不同硫酸濃度水解制備纖維素納米晶及其穩(wěn)定Pickering乳液研究

王雨西,高煥秋,代笛菲,胡菽翰,羅鈺湲,黃越,張宇昊,3,余永,3,戴宏杰,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(重慶市蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院,重慶,400700)3(食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南大學(xué)),重慶,400715)

纖維素是地球上最豐富的天然聚合物之一,納米纖維素是具有納米尺寸的纖維素衍生物,廣泛來源于農(nóng)業(yè)廢棄物(如茶渣、甘蔗渣、玉米殼、菠蘿皮渣等[1-2])。纖維素納米晶(cellulose nanocrystals,CNCs)是纖維素精細(xì)化處理后獲得的一類棒狀、高結(jié)晶度的納米級(jí)纖維素材料,因其強(qiáng)機(jī)械性能而備受關(guān)注,同時(shí)兼具較好的可持續(xù)性、生物相容性、生物降解性、親水性和高比表面積等優(yōu)良特性[3-5]。近年來,由于CNCs獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)、天然兩親性和環(huán)境穩(wěn)定性,其作為食品級(jí)乳化劑應(yīng)用于Pickering乳液領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2,6-9]。CNCs的天然兩親性依賴于(200)β/(220)α的疏水邊緣平面,同時(shí)CNCs還可以沿著油/水界面彎曲(適應(yīng)油滴的曲率),這種在界面上的小變形促進(jìn)了CNCs在油水界面的潤(rùn)濕和吸附,而CNCs的粒徑形貌和電荷會(huì)影響其在界面上的吸附,進(jìn)而影響乳液穩(wěn)定性[9-10]。目前研究納米纖維素形貌對(duì)Pickering乳液的影響主要集中在不同類型的納米纖維素(如CNCs和纖維素納米纖絲),關(guān)于不同粒徑CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液研究鮮有報(bào)道。此外,對(duì)CNCs的粒徑適當(dāng)調(diào)控,可能對(duì)Pickering乳液界面和連續(xù)相形成雙向調(diào)控,具有重要的研究?jī)r(jià)值。

CNCs的表面特性主要與其制備方法有關(guān)[11]。酶解法時(shí)間長(zhǎng)并且成本高,氧化降解法無法回收化學(xué)試劑,有機(jī)酸法反應(yīng)效率低,而無機(jī)酸法高效且產(chǎn)品均一性、穩(wěn)定性相對(duì)較好[12]。目前酸水解制備CNCs中最常用的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%的硫酸溶液,硫酸水解導(dǎo)致纖維素結(jié)構(gòu)中的無定形區(qū)域和亞結(jié)晶區(qū)域優(yōu)先被破壞和去除,而結(jié)晶區(qū)域由于結(jié)構(gòu)緊密,對(duì)酸具有較強(qiáng)抵御力而不易水解[13]。此外,硫酸通過酯化過程與纖維素的表面羥基進(jìn)行反應(yīng),允許陰離子硫酸酯基團(tuán)的接枝,進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)靜電排斥促進(jìn)CNCs在水中的分散[14]。需要注意的是,酸水解制備CNCs的形貌和理化特性因纖維素來源和酸水解參數(shù)的差異而影響較大?？紤]到生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益,適量降低硫酸水解時(shí)的酸濃度對(duì)生產(chǎn)CNCs具有重要意義,同時(shí)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)CNCs表面特性(如粒徑、電位)的有效調(diào)控。

因此,本研究以典型果蔬加工副產(chǎn)物菠蘿皮渣為原料提取纖維素,以前期預(yù)試驗(yàn)驗(yàn)證的可水解生成CNCs的有效硫酸濃度范圍為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸(58%～64%)水解菠蘿皮渣纖維素制備CNCs,從官能團(tuán)、粒徑、電位、熱穩(wěn)定性等方面對(duì)CNCs的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)分析;進(jìn)一步以CNCs作為穩(wěn)定劑制備Pickering乳液,考察CNCs濃度和形態(tài)對(duì)Pickering乳液粒徑、微觀結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果將為硫酸水解制備果蔬皮渣來源的CNCs提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為不同形貌和粒徑的CNCs穩(wěn)定Pickering乳液應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菠蘿皮渣,重慶市北碚區(qū)永輝超市提供;菠蘿皮渣纖維素,自制;葵花籽油,上海佳格食品有限公司;硫酸、NaOH、NaClO2,重慶川東化工(集團(tuán))有限公司;NaCl,成都金山化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Heraeus Multifuge X3R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),美國(guó)賽默飛世爾科技公司;BX 53型熒光正置顯微鏡,日本OLYMPUS公司;Spectrun 100型紅外光譜儀,美國(guó)PerkinElmer公司;DTG-60A/60AH型熱重儀,日本島津公司;FD-1-50型真空冷凍干燥機(jī),中國(guó)北京博益康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;XHF-DY型高速分散器,寧波新芝有限公司;KQ3200DV型超聲波清洗儀,昆山超聲儀器有限公司;Mastersizer 3000型激光粒度儀、ZEN 3690型馬爾文納米粒度電位儀,英國(guó)Malvern公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菠蘿皮渣CNCs的制備

以課題組前期制備的菠蘿皮渣纖維素為原料[15-16],采用傳統(tǒng)硫酸水解法進(jìn)一步制備CNCs。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%、61%和64%的硫酸溶液,將菠蘿皮渣纖維素與硫酸溶液按料液比1∶20(g∶mL)混合,45 ℃水浴攪拌加熱1.5 h,然后加入10倍體積預(yù)冷蒸餾水(4 ℃)以終止反應(yīng),多次離心(4 000 r/min,15 min)和蒸餾水洗滌以洗去酸液,直至出現(xiàn)渾濁CNCs懸浮液,收集懸浮液后透析,4 ℃保存?zhèn)溆?部分冷凍干燥用于結(jié)構(gòu)表征。根據(jù)水解時(shí)使用硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù),制備的CNCs分別命名為CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%。

1.3.2 原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)分析

將CNCs懸浮液稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%,經(jīng)超聲波處理后,吸取一滴懸浮液滴于新鮮剝離的云母片上,室溫干燥5 h,采用帶有硅懸臂探頭(5 N/m)的AFM儀器測(cè)試樣品粒徑和形貌,最后使用Nano Measurer 1.2軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理。

1.3.3 紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)測(cè)定

采用KBr壓片法制樣,使用FTIR光譜儀在4 000～600 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,掃描頻率為4 cm-1,掃描次數(shù)為 32次。

1.3.4 粒徑和電位測(cè)定

采用馬爾文納米粒度電位儀測(cè)定CNCs的粒徑和Zeta電位。將CNCs懸浮液稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%后進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試溫度為25 ℃,平衡時(shí)間為120 s。

1.3.5 熱重分析(thermogravimetric analysis,TGA)

分別準(zhǔn)確稱取10 mg干燥CNCs樣品,使用熱重分析儀在N2氛圍下以10 ℃/min的加熱速率對(duì)樣品進(jìn)行熱性能測(cè)試,測(cè)試溫度范圍為30～550 ℃。

1.3.6 CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液制備

以CNCs懸浮液為水相,葵花籽油為油相制備乳液,油相體積分?jǐn)?shù)為50%。制備乳液之前先在CNCs懸浮液中加入50 mmol/L NaCl以屏蔽部分電荷,油水相混合后在15 000 r/min下高速剪切均質(zhì)1 min形成Pickering乳液,儲(chǔ)存在4 ℃冰箱中備用。在固定油相比例的條件下,制備不同CNCs和顆粒濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、0.5%和1.0%)下穩(wěn)定的Pickering乳液。

1.3.7 乳液外觀與光學(xué)顯微鏡觀測(cè)

使用相機(jī)拍攝乳液外觀照片以直觀觀察乳液的分層現(xiàn)象。使用光學(xué)顯微鏡觀察乳液,獲得乳液的顯微鏡圖像。

1.3.8 乳液粒徑和電位測(cè)定

采用激光粒度分析儀測(cè)定液滴粒徑和尺寸分布,乳液粒徑測(cè)量報(bào)告為體積平均直徑(d4,3)所有樣品測(cè)量3次,取平均值。采用納米粒度電位儀測(cè)定Zeta電位,每個(gè)樣品至少測(cè)量3次,取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有樣品至少重復(fù)測(cè)量3次,獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,使用SPSS Statistics 23、Origin 2018和Nano Measurer 1.2等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 AFM分析

不同濃度硫酸水解制備的CNCs的AFM圖像如圖1-a所示。CNCs-58%呈現(xiàn)相對(duì)較長(zhǎng)的細(xì)絲狀形貌,分散不均勻,存在一定聚集纏繞形貌;CNCs-61%呈較短的細(xì)棒狀,粒徑有所減小,同時(shí)其良好的分散性能使其呈現(xiàn)相互纏結(jié)的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);CNCs-64%表現(xiàn)出傳統(tǒng)CNCs的典型短棒狀形貌結(jié)構(gòu),粒徑明顯較小,CNCs顆粒分散較好且粒徑尺寸相對(duì)均勻,不具有相互纏繞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

a-AFM圖像;b-直徑;c-長(zhǎng)度

CNCs的直徑和長(zhǎng)度分布分別如圖1-b和1-c所示。CNCs-58%的長(zhǎng)度和直徑分別主要分布在350～500 nm和9～21 nm,且各范圍分布占比相對(duì)平均,表明整體尺寸均一性相對(duì)較差;CNCs-61%長(zhǎng)度主要分布在250～300 nm,直徑主要分布在7～13 nm,尺寸均一性較好;CNCs-64%長(zhǎng)度主要分布在150～200 nm,直徑主要分布在9～15 nm,粒徑最短且整體尺寸均一性較好。整體上,隨著硫酸溶液濃度的增加,纖維素非晶區(qū)域水解程度增強(qiáng),獲得的CNCs直徑和長(zhǎng)度均明顯降低,產(chǎn)品均一性增加。

2.2 FTIR分析

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸水解制備的CNCs的FTIR圖譜如圖2所示。所有樣品均表現(xiàn)出相似的纖維素特征吸收峰,包括3 350～3 450 cm-1(—OH拉伸振動(dòng)),2 899 cm-1(C—H拉伸振動(dòng)),1 050 cm-1(C—O—C拉伸振動(dòng)),1 430 cm-1(—CH2彎曲振動(dòng))和896 cm-1(β-糖苷鍵)[17],表明所制備的CNCs在基團(tuán)結(jié)構(gòu)上不存在明顯差異[15]。此外,CNCs在1 645 cm-1處的吸收峰為纖維素吸附水的特征峰,更高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸制備的CNCs在此處吸收峰降低,表明親水性降低,這與在3 400 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致[13]。此外,隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,硫酸與結(jié)晶區(qū)表面的纖維素分子發(fā)生酯化反應(yīng)的程度增強(qiáng),在C6位引入磺酸基,制備的CNCs表現(xiàn)出在1 204 cm-1處的吸收峰增強(qiáng),這是磺酸基的伸縮振動(dòng)造成的[18]。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸制備的CNCs的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of CNCs prepared at different concentrations of sulfuric acid solution

2.3 粒徑和Zeta電位分析

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸水解制備的CNCs的粒徑和Zeta電位如圖3所示。如圖3-a所示,CNCs主要呈現(xiàn)較強(qiáng)的單一主峰分布且粒徑存在明顯差異,通過激光粒度儀粗略得到的CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%的平均粒徑分別為479、299和273 nm,這與AFM的粒徑變化趨勢(shì)大致相符。CNCs-64%的平均粒徑和AFM分析結(jié)果存在一定差異,這可能是其在超過1 μm處的小峰造成的,這與制樣過程中的CNCs發(fā)生輕微團(tuán)聚有關(guān)。由圖3-b所示,CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%的Zeta電位值分別為-33.5、-43.6和-45.7 mV。纖維素表面羥基與硫酸反應(yīng)脫氫生成磺酸根離子,使生成的CNCs帶負(fù)電荷。通常,CNCs的穩(wěn)定懸浮液顯示出低于-25 mV的Zeta電位值[15]。在當(dāng)前測(cè)試的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),所有CNCs懸浮液的Zeta電位絕對(duì)值均大于25 mV,表明穩(wěn)定性較好。Zeta電位值隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸增加,CNCs穩(wěn)定性提升。

a-粒徑分布;b-Zeta電位值

2.4 熱穩(wěn)定性分析

CNCs的TG曲線如圖4-a所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),CNCs的失重可分為三個(gè)階段:第一階段發(fā)生在35～100 ℃范圍內(nèi),主要是由CNCs物理吸附的水分蒸發(fā)引起的;第二階段發(fā)生在120～220 ℃范圍內(nèi),主要涉及CNCs自身的熱分解;第三階段是氧化和分解碳?xì)堅(jiān)纬筛》肿淤|(zhì)量氣態(tài)產(chǎn)物而損失的質(zhì)量[4,15]。所有樣品的最終殘余質(zhì)量差距較小(26.62%、24.67%和25.52%),這與其組分一致有關(guān)。CNCs的DTG曲線如圖4-b所示。低于100 ℃的DTG峰對(duì)應(yīng)CNCs吸附自由水的蒸發(fā)損失質(zhì)量;CNC-58%、CNC-61%和CNC-64%的最大降解峰分別出現(xiàn)在218、200和151 ℃,進(jìn)一步升溫形成的較高溫度的降解峰分別出現(xiàn)在352、363和387 ℃,對(duì)應(yīng)于纖維素糖苷鍵的斷裂、脫水和解聚等熱解反應(yīng)。整體上,提高酸濃度降低了CNCs的熱穩(wěn)定性,這主要是部分—OH被—OSO32-—取代,—OSO32-在高溫下會(huì)催化糖苷鍵的分解,導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低[19]。此外,CNC-64%的尺寸相對(duì)更小,在熱解聚過程中會(huì)暴露出更大的受熱面積,CNCs表面末端和外露反應(yīng)活性基團(tuán)也增加,最終加速熱量分布而降低熱穩(wěn)定性[20]。

a-TG曲線;b-DTG曲線

2.5 Pickering乳液的外觀和光學(xué)顯微鏡圖像

一般顆粒尺寸越小,越容易吸附在油滴界面上形成乳液層,形成的乳液越穩(wěn)定[21]。如圖5所示,與CNCs-58%相比,CNCs-61%和CNCs-64%穩(wěn)定的Pickering乳液的液滴粒徑明顯更小。但在相對(duì)較低的CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.2%)下,與CNCs-58%、CNCs-61%穩(wěn)定的乳液相比,CNC-64%穩(wěn)定乳液的析水程度更高,且下層水相相對(duì)渾濁,這與CNCs的形貌結(jié)構(gòu)和表面電荷有關(guān)[22]。CNCs-58%和CNCs-61%的尺寸相對(duì)較長(zhǎng)且電荷較少,能夠相互纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而穩(wěn)定乳液,增大空間位阻從而增強(qiáng)液滴對(duì)聚結(jié)的抵抗力[23]。而CNCs-64%粒徑相對(duì)較小且攜帶電荷較多,乳液網(wǎng)絡(luò)形成能力相對(duì)較弱且未吸附顆粒相對(duì)較多。隨著CNCs顆粒濃度的增加,析水現(xiàn)象消失,液滴尺寸減小且分布更加均勻,表明在較高的CNCs濃度下乳液穩(wěn)定性更好,這可能是因?yàn)樽銐蝾w粒的存在促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成且提供了更多的空間位阻來抑制絮凝,使得液滴更加穩(wěn)定[24]?？傮w上,當(dāng)前條件下制備的CNCs穩(wěn)定Pickering在4 ℃下儲(chǔ)存15 d后,所有乳液的外觀和光學(xué)顯微鏡基本保持穩(wěn)定,表現(xiàn)出較好的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性。

圖5 CNCs穩(wěn)定Pickering乳液的外觀與微觀形貌Fig.5 Appearance and micromorphology of CNCs stabilized Pickering emulsions

2.6 Pickering乳液的粒徑與電位分析

顆粒濃度和儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)CNCs穩(wěn)定Pickering乳液的粒徑分布影響如圖6所示。

a-Day1;b-Day7;c-Day15

儲(chǔ)藏1 d后,CNCs-58%在0.2%、0.5%和1.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下穩(wěn)定的乳液液滴平均粒徑(d4,3)分別為181、172、151 μm,CNCs-61%分別為154、104、94 μm,CNCs-64%分別為120、72、70 μm;進(jìn)一步儲(chǔ)藏7 d后,CNCs-58%穩(wěn)定的乳液粒徑分別為211、192和183 μm,CNCs-61%分別為168、116和106 μm,CNCs-64%分別為139、72、70 μm。CNCs穩(wěn)定乳液的粒徑穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的縱橫比與連續(xù)相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成有關(guān)[23, 25];從粒徑變化數(shù)值來看,CNCs-61%和CNCs-64%穩(wěn)定乳液的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性相對(duì)較好。隨著CNCs顆粒濃度的增加,乳液液滴逐漸變小且穩(wěn)定性增加,這是由更多的CNCs顆粒可用于穩(wěn)定更高的整體界面面積和增加的乳液連續(xù)相濃度造成的[23,25]。

如圖7所示,所有乳液的電位值均為負(fù)值,這是由于液滴界面吸附的帶負(fù)電荷的CNCs顆粒形成的界面膜造成的。相對(duì)較高的乳液電位絕對(duì)值會(huì)增強(qiáng)液滴之間的靜電斥力,以防止液滴聚集并保持乳液穩(wěn)定性[26]。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加,乳液電位絕對(duì)值有所減小,尤其是CNCs-58%穩(wěn)定的乳液,這與其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性結(jié)果一致。隨著CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,乳液液滴表面吸附顆粒增加,乳液電位絕對(duì)值相應(yīng)增大,穩(wěn)定性增強(qiáng)。整體上,CNCs-61%和CNC-64%在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%～1.0%)下均可以形成穩(wěn)定性較好的Pickering乳液。

a-Day1;b-Day7;c-Day15

3 結(jié)論

通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸溶液水解菠蘿皮渣纖維素制備CNCs并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。隨著硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,CNCs的尺寸逐漸減小且均一性增加,懸浮液穩(wěn)定性提高,但熱穩(wěn)定性降低。由于粒徑尺寸和表面電荷的差異性,不同硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)水解的CNCs具有不同的穩(wěn)定Pickering乳液性能。與CNCs-58%相比,CNCs-61%和CNCs-64%穩(wěn)定的Pickering乳液具有更小、更均一的液滴粒徑,且乳液儲(chǔ)藏穩(wěn)定性相對(duì)較好。在較低CNCs顆粒濃度下,CNCs-58%穩(wěn)定乳液的析水程度相對(duì)較低;隨著CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,更多的CNCs顆粒參與界面吸附,乳液粒徑逐漸減小,乳液穩(wěn)定性、持水性增加。本研究通過控制硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)來調(diào)控CNCs形貌尺寸和穩(wěn)定乳液性能,為CNCs穩(wěn)定Pickering乳液的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),后續(xù)可進(jìn)一步研究不同粒徑尺寸CNCs的界面性能和對(duì)乳液流變性質(zhì)的影響。