磁性纤维素微晶稳定O/W型Pickering乳液特性分析

程 杰，王 彤，黄云艳，陈 星，于殿宇,*，罗淑年

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.九三集团惠康食品有限公司，黑龙江 哈尔滨 150069）

Pickering乳液是一种以固体颗粒为乳化剂制成的乳液，这些固体颗粒有明确的粒径分布和可控的表面特性，因此可以在油水界面上产生不可逆吸附，比传统乳液更加稳定[1]。Pickering乳液除具有传统乳液的功能特性之外，利用固体颗粒稳定乳液不仅降低了体系的自由能，为液滴之间提供了良好的界面机械屏障，保护了乳液的液滴形态，使乳液更加稳定，而且具有粒径分布可控、低毒性、制备方法简单等诸多优点[2]。

已有大量研究表明，各种固体颗粒如二氧化硅[3]、二氧化钛[4]、壳聚糖[5]、纤维素、氧化锌[6]以及四氧化三铁[7]等是有效的Pickering乳液稳定剂。近年来，磁性粒子稳定的Pickering乳液备受关注。Rajarshi等[8]以壳聚糖和Fe3O4磁性纳米粒子为固体稳定剂制备了pH值响应型磁性Pickering Janus乳液，并且提出Pickering乳液的形成，需要将磁性纳米粒子加入到油相中而不是分散在水相中。Wang Guangshuo等[9]将磁性纳米粒子加入到还原氧化石墨烯中，并进一步利用其制备用于磁共振成像和药物传递的磁响应Pickering乳液，实验结果改善了磁共振成像表现以及敏感的持续药物释放行为。Low等[10]成功地以Fe3O4@纤维素纳米晶纳米复合材料为稳定剂制备了磁性Pickering乳剂。磁性纳米粒子与纤维素纳米晶表面的结合增加了纳米复合材料的表面疏水性，从而提高了磁性生物高聚物稳定Pickering乳液的稳定性。

纤维素具有较高的热和机械稳定性，可生物降解性以及对环境的低毒性等优点[11]。从纤维素中可以获得多种不同材料，例如微纤化纤维素、羟乙基纤维素、微晶纤维素和纤维素纳米晶体[12]。Thunnalin等[13]从山竹果皮中提取出微纤化纤维素，研究pH≈7.0时，10%的O/W Pickering乳液性能和稳定性的影响。Veronika等[14]研究了羧基化纤维素纳米晶形成水/油性乳液的影响，发现乳化性能主要受连续相的影响。尽管对于纤维素类材料有较多报道，但是对于磁性纤维素微晶报道较少。

因此，本实验通过制备磁性纤维素微晶颗粒，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外（Fourier transform infrared，FTIR）光谱和视频光学接触角对磁性纤维素微晶复合物进行表征，探究磁性纤维素微晶复合物添加量、油水比及高压均质次数对乳液稳定性的影响。为后续药物递送、乳液界面催化等应用研究提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纤维素微晶（≤25 μm） 国药集团化学试剂有限公司；正己烷 美国Sigma-Aldrich公司；氨水（水中含氨气≥28%）、FeCl2·H2O、FeCl3·6H2O 沈阳试剂化工贸易有限公司；所用化学药品均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AXTD5A台式离心机 盐城市安信实验仪器有限公司；MixPlus旋涡振荡器 合肥艾本森科学仪器有限公司；KQ3200B超声振荡器 昆山市超声仪器有限公司；PHS-3C精密酸度计 上海大营仪器有限公司；FA2204B电子分析天平 山东晨拓科学仪器有限公司；DF-101S磁性搅拌器 金坛区水北盛威实验仪器厂；FJ200-T实验室定时高速分散均质机 韬越（上海）机械科技有限公司；AVP-2000型高压均质机 英国Stansted Fluid Power公司；科研级正置显微成像系统 奥林巴斯（中国）有限公司；SL200L1视频光学接触角测量仪美国科诺工业有限公司；SU8010扫描电子显微镜、H-7650透射电子显微镜 日本日立公司；振动样品磁（VSM,NO.735） 美国Lake-shore公司；NIB610-FL/NIB620-FL倒置荧光显微镜 上海科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 磁性纤维素微晶复合物的制备

参考Chen Xin等[15]的方法并作适当修改。磁性纤维素微晶复合物通过超声辅助原位共沉淀法制备。首先，将0.04 g纤维素微晶在超声波下分散在80 g水中以制备0.05 g/100 mL的纤维素分散体。接下来，将FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O（Fe3+/Fe2+物质的量比为1.5∶1）添加到纤维素分散体中，搅拌并加热到50 ℃。然后，将混合物内添加适量氨水，用pH计调节混合体系的pH值为11。之后，沉淀出所得磁性纤维素微晶复合物，磁力分离并用乙醇洗涤3 次以除去所有残留的氢氧化铵。将收集的磁性微晶复合物以6 000 r/min离心20 min，然后在烤箱中干燥过夜。存储收获的磁性纤维素微晶复合物，用于后续表征。

1.3.1.1 扫描电子显微镜测定

参考Sonam等[16]的方法。取适量样品粉末，利用扫描电子显微镜分析磁性样品的形貌变化。采用日本JEOL公司生产的JSM 6360模型进行扫描电子显微镜观察。

1.3.1.2 透射电子显微镜测定

参考Zheng Tingting等[17]的方法。取适量样品粉末，利用透射电子显微镜观察。将样品置于乙醇中，超声分散5 min，用移液器滴于铜网上，进行透射电子显微镜观察。

1.3.1.3 红外光谱分析

参考Zhang Damin等[18]的方法。在本研究中，采用KBr压片法，具体操作步骤如下：分别取2 mg上述制备的Fe3O4粒子、纤维素微晶以及磁性纤维素微晶粒子和200 mg光谱级的KBr（200 ℃脱水处理24 h）混合碾磨均匀，随后，分别取90 mg混合物在不锈钢模具中压制成约1 mm厚的直径为13 mm的圆片。使用红外光谱仪在室温（25 ℃）于400～4 000 cm-1波数范围内以4 cm-1的分辨率扫描32 次收集样品光谱信息。以空白KBr压片作为参考，消除KBr杂质、水和CO2对光谱结果的影响。整个操作在红外灯下进行并且迅速完成，防止空气中的水汽影响实验结果。

1.3.1.4 三相接触角分析

参考Yang Tao等[19]的方法，并作适当修改。用压片机将制成的固体颗粒进行压片，制备直径13 mm、厚度2 mm的薄膜。使用高精度注射器将一滴水（5 μL）沉积在薄膜的表面上。在通过摄像机从注射器下落之后立即记录液滴图像，并且液滴的轮廓被数值求解并且适合于Laplace-Young方程，可确定其界面张力。每个样品在3个颗粒中的每一个上测量接触角，并对每个颗粒进行3 次测量。

1.3.2 Pickering乳液的制备

参照Galvez-vergara等[20]的方法，以正己烷作为油相，制备乳液并作适当修改。取适量磁性纤维素微晶复合物置于100 mL烧杯中，添加水相pH 8.5的磷酸盐缓冲溶液，添加适量油相，将混合体系经过15 000 r/min均质处理2 min，得到初乳液。再经过高压均质机40 MPa循环不同次数，以形成O/W型Pickering乳液。本实验大致流程如图1所示。

图1 制备磁性纤维素微晶复合物颗粒及其Pickering乳液Fig. 1 Preparation of magnetic cellulose microcrystalline composite particles and their application to stabilize Pickering emulsion

1.3.2.1 磁性纤维素微晶复合物添加量对Pickering乳液的影响

参照1.3.2节方法，分别设置磁性纤维素微晶复合物添加量分别为0.5、1.5、2.5 g/100 mL，添加水相为体积分数80%，油相体积分数为20%，将混合体系经过均质处理，得到初乳液之后，再经过高压均质2 次，以研究磁性纤维素微晶添加量对Pickering乳液的影响。

1.3.2.2 油水比对Pickering乳液的影响

参照1.3.2节方法，磁性纤维素微晶复合物的添加量为1.5 g/100 mL，分别设置不同油水比为4∶6、3∶7、2∶8（V/V），将混合体系经过均质处理，得到初乳液之后，再经过高压均质2 次，以研究油水比对Pickering乳液的影响。

1.3.2.3 均质次数对Pickering乳液的影响

参照1.3.2节方法，磁性纤维素微晶复合物添加量为1.5 g/100 mL，添加水相为70%，油相为30%，将混合体系经过均质处理，得到初乳液之后，循环不同的高压均质次数分别为0、2、4 次，以研究均质次数对Pickering乳液的影响。

1.3.3 Pickering乳液微观结构

参考刘佩等[2]的方法。取Pickering乳液乳化层少量，稀释一定的倍数，分散均匀后取10 μL分散液进行制片，在光学显微镜下观察乳液的微观形貌并拍照分析。

1.3.4 Pickering乳液荧光显微镜分析

使用倒置荧光显微镜在10 倍放大倍数下检查磁性纤维素微晶复合物在油水界面的定位。采用双染色法在pH 8.5条件下制备荧光显微镜用的乳液样品。乳液制备前，将正己烷用尼罗红染色，然后用异硫氰染色水相，观察乳液形态时稀释一定倍数置于载玻片上。

1.3.5 Pickering乳液的重复性

利用振动样品磁强计测定室温条件下（25 ℃）磁性纤维素微晶复合物的直流磁滞回线，施加磁场强度的范围为-15 000～15 000 Oe，从磁滞回线中能得出磁性材料的饱和磁化强度值。将制得的Pickering乳液用磁性进行吸附，此时乳液会发生破乳现象，将磁性纤维素微晶复合物进行回收，测定磁性颗粒的磁化强度值，用于重新稳定Pickering乳液，循环测定乳液粒径和磁性颗粒的磁化强度值。

1.4 数据处理

本实验获取的数据，用3 次重复实验的平均值表示，采用SPSS 16.0软件进行方差分析及多重比较分析，并利用Origin 9.0软件处理实验所得数据及画图。

2 结果与分析

2.1 扫描电子显微镜分析

从图2a可以清晰看出，纤维素微晶呈现出完整的棒状结构，管壁较为光滑，具有良好的长径比。图2b为掺杂Fe3O4纳米粒子的纤维素微晶，可以看出具有明显的形态变化，磁性纤维素微晶复合物表面变得较为粗糙，管壁变得不平整，且磁性纤维素微晶复合物的平均长度约为14.2 μm。

图2 样品的扫描电子显微镜图像Fig. 2 SEM images of the samples

2.2 透射电子显微镜分析

从图3可以看出，纤维素微晶负载前和负载后仍然保持棒状结构，与扫描电子显微镜的结果吻合。由图3c可以看到Fe3O4粒子均匀分布，分散良好，平均粒径为10 nm左右。图3b与3a相比，Fe3O4纳米颗粒均匀地附着在纤维素微晶体表面。

图3 样品的透射电子显微镜图像Fig. 3 TEM images of the samples

2.3 FTIR光谱分析

利用FTIR光谱对磁性纤维素微晶复合物的相互作用进行表征，结果如图4所示。3种粒子在3 404、1 578 cm-1附近均出现了相同的吸收峰，表明粒子上存在—OH基团；此外在图4b和c谱线中的565 cm-1处均出现吸收峰，这归因于Fe3O4颗粒光谱中Fe—O键的伸缩振动[21]，因此可以判断纤维素微晶上成功结合了磁性粒子，这与扫描电子显微镜和透射电子显微镜的结果一致。

图4 样品的FTIR光谱图像Fig. 4 FTIR spectra of the samples

2.4 视频光学接触角分析

固体颗粒的润湿性是制备Pickering乳液的重要标准，因为它控制形成的Pickering乳液类型及其稳定性，并且固体颗粒的润湿性由接触角（θ）的值决定[22]。当接触角小于90°时，表明颗粒是亲水的，易于形成O/W型乳液；当接触角大于90°时，表明颗粒是亲油的，易于形成W/O型乳液；当接触角90°时，此时形成的乳液稳定性最好[23]。因此，开发具有两亲性质或具有适当润湿性的颗粒是配制Pickering乳液最重要步骤之一[24]。合适的润湿性可增强颗粒在水/油界面处的吸附，并随后提供防止乳液液滴聚结的位阻。

如图5所示，Fe3O4的接触角为46.67°，纤维素微晶的接触角为42.48°，磁性纤维素微晶复合物的接触角为69.58°。相对于Fe3O4和纤维素微晶，磁性纤维素微晶复合物的疏水性更强，因为磁性纤维素微晶复合物的水接触角大于Fe3O4和纤维素微晶，这可能是由于Fe3O4和纤维素微晶在共沉淀过程中，纤维素微晶表面的亲水基团（-OH基团）减少导致[25]。因此，磁性纤维素微晶复合物形成稳定乳液的能力更强。

图5 固体颗粒的接触角Fig. 5 Contact angle of solid particles

2.5 磁性纤维素微晶复合物添加量对Pickering乳液稳定性的影响

一般情况下，当粒子浓度过低时无法形成稳定的Pickering乳液，这种乳液稳定一段时间后可能会出现破乳现象。当粒子浓度升高时，Pickering乳液的稳定性提高。因此，颗粒浓度只有适当时才会形成稳定的Pickering乳液。如图6所示，当磁性纤维素微晶复合物添加量为0.5 g/100 mL时，能够形成少量乳液并且粒径分布不均匀。继续提高磁性纤维素微晶复合物用量时，形成的乳液液滴较为均匀，并且粒径基本一致。当磁性纤维素微晶复合物用量过多时，可能是乳液体系浓度过高，导致分散相中的粒子过剩或聚集[26]。综上分析，磁性纤维素微晶复合物添加量为1.5 g/100 mL时，乳液稳定性较好。为比较磁性纤维素微晶复合物和纤维素微晶对Pickering乳液的稳定效果，设置纤维素微晶添加量为1.5 g/100 mL，其他条件保持不变，制备原始纤维素微晶稳定的乳液作为对照样品，结果表明，纯纤维素微晶不能制备出稳定的Pickering乳液。

图6 磁性纤维素微晶复合物添加量对Pickering乳液稳定性的影响Fig. 6 Effect of magnetic cellulose microcrystal addition on the stability of Pickering emulsion

2.6 油水比对Pickering乳液稳定性的影响

如图7所示，当油相体积少时，乳液的粒径较小，随着油水比的增大，即油相体积增加，水相体积减少，乳液的粒径呈现变大的趋势。当油水比为3∶7时，乳液液滴分布均匀，粒径基本一致。但是油水比为4∶6时，乳液液滴尺寸较大，可能是由于油相含量增多时，乳化剂颗粒含量保持不变，所以稳定乳液液滴界面的乳化剂数量相对不足，液滴碰撞频率就会增加，以达到减少界面总面积从而维持稳定的目的，此时乳化剂颗粒会分布在更大乳滴上，所以粒径会越来越大，乳液产生不稳定趋势[27]。因此，选择适宜的油水比为3∶7。为比较不同乳化剂的效果，设置纤维素微晶用量1.5 g/100 mL，油水比3∶7，其他条件保持不变，得到磁性微晶和单纯纤维素微晶的乳液，可以明确看出纤维素微晶稳定的乳液效果略低。

图7 油水比对Pickering乳液稳定性的影响Fig. 7 Effect of oil/water ratio on the stability of Pickering emulsion

2.7 均质次数对Pickering乳液稳定性的影响

高压均质会提高食品的加工效率，还能显著提高乳液体系的稳定性[28]。如图8所示，不同均质次数处理后乳液的平均粒径均低于未进行高压均质的乳液。未经过高压均质的乳液，液滴分布不均匀，且乳液的粒径较大。随着均质次数的增加，乳状液粒径分布向低粒径趋势转移，即乳滴粒径减小，可能是经过高压处理，乳液体系中被输入较多能量导致[29]。均质处理4 次时，乳液粒径有增大的趋势，可能是乳液发生了“过处理”现象，由于高压处理使乳液粒径变小，颗粒之间布朗运动速率加快，增加了相互碰撞的次数，从而破坏界面膜，导致固体颗粒的聚集[30]，所以乳液稳定性降低。所以，均质次数为2 次最佳。为了比较乳化剂的效果，设置纤维素微晶用量1.5 g/100 mL，油水比3∶7，均质次数2 次制备Pickering乳液，与相同条件下磁性纤维素微晶复合物稳定的乳液进行对比，清晰观察到单纯纤维素微晶稳定的乳液效果较差。

图8 均质次数对Pickering乳液稳定性的影响Fig. 8 Effect of number of homogenization cycles on the stability of Pickering emulsion

2.8 Pickering乳液的荧光显微镜分析

为明确Pickering乳液的类型，分别将油相用尼罗红染为红色，水相用异硫氰染为绿色，结果如图9所示。图9a中乳液液滴发出强烈的红色荧光信号，图9b中经染色后水相呈现出绿色荧光信号，乳液液滴外壳为绿色，内部呈现黑色。因此，乳液被确定为O/W型。

图9 Pickering乳液荧光显微图像Fig. 9 Fluorescence microscopic image of Pickering emulsion

2.9 Pickering乳液可重复性分析

磁响应性是磁性可回收型材料最为重要的性能之一，反映磁响应性最为重要的参数是饱和磁化强度。磁性纤维素微晶复合物的磁性能是实现利用磁场控制磁性固体颗粒在乳液中破乳，从而进行快速分离的关键。磁性粒子的饱和磁化强度值越大，磁性分离时间越短，乳液也会快速破乳[31]。如图10a所示，当施加外部磁场时，磁性纤维素微晶复合物会向磁铁周围靠近，表现出典型的磁场刺激响应性。如图10b所示，磁性纤维素微晶复合物颗粒初始饱和磁化强度值为56.8 emu/g，磁性纤维素微晶复合物颗粒经过重复使用5 次后饱和磁化强度值为4.2 emu/g。此时，磁性固体粒子的磁性能过低，不利于乳化剂的分离回收，因此不适合继续使用稳定乳液。

图10 Pickering乳液磁场刺激响应性（a）和磁性固体颗粒重复使用磁性能变化（b）Fig. 10 Pickering emulsions stimulated magnetic field responsiveness (a) and changes in magnetic properties after repeated use of magnetic solid particles (b)

3 结 论

将Fe3O4与纤维素微晶结合成磁性固体颗粒，制得稳定的O/W型Pickering乳液。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜发现，磁性纤维素微晶复合物仍能保持良好的棒状结构，并且纤维素微晶表面明显变的粗糙，Fe3O4粒子附着在纤维素微晶表面；FTIR光谱发现磁性纤维素微晶复合物上出现Fe3O4粒子的特征峰值；视频光学接触角测量得出磁性纤维素微晶复合物的亲水亲油性优于纤维素微晶，因此形成的乳液更加稳定。在最优的条件下制得O/W型Pickering乳液，该乳液表现出磁场刺激响应性，磁性纤维素微晶复合物颗粒可以重复使用5 次。