竹基納米纖維素晶體穩(wěn)定的Pickering乳液制備及其形態(tài)和穩(wěn)定性研究

戴曉婧， 覃柳琪， 張杉杉， 陸巽玨， 王博華， 吳 強(qiáng)*

（1. 浙江省竹資源與高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 臨安 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

Pickering乳液是由固體粒子作為穩(wěn)定劑構(gòu)成的乳液[1]，相對(duì)于傳統(tǒng)表面活性劑構(gòu)成的乳液，具有更高的穩(wěn)定性和相對(duì)低的毒性[2]。Binks[3]研究指出，固體顆粒在油-水界面產(chǎn)生的吸附不可逆轉(zhuǎn)，而在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，表面活性劑的吸附和解吸速度相對(duì)較快。因此，與傳統(tǒng)表面活性劑穩(wěn)定的乳液相比，Pickering 乳液具有更高的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品和化妝品等領(lǐng)域[4]。研究人員就各種粒子開展了廣泛的研究，這些粒子包括二氧化硅、粘土、羥基磷灰石、淀粉晶體、納米纖維素等[5]。相對(duì)于無(wú)機(jī)粒子，生物質(zhì)粒子具有更好的生物相容性、可降解性[6]，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

納米纖維素包括納米纖維素纖絲（CNF）和納米纖維素晶體（CNC）等，近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[7]。CNC一般通過(guò)酸解制備，是直徑在5～20 nm，長(zhǎng)度100～1 000 nm的棒狀晶體，具有高強(qiáng)度（7 GPa）、低熱膨脹系數(shù)（10-7K-1）、高長(zhǎng)徑比、低密度、可再生、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[8]。已有研究表明，CNC可用于制備Pickering乳液，胡盼盼等[9]通過(guò)酸解法制備了劍麻基CNC，采用手搖和超聲乳化的方式制備了環(huán)氧丙烷（EPC）/水型Pickering乳液，考察了Pickering乳液的制備工藝；王曼等[10]通過(guò)堿水解麥麩原料制備CNC，采用超聲法制備了大豆油/水型Pickering乳液，并考察了pH值的影響；Wang等[11]以蘆筍莖為原料通過(guò)酸解法制備CNC，再采用先超聲后離心的方法制備棕櫚油/水型乳液，考察了CNC的酸解工藝對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響。由于CNC具有原料天然、生物相容性好、可降解等特點(diǎn)，所得Pickering乳液在藥物載體、組織工程材料等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

浙江省具有豐富的竹子資源，但是竹制品加工會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，竹材廢棄物中有較高含量的纖維素，從竹材中分離出納米纖維素晶體，將為納米纖維素的利用提供一種新的原料途徑[12]。作者曾采用硫酸酸解法成功制備了竹基 CNC，從竹材廢棄物中獲得竹基 CNC的產(chǎn)率可達(dá) 35%[13]。目前，未見關(guān)于竹基CNC用于制備Pickering乳液的相關(guān)報(bào)道。因此，為高效利用竹材廢棄物，本實(shí)驗(yàn)采用硫酸酸解竹材剩余物制備CNC，再采用竹基CNC作為固體粒子來(lái)制備穩(wěn)定的十二烷/水型Pickering乳液，系統(tǒng)考察超聲乳化時(shí)間、CNC濃度及油水比等因素對(duì)CNC穩(wěn)定Pickering乳液的微觀形態(tài)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探索竹基CNC穩(wěn)定Pickering乳液的穩(wěn)定機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

竹基纖維素，自制，具體制備流程參照之前工作[13]；濃硫酸，西隴化工股份有限公司；十二烷（C12H26），阿拉丁試劑有限公司；透析袋，MD44，截留分子8 000～14 000 g/mol，Solarbio。

微型植物試樣粉碎機(jī)，F(xiàn)Z102型，上海科恒實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；臺(tái)式高速離心機(jī)，TG1650-WS型，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，JY98-111D型，南京新辰生物科技有限公司；旋渦混合器，VORTEX-5型，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；Zeta電位及粒度分析儀，ZetaPALS，美國(guó)Brookhaven公司；光學(xué)顯微鏡，ECLIPSE LV100ND型，NIKON公司。

1.2 樣品制備

1.2.1竹基納米纖維素晶體（CNC）的制備

稱取20 g竹纖維素粉末并置于270 mL、64%（wt）硫酸溶液中，在45℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中攪拌1小時(shí)，竹纖維素酸解為CNC，用10倍的去離子水稀釋，在離心機(jī)中以400 g的相對(duì)離心力離心10分鐘后，再洗滌，重復(fù)離心、洗滌2～3次以除去懸浮液中的大量酸，得到弱酸性CNC懸浮液，然后將弱酸性膠體透析至中性，最后用超聲波粉碎機(jī)（400 W）處理3分鐘，獲得竹CNC懸浮液。

1.2.2 CNC 穩(wěn)定的Pickering乳液的制備

首先，將CNC懸浮液、去離子水和十二烷按照一定比例混合，超聲（1 200 W）處理3～15 min，得到Pickering乳液；為更好地觀察形成的乳液體積與Pickering乳液的穩(wěn)定性，將超聲得到Pickering乳液離心處理[11,14]（4 000 g，2 min），得到如圖1所示的三層結(jié)構(gòu)，從下往上依次為CNC懸浮液、Pickering乳液和十二烷，對(duì)于 CNC濃度較高的體系，未出現(xiàn)油相。采用稀釋法來(lái)判斷乳液類型，取少量乳液分別滴入水和十二烷中（見圖 2左和右），手搖振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)乳液層可均勻分散在水中，而在油相中無(wú)法分散，可知該P(yáng)ickering乳液為O/W型。

圖1 乳液三層結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 稀釋法判定乳液類型（左：分散相為水，右：分散相為十二烷）

1.3 表征

1.3.1 TEM 表征

通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀察CNC的形態(tài)，使用滴管測(cè)量數(shù)量為0.05%（wt）的竹制懸浮液，滴1滴在電鏡銅網(wǎng)上，用2%（wt）醋酸雙氧鈾染色。經(jīng)過(guò)2 min的干燥后，可作為TEM觀察樣品，隨后通過(guò)電子顯微鏡觀察。

1.3.2乳液尺寸測(cè)試

通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察乳液液滴尺寸，取30 μL離心后的Pickering乳液，稀釋50倍后在旋渦混合器上混合得到均勻分散液，再取該分散液10 μL滴在載玻片上通過(guò)顯微鏡觀察并統(tǒng)計(jì)液滴尺寸。

1.3.3 Zeta 電位測(cè)試

Zeta電位是對(duì)顆粒之間相互排斥或吸引力的強(qiáng)度的度量。Zeta電位的絕對(duì)值越高，體系越穩(wěn)定。測(cè)試過(guò)程中，取10 μL乳液層的乳液，加入900 μL的去離子水，通過(guò)旋渦混合器上混合均勻，采用Zeta PALS的Zeta電位測(cè)試模式表征乳液的穩(wěn)定性。

1.3.4穩(wěn)定性測(cè)試

根據(jù)Kalashnikova等[14]提出的方法對(duì)Pickering乳液穩(wěn)定性進(jìn)行表征，先將Pickering乳液置于透明的離心管，在4 000 g條件下離心2 min，然后，在不同時(shí)間測(cè)量離心后乳液層的厚度和液滴尺寸，考察儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)乳液層厚度和液滴尺寸的影響。

1.3.5粒徑分析

取10 μL乳液層的乳液，加入2 mL的去離子水，通過(guò)旋渦混合器混合均勻，采用ZetaPALS的粒度測(cè)試系統(tǒng)表征乳液液滴尺寸，測(cè)試條件：25℃，持續(xù)時(shí)間2 min，測(cè)試3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNC 的形態(tài)

圖 3給出了竹基CNC的透射電子顯微鏡照片，從圖 3可以看出，CNC在水溶液中分散性良好，這是由于CNC酸水解之后，其表面含有一定量的磺酸根離子。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示CNC的長(zhǎng)度約為150～200 mm，直徑約為5～15 nm左右，可以看出 CNC具有一定長(zhǎng)徑比的棒狀結(jié)構(gòu)。

圖3 竹基CNC的TEM照片

2.2 超聲時(shí)間對(duì)Pickering乳液液滴尺寸和穩(wěn)定性的影響

圖4給出了超聲乳化時(shí)間分別為3、5、7、10和15 min，CNC穩(wěn)定的十二烷／水（3/7）Pickering乳液液滴的顯微鏡照片。從圖 4可以看出，不同超聲時(shí)間處理所形成的乳液液滴均勻分散在水中，尺寸有一定分布。圖 5a給出了不同超聲時(shí)間下 Pickering乳液液滴的統(tǒng)計(jì)尺寸，發(fā)現(xiàn)平均尺寸均在 8 μm附近，表明超聲時(shí)間對(duì)Pickering乳液液滴尺寸的影響較小。圖5b給出了超聲時(shí)間對(duì)Pickering乳液Zeta電位的影響，發(fā)現(xiàn)各體系的Zeta電位為負(fù)，這是由于CNC表面帶負(fù)電所致；且Zeta電位都在－30～－40 mV，表明Pickering乳液體系穩(wěn)定。這表明當(dāng)CNC濃度、水和油的體積一定時(shí)，超聲時(shí)間對(duì)Pickering 乳液的形態(tài)和穩(wěn)定性不產(chǎn)生顯著影響。圖6給出了超聲時(shí)間3 min的Pickering乳液液滴的粒徑分析結(jié)果，粒徑分析給出了兩個(gè)尺寸，分別是和7.5±1.5 μm，其中200±30 nm對(duì)應(yīng)為CNC的尺寸，而7.5±1.5 μm對(duì)應(yīng)于乳液液滴尺寸，這與圖5a光學(xué)顯微鏡對(duì)乳液液滴的尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

圖4 不同超聲時(shí)間制備的Pickering乳液的顯微鏡照片

圖5 不同超聲時(shí)間制備的Pickering乳液（a）液滴平均尺寸和（b）Zeta電位

圖6 超聲3 min所得Pickering乳液粒度分析

2.3 CNC 濃度對(duì)Pickering乳液液滴尺寸和穩(wěn)定性的影響

圖7是不同濃度的CNC水分散液和十二烷在同樣超聲時(shí)間下混合乳化形成的Pickering乳液照片，十二烷/水比為3/7。固體顆粒是通過(guò)包裹在乳滴表面，阻礙液滴直接的相互碰撞，從而起到穩(wěn)定乳滴的作用，因而要達(dá)到一定的CNC濃度，才能阻止生成的乳液出現(xiàn)分層、凝聚現(xiàn)象，以得到穩(wěn)定性較好的乳液[9]。實(shí)驗(yàn)采用的CNC濃度分別為0.002、0.004、0.006、0.008和0.010 g/mL。將上述不同濃度的CNC水分散液分別與一定量的十二烷混合，經(jīng)過(guò)超聲乳化處理3 min，得到穩(wěn)定的Pickering乳液。

圖7 CNC濃度對(duì)Pickering乳液液滴形態(tài)的影響

從圖7可以明顯看出，隨著CNC濃度增大，所形成的Pickering乳液液滴平均尺寸降低。圖8a給出了不同濃度的CNC制備的Pickering乳液的液滴尺寸，發(fā)現(xiàn)隨著CNC濃度升高，乳液液滴尺寸從10 μm降至3 μm左右。這是因?yàn)镻ickering乳液中油相和水相比例保持不變，CNC濃度上升，用于覆蓋油相液滴表面的CNC數(shù)量增加，根據(jù)表面張力原理，可以形成更多更小尺寸的乳液液滴。圖8b給出了CNC濃度對(duì)所得Pickering乳液Zeta電位的影響，發(fā)現(xiàn)各Pickering乳液的Zeta電位均在－30 mV以下，表明各體系均較穩(wěn)定。另外，隨著CNC濃度的上升，Zeta電位絕對(duì)值出現(xiàn)了先上升后降低的變化趨勢(shì)，上升的原因可能隨著液滴尺寸的降低，單位液滴上的CNC比例增加，CNC表面帶有負(fù)電荷，乳液液滴之間產(chǎn)生更多排斥所致；降低的原因可能是CNC到達(dá)一定濃度，產(chǎn)生電荷屏蔽所致。

圖8 不同CNC濃度制備Pickering乳液的液滴平均尺寸（a）和Zeta電位（b）

2.4 油水比對(duì)Pickering乳液液滴尺寸和穩(wěn)定性的影響

當(dāng)油/水比過(guò)高時(shí)，通過(guò)超聲乳化之后的十二烷與CNC水分散液很快出現(xiàn)明顯的分壓現(xiàn)象而不能形成穩(wěn)定的乳化液[9]。本研究采用的油水比分別為1/9、2/8和3/7，把CNC水分散液與十二烷的混合物超聲處理后獲得的Pickering乳液在顯微鏡下觀察。

圖9 CNC濃度為0.002 g/mL穩(wěn)定的不同油水比的Pickering乳液

圖10 CNC濃度為0.006 g/mL穩(wěn)定的不同油水比的Pickering乳液

圖9和圖10為CNC濃度為0.2%和0.6%穩(wěn)定的不同油水比（1/9、2/8和3/7）的Pickering乳液的光學(xué)顯微鏡照片。圖11給出了Pickering乳液液滴尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，隨著CNC濃度上升，各Pickering乳液體系液滴的尺寸降低，這與上節(jié)的討論結(jié)果一致；而當(dāng)CNC濃度固定時(shí)，隨著油/水比降低，乳液液滴平均尺寸減小，這主要是油相的增加，需要更多的 CNC去吸附，因此，油相越少，越容易形成液滴尺寸小的Pickering乳液。此外，從圖11還可以發(fā)現(xiàn)，油水比為1/9和2/8時(shí)，當(dāng)CNC含量達(dá)到0.008和0.01 g/mL，乳液液滴尺寸趨于平衡，在2 μm左右，這表明竹基CNC制備十二烷/水的Pickering乳液液滴極限尺寸為2 μm 左右。

圖11 穩(wěn)定的Pickering乳液的平均粒徑統(tǒng)計(jì)

圖12 不同濃度CNC穩(wěn)定的Pickering乳液

2.5 放置時(shí)間對(duì)Pickering乳液穩(wěn)定性的影響

圖12為不同水油比穩(wěn)定的Pickering乳液離心后的數(shù)碼相片，由圖可知，離心后乳液分層現(xiàn)象明顯，其中，乳液層聚集在中間一層，上層的透明物質(zhì)為十二烷，不同CNC濃度所得的Pickering乳液的乳液層厚度不同，CNC含量越高，乳液層厚度越厚。

圖13a和b分別給出了隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)，所得乳液層的厚度和乳液液滴尺寸的變化，如圖可知，經(jīng)過(guò)30天，竹基CNC穩(wěn)定的Pickering乳液的乳液層厚度和乳液液滴尺寸均未發(fā)生明顯變化，這與Wang[11]和Kalashnikova[14]等的研究結(jié)果相同，表明竹基CNC制備的Pickering乳液經(jīng)離心后所形成的三相體系中的乳液層可長(zhǎng)時(shí)間保持不變。

圖13 不同濃度的CNC穩(wěn)定的Pickering乳液放置一定時(shí)間后乳液層的（a）厚度和（b）液滴尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

竹材剩余物制備的CNC水分散液和十二烷混合、超聲處理可成功制備水包油型 Pickering乳液，十二烷液滴表面吸附了CNC，進(jìn)而阻止了乳液的分層、聚集等現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)研究得出以下結(jié)論：1）超聲時(shí)間不影響所得乳液的液滴尺寸和Zeta電位；2）隨著CNC濃度增加，Pickering乳液液滴尺寸逐漸減小；3）隨著油水比降低，Pickering乳液液滴尺寸逐漸減??；4）離心處理后，三相體系中的乳液層厚度與液滴尺寸不隨放置時(shí)間而改變。