TEMPO氧化纤维素对花生油乳液物理化学稳定性的影响

沈阳，王星宇，陈紫婷，谈江莹，吴茜, ，冯年捷

1. 湖北工业大学生物工程与食品学院（武汉 430068）；2. 安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室（合肥 230036）；3. 湖北工业大学材料与化学工程学院（武汉 430068）

棉纤维在纺织材料领域有着广泛应用，被认为是一种天然可再生的环境友好型材料[1]。棉纤维的主要化学成分为纤维素。纤维素上富含羟基，羟基提供了其良好的化学反应活性，经化学改性，有望提高棉纤维的物化性能，扩展其应用领域[2]。

2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO）/NaBr/NaClO体系可以在水溶液中选择性氧化纤维素伯醇羟基[3]。天然纤维素的氧化发生在微纤维表面，引入羧基而不改变纤维形态[4]。近年来，利用TEMPO氧化纤维素的无毒和生物可降解性，探索其乳化性能的研究已成为热点之一[5-7]。TEMPO氧化纤维素易在水包油体系中形成Pickering乳液[5,7]。通过微观形态观察[5]、粒径电位检测[6]和流体力学分析[7]，发现TEMPO氧化纤维素可改善乳液物理稳定性。

同时，TEMPO氧化纤维素上的羧基可为自由基提供电子，使自由基转变为稳定的中间体，防止其进一步发生自由基反应，从而有效抑制氧化反应的进行[8]。然而，有关TEMPO氧化纤维素对乳液抗氧化性的研究鲜有报道。此次试验以棉纤维为原料，经TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化纤维素。利用改性纤维素制备花生油乳液，探讨改性纤维素对花生油乳液的抗氧化作用，以期实现不饱和脂肪酸的长期稳定储存。

1 原料与方法

1.1 原料

棉纤维从湖北化纤集团有限公司购得，经疏解获得纤维悬浮液[9]，于4 ℃冷藏保存。

花生油，中国农业科学院油料作物研究所；2, 2,6, 6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO），美国Sigma公司。其他所用化学品均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 改性纤维素制备

将78 mg TEMPO、514 mg NaBr与500 mL 1%浓度的纤维悬浮液混合均匀，通过0.1 mol/L NaOH维持反应体系pH 10.5。加入30 mL 12% NClO启动反应，并在室温条件下连续搅拌2 h，加入10 mL乙醇使反应淬灭。去离子水过滤洗涤3次，截留分子量3 500 Da的透析袋透析12 h，获得TEMPO氧化纤维素。

1.3 化学结构表征

采用Nicolet 6700型傅里叶变换-红外光谱仪（FTIR，Thermo Scientific，USA）进行样品分析。称取2 mg真空干燥试样与350 mg光谱级溴化钾，在玛瑙研钵中充分混合，真空压片至13 mm。红外光谱波长采集范围为4 000～500 cm-1。

采用D8-Advance型X射线衍射仪（XRD，Bruker，USA）进行样品分析。选用CuKα射线，加速电压40 kV，加速电流30 mA，扫描速度5°/min，扫描角度5°～70°。结晶度（CrI，%）按式（1）计算[10]。

式中：I200为最大衍射峰强度；Iam为2θ=18°处的衍射峰强度。

1.4 纤维素乳液制备

将TEMPO氧化纤维素在超声作用下配成0.5%～2.0%浓度的悬浮液。按油水比10∶90，将花生油与不同浓度的纤维悬浮液混合，经高速剪切机（M133/1281-0，Biospec Products，Inc.，Switzerland），在8 000 r/min条件下预乳化5 min。粗乳液经微射流机（M110Y，Microfluidics，USA），在80 MPa条件下循环3次，得到改性纤维素乳液。于25 ℃室温保存，用于乳液稳定性分析。

将未改性纤维素按2.0%浓度在相同条件下制备纤维素乳液，作为对照样。

1.5 稳定性分析

乳液粒径及电位利用激光衍射仪（Mastersizer 2000，Malvern Instruments Ltd.，UK）测定[6]。

利用光学显微镜（奥林巴斯CX31，日本）配备数码相机（佳能60D，日本），对乳液微观形态进行观察。

在500 nm处测定反应溶液的吸光度，根据铁的标准曲线计算过氧化物（PV）值[5]。

在532 nm处测定反应溶液的吸光度，根据1, 1,3, 3-四乙氧基丙烷的标准曲线计算硫代巴比妥酸（T-BAR）值[5]。

1.6 数据处理与误差分析

试验采取3组平行样，取平均值，通过Origin 8.0软件画图。

2 结果与讨论

2.1 改性纤维素结构鉴定

图1为纤维素和改性纤维素的XRD图谱。纤维素在2θ=14.8°，16.4°和22.6°处的衍射峰，分别为（110），（110）和（200）晶面峰，是典型的纤维素Ⅰ型晶体结构，结晶指数CrI为67.9%。改性纤维素同样在2θ=14.8°，16.4°和22.6°处有衍射峰，说明纤维素Ⅰ型晶体具有抗氧化性，TEMPO氧化过程中纤维素晶型未发生改变。改性纤维素的结晶指数CrI为73.6%，较纤维素增加8.4%。这是因为TEMPO氧化过程中有强烈的纵向剥离作用，将线性高分子的链间氢键破坏，从而暴露出更多的结晶区[11]。

图1 纤维素（a）和改性纤维素（b）的XRD图谱

图2 为纤维素和改性纤维素的红外谱图。由图2可见，3 328 cm-1处为O—H的伸缩振动吸收峰[12]，2 901 cm-1归属于—CH2的对称伸缩振动吸收峰[12]，1 630 cm-1处为吸附水的—OH弯曲振动峰[13]，1 420～1 360 cm-1处的吸收峰归属于亚甲基和次甲基中C—H的伸缩振动峰[13]，1 033 cm-1处则为C—O—C的伸缩振动峰[14]。由图2中红外吸收曲线a和b对比可知，改性纤维素红外吸收曲线在1 738 cm-1处出现了—C＝O的伸缩振动吸收峰[12]，而纤维素红外吸收曲线在此处并没用吸收峰，这证明纤维素在氧化过程中生成了新的羧基官能团。

图2 纤维素（a）和改性纤维素（b）的红外图谱

2.2 粒径及电位

图3 （a）为不同浓度改性纤维素乳液的平均粒径与储存时间的关系。随储存时间延长，改性纤维素乳液的平均粒径逐渐增大。前4 d，0.5%浓度改性纤维素乳液的平均粒径从521 nm增大到1 132 nm，增长117%。纤维间极易形成氢键，导致液滴间相互聚并，乳液会发生不同程度的失稳现象[15]。随浓度增加，改性纤维素乳液的平均粒径逐渐减小（见图3b）。第4天时，较0.5%浓度，1.0%浓度改性纤维素乳液的平均粒径从1 132 nm减小到809 nm，减少29%。增大纤维用量，可形成更为致密的界面纤维层和紧凑的纤维网状结构，使得聚并阻力增大[16]。较纤维素，不难发现，2.0%浓度改性纤维素乳液在不同储存时间的平均粒径均得到了减小。纤维素经TEMPO氧化后，羟基减少，一定程度上制约了纤维间氢键的形成，减弱了液滴间的聚并作用力。同时，氧化形成的羧基在纤维表面形成负电荷保护层，增加了液滴间的相互排斥力。聚并作用力的减弱及相互排斥力的增加，有利于形成稳定的乳液体系、减小乳液的平均粒径。

图3 纤维素和改性纤维素花生油乳液的平均粒径（a）及显微镜照片（b，第1天）

图4 为不同浓度改性纤维素乳液的Zeta电位与储存时间的关系。随储存时间延长，改性纤维素乳液的Zeta电位逐渐减小。随浓度增加，改性纤维素乳液的Zeta电位逐渐增大。较纤维素，2.0%浓度改性纤维素乳液在不同储存时间的Zeta电位均得到增大。增大乳液的Zeta电位，能提高乳液间的静电作用，有助于增强乳液的稳定性[6]。图4中Zeta电位的变化规律进一步说明了改性纤维素在减小乳液平均粒径，维持乳液稳定性上的作用。

2.3 抗氧化性

图5为不同浓度改性纤维素乳液的PV值与储存时间的关系。随储存时间延长，改性纤维素乳液的PV值呈先增大后减小的趋势。不同浓度的改性纤维素乳液均在第4天出现PV峰值。PV值反映油脂初级氧化产物含量。储存第4天，初级氧化产物已达到平衡增长点。随浓度增加，改性纤维素乳液的PV值在不同储存时间均有一定程度降低。较纤维素，浓度2.0%改性纤维素乳液在不同储存时间的PV值均得到大幅度降低。改性纤维素的应用及浓度的提高，均可显著降低花生油乳液中的PV值。这说明改性纤维素中的羧基提供了一定的抗氧化作用，有利于不饱和脂肪酸的稳定储存。

图4 纤维素和改性纤维素花生油乳液的Zeta电位

图5 纤维素和改性纤维素花生油乳液的PV值

图6 为儿茶素对改性纤维素乳液PV值的影响。儿茶素具有较好的抗氧化作用[17]。在1.0%改性纤维素乳液中添加0.1 mg/mL儿茶素，PV值随储存时间延长仍呈先增大后减小的趋势，且同样在第4天出现PV峰值。但较未添加儿茶素的1.0%改性纤维素乳液，PV峰值从4.9 mmol/kg降至3.7 mmol/kg，降幅32.4%。这表明儿茶素与TEMPO氧化纤维素对油脂的抗氧化性具有协同增强效应。

图7为不同浓度改性纤维素乳液的T-BAR值与储存时间的关系。随储存时间延长，改性纤维素乳液的T-BAR值逐渐增大，且增大过程分为3个阶段，即1～4 d的缓慢阶段、4～5 d的快速阶段和5～7 d的补充阶段。T-BAR值反反映油脂次级氧化产物含量。次级氧化产物含量的增大速率与PV值具有正相关性[18]。随浓度增加，改性纤维素乳液的T-BAR值在不同储存时间均有一定程度降低。较纤维素，浓度2.0%改性纤维素乳液在不同储存时间的T-BAR值均得到大幅度降低。T-BAR值的降低与羧基的抗氧化作用有关，亦或是仅与初级氧化产物含量降低有关，相关机理正在进一步探究。

图6 儿茶素对改性纤维素花生油乳液PV值的影响

图7 纤维素和改性纤维素花生油乳液的T-BAR值

图8 为儿茶素对改性纤维素乳液T-BAR值的影响。在1.0%改性纤维素乳液中添加0.1 mg/mL儿茶素，T-BAR值随储存时间延长逐渐增大，且无明显阶段性。较未添加儿茶素的1.0%改性纤维素乳液，T-BAR值增大较慢，第7天的T-BAR值从25.4 mmol/kg降至16.1 mmol/kg，降幅36.6%。

图8 儿茶素对改性纤维素花生油乳液T-BAR值的影响

3 结论

棉纤维经TEMPO氧化可形成羧基化纤维素。羧基提高了纤维表面的电荷密度，增加了液滴的静电斥力，降低了纤维素乳液的平均粒径，促进了油脂的稳定储存。同时，改性纤维素中的羧基提供了抗氧化作用，在花生油乳液储存过程中可显著降低PV值和T-BAR值，有效改善了花生油的抗氧化能力，有利于不饱和脂肪酸的长期稳定储存。此外，改性纤维素和儿茶素对油脂的抗氧化性具有协同增强效应。