黃麻基納米纖維素作為Pickering乳液乳化劑的研究

宋良益，繆夏然*，黃宇營(yíng)

1.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800 2.中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院, 上海 201204 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

水包油型(O/W)食品級(jí)乳液作為活性化合物以及腸胃吸收油脂的輸送載體一直受到關(guān)注和研究。但由于適宜的乳化劑數(shù)量有限，開發(fā)新的食品級(jí)乳化穩(wěn)定劑用于食品乳液的制造就顯得尤為重要[1]。其中，由吸附至油水兩相界面的固體微粒作為乳化劑的Pickering乳液受到很多關(guān)注，但并不是所有顆粒型的乳化劑都適合食品乳液體系[2]。近年來，越來越多的研究者選擇以蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體和多糖等大分子聚集體作為食品級(jí)Pickering乳液的穩(wěn)定劑，因?yàn)檫@些乳化劑具有與食品良好的兼容性以及優(yōu)秀的乳化能力[3]。開發(fā)出原料數(shù)量豐富、易得、成本較低的成熟提取方法且具備一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的乳化劑，是解決目前食品級(jí)Pickering乳液更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

纖維素是地球上儲(chǔ)量最豐富的多糖生物聚合物，多存在于植物細(xì)胞的細(xì)胞壁中，由于其具有可降解性、無毒性、結(jié)構(gòu)剛性和生物相容性等特點(diǎn)，作為一種具有吸引力的可再生天然原料備受關(guān)注[4-5]。黃麻作為一種廣泛種植的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)作物，其纖維主要由纖維素(72%)、半纖維素(13%)、木質(zhì)素(13%)和植物蠟等組成。天然的纖維素可以通過機(jī)械加工、化學(xué)處理和酶水解等方法轉(zhuǎn)化為納米纖維素[6]，納米纖維素微纖(CNF)是納米纖維素的一種，其大小形態(tài)各異，一般寬度為2～20 nm，長(zhǎng)度為100 nm到幾微米，既有結(jié)晶區(qū)也有無定型區(qū)[7]。納米纖維素不僅保留了天然纖維素所具有的物理特性，也表現(xiàn)出良好的納米材料特性[8]，因其具有油水兩親性，其中一個(gè)重要應(yīng)用方向就是作為制備食品級(jí)Pickering乳液的穩(wěn)定劑[9]。

CNF作為一種天然來源具備各向異性纖維結(jié)構(gòu)的納米顆粒，其結(jié)構(gòu)有助于在非常低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下穩(wěn)定油水兩相界面[10]。另外，作為乳液穩(wěn)定劑，CNF的長(zhǎng)徑比和質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響乳液的穩(wěn)定性能的重要因素[11]。為了更進(jìn)一步探究CNF的長(zhǎng)徑比和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳化劑乳化能力及形成乳液的穩(wěn)定性的作用機(jī)制，排除不同纖維素原料及不同CNF制備方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究選擇了黃麻為原料制備CNF，通過試驗(yàn)過程中對(duì)反應(yīng)條件的控制得到相同晶型、不同長(zhǎng)徑比和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNF，并對(duì)制備的Pickering乳液進(jìn)行表征分析。對(duì)黃麻基CNF作為Pickering乳液乳化劑的乳化能力和乳化穩(wěn)定性的作用機(jī)制的研究促進(jìn)了其在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃麻：廣西龍州強(qiáng)力麻業(yè)有限公司；氫氧化鈉(純度97%)、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO，純度98%)、溴化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.6%)和無水乙醇：分析純，中國(guó)上海阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；次氯酸鈉(NaClO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.00%～4.99%)：Sigma-Aldrich公司；試驗(yàn)用水均為Milli-Q plus化系統(tǒng)(Millipore公司)凈化水。食用花生油:市售。

1.2 儀器與設(shè)備

同步輻射光源：中科院上海實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；Nicolet 6700光譜儀：美國(guó)Thermo Fisher公司；TecnaiG2 F20 S-TWIN透射電子顯微鏡：美國(guó)FEI公司；Zetasizer Nano ZS納米粒度電位儀、Mastersizer 3000激光衍射粒度分析儀：英國(guó)Malvern公司；DM2500P偏光顯微鏡：德國(guó)徠卡公司；Ptlatus 2M檢測(cè)器：Dectris;Zatasizer Nano25納米顆粒分析儀：Malvern Panalytical。

1.3 方法

1.3.1 堿預(yù)處理

將黃麻纖維剪碎并進(jìn)行烘干處理后在NaOH溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)中煮4 h，固液質(zhì)量比保持在1∶ 60。熱堿煮過的黃麻纖維過濾,并用去離子水清洗若干次,然后70 ℃烘24 h。

1.3.2 黃麻基納米纖維素的可控制備

納米纖維素的制備主要采用TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)方法。首先將堿煮過的黃麻纖維(1 g)在去離子水中分散攪拌1 h，隨后加入NaBr和TEMPO繼續(xù)攪拌1 h。隨著NaClO的加入，反應(yīng)開始進(jìn)行，在此過程中需不斷添加NaOH稀溶液使pH值穩(wěn)定在10.6～10.8。反應(yīng)快結(jié)束時(shí)，加入無水乙醇并連續(xù)攪拌20 min終止此氧化反應(yīng)。從反應(yīng)容器中取出氧化后的樣品，用去離子水和無水乙醇清洗若干次，獲得果凍狀的納米纖維素凝膠。在此氧化反應(yīng)體系中，通過改變NaClO溶液的用量(10.00、20.00、30.00 g)，分別獲得3種不同納米纖維素樣品：CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30。

1.3.3 納米纖維素Pickering乳液的制備

對(duì)氧化獲得的CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30納米纖維素樣品進(jìn)行固含量的測(cè)定，并配制出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.3%的納米纖維素溶液。然后以相同油相和水相體積比(2∶ 8)向溶液中加入花生油，再用高速分散器混合，獲得的乳液密封放置于4 ℃以下備用。

1.3.4 樣品表征

對(duì)樣品進(jìn)行同步輻射廣角X射線散射(SR-WAXS)試驗(yàn)。所使用的X射線波長(zhǎng)為0.124 nm，樣品到探測(cè)器的距離為187.51 mm(校正標(biāo)樣為CeO2單晶粉末)，使用Pilatus 2 M檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所有樣品的數(shù)據(jù)采集時(shí)間均為60 s。同時(shí)利用光譜儀在500～4 000 cm-1對(duì)樣品進(jìn)行64次掃描獲得FTIR 光譜。利用電子顯微鏡(TEM)觀察合成的CNF的形貌，結(jié)合動(dòng)態(tài)激光散射法(DLS)，利用納米顆粒分析儀測(cè)定CNF的粒徑分布和平均粒徑并與TEM的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。借助激光衍射粒度分析儀和偏光顯微鏡觀察不同條件下納米纖維素乳液中液滴隨時(shí)間變化的粒徑分布與平均粒徑，探究其對(duì)乳化性能的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Fit 2D軟件對(duì)X射線散射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得一維WAXS積分曲線；采用Omnic 6.1a軟件對(duì)紅外光譜結(jié)果進(jìn)行處理；采用Origin 2019分析數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃麻基納米纖維素的晶型及形貌

從圖1a 可知，樣品CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30曲線均顯示出纖維素I的典型峰位，在18.2°、22.6°和27.9°顯現(xiàn)出3個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，在13.8°、16.5°有兩個(gè)較弱的衍射峰，這些峰位分別對(duì)應(yīng)著I型纖維素的(200)、(022)、(004)、(110)和(021)晶面，這與Isogai等[12-13]的研究結(jié)果相同。說明去除了大部分雜質(zhì)并成功提取出纖維素I，且在相同堿處理下，TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)中氧化劑NaClO的用量對(duì)納米纖維素的晶型并無影響。

由圖1b可知，3種樣品在2 750～3 500 cm-1特征峰區(qū)域均存在兩個(gè)明顯的紅外吸收峰，與Miao等[14]的研究結(jié)果相同。其中相對(duì)更寬的3 330～3 360 cm-1吸收峰是由纖維素—OH伸縮振動(dòng)所造成，而2 915 cm-1附近的吸收峰則源于纖維素C—H伸縮振動(dòng)。850～1 700 cm-1特征峰區(qū)域更多是由黃麻纖維中木質(zhì)素和半纖維素等非纖維素物質(zhì)的化學(xué)官能團(tuán)吸收峰所組成。在此區(qū)域內(nèi)，纖維素I的紅外吸收特征峰與其他非纖維素物質(zhì)有區(qū)別，據(jù)此也可以用1 599、1 411、1 158、1 105、898 cm-1等纖維素I典型吸收峰位來確定纖維素的晶型。在反應(yīng)過程中，上述一些吸收峰發(fā)生了一定的偏移，這是堿處理和氧化反應(yīng)導(dǎo)致了纖維分子內(nèi)及分子間氫鍵的輕微變化，進(jìn)而影響到化學(xué)官能團(tuán)[7]。圖1a、b相互對(duì)照說明在堿處理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)中，能夠有效去除黃麻纖維中非纖維素的雜質(zhì)，并提取出纖維素I。

圖1 3種樣品的SR-WAXS曲線和傅里葉變換紅外光譜圖Fig.1 1D SR-WAXS integral curves and FTIR spectra of three samples

樣品CNF3-10、 CNF3-20和CNF3-30的透射電鏡圖及粒徑尺寸分布統(tǒng)計(jì)如圖2所示。從圖2a和圖2d可以看出，CNF3-10中的納米纖維素的平均長(zhǎng)度在1 000 nm左右，粒徑在5～10 nm范圍內(nèi)。TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)過程將黃麻纖維轉(zhuǎn)化為單個(gè)CNF，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化是由纖維素纖維的C6上的主羥基多重氧化成相應(yīng)的羧酸基團(tuán)引起的[15]。隨著氧化劑NaClO用量的增加，樣品中納米纖維素的長(zhǎng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，粒徑受到的影響較小，長(zhǎng)徑比由此產(chǎn)生了區(qū)別，與Pinto等[16]結(jié)果一致。從圖2b和圖2d中可以看到，CNF3-20樣品中的納米纖維素長(zhǎng)度在600 nm左右，而且其粒徑分布也更加均一。在圖2c和圖2d中，CNF3-30的長(zhǎng)度集中分布在150 nm左右。這樣的現(xiàn)象可能是由于高度氧化的納米纖維素纖維含有更多的帶負(fù)電荷的羧酸根基團(tuán)，導(dǎo)致在水溶液中單個(gè)納米纖維素之間有更強(qiáng)的靜電排斥。樣品中纖維羧基含量越高，能聚合在一起的微纖維越少，其空穴作用越強(qiáng)，樣品粒徑就越小，懸浮液的透明度就越高[17]。

注：a、b、c分別為CNF3-10、 CNF3-20、CNF3-30的透射電鏡圖；d為3種樣品的粒徑分布。圖2 3種樣品的透射電鏡圖及粒徑分布Fig.2 TEM images and particle sizes of three samples

綜上，通過堿預(yù)處理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)，可以通過改變NaClO用量，獲得晶型完全相同且成分均一，而長(zhǎng)度有明顯區(qū)別的納米纖維素樣品，樣品按照長(zhǎng)徑比從大到小的排序?yàn)镃NF3-10、CNF3-20、CNF3-30。

2.2 不同長(zhǎng)徑比納米纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液乳化穩(wěn)定性

圖3為不同長(zhǎng)徑比納米纖維素穩(wěn)定乳液隨時(shí)間變化的光學(xué)圖像，圖4是其穩(wěn)定乳液的粒徑分布。從圖3a、b、c和圖4a、表1可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品CNF3-10-0.1%穩(wěn)定的乳液的粒徑也在增加，體積平均徑(D[4,3])由99.63 μm增加到151.69 μm，粒徑分布也變得更不均一，乳析指數(shù)(CI)也逐漸增大，圖3中乳液在7 d后即由混合好的乳狀變成了分層的混合物液體。圖3d、e、f和圖4b及表1顯示樣品CNF3-20-0.1%也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，液滴粒徑不斷增加，D[4,3]由63.64 μm增加到143.44 μm，乳液宏觀上也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。但是可以看到，第7天尚未出現(xiàn)明顯分層，直到14 d時(shí)，乳液才出現(xiàn)明顯分層，CI從3.7%增加到13.1%。而在樣品CNF3-30-0.1%穩(wěn)定的乳液中，雖然圖3g、h、i和圖4c、表1顯示隨時(shí)間延長(zhǎng)粒徑依舊明顯變化，但是從圖3可以看到，其乳液宏觀上并未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，且CI變化最小，表現(xiàn)出最好的乳液穩(wěn)定性。

注：a、b、c是樣品CNF3-10-0.1%、CNF3-20-0.1%、CNF3-30-0.1%穩(wěn)定的乳液在1、7、14 d時(shí)的粒徑分布。圖4 3種樣品穩(wěn)定乳液的粒徑分布Fig.4 Particle sizes of three samples stabilized emulsions

從圖4和表1可知，最大長(zhǎng)徑比的樣品CNF3-10-0.1%具備一定的乳化能力，其混合乳液在第1天時(shí)D[4,3]為99.63 μm，但其穩(wěn)定性很差，油水體系很快出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。而在納米纖維素含量相同的情況下，長(zhǎng)徑比越小即展現(xiàn)出更好的乳化能力，樣品CNF3-20-0.1%、CNF3-30-0.1%穩(wěn)定的乳液在第1天時(shí)D[4,3]分別為63.64 μm和52.79 μm。從CI的變化來看，樣品CNF3-30-0.1%穩(wěn)定的乳液穩(wěn)定性是最好的，其樣品放置超過14 d依舊未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。說明納米纖維素具備油水兩親性，其微鏈中既有親水基團(tuán)又具有疏水結(jié)構(gòu)，可以替代固體顆粒有效地穩(wěn)定油水界面[18]。納米纖維素微纖不同的長(zhǎng)徑比對(duì)于乳液形態(tài)有著明顯影響：長(zhǎng)徑比更大的較長(zhǎng)微纖其乳化能力較差，形成的乳液液滴粒徑更大，短時(shí)間內(nèi)粒徑變化也更大，表現(xiàn)出較差的乳液穩(wěn)定性，這與Qu等[19]的研究結(jié)果相同；而長(zhǎng)徑比較小的短纖維則更易相互連接，使其形成的乳液液滴粒徑更小，在一定時(shí)間內(nèi)，粒徑變化更細(xì)微，展現(xiàn)了更好的乳液穩(wěn)定性。

注：a、b、c分別是樣品CNF3-10-0.1%穩(wěn)定乳液在1、7、14 d時(shí)的光學(xué)圖像；d、e、f分別是樣品CNF3-20-0.1%穩(wěn)定乳液在1、7、14 d時(shí)的光學(xué)圖像；g、h、i分別是樣品CNF3-30-0.1%穩(wěn)定乳液在1、7、14 d時(shí)的光學(xué)圖像。0.1%為CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)，圖4和表1同。圖3 3種樣品穩(wěn)定乳液的光學(xué)圖像Fig.3 Optical images of the three samples stabilized emulsions

表1 3種樣品穩(wěn)定乳液的D[4,3]和乳析指數(shù)Table 1 D[4,3] and creaming index of particle sizes of three samples stabilized emulsions

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液的乳化穩(wěn)定性

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維素CNF3-20穩(wěn)定的乳液隨時(shí)間變化的光學(xué)圖像，圖6為CNF3-20-0.3%液滴的粒徑分布。從圖5a、d和圖4b、圖6可以看到，在納米纖維素長(zhǎng)徑比相同時(shí)，其新鮮乳液的液滴粒徑分布和平均粒徑差別不大。從表2可知，樣品CNF3-20-0.1%穩(wěn)定的乳液在第1天時(shí)D[4,3]為63.64 μm，樣品CNF3-20-0.3%穩(wěn)定的乳液的D[4,3]為50.06 μm。兩種乳液的CI在第1天時(shí)分別為3.7%和4.2%，也較為接近。但是從宏觀觀測(cè)來看，質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的納米纖維素微纖其乳化效果更好，其乳液質(zhì)地更為均一，而隨時(shí)間的變化，當(dāng)放置7 d時(shí)，雖然乳液都未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但從圖4b和圖6看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的樣品CNF3-20-0.3%的乳液液滴粒徑也更小一些，且其粒徑分布更加均一。由圖5和表2可知：當(dāng)放置時(shí)間超過14 d時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低的樣品CNF3-20-0.1%穩(wěn)定的乳液已經(jīng)出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，其D[4,3]和乳析指數(shù)明顯增大；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的樣品CNF3-20-0.3%則依舊保持穩(wěn)定的乳液狀態(tài)，D[4,3]僅增大到84.48 μm，CI也僅由4.2%增加到7.9%，顯示出更好的油水界面穩(wěn)定性，這與Li等[20]結(jié)果一致。在粒徑相同的情況下，一定范圍內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)使得納米纖維素微纖對(duì)液滴的覆蓋率更高，彼此間的靜電排斥也更充分，這會(huì)使液滴粒徑更小，具備更好的乳化能力和乳化穩(wěn)定性，占水相含量0.3%(乳液的0.09%)的納米纖維素就已具備相當(dāng)好的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。但值得注意的是，并不是納米纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高就越好，隨著納米纖維素微纖的不斷增加，飽和的油水兩相界面結(jié)構(gòu)無法容納更多微纖，其只能不斷擴(kuò)散至水相中，通過局部顆粒間的絮凝或兩相界面結(jié)構(gòu)間的橋接，會(huì)使得Pickering乳液黏度不斷增加直至失去流動(dòng)性。

注：a、b、c分別是樣品CNF3-20-0.1%穩(wěn)定的乳液在1、7、14 d時(shí)的光學(xué)圖像；d、e、f分別是樣品CNF3-20-0.3%穩(wěn)定的乳液在1、7、14 d時(shí)的光學(xué)圖像。0.1%和0.3%是CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖5 2種樣品穩(wěn)定乳液的光學(xué)圖像Fig.5 Optical images of the two samples stabilized emulsions

圖6 樣品CNF-20-0.3%穩(wěn)定乳液的粒徑分布Fig.6 Particle sizes of CNF-20-0.3% stabilized emulsions

表2 2種樣品穩(wěn)定乳液的D[4,3]和乳析指數(shù)Table 2 D[4,3] and creaming index of two samples stabilized emulsions

3 結(jié)論

通過堿處理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反應(yīng)制備了相同晶型、不同長(zhǎng)徑比和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNF，并通過SR-WAXS、FTIR和TEM等對(duì)其晶型結(jié)構(gòu)及形貌尺寸進(jìn)行表征分析。為探究CNF作為乳化劑的乳化能力，以及其穩(wěn)定的Pickering乳液的乳化穩(wěn)定性，并分析討論其內(nèi)在機(jī)制，制備了基于不同粒徑或質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNF的乳液。在CNF用量0.1%時(shí)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比最小的CNF3-30乳化能力最好，乳化穩(wěn)定性也最好。而在相同長(zhǎng)徑比CNF3-20中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的CNF3-20-0.3%乳化能力更為優(yōu)秀，穩(wěn)定性也更好。說明雖然CNF的兩親性使其能夠在油水兩相界面上吸附，形成穩(wěn)定的Pickering乳液。但是微纖的長(zhǎng)徑比對(duì)其乳液形態(tài)有著直接影響，進(jìn)而影響到其乳化能力和穩(wěn)定性。而在保證乳液流動(dòng)性的范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得液滴間的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，獲得更好的乳化能力和乳化穩(wěn)定性?；诒狙芯康墓ぷ鹘Y(jié)果，將不同特性的CNF作為替代固體顆粒的Pickering乳液乳化劑，其有望在食品、醫(yī)藥、化妝品及石油回收等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。