カルボキシメチルセルロース

CMCは、再生セルロース[C ₆ H ₁₀ O ₅ ] _nとヒドロキシ酢酸（ヒドロキシエタン酸）CH ₂ (OH)COOHまたはモノクロロ酢酸ナトリウム（Na[ClCH ₂ COO]）との誘導体です。CMCの主鎖は、-1,4-結合で連結されたD-グルコース残基から構成されています。セルロース主鎖を構成するグルコピラノースモノマーのヒドロキシル基の一部にカルボキシメチル基（-CH ₂ -COOH）が結合しています。CMCは、そのナトリウム塩であるカルボキシメチルセルロースナトリウムとしてよく使用されます。^{[ 10 ]}

CMCは、無臭、無味、無毒性の白色または淡黄色の粉末です。吸湿性があり、温水または冷水によく溶けて粘性のある溶液を形成します。メタノール、エタノール、アセトン、クロロホルム、ベンゼンなどの有機溶媒には溶けません。CMCの機能特性は、セルロース構造の置換度（つまり、置換反応でヒドロキシル基がカルボキシメチレン基に変換された数）、セルロース主鎖構造の鎖長、およびカルボキシメチル置換基のクラスター化の程度に依存します。食品および非食品関連のさまざまな製品において、粘度調整剤または増粘剤として、またエマルションの安定化剤として一般的に使用されます。高粘度で無毒であり、一般的に低アレルギー性であると考えられているため、主に使用されています。^{[ 11 ]}

CMCはE466またはE469（酵素加水分解された場合）として登録されています。アイスクリーム、マヨネーズ、飲料など、さまざまな製品の粘度調整剤または増粘剤として、また乳化を安定させる ために使用されます。グルテンフリーおよび低脂肪食品にも広く使用されています。^{[ 16 ]} CMCの注射は、エビやクルマエビの重量と見た目の魅力を不正に増やして、重量不足の消費者を欺くために、食品詐欺にも使用されています。 ^{[ 17 ]}

CMCの可変粘度（低温では粘度が高く、高温では粘度が低い）は、冷たい食品の調理や、飲料や食用ゲルの食感の調整に役立ちます。置換度（DS）が約1.0の場合、ゼラチンの脱水や収縮を防ぎ、よりふっくらとした構造にも貢献します。一部の食品では、油分や水分含有量の調整に使用できます。^{[ 18 ]}

CMCは、ワイン中の酒石酸塩または低温安定性を実現するために使用され、温暖な気候でワインを冷却する際の過剰なエネルギー消費を防ぐことができます。メタ酒石酸よりも安定しており、酒石酸塩結晶の核生成と成長を阻害します。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

CMC粉末は、アイスクリーム製造業界で、撹拌や極低温を必要とせずにアイスクリームを作るために広く使用されています。^{[ 22 ]} CMCはパンやケーキの焼き上げにも使用されます。CMCを使用すると、脂肪の必要量を減らすことでコストを削減しながら、パンの品質（例えば、食感）が向上します。CMCは甘いビスケットの乳化剤としても使用されます。生地に脂肪を均一に分散させることで、型やカッターからの生地の剥離性が向上し、歪んだ縁のないきれいな形のビスケットが得られます。また、ビスケットの製造に使用する卵黄や脂肪の量を減らすのにも役立ちます。キャンディーの製造にCMCを使用すると、フレーバーオイルのスムーズな分散が保証され、食感と品質が向上します。CMCは、チューインガム、マーガリン、ピーナッツバターの乳化剤として使用されています。 ^{[ 23 ]}

CMCは、増粘・安定化特性と無毒性のため、洗浄剤によく使われる成分です。洗剤や洗浄剤では、テクスチャーを向上させ、洗浄剤中の汚れや油汚れの懸濁を助けるために使用できます。調整可能な粘度は、特に他の化学物質と併用する場合、製品のテクスチャーを標準化するために使用できます。^{[ 7 ] [ 6 ]}

CMCはグリースを除去するのに役立ち、石鹸の中に小さな泡を作るのを助けます。これは、混合物中の汚れを懸濁させる能力と相まって、石鹸やその他の洗浄製品の効率を高めることができます。^{[ 24 ]}

CMCは、繊維印刷における増粘剤として繊維製品に使用され、印刷ペーストの約2～3%を占めます。また、生地の仕上げ加工にも使用され、生地の風合いに影響を与えます。さらに、CMCは不織布の結合剤としても機能し、材料の強度と安定性に貢献します。サイジング用途では、約1～3%のCMCが使用され、織り工程における糸の損傷を防ぎ、糸切れを軽減します。

CMCは印刷ペーストの増粘を助け、印刷自体の精度を高めます。また、染料の増粘にも使用されます。さらに、合成増粘剤の代替品としても使用されます。^{[ 25 ]}

CMCは化粧品の50%以上に使用されている成分です。増粘剤として、粘度を精密に制御する必要がある製剤に用いられます。ヘアケア製品では、シャンプーとコンディショナーの約25%が、コンディショニング効果と絡まり防止効果のためにCMCを使用しています。また、化粧品や歯磨き粉業界でも、製品のテクスチャーを調整するために使用されています。保湿性に優れているため、スキンケア製品にも使用されています。さらに、日焼け止めの約10%では、皮膜形成剤として使用されています。

CMCは顔料の懸濁と分散を助け、他の成分を結合させて均一に分布させます。CMCは、ヘアケア製品で脂肪酸エタノールアミンまたは2,2'-イミノジエタノールと組み合わせると、毛髪の周りに薄い膜を形成することができます。^{[ 26 ]}

増粘剤として、CMCは掘削流体の粘度を高め、泥の中にネットワーク構造を形成することで、懸濁能力を高めることができます。CMCは坑井を効果的に保護し、掘削流体中の水分の浸透と損失を管理できます。超高粘度のカルボキシメチルセルロースナトリウムは、主に充填材を油井に運ぶために、破砕流体に使用できます。^{[ 27 ]}

CMCは数多くの医療用途にも使用されています。^{[ 12 ] [ 15 ] [ 28 ] [ 29 ]}

例としては以下のようなものがあります。

• 鼻出血（鼻血）用器具。ポリ塩化ビニル（PVC）バルーンをナイロンで補強したCMCニット生地で覆う。器具を水に浸してゲル状にし、患者の鼻に挿入して膨らませる。膨らんだバルーンとCMCの治療効果の組み合わせにより出血が止まる。^{[ 30 ]}
• ハイドロファイバー生地は、耳鼻咽喉科手術後の医療用ドレッシングとして使用される。^{[ 31 ]}
• 水を加えてゲル状にし、手術後にこのゲルを副鼻腔に挿入する。^{[ 32 ]}
• 眼科では、CMCはドライアイ治療用の人工涙液溶液の潤滑剤として使用されています。 ^{[ 33 ]}
• 獣医学では、CMCは大型動物、特に馬の腹部手術において腸癒着の形成を防ぐために使用される。^{[ 34 ]}

不溶性CMC（水不溶性）は、特に荷電ろ過膜の形態、またはイオン交換クロマトグラフィー用の陽イオン交換樹脂の顆粒として、タンパク質の精製に使用できます。^{[ 35 ]} その低い溶解度は、可溶性CMCと比較してDS値（セルロース鎖中の無水グルコース単位あたりのカルボキシメチル基の数）が低いことによるものです。^{[ 36 ]}不溶性CMCは、不溶性セルロースと同様の物理的特性を持ち、負に帯電したカルボキシレート基により、正に帯電したタンパク質と結合することができます。^{[ 37 ]}不溶性CMCは、材料の機械的強度を高めるために化学的に架橋することもできます。^{[ 38 ]}

さらに、CMCはエンドグルカナーゼ（セルラーゼ複合体の一部）の酵素活性を特徴づけるために広く使用されてきました。CMCは、セルロースを脱結晶化してエンドグルカナーゼの作用に理想的な非晶質部位を生成するように構造が設計されているため、エンド型セルラーゼに対して非常に特異的な基質です。CMCは、触媒生成物（グルコース）が3,5-ジニトロサリチル酸などの還元糖アッセイで容易に測定できるため、好ましい物質です。酵素アッセイでCMCを使用することは、セルロースエタノールのより効率的な変換に必要なセルラーゼ酵素をスクリーニングする際に特に重要です。セルラーゼ酵素に関する初期の研究では、多くの人がセルラーゼ全体の活性をCMC加水分解と関連付けていたため、CMCは誤用されていました。セルロースの解重合のメカニズムがよりよく理解されるにつれて、結晶性セルロース（例：アビセル）の分解にはエキソセルラーゼが優勢であり、可溶性セルロース（例：CMC）の分解には優勢ではないことが明らかになりました。

洗濯用洗剤では、綿やその他のセルロース系繊維に付着するように設計された汚れ懸濁ポリマーとして使用され、洗浄液中の汚れに対して負に帯電したバリアを形成します。CMCは増粘剤としても使用され、例えば石油掘削業界では掘削泥水の成分として、粘度調整剤および保水剤として機能します。

CMCは、特にグラファイト負極を用いた高度な電池用途（リチウムイオン電池など）において、電極バインダーとして使用されることがあります。^{[ 39 ]} CMCは水溶性であるため、従来のポリフッ化ビニリデン（PVDF）のような水溶性でないバインダーに比べて、毒性が低く、コストも抑えられます。PVDFは、加工に毒性のあるN-メチルピロリドン（NMP）を必要とします。CMCは、シリコン含有負極など、より高い柔軟性を必要とする電極のために、スチレンブタジエンゴム（SBR）と併用されることがよくあります。^{[ 40 ]}

CMCはアイスパックにも使用され、共晶混合物を形成することで氷点を下げ、氷よりも冷却能力を高めます。^{[ 41 ]}

CMCの水溶液はカーボンナノチューブの分散にも用いられており、長いCMC分子がナノチューブを包み込むことで、水中への分散が可能になると考えられている。

保存修復においては、接着剤または固定剤として使用される（商品名：Walocel、Klucel）。