小尺度木素颗粒的制备及其应用研究进展

陈凯，齐云赓，郭延柱，王适，李海明

（1 大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连116034；2 大连工业大学服装学院，辽宁大连116034）

随着煤炭等化石能源的匮乏，开发可再生资源成为新的发展方向。生物质原料因易取得、低成本而备受关注[1-3]。

广泛存在于自然界中的木素是一种可再生的天然高聚物，其在植物纤维中的含量约占植物体的20%～30%（质量分数）[4-5]。全球木素年产量约有7000万吨，但大部分均用于燃烧，仅有不到5%实现了高值化利用[6-8]。从结构上看，木素为无定形三维立体聚酚类化合物，由3种苯基丙烷结构单元（图1）聚合而成。针叶木木素主要由松柏基醇单元组成，而阔叶木木素则主要由松柏基醇单元和芥基醇单元组成[9-10]。木素结构单元间的连接方式主要是碳碳键（20%～35%）和醚键（60%～75%）。其中碳碳键主要有β—β′、β—5′、5—5′等，而醚键主要有β—O—4、α—O—4 以及5—O—4 等，见图2[11-13]。同时，由于木素的分子结构中众多的官能团和化学键[14-15]，在一定条件下能导致许多化学反应的发生，例如，在苯环上可进行木素的卤化、磺化、接枝共聚等，而在侧链官能团的反应主要有酰化、烷化、酚化、酯化（缩合）和异氰化等；此外，还有氧化、水解和降解等化学反应[16-17]。这些官能团和化学键为其进行化学改性、实现综合利用提供了可能性。

图1 木素的3种基本结构单元［9］

继纳米纤维素的研究取得阶段性成果[18-20]以来，纳米木素的出现为木素基高附加值产品的开发与应用开辟了一条新途径[21-22]。纳米木素兼具纳米材料的小尺寸效应、表面效应、界面效应等特性[23-25]与木素无毒、耐腐蚀、抗菌、抗紫外线、抗氧化等优点[26-28]，在紫外线防护、复合材料和药物运输载体等众多领域都表现出了广泛的潜在应用价值[29-31]。近年来，专家学者围绕小尺度木素颗粒进行了一系列的研究和开发[32-34]。大多文献报道的小尺度木素颗粒产品为纳米尺度，然而不同研究者对纳米木素的界定有所不同。王善勇等[26]认为，纳米木素通常是采用物理或化学等手段，将聚集态的木素经过纳米化处理而得到大小均匀和形状均一的纳米颗粒。而Zhao等[29]认为，纳米木素颗粒主要通过基于溶液的处理来制备，即采用颗粒在木素溶液中受控沉淀的方式制得，尺寸从几十纳米到几百纳米不等，形态各异。此外，也有学者对微米级木素颗粒进行了研究[30]。本文中的小尺度木素颗粒是指粒径范围处于微纳级（1nm～1μm）、通过物理、化学、生物等手段制得、以粉体形式存在或以胶体形式分散于溶液中的实心/中空木素颗粒。本文简要介绍了小尺度木素颗粒的制备和应用研究，旨在为林木资源深加工和生物基纳米材料的开发与利用提供借鉴。

图2 木素结构单元间主要连接方式［13］

1 小尺度木素颗粒的制备

根据反应类型，小尺度木素颗粒的制备大体可分为化学法、机械法和生物法。其中化学法主要包括自组装法、反溶剂法以及界面聚合/交联法等；机械法主要包括高剪切均质法、超声波法和超声喷雾冷冻法等；生物法主要包括微生物法和酶解法；此外还有多种方式相结合的综合法。根据最终产物状态可分为小尺度木素粉体产品以及含溶剂小尺度木素产品（胶体球、微胶囊）。上述制备方法根据产品组成不同又可分为两大类，即小尺度全木素颗粒的制备和小尺度木素颗粒复合材料的制备。

1.1 小尺度木素颗粒的制备

1.1.1 反溶剂法

反溶剂法是指从成分不同的物质中，仅分离或除去某种成分时，预先将该物质溶解在适当的溶剂中，添加不溶解该物质的溶剂，即反溶剂，使之凝集沉降分离的方法。与自组装法相比，反溶剂法有效减少了繁琐的分离步骤。Myint 等[35]通过简单的一锅法合成了准球形木素纳米颗粒（LNPs），其中以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶解硫酸盐木素，以压缩液态CO2为反溶剂，研究了各种工艺参数对产品尺寸、尺寸分布、颗粒形态、表面积、结构特征和产率的影响，然后对木素纳米颗粒的形成机理及特性进行了研究。在280.2K、15.0MPa、0.06kg/h的溶液流速、5.3%（质量分数）的初始木素浓度、968.24kg/m3的压缩液态CO2密度和CO2∶CO2-DMF溶液的摩尔分数0.99（CO2通过冷却器以258.2K泵送至沉淀器，流速保持在3.0kg/h）下，获得了平均粒径为38nm、比表面积约92m2/g、具有高单分散性和均匀性的木素纳米颗粒。Richter等[36]通过反溶剂法制备了粒径范围在45～250nm的小尺度木素颗粒。

Lu 等[37]采用超临界反溶剂法（SAS）成功制备了微米级木素颗粒，溶剂和反溶剂分别为丙酮和超临界二氧化碳。实验表明，木素颗粒的平均粒径为(0.144±0.03)μm，SAS 工艺并未导致木素降解或化学结构改变。微米级木素溶解度比尺度更大的木素溶解度高12.4倍，由于溶解度的提高，木素颗粒的许多抗氧化参数（DPPH自由基清除活性、超氧自由基清除活性和还原能力）明显提高。

Gupta 等[38]采用乙二醇溶液通过反溶剂法合成了球形结构的小尺度木素颗粒，测得颗粒尺寸为50～250nm。差示扫描量热（DSC）分析表明，较之木素原料，小尺度木素颗粒的玻璃化转变温度（Tg）、熔融温度（Tm）和结晶温度（Tc）均有所升高。热重（TGA）分析表明，较之木素原料，小尺度木素颗粒的热稳定性亦有所提高。基于此，制得的小尺度木素颗粒可作为天然填料用于聚合物纳米复合材料的制备。Rahman 等[39]以蒸汽爆破稻草木素（SERSL）为原料，分别以水、乙二醇以及蓖麻油为溶剂，盐酸溶液为反溶剂，合成了纳米级木素颗粒，扫描电子显微镜（SEM）表征LNPs 的平均粒径分别为小于100nm、20～30nm 以及15～20nm。熊凯等[40]以乙酸木素为原料，制备了小尺度木素颗粒及其无机粒子复合微球，制得的木素颗粒均匀规整，粒径分布在200nm左右。

1.1.2 高剪切均质法

高剪切均质法可以均匀分散乳化液或悬浮液体系中的分散相颗粒，其基本原理是利用机械剪切作用将木素悬浮液进行均化处理。Nair等[41]提出了一种简单的利用高剪切均质机均化硫酸盐木素颗粒制备纳米木素的新方法。首先将纯化的干燥硫酸盐木素浸泡并分散在去离子水中，然后将木素悬浮液用高剪切均质机均化处理4h。与硫酸盐木素颗粒相比，制得的纳米木素颗粒的化学结构、分子量分布和多分散性无明显变化且热稳定性更好。刘志明等[42]利用碱溶酸沉法对碱木质素进行预处理得到的精制碱木素，研磨后过筛，得到粒径小于0.2mm的碱木素。随后将其置于去离子水中超声处理5～15min，制得碱木素悬浮液。将碱木素悬浮液置于高压均质机中，在压强为900～1000bar （1bar=105Pa）下循环2～3 次，获得纳米木素溶胶，冷冻干燥即得纳米木素颗粒，粒径可控制在10～70nm。

1.1.3 超声波法

超声波法的基本原理是通过超声波为木素提供能量，使其分子键断裂，从而降低木素颗粒的尺寸。与高剪切均质法相比，超声波法制备的小尺度木素颗粒沉降现象较少，稳定性较好[26]。Gilca 等[43]通过超声波法获得了LNPs，原料为两种商业木素——小麦秸秆木素和萨尔坎达草（sarkanda grass）木素。实验用20kHz、600W 的超声波将质量分数为0.7%的木素水悬浮液处理60min，获得了均匀稳定的纳米分散体。平均粒径从1～10μm 显著减小到0.01～0.05μm。实验结果证实，经超声处理后，木素的两种主要反应为侧链裂解（β—O—4 键减少，愈创木基和对羟苯基减少）和氧化偶联（5—5′键增加，缩合酚羟基增加），其中以裂解作用为主[数均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）均降低]，并可通过调节超声波辐射时间和功率来调节反应，见表1、表2。

表1 羟基含量的测定[43]

表2 分子量分布[43]

Zimniewska 等[44]也通过超声波处理得到了纳米结构的木素。研究发现，将其填充在亚麻织物上，可显著改善织物的紫外线阻隔性能，并使织物具有良好的杀菌活性和抗静电性能。

1.1.4 超声喷雾冷冻法

Mishra 等[45]通过超声喷雾冷冻法成功合成了中空/实心的小尺度木素颗粒。首先，将溶于二氧六环中的碱性木素干燥后，溶于二甲基亚砜中形成溶液。随后用超声波雾化器（1.7MHz，29℃）在N2气氛（25L/min）下将溶液喷洒在用液氮预冷却的铜板上，获得冷冻液滴。将这些液滴分散在液氮中，用Milli Q水透析以除去液氮，调节水温至10℃、pH为10.5，即得在水中稳定分散的小尺度木素颗粒。小尺度木素颗粒的形成分为两个步骤：首先是液滴的形成，其次是颗粒的形成。其中液滴大小取决于喷雾器的工作频率、液滴的表面张力和待喷射溶液的密度和黏度。颗粒的形状取决于液滴中溶剂冻结与木素扩散的时间长短，若木素扩散所需时间（Tld）远大于溶剂冻结所需时间（Tsf），则会形成中空或多孔颗粒，否则为实心颗粒[46]，见图3。Tardy 等[47]采用类似方法制得了小尺度木素颗粒，并在其表面涂覆Fe(Ⅲ)-单宁酸纳米薄膜，随后通过调节pH或加入DMF去除木素颗粒，成功制备了空心金属酚醛胶囊，可降解有机染料，应用于水体净化。

图3 超声喷雾冷冻法制备小尺度木素颗粒［46］

1.1.5 微生物法

微生物法的基本原理是通过特定培养的微生物对木素进行降解，从而获得小尺度木素颗粒。Juikar 等[48]以源自椰子的木素为原料，通过微生物水解工艺成功制备了纳米木素。首先采用碱法制浆工艺从椰子纤维中提取木素，将其作为真菌Aspergillussp.的基础培养基中的唯一碳源。然后在31℃、110r/min的摇动条件下处理15天。制得的样品以1000r/min离心15min，除去杂质和未水解的木素，过滤上清液，获得含有纳米木素的滤液。通过监测上清液中木素过氧化物酶（LiP）的活性确定真菌对木素的作用程度，发现处理时间为8 天时，酶活性达到峰值，纳米木素产率最高。通过与高剪切均质、超声波处理制备的纳米木素比较，发现微生物处理得到的纳米木素的产率最低，仅为58.4%。原因可能是真菌Aspergillussp.在生长过程中消耗了大量的木素以及离心过程去除了部分木素。通过XRD 分析，发现在超声波处理下，纳米木素的微晶尺寸最低，为1.5nm；而在微生物处理的情况下，微晶的尺寸最高，约为4.0nm。

1.1.6 酶解法

酶解法的基本原理是通过特定酶将除木素外的物质进行分解除去，从而获得木素颗粒。Rangan等[49]首次以印度丝瓜为原料，通过特定酶分解木素-纤维素复合物制备了富含木素的纳米颗粒。首先将丝瓜在液氮中冷冻粉碎/研磨，在丙酮、乙醇和甲苯的混合物中通过索氏抽提器对纤维进行抽提，提取的粉末置于烘箱中干燥，然后浸泡在缓冲液中1～2h。用特定酶处理，将浸泡过的粉末和酶混合物振荡24h。这种方法通过木质纤维素复合体结构的位点特异性分解，制备了高木素含量的均匀立方体纳米颗粒，尺寸范围为20～100nm。

1.2 含溶剂小尺度木素胶体球的制备

1.2.1 自组装法

自组装法是指构筑基元（如分子、离子等）在一定条件下通过静电引力、氢键、配位键、π-π堆叠作用和分子识别等相互作用形成多种有序聚集体的过程，在功能性结构的构筑方面起着至关重要的作用[50-52]。Qian 等[53]从制浆黑液中回收碱木素（AL），将其进行乙酰化改性。将乙酰化木素（ACL）溶解在四氢呋喃（THF）中，制备出1mg/mL 的ACL-THF 溶液，通过自组装法制备胶体球。当水不断加入ACL-THF中时，ACL分子逐渐聚集。当含水量体积分数达44%时，开始形成胶体球，并在含水量达67%时完成胶体化过程，测得平均半径为80nm。随后，该课题组[54]进一步利用造纸废液中的碱木素通过与重氮盐偶合反应成功合成了木素基偶氮聚合物（AL-azo-COOEt），见图4。疏水性对酯基偶氮苯结构的引入调节了与木素偶氮聚合物芳香核骨架相连接的疏水基团和亲水基团的比例，从而使其能够在选择性溶剂（水）的作用下自组装成内外亲疏水性不同的胶体球。TEM 观察到的结果表明，胶体球为规整球形，半径为74nm。

Lievonen 等[55]介绍了一种无需化学改性、直接利用针叶木硫酸盐木素生产小尺度木素颗粒的方法。将针叶木硫酸盐木素溶于有机溶剂四氢呋喃中，然后通过透析将水引入到系统中。制得的木素颗粒平均直径为200～500nm，在pH 为4～10 以及离子强度高达500mmol/L 的NaCl 溶液中非常稳定，利于工业生产。用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDADMAC）涂覆制备的木素颗粒，可实现木素颗粒表面电荷的改性。Salentinig等[56]在此基础上进一步研究了溶剂和pH 对小尺度木素颗粒结构和形态的影响。当溶剂从THF逐渐变为水时，木素逐渐由分形的多孔结构变为表面光滑的球形颗粒结构。体系中pH 的改变会导致小尺度木素颗粒上官能团的质子化或去质子化，从而控制分子间的静电相互作用。在pH为5.6时，木素链上带负电荷的结构单元之间的排斥库仑力可以诱导微米级球形木素颗粒的形成。而在pH为2.0时，由于大部分羧基被质子化，颗粒表面电荷减少，从而导致颗粒聚集。颗粒形态的变化可用于溶剂或由pH 触发的包封客体分子的控释系统。

Liu 等[57-58]将木素分级后成功制备了小尺度木素颗粒。该课题组[57]以玉米秸秆为原料，使用乙醇等溶剂通过顺序有机溶剂破碎法（sequential organosolv fragmentation approach，SOFA）获得了3种具有不同性质的分级木素（图5），并调整其化学性质和反应性，以自组装法制备了具有不同性质的小尺度木素颗粒。其中以乙醇为溶剂，硫酸为催化剂，通过SOFA获得的分级木素制备的小尺度木素颗粒最小有效直径约为130nm，zeta 电位值小于-50mV，多分散指数（PDI）低于0.08，表明木素颗粒具有良好的均匀性和稳定性。研究发现，通过提高木素的分子量，降低紫丁香基型木素与愈创木基型木素的比例，促进β—O—4 和β—β键的断裂（以促进木素聚合反应的发生，提高其疏水性）以及增加木素中酚羟基和羧基的含量（以促进分子内氢键和双电层的形成），可以生产出均匀性和稳定性更好的球形小尺度木素颗粒。

图4 AL-azo-COOEt合成路线［54］

图5 SOFA流程图［57］

水溶助长化学（hydrotropic chemistry）是指通过水溶助长剂（如对甲苯磺酸盐、枯烯磺酸盐等）的使用，以促进水不溶或难溶性化合物在水中的溶解[59-61]。Chen 等[62]在水溶助长化学的基础上，通过自组装法制备小尺度木素颗粒。其中水溶助长剂采用可回收且无毒的对甲苯磺酸钠水溶液（pTsONa）。在室温下制得的木素颗粒流体动力学直径范围为80～230nm，最低浓度高达48g/L。进一步研究发现[62-63]，木素颗粒尺寸随溶液中水溶助长剂稀释速率的增加而增大，同时初始木素浓度对小尺度木素颗粒的粒径有显著影响，在初始木素浓度低于80g/L 时，平均粒径与初始木素浓度呈正相关。该法不受pH 和木素种类的限制，具有广泛的潜在应用价值。

1.2.2 反溶剂法

Frangville 等[64]以 低 磺 化 木 素（indulin AT，IAT）为原料，通过两种方式分别制得了具有不同性质的小尺度木素颗粒。前一种方法是通过加入盐酸溶液诱导溶于乙二醇溶液中的IAT聚集成小尺度木素颗粒，这种颗粒在pH为1～9时非常稳定，与戊二醛交联后，其稳定性得到进一步提高。研究发现，盐酸溶液的添加速率对木素颗粒的最终尺寸有显著影响，与通过两相直接混合获得的颗粒相比，当以2 滴/分钟的速率加入盐酸溶液时，木素颗粒的尺寸从320nm减小到120nm。后一种方法是通过加入硝酸溶液调整溶有IAT的氢氧化钠溶液的pH，使IAT在酸性条件下沉淀形成小尺度木素颗粒，这种颗粒仅在pH 低于5 下稳定。由于其低pH 稳定性，有望成为合适的肠溶载体，用于递送至胃肠道小肠部分的控释药物的开发。

1.2.3 酶解法

Shikinaka 等[65]通过同步酶糖化和物理粉碎（simultaneous enzymatic saccharification and physical comminution，SESPC）方法获得了纳米木素颗粒。木片经蒽醌碱煮后，加入纤维素酶、半纤维素酶和缓冲液（pH=5.0）采用珠磨法进行物理粉碎，然后在50℃下酶糖化约3 天。获得的纳米木素是一种凝胶颗粒，具有高纯度、高单分散性和低降解性、尺寸分布均匀并可溶解于极性有机溶剂。纳米木素颗粒的大小与溶剂种类有关。Tian 等[66]成功制备了尺寸小于100nm 的均匀纳米木素颗粒。这些木素颗粒是以木质纤维素基材[农业剩余物玉米秸秆（corn stover，CS）、硬木杨树（poplar， POP） 和 软 木 松 木（lodgepole pine，LPP）]为原料，经预蒸汽工艺处理，通过酶水解得到木素残余物（CEL），再采用透析的方法制得的，其产率分别约为82%、91%和41%，平均粒径分别为218nm、131nm 和104nm。通过2DHSQC NMR 谱图对木素颗粒进行表征发现，CS LNPs、POP LNPs、LPP LNPs 的β—O—4 键依次减少，LNPs 结构稳定性随之增大，这与Liu 等[57]的研究结论一致。TEM 观察到的结果表明，LNPs呈球形，在pH 为4～10 之间高度稳定，显示出在新兴纳米材料领域的巨大应用前景。

1.2.4 综合法

在小尺度木素颗粒的制备过程中，常采取多种方式相结合的制备方法。Alqahtani等[67]以有机溶剂木素为原料，以柠檬酸钠作为稳定剂和交联剂，制备了可负载姜黄素的均匀球形小尺度木素颗粒。首先，将40mg 木素溶解在含有2mg 姜黄素的乙醇（70%）中形成醇相。随后在超声探针处理下，将醇相滴加到由0.1mol/L 柠檬酸盐缓冲液（pH=5）组成的水相中。最后通过磁力搅拌加快乙醇蒸发，离心洗涤获得已交联改性的小尺度木素颗粒。木素上羟基的酯化导致交联的形成，使得纳米颗粒表面带有更多负电荷，并促进其在酸性介质中形成不易降解的颗粒。LNPs 的平均粒度为(85.9±4.7)nm，在室温下储存90 天后平均半径增加值≤10nm，具有良好的稳定性。Si 等[68]报道了一种酸催化乙醇-水共溶剂体系的微波辅助一锅法制备策略，用以同步快速制备LNPs 和碳量子点（CQDs）。首先将7g 风干稻草粉末与70mL含盐酸0.5%（质量分数）的乙醇-水溶液（体积比65∶35）混合。将混合物转移至微波消解仪，在400W 下处理10min。加入10 倍体积的水，过滤得到胶体溶液。离心分离后，沉淀物为LNPs，上清液为CQDs。在这种一锅微波辅助策略中，酸解释放单糖和有机酸，并同步溶解木素。溶解的木素通过基于π-π 相互作用的逐层自组装形成LNPs 沉淀物，见图6 步骤(a)。上清液中的木素以及单糖和有机酸通过脱水、聚合和缩合、芳构化以及碳化合成CQDs，见图6 步骤(b)。此法避免了费时费力的反应物滴入过程和透析步骤，快速高效。

1.3 含溶剂小尺度木素微胶囊的制备

1.3.1 界面聚合/交联法

界面聚合/交联法的基本原理是将两种带不同活性基团的单体或聚合物分别溶于两种互不相溶的溶剂中，当一种溶液分散到另一种溶液中时，在两种溶液的界面上发生聚合/交联反应[69]。利用界面聚合/交联法处理木素，既能得到实心颗粒，也可制备中空颗粒。Yiamsawas 等[70]通过反相微乳液界面聚合法成功制备了中空微胶囊。首先将木素磺酸钠溶解在Milli-Q 水中产生分散相，然后将其与含有生物相容性表面活性剂聚甘油-聚蓖麻醇酸酯（PGPR）的环己烷混合。将预乳液在室温下进行超声处理，产生稳定的微乳液并滴入含有甲苯二异氰酸酯（TDI）的环己烷溶液，制得了直径为150～200nm且稳定性良好的中空木素颗粒，该颗粒可被漆酶裂解，可有效包封亲水性模型化合物磺酰罗丹明（SR101），有望实现对药物、肥料、杀虫剂等亲水性物质的有效包封。该课题组[71]进一步制备了不同形貌的小尺度木素载体，通过甲基丙烯酸酯化硫酸盐木素，随后使其在微乳液中通过自由基聚合引发交联反应，结合溶剂蒸发得到木素纳米载体。这些小尺度木素载体包括固体颗粒、具有液体核（十六烷、植物油）和固体木素壳的核-壳结构以及高度多孔的木素颗粒。所有小尺度木素载体都可在其内部装载疏水性物质，其中核-壳结构可以装载大量脂质。研究发现释放行为取决于载体的形态，其中固体颗粒表现出最慢的释放行为。这些小尺度木素载体可作为生物可降解药物载体或碳化处理后作为吸附剂。

图6 同步制备LNPs和CQDs机理［68］

图7 界面微乳液交联反应制备木素基微胶囊［72］

Chen等[72]通过界面微乳液交联成功制备了木素基pH 响应微胶囊，见图7。木素磺酸盐首先通过醚化接枝烯丙基形成烯丙基改性木素磺酸盐。然后将含有烯丙基改性木素磺酸盐的水相（W）与配制好的含有硫醇基交联剂三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)的油相（O）混合，通过超声波处理进一步分散形成水包油（O/W）微乳液体系。烯丙基改性木素磺酸盐与三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)在微乳液液滴界面上通过界面交联反应即硫醇-烯自由基反应形成微胶囊。粒径范围为100～400nm，可对加入到油相中的疏水性物质（如香豆素-6）实现有效包覆。由于胶囊壳中存在酸不稳定的β-硫代丙酸酯交联，可在低pH 环境中诱导酸触发的快速释放。Nypelö等[73]以工业碱木素为原料，通过界面聚合/交联法从水包油微乳液中制得了尺寸可控（90nm～1μm）的球形木素颗粒，这种颗粒可实现对银纳米粒子的负载。

1.3.2 综合法

Tortora 等[74]综合运用界面聚合/交联法和超声波法成功合成了均匀球形的木素微胶囊（LMCs）。LMCs 通过高强度超声波技术将油相和含有木素的水相进行乳化，然后在水/油界面交联木素官能团获得，平均粒径为0.3～1.1μm。其中，橄榄油被用作生物相容性疏水核，交联剂PEGDEG 的加入可提高LMCs 的稳定性和包封能力，且可将LMCs浓度提高10 倍。H2O2的加入可提供更强的氧化条件。根据核磁共振分析可知，超声波辐射涉及3个过程：羧基的引入、木素碎裂和木素交联。其中，引入的羧基可增加木素的两亲性，促进木素大分子在有机相中的紧密堆积，从而更易于形成微胶囊。

1.4 小尺度木素颗粒的物理化学特性比较

基于上文介绍的主要研究方法，表3总结了小尺度木素颗粒的主要制备工艺参数（溶剂、初始木素浓度、粒径测定方法）及物理化学特性（粒径、zeta 电位、pH稳定性、PDI、产率、产物与原料的差异及优缺点）。

表3 小尺度木素颗粒的主要制备工艺、参数及物理化学特性比较

续表3

从产物形态和制备方法上看，小尺度木素粉体产品主要采用反溶剂法、高剪切均质法和超声波法制备，小尺度木素胶体球主要采用自组装法制备，小尺度木素微胶囊主要采用界面聚合/交联法制备。此外，酶解法既可制备小尺度木素粉体产品，又可制备小尺度木素胶体球。从木素的溶剂选择上看，自组装法和反溶剂法大多以有机溶剂为主，而界面聚合/交联法、高剪切均质法和超声波法则首先将木素溶解或分散在水中，变为绿色。从小尺度木素颗粒粒径的测试方法上看，动态光散射为主要表征手段。

1.5 表征手段

不同表征手段对小尺度木素颗粒测试样品往往有不同的要求，利用不同测试方法获得的小尺度木素颗粒尺寸分布往往也有所不同。目前，小尺度木素颗粒的表征手段主要有动态光散射（DLS）、静态光散射（SLS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）。此外，还采用小角X 射线散射（SAXS）和X 射线衍射（XRD）来研究小尺度木素颗粒的微晶尺度。

1.5.1 DLS

DLS作为较常规的表征方法，广泛应用于粒子粒径的测量。该方法基于布朗运动通过斯托克斯-爱因斯坦方程，利用动态光散射和自相关原理获得粒子的尺寸分布及平均直径。DLS无法直接对固体样品进行测定，需要将其以适当浓度分散于溶液中。Juikar 等[48]通过使用配备有氦氖激光器（632.8nm），雪崩光电二极管检测器的NicompTM380 ZLS 粒度分析仪在90°方向的散射强度上测量了小尺度木素颗粒的粒度分布，并使用90nm 尺寸的聚苯乙烯乳胶球进行尺寸校准。Gupta 等[38]使用Malvern Zetasizer nano series-Nano ZS 对小尺度木素颗粒进行了流体动力学尺寸分布表征。仪器配备了氦氖激光器（663nm），散射角为173°。在测定前，将待测样品分散在蒸馏水中，浓度约为0.1g/L，并在超声波浴中处理6min，以获得分散良好的悬浮液。Mishra 等[45]的实验表明，与SEM 相比，DLS 测定的颗粒尺寸更接近理论值。

1.5.2 SLS

SLS与DLS不同，它不是测定散射光强随时间起伏的动态变化，而是测定一定时间内的平均散射光强，具有浓度依赖性和角度依赖性[75]。邓永红等[54]使用德国ALV 公司生产的配备LSE-7004 多τ数字相关器的ALV/CGS-3 紧凑型静、动态光散射仪对小尺度木素颗粒进行了分析。检测器前安装了荧光过滤器和Glan-Thompson干涉器以减少荧光引起的误差，并用BI-DNDC（DNDC-2010，WEG，德国）测得胶体球水溶液的折光率。通过DLS测得ACL 胶体球的流体动力学半径（Rh）约为(104.2±4.0)nm，通 过SLS 测得 其 回 转 半 径（Rg） 约 为81.59nm，形状因子（Rg/Rh）为0.75～0.783，间接证明了其实心球形结构。

1.5.3 TEM

TEM 常用于获得小尺度样品的形貌信息，同时也可借助分析软件对样品的尺寸信息进行统计。TEM 样品制备方法多种多样，对于小尺度木素颗粒来说，通常采用支持膜法。Qian 等[53]使用HITACHI H-7650 透射电子显微镜以120kV 的加速电压获得小尺度木素胶体球的TEM 图像。首先将稀释的胶体球溶液滴加在由薄碳架支撑的铜网上，然后在25℃下干燥24h，制得TEM样品。最后根据TEM图像中100个相邻球体的统计数据，获得小尺度木素胶体球的平均粒径。然而，TEM 样品制备中的干燥过程可能会造成胶体球的收缩，导致尺寸测定的偏差。邓永红等[54]发现，通过DLS测定的小尺度木素胶体球的Rh为104.2nm，而经TEM观察的胶体球半径为74nm。Shikinaka 等[65]也发现，用DLS 测得的粒度约为用TEM 测量的粒度的两倍。但TEM 无法直接对液体样品进行表征，同时对于制样要求较高。

1.5.4 SEM

与TEM 类似，也有研究者通过SEM 对小尺度木素颗粒进行粒度分析。Nair等[41]利用扫描电子显微镜（LEO 1530 SEM，Carl Zeiss NTS，Peabody，MA，USA）在15kV下研究了小尺度木素颗粒的形态及尺寸。首先将质量分数为0.05%的木质素悬浮液滴在光滑的铝载物台上并干燥，然后用金溅射涂覆以提供足够的导电性。最后用Gwyddion 软件对SEM 图像进行分析，获得小尺度木素颗粒的尺寸分布。由SEM 测定的尺寸分布与TEM 测定的尺寸分布相吻合[39]。

1.5.5 SAXS

SAXS是电子在原光束附近很小的角度（2°～5°）内对X射线的相干散射现象，是一种用来探测从若干纳米到几百纳米尺度范围内物质结构的强有力实验手段[76-77]，可以获得亚微粒子（或孔）的形状、尺度或质量信息[78]。作为一种无损检测方法，与TEM相比，可获得更准确的统计平均信息且制样简单[79-80]。近年来，SAXS 理论方法不断得到丰富而且在材料的制备、表征研究领域取得了很大的研究 进展[79]。Salentinig 等[56]利用Bruker Nanostar 对小尺度木素颗粒进行了SAXS分析。使用高贝尔反射镜（Göbel mirror）将发散多色X 光光束转换成单色铜Kα辐射（λ=0.154nm）的聚焦光束，光束截面直径为0.3mm。样品到检测器的距离为107.5cm。2D SAXS 图通过VNTEC-2000 检测器获得，有效面积为14cm×14cm，像素大小为68μm×68μm。工作电压为50kV，工作电流为600μA。通过测定玻璃碳的透射率对溶剂的透射率进行校准。研究表明，其制备的亚微米级小尺度木素颗粒由约6nm 的近似椭球形亚单元组成，这与许多学者的发现相吻合[29,81]。该方法克服了小尺度木素颗粒产品状态的限制，为小尺度木素颗粒的表征提供了独特的分析视角。

1.5.6 XRD

相较于SAXS，XRD 已成熟应用于众多领域。Juikar 等[48]使用Philips®PW 1710 X 射线衍射仪在X射线波长为0.154nm 处、2θ为5°～80°范围内获得了X射线衍射图，并通过自动粉末衍射（APD）软件进行分析。利用谢尔乐公式计算，得到了小尺度木素颗粒的平均微晶尺寸。XRD 对于样品的制备及样品量有一定的要求，且无法对液体样品进行表征。

2 小尺度木素颗粒的应用

2.1 紫外线防护

与原始木素相比，小尺度木素具有更优异的抗菌、抗紫外线能力。Qian 等[82-85]对木素作为天然高分子防晒剂进行了研究，该课题组[86]通过自组装法制备了不同尺寸和结构的木素胶体球。然后与纯护肤霜混合用以开发高防晒系数的天然广谱防晒剂。球形木素的防晒性能优于原始木素，且与胶体球的大小成反比。酚羟基在木素的防晒中起主要作用，具有更多酚羟基的有机溶剂木素（OL）纳米球防晒性能更好。由于木素和化学防晒剂之间的协同效应，添加质量分数为2%UVA 和2%UVB 化学防晒剂，可将含有10%中等尺寸OL 胶体球的防晒霜防晒系数从10.69提高到47.71，具有高紫外线防护性能。Wang 等[87]也进行了相关研究。将小尺度木素颗粒应用于防晒产品的开发，有望提高化学防晒产品的安全性[88]。

Yearla 等[89]通过反溶剂法将二氧六环木素（DL）和碱木素（AL）分别制成了平均尺寸为80～104nm的二氧六环木素纳米颗粒（DLNP）和碱木素纳米颗粒（ALNP）。DPPH 自由基清除活性分析显示，DLNP和ALNP分别比它们的母体聚合物DL和AL具有更高的抗氧化活性。通过监测紫外线照射下大肠杆菌存活率的提高，对化合物DL、AL、DLNP和ALNP在不同浓度、不同时间下的紫外线防护活性进行评估。发现用紫外光照射大肠杆菌5min，它们的存活率随着测试化合物浓度的增加而提高。当分别加入150μg AL、ALNP时，大肠杆菌的存活率分别为67%、97%，ALNP的紫外线防护活性比其母体聚合物AL提高了30%。此外，AL、ALNP比DL、DLNP具有更高的紫外线防护潜力。Mishra等[45]借助几乎无紫外吸收的PDADMAC水溶液，在石英载玻片上分别沉积了6层小尺度木素颗粒，观察到其紫外线吸光度随层数增加呈现明显的线性增加。

2.2 复合材料

由于纳米木素的独特性质，在新型生物基纳米复合材料的制备和开发方面具备巨大潜力。Gupta等[90]通过反溶剂法制备了纳米木素颗粒，然后采用熔融挤出和微注射成型技术制备了生物聚对苯二甲酸丙二醇酯（bio-PTT）杂化纳米复合材料，其中LNP 和气相生长碳纤维（VGCF）作为增强剂，并确定了LNP的最佳掺量。力学结果显示，加入质量分数1.5%LNP、7%VGCF 的bio-PTT 杂化纳米复合材料，其拉伸强度、拉伸模量和冲击强度分别提高了约20%、12%和47%。进一步研究表明，纳米复合材料具有良好的力学性能和热性能以及生物降解特性，适用于多种最终用途。Jiang等[91-92]通过自组装技术制得了木素-PDADMAC复合体（LPCs），并将LPCs 与橡胶混合制备了天然橡胶/木素纳米复合材料（NR/LPCs）。研究表明，LPCs均匀分布在NR基体中，加速了NR/LPCs的硫化，增强了NR/LPCs的力学性能以及热性能等，有望替代部分炭黑。

Rahman 等[39]将制得的LNPs 作为纳米填料分散在环氧树脂基体中形成环氧纳米复合涂层，用于碳钢的防腐保护。通过冲击、铅笔划痕硬度和划格法附着力测试对涂层的物理力学性能进行检测，发现添加LNPs 的环氧涂层具有更好的冲击强度和耐磨损性，且与金属基材黏合良好。接触角测试表明，LNPs 可进一步增强涂层的疏水性。由Tafel 外推法获得的数据显示，与普通环氧涂层相比，纳米复合环氧涂层具有更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度，电化学阻抗谱图表明，纳米复合涂层的阻抗值比普通环氧树脂（约104Ω）涂层高2～3倍。防腐蚀性能的增强归因于LNPs，它填充了环氧涂层的孔隙和空腔，并作为一种强屏障抑制腐蚀离子在金属-涂层界面的渗透。此外，由于多种官能团的存在，使LNPs 在冲击试验期间消耗瞬时能量从而提高了涂层塑性，并增强了纳米复合涂层对金属的黏附力。

Yang 等[93]将质量分数1%的木素纳米颗粒混合到聚乳酸（PLA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）接枝的PLA（g-PLA）中，成功制备了聚乳酸/木素纳米颗粒薄膜，并对热、光学、力学性能以及形貌进行了表征。结果表明，含有木素纳米颗粒的纳米复合材料相对于PLA 和g-PLA 总体上表现出更好的紫外线防护性能、拉伸强度和良好的分散性。Yang等[93]评估了其在食品包装领域的适用性，优化了加工纳米复合材料的方法，并为LNP 增强生物塑料基纳米复合材料的工业制造和实际应用提供了新的参考。Farooq等[94]将小尺度木素颗粒与纤维素纳米纤维混合，利用加压过滤方式制备了纳米复合薄膜。拉伸试验显示，在加入充当润滑剂和应力转移剂的木素颗粒后，薄膜的力学性能得到了显著改善。在最佳掺量下，薄膜的拉伸强度可达160MPa，断裂应变值可提高到16%，韧性可提高近两倍。同时，加入小尺度木素颗粒的薄膜显示出了良好的防水性，紫外线屏蔽以及持久的自由基清除活性，为绿色生物基纳米复合材料在食品包装、水净化和生物医学领域的应用带来了新的机遇。

2.3 药物运输载体

Li等[95]采用木素磺酸钠（SL）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）通过自组装法制备了均匀的胶体球（SL-CTAB）。SL-CTAB 表现出可逆的聚集行为，可包封光敏农药阿维菌素（AVM）形成AVM载药微球，并显示出高水平的载药和包封效率。通过对AVM 的控释和抗光裂解性能的研究发现，微球（AVM@SL-CTAB） 的封装效率值约达63%。AVM@SL-CTAB的释放过程可以通过调节掺杂SLCTAB 的比例来控制。紫外线照射下，AVM 在AVM@SL-CTAB 中的半衰期（DT50）可延长7.35倍。Deng等[96]制备了中空木素偶氮胶体球，用于包封AVM。120h 后包封的AVM 总释放量可达84%，且释放仍在继续。紫外线照射72h 后，包封AVM的木素偶氮胶体球分解率仍低于41%，显示出良好的紫外线阻断和控制释放能力。Chen 等[62]制备的LNPs 可包封各种水溶性或水不溶性药物，如微水溶性抗菌药物加替沙星（GFLX）、水溶性抗肿瘤药物盐酸阿霉素（DOXHCl）以及水不溶性阿霉素（DOX）。最高包封率可达90%，具有持续的药物释放能力和生物相容性，且采用的溶剂pTsONa 易于回收利用，从而实现环境可持续性。此外，包封DOX 的LNPs 与游离DOX 具有同等的抗肿瘤作用，但包封DOX 的LNPs 在生理盐水中几乎不释放DOX，因此有望消除体内游离DOX的副作用。

Alqahtani 等[67]将制备的LNPs 应用于亲脂性药物姜黄素的口服递送，姜黄素的包封率高达92.4%。将包封有姜黄素的LNPs 在模拟胃液（SGF）和肠液（SIF）中进行体外释放研究，发现LNPs 能够延缓姜黄素在酸性介质中的释放。释放机制遵循Peppas 动力学模型，说明有机溶剂木素的疏水性是控制药物释放速率的关键因素。选取与小肠细胞形态特征及表达相似的Caco-2 细胞系作为模拟肠细胞的模型对其进行体外评价，发现装载姜黄素的LNPs 无细胞毒性。与游离姜黄素相比，其姜黄素肠渗透性显著增强，可有效提高口服姜黄素的生物利用率。药代动力学数据显示，由于纳米木素颗粒中姜黄素的持续释放，血药浓度最大值较姜黄素混悬液增加了9倍，口服生物利用率增加了5.7 倍，药物滞留时间和半衰期明显延长。Sipponen 等[97]也进行了相关研究。Tortora 等[74]利用超声驱动木素组装成微胶囊，利用显微分析和生物相容性分析研究了LMCs 与中国仓鼠卵巢（CHO）细胞系的相互作用。实验证明LMCs无细胞毒性且易于掺入CHO 细胞，为其在生物医药领域的进一步开发利用提供了有力证据。

3 结语

小尺度木素颗粒作为一种新兴材料，由于其优异的物理化学性能，在许多领域都表现出了巨大的应用潜力，引起了众多科研人员的关注。目前对于小尺度木素颗粒的制备和应用研究方兴未艾，仍有许多亟待解决的问题。

在化学法制备小尺度木素颗粒的过程中，大多会使用对环境有不利影响的有机溶剂，如何减少有害溶剂的使用并积极寻求其替代品是推动小尺度木素颗粒研究进一步发展的重要基础。机械法相对化学法更加绿色环保，但其颗粒形状的多变性和尺寸的高多分散性仍需持续优化。酶法相对温和的处理条件使其在小尺度木素颗粒的制备上占有一定的优势，但其制备工艺相对繁琐。此外，目前小尺度木素颗粒的制备基本不具备成本效益，如何降低制备成本并在不影响性能的情况下提高得率也是当前需要面对的问题。

在紫外线防护方面，如何提高小尺度木素颗粒在紫外线辐射下的光稳定性是当前面临的主要问题。在复合材料制备方面，由于其复杂的制备技术和严格的制备条件，目前尚未有与之相关的中试报道，实现工业化道阻且跻。在药物运输载体方面，目前对于体外和体内评估研究较少，仅有有限的细胞毒性评估报告。小尺度木素颗粒制剂在制药工业中的临床转化将是未来的主要挑战。