisi, la cellulosa può essere convertita in Microcellulosa cristallina da vari vegetali quali palma, bamboo, legno, piante, alghe e batteri.

Applicazioni

Le fibre di cellulosa naturale contengono domini cristallini e amorfi. La Cellulosa microcristallina (MCC) può essere sintetizzata da diversi processi come l'estrusione reattiva, l'enzima mediato e l'idrolisi acida in modo che le regioni amorfe vengono rimosse e rimangono i domini cristallini. I gruppi ossidrilici che ricoprono la superficie di cellulosa e la disposizione ordinata delle molecole in MCC consentono alla cellulosa di reagire bene con una varietà di materiali, inclusi i polimeri conduttori. Ci sono numerosi compositi di cellulosa e derivati con polimeri sintetici e biopolimeri che sono stati usati frequentemente in diverse applicazioni come applicazioni biomediche, sensori e attuatori e nanocompositi con buona resistenza alla trazione (1).

Considerando il suo uso diffuso in vari campi, come cibo, farmaceutico, medicale, cosmetico e industriale, la cellulosa microcristallina sta diventando molto richiesta a causa della crescente domanda di soluzioni alternative ai materiali fossili non rinnovabili e di scarsa reperibilità. Anche se soffre ancora di alcuni inconvenienti, la cellulosa microcristallina ha recentemente acquisito maggiore interesse per la sua rinnovabilità, non tossicità, valore economico, biodegradabilità, elevate proprietà meccaniche, elevata superficie e biocompatibilità. Nuove fonti, nuovi processi di isolamento, e nuovi trattamenti sono attualmente in fase di sviluppo per soddisfare la crescente domanda di produrre nuovi tipi di materiali di cellulosa microcristallina basati su scala industriale (2).

Il presente studio mette in luce le caratteristiche fisiche e chimiche della Cellulosa microcristallina (MCC) isolata dall'olio di palma (OPF). È stato scoperto che la MCC OPF è stata identificata come polimerfo di cellulosa II, con un indice di cristallinità più elevato rispetto all'α-cellulosa OPF (CrIOPFMCC: 71%> CrIOPFα-cellulosa: 47%). Ciò indica che l'idrolisi acida consente la produzione di cellulosa altamente cristallina. La superficie BET di OPF MCC è risultata superiore alla cellulosa OPF (SBETOPFMCC: 5,664m2g-1> SBETOPFα-cellulosa: Qa0 2,04m2g-1), il che corrobora il loro potenziale come adsorbente. Negli studi di adsorbimento discontinuo, è stato osservato che i dati sperimentali si adattano bene all'isoterma di adsorbimento di Langmuir rispetto all'isoterma di Freundlich. La capacità di adsorbimento del monostrato (Qa0) dell'OPC MCC è risultata di circa 51.811 mgg-1 e i dati sperimentali si adattano bene al modello cinetico di pseudo-secondo ordine (3).

In questo studio, è stato sviluppato un processo nuovo ed ecologico per la preparazione della cellulosa microcristallina (MCC) dagli scarti di tessuti di cotone (WCF) mediante l'idrolisi catalitica dell'acido fosfotungstico (H3PW12O40, HPW). Sono stati studiati gli effetti delle condizioni di idrolisi come la concentrazione di HPW, la temperatura di reazione, il tempo di reazione e il rapporto solido / liquido. Le condizioni di processo ottimali sono state determinate come segue: concentrazione di HPW di 3,47 mmol / L, rapporto solido / liquido di 1:40, temperatura di reazione di 140 ° C e tempo di reazione di 6 ore. La resa di MCC preparata era pari all'83,4% e mostrava prestazioni migliori rispetto al MCC commerciale, come una maggiore cristallinità (85,2%), dimensioni delle particelle più piccole (20,37 μm) e una distribuzione più stretta delle dimensioni delle particelle (72,75%, 8,68-31,1 μm) . Inoltre, l'HPW potrebbe essere estratto e riciclato facilmente con dietil etere per cinque volte e utilizzato per preparare MCC con un indici di rendimento  e di cristallinità elevati (4).

A cosa serve e dove si usa

Alimentazione

Ingrediente inserito nella lista degli additivi alimentari europei come E460(i), stabilizzante, addensante.

Cosmetica

Agente abrasivo. Contiene particelle abrasive per rimuovere macchie o biofilm che si accumulano sullo strato corneo o sui denti. Bicarbonato di sodio, farina fossile, silice e molti altri hanno proprietà abrasive. Nei prodotti peeling o esfolianti utilizzati in dermatologia o in applicazioni cosmetiche sono contenuti agenti abrasivi in forma di microsfere sintetiche, tuttavia queste microsfere o particelle abrasive non sono biodegradabili e creano inquinamento negli ecosistemi acquatici.

Assorbente. Assorbe sostanze disperse o disciolte in soluzioni acquose, acqua/olio, olio/acqua.

Agente antiagglomerante. Agevola il flusso libero e previene ed impedisce l'aggregazione o l'agglomeramento delle sostanze presenti in una formulazione riducendo la tendenza di alcune particelle ad aderire tra loro.

Agente di carica. Regola il contenuto di acqua, diluisce altri solidi, può aumentare il volume di un prodotto per un miglior flusso, agisce come tampone contro gli acidi organici, aiuta a mantenere il pH della miscela entro un livello determinato.

Stabilizzatore di emulsione. Le emulsioni sono termodinamicamente instabili. Gli stabilizzatore di emulsione migliorano la formazione e la stabilità delle singole e delle doppie emulsioni. E' da notare che nella relazione struttura-funzione, la massa molare svolge un ruolo importante.

Light stabilizer. Impedisce alla luce di degradare i componenti sensibili alla luce e rallenta le reazioni di degradazione già iniziate. Il meccanismo è, in un certo senso, simile agli antiossidanti e l'efficacia dipende dalla complessità della formulazione e dalla densità del prodotto.

Agente opacizzante. E' utile in formulazioni che possono rivelarsi traslucide o trasparenti per renderle opache e meno permeabili alla luce.

Agente di controllo della viscosità. Controlla e adatta la viscosità al livello richiesto per ottenere una stabilità ottimale chimica e fisica del prodotto e del dosaggio in gel, sospensioni, emulsioni, soluzioni. 

Altri usi

• Viene inserita nel rivestimento di compresse medicinali con funzione addensante e stabilizzante.
• In questo studio è descritto un riempitivo attivo e poco costoso di particelle di cellulosa microcristallina (MCC) modificate in superficie per il rinforzo del materiale polimerico. Una polvere commerciale MCC con una dimensione delle particelle di circa 50 um è stata miscelata con urea e quindi è stata irradiata sotto a microonde per la modifica. Il MCC (u-MCC) modificato con urea ottenuto è stato disperso in una soluzione di chitosan senza precipitazione per oltre 48 ore, il che ha fornito un intervallo di tempo per la sua elaborazione. Dopo che la poltiglia della miscela è stata colata sul substrato di vetro e poi coagulata in una soluzione acquosa di NaOH, è stata preparata una pellicola composita completamente polimerica naturale. Le proprietà meccaniche dei film compositi ottenuti sono state attentamente misurate e discusse. I nostri risultati indicano che le proprietà meccaniche raggiungono il massimo quando l'MCC modificato dall'urea è il 7% in peso nel film composito: la resistenza a trazione, l'allungamento a rottura, il modulo di Young e l'energia di frattura sono rispettivamente di circa 2,0, 2,1, 2,4 e 6,0 volte quelli del puro film chitosan. Il rinforzo del materiale composito con le particelle di u-MCC è stato studiato mediante microscopia elettronica a scansione, spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier e analisi di diffrazione a raggi X ed è stato attribuito alla forte interazione tra le particelle MCC modificate in superficie e le catene di chitosan vicine nella matrice del film. Inoltre, la permeabilità al vapore acqueo e la trasparenza dei film compositi sono stati determinati per valutare le potenziali applicazioni come materiale impermeabile ai gas e materiale di imballaggio (5).
• Funzionalizzazione di ispirazione biologica di aerosol di cellulosa microcristallina con elevate prestazioni di assorbimento verso i coloranti (6).
• In contrasto con i metodi convenzionali per migliorare l'interfaccia e le prestazioni dei materiali compositi in fibra vegetale attraverso la modifica della superficie delle fibre, questo documento riporta un nuovo approccio basato sulla dispersione della cellulosa microcristallina (MCC) (7).
• Questo studio descrive lo sviluppo di un vaccino utilizzando cellulosa microcristallina (Avicel PH-101) come vettore di consegna di antigeni ricombinanti a base di proteine contro l'erisipela (8).
• Dall'industria alimentare viene utilizzato come stabilizzante ed è etichettata come E460 nella lista degli additivi alimentari europei

Sicurezza d'uso

L'E460(i) è considerato sicuro per l'uso negli alimenti ed è approvato da vari enti regolatori internazionali, come l'Unione Europea e la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti. Non sono noti effetti collaterali significativi quando viene utilizzato nelle dosi raccomandate. 

Una eccessiva assunzione di cellulosa quale E460(i) può essere associata a rischi elevati di malattie cardiovascolari (CVD) (9).

Su questo ingrediente sono stati selezionati gli studi più rilevanti con una sintesi dei contenuti:

Cellulosa microcristallina studi

Caratteristiche tipiche ottimali di Cellulosa microcristallina come prodotto commerciale

• Formula molecolare : C₆H₁₀O₅  (C₆H₁₀O₅)n  (C₆H₁₀O₅)n=(162.06)n
• Peso molecolare:  342.2965
• CAS : 9004-34-6 
• UNII OP1R32D61U
• EC Number: 232-674-9
• DSSTox Substance ID: DTXSID3050492
• MDL number  MFCD00081512
• PubChem Substance ID 
• InChI Key    InChI=1S/C12H22O11/c13-1-3-5(15)6(16)9(19)12(22-3)23-10-4(2-14)21-11(20)8(18)7(10)17/h3-20H,1-2H2/t3?,4?,5?,6?,7?,8?,9?,10-,11?,12+/m1/s1
• SMILES    C(C1C(C(C(C(O1)OC2C(OC(C(C2O)O)O)CO)O)O)O)O
• IUPAC   (6S)-2-(hydroxymethyl)-6-[(3S)-4,5,6-trihydroxy-2-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxane-3,4,5-triol
• ChEBI    156274

Sinonimi: 

• Cellulose powder

Bibliografia________________________________________________________________

(1) Abdi MM, Md Tahir P, Liyana R, Javahershenas R.  A Surfactant Directed Microcrystalline Cellulose/Polyaniline Composite with Enhanced Electrochemical Properties.  Molecules. 2018 Sep 26;23(10). pii: E2470. doi: 10.3390/molecules23102470.

(2) Trache D, Hussin MH, Hui Chuin CT, Sabar S, Fazita MR, Taiwo OF, Hassan TM, Haafiz MK Microcrystalline cellulose: Isolation, characterization and bio-composites application-A review.  Int J Biol Macromol. 2016 Sep

(3) Hussin MH, Pohan NA, Garba ZN, Kassim MJ, Rahim AA, Brosse N, Yemloul M, Fazita MR, Haafiz MK. Physicochemical of microcrystalline cellulose from oil palm fronds as potential methylene blue adsorbents. Int J Biol Macromol. 2016 Jun

(4) Hou W, Ling C, Shi S, Yan Z. Preparation and characterization of microcrystalline cellulose from waste cotton fabrics by using phosphotungstic acid. Int J Biol Macromol. 2018 Nov 13;123:363-368. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.11.112

(5) Huang X, Xie F, Xiong X.  Surface-modified microcrystalline cellulose for reinforcement of chitosan film. Carbohydr Polym. 2018 Dec 1;201:367-373. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.08.085.

(6) Wei X, Huang T, Nie J, Yang JH, Qi XD, Zhou ZW, Wang Y.  Bio-inspired functionalization of microcrystalline cellulose aerogel with high adsorption performance toward dyes.  Carbohydr Polym. 2018 Oct 15;198:546-555. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.06.112. 

(7) Pichandi S, Rana S, Parveen S, Fangueiro R. A green approach of improving interface and performance of plant fibre composites using microcrystalline cellulose.  Carbohydr Polym. 2018 Oct 1;197:137-146. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.05.074. Epub 2018 May 26.

(8) Jeon W, Kim YC, Hong M, Rejinold S, Park K, Yoon I, Yoo S, Lee H, Ahn J. Microcrystalline Cellulose for Delivery of Recombinant Protein-Based Antigen against Erysipelas in Mice. Biomed Res Int. 2018 Jun 11;2018:7670505. doi: 10.1155/2018/7670505. eCollection 2018.

(8) Jeon W, Kim YC, Hong M, Rejinold S, Park K, Yoon I, Yoo S, Lee H, Ahn J. Microcrystalline Cellulose for Delivery of Recombinant Protein-Based Antigen against Erysipelas in Mice.  Biomed Res Int. 2018 Jun 11;2018:7670505. doi: 10.1155/2018/7670505. eCollection 2018

(9) Sellem L, Srour B, Javaux G, Chazelas E, Chassaing B, Viennois E, Debras C, Salamé C, Druesne-Pecollo N, Esseddik Y, de Edelenyi FS, Agaësse C, De Sa A, Lutchia R, Louveau E, Huybrechts I, Pierre F, Coumoul X, Fezeu LK, Julia C, Kesse-Guyot E, Allès B, Galan P, Hercberg S, Deschasaux-Tanguy M, Touvier M. Food additive emulsifiers and risk of cardiovascular disease in the NutriNet-Santé cohort: prospective cohort study. BMJ. 2023 Sep 6;382:e076058. doi: 10.1136/bmj-2023-076058. PMID: 37673430; PMCID: PMC10480690.