黄麻基纳米纤维素作为Pickering乳液乳化剂的研究

宋良益，缪夏然*，黄宇营

1.中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800 2.中国科学院上海高等研究院, 上海 201204 3.中国科学院大学, 北京 100049

水包油型(O/W)食品级乳液作为活性化合物以及肠胃吸收油脂的输送载体一直受到关注和研究。但由于适宜的乳化剂数量有限，开发新的食品级乳化稳定剂用于食品乳液的制造就显得尤为重要[1]。其中，由吸附至油水两相界面的固体微粒作为乳化剂的Pickering乳液受到很多关注，但并不是所有颗粒型的乳化剂都适合食品乳液体系[2]。近年来，越来越多的研究者选择以蛋白质、脂质体和多糖等大分子聚集体作为食品级Pickering乳液的稳定剂，因为这些乳化剂具有与食品良好的兼容性以及优秀的乳化能力[3]。开发出原料数量丰富、易得、成本较低的成熟提取方法且具备一定产业规模的乳化剂，是解决目前食品级Pickering乳液更广泛应用的关键。

纤维素是地球上储量最丰富的多糖生物聚合物，多存在于植物细胞的细胞壁中，由于其具有可降解性、无毒性、结构刚性和生物相容性等特点，作为一种具有吸引力的可再生天然原料备受关注[4-5]。黄麻作为一种广泛种植的传统经济作物，其纤维主要由纤维素(72%)、半纤维素(13%)、木质素(13%)和植物蜡等组成。天然的纤维素可以通过机械加工、化学处理和酶水解等方法转化为纳米纤维素[6]，纳米纤维素微纤(CNF)是纳米纤维素的一种，其大小形态各异，一般宽度为2～20 nm，长度为100 nm到几微米，既有结晶区也有无定型区[7]。纳米纤维素不仅保留了天然纤维素所具有的物理特性，也表现出良好的纳米材料特性[8]，因其具有油水两亲性，其中一个重要应用方向就是作为制备食品级Pickering乳液的稳定剂[9]。

CNF作为一种天然来源具备各向异性纤维结构的纳米颗粒，其结构有助于在非常低的质量分数下稳定油水两相界面[10]。另外，作为乳液稳定剂，CNF的长径比和质量分数是影响乳液的稳定性能的重要因素[11]。为了更进一步探究CNF的长径比和质量分数对乳化剂乳化能力及形成乳液的稳定性的作用机制，排除不同纤维素原料及不同CNF制备方法对试验结果的影响，本研究选择了黄麻为原料制备CNF，通过试验过程中对反应条件的控制得到相同晶型、不同长径比和不同质量分数的CNF，并对制备的Pickering乳液进行表征分析。对黄麻基CNF作为Pickering乳液乳化剂的乳化能力和乳化稳定性的作用机制的研究促进了其在相关领域发挥更大的作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄麻：广西龙州强力麻业有限公司；氢氧化钠(纯度97%)、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO，纯度98%)、溴化钠(质量分数99.6%)和无水乙醇：分析纯，中国上海阿拉丁化学试剂有限公司；次氯酸钠(NaClO，质量分数4.00%～4.99%)：Sigma-Aldrich公司；试验用水均为Milli-Q plus化系统(Millipore公司)净化水。食用花生油:市售。

1.2 仪器与设备

同步辐射光源：中科院上海实验平台；Nicolet 6700光谱仪：美国Thermo Fisher公司；TecnaiG2 F20 S-TWIN透射电子显微镜：美国FEI公司；Zetasizer Nano ZS纳米粒度电位仪、Mastersizer 3000激光衍射粒度分析仪：英国Malvern公司；DM2500P偏光显微镜：德国徕卡公司；Ptlatus 2M检测器：Dectris;Zatasizer Nano25纳米颗粒分析仪：Malvern Panalytical。

1.3 方法

1.3.1 碱预处理

将黄麻纤维剪碎并进行烘干处理后在NaOH溶液(质量分数3%)中煮4 h，固液质量比保持在1∶ 60。热碱煮过的黄麻纤维过滤,并用去离子水清洗若干次,然后70 ℃烘24 h。

1.3.2 黄麻基纳米纤维素的可控制备

纳米纤维素的制备主要采用TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应方法。首先将碱煮过的黄麻纤维(1 g)在去离子水中分散搅拌1 h，随后加入NaBr和TEMPO继续搅拌1 h。随着NaClO的加入，反应开始进行，在此过程中需不断添加NaOH稀溶液使pH值稳定在10.6～10.8。反应快结束时，加入无水乙醇并连续搅拌20 min终止此氧化反应。从反应容器中取出氧化后的样品，用去离子水和无水乙醇清洗若干次，获得果冻状的纳米纤维素凝胶。在此氧化反应体系中，通过改变NaClO溶液的用量(10.00、20.00、30.00 g)，分别获得3种不同纳米纤维素样品：CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30。

1.3.3 纳米纤维素Pickering乳液的制备

对氧化获得的CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30纳米纤维素样品进行固含量的测定，并配制出质量分数为0.1%和0.3%的纳米纤维素溶液。然后以相同油相和水相体积比(2∶ 8)向溶液中加入花生油，再用高速分散器混合，获得的乳液密封放置于4 ℃以下备用。

1.3.4 样品表征

对样品进行同步辐射广角X射线散射(SR-WAXS)试验。所使用的X射线波长为0.124 nm，样品到探测器的距离为187.51 mm(校正标样为CeO2单晶粉末)，使用Pilatus 2 M检测器进行数据采集，所有样品的数据采集时间均为60 s。同时利用光谱仪在500～4 000 cm-1对样品进行64次扫描获得FTIR 光谱。利用电子显微镜(TEM)观察合成的CNF的形貌，结合动态激光散射法(DLS)，利用纳米颗粒分析仪测定CNF的粒径分布和平均粒径并与TEM的结果进行对照。借助激光衍射粒度分析仪和偏光显微镜观察不同条件下纳米纤维素乳液中液滴随时间变化的粒径分布与平均粒径，探究其对乳化性能的影响。

1.4 数据处理

采用Fit 2D软件对X射线散射数据进行处理获得一维WAXS积分曲线；采用Omnic 6.1a软件对红外光谱结果进行处理；采用Origin 2019分析数据并制图。

2 结果与分析

2.1 黄麻基纳米纤维素的晶型及形貌

从图1a 可知，样品CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30曲线均显示出纤维素I的典型峰位，在18.2°、22.6°和27.9°显现出3个较强的衍射峰，在13.8°、16.5°有两个较弱的衍射峰，这些峰位分别对应着I型纤维素的(200)、(022)、(004)、(110)和(021)晶面，这与Isogai等[12-13]的研究结果相同。说明去除了大部分杂质并成功提取出纤维素I，且在相同碱处理下，TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应中氧化剂NaClO的用量对纳米纤维素的晶型并无影响。

由图1b可知，3种样品在2 750～3 500 cm-1特征峰区域均存在两个明显的红外吸收峰，与Miao等[14]的研究结果相同。其中相对更宽的3 330～3 360 cm-1吸收峰是由纤维素—OH伸缩振动所造成，而2 915 cm-1附近的吸收峰则源于纤维素C—H伸缩振动。850～1 700 cm-1特征峰区域更多是由黄麻纤维中木质素和半纤维素等非纤维素物质的化学官能团吸收峰所组成。在此区域内，纤维素I的红外吸收特征峰与其他非纤维素物质有区别，据此也可以用1 599、1 411、1 158、1 105、898 cm-1等纤维素I典型吸收峰位来确定纤维素的晶型。在反应过程中，上述一些吸收峰发生了一定的偏移，这是碱处理和氧化反应导致了纤维分子内及分子间氢键的轻微变化，进而影响到化学官能团[7]。图1a、b相互对照说明在碱处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应中，能够有效去除黄麻纤维中非纤维素的杂质，并提取出纤维素I。

图1 3种样品的SR-WAXS曲线和傅里叶变换红外光谱图Fig.1 1D SR-WAXS integral curves and FTIR spectra of three samples

样品CNF3-10、 CNF3-20和CNF3-30的透射电镜图及粒径尺寸分布统计如图2所示。从图2a和图2d可以看出，CNF3-10中的纳米纤维素的平均长度在1 000 nm左右，粒径在5～10 nm范围内。TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应过程将黄麻纤维转化为单个CNF，这种结构形态的变化是由纤维素纤维的C6上的主羟基多重氧化成相应的羧酸基团引起的[15]。随着氧化剂NaClO用量的增加，样品中纳米纤维素的长度呈现减小的趋势，粒径受到的影响较小，长径比由此产生了区别，与Pinto等[16]结果一致。从图2b和图2d中可以看到，CNF3-20样品中的纳米纤维素长度在600 nm左右，而且其粒径分布也更加均一。在图2c和图2d中，CNF3-30的长度集中分布在150 nm左右。这样的现象可能是由于高度氧化的纳米纤维素纤维含有更多的带负电荷的羧酸根基团，导致在水溶液中单个纳米纤维素之间有更强的静电排斥。样品中纤维羧基含量越高，能聚合在一起的微纤维越少，其空穴作用越强，样品粒径就越小，悬浮液的透明度就越高[17]。

注：a、b、c分别为CNF3-10、 CNF3-20、CNF3-30的透射电镜图；d为3种样品的粒径分布。图2 3种样品的透射电镜图及粒径分布Fig.2 TEM images and particle sizes of three samples

综上，通过碱预处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应，可以通过改变NaClO用量，获得晶型完全相同且成分均一，而长度有明显区别的纳米纤维素样品，样品按照长径比从大到小的排序为CNF3-10、CNF3-20、CNF3-30。

2.2 不同长径比纳米纤维素稳定的Pickering乳液乳化稳定性

图3为不同长径比纳米纤维素稳定乳液随时间变化的光学图像，图4是其稳定乳液的粒径分布。从图3a、b、c和图4a、表1可知，随着时间的延长，样品CNF3-10-0.1%稳定的乳液的粒径也在增加，体积平均径(D[4,3])由99.63 μm增加到151.69 μm，粒径分布也变得更不均一，乳析指数(CI)也逐渐增大，图3中乳液在7 d后即由混合好的乳状变成了分层的混合物液体。图3d、e、f和图4b及表1显示样品CNF3-20-0.1%也呈现出类似的趋势，随时间的延长，液滴粒径不断增加，D[4,3]由63.64 μm增加到143.44 μm，乳液宏观上也出现了分层现象。但是可以看到，第7天尚未出现明显分层，直到14 d时，乳液才出现明显分层，CI从3.7%增加到13.1%。而在样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液中，虽然图3g、h、i和图4c、表1显示随时间延长粒径依旧明显变化，但是从图3可以看到，其乳液宏观上并未出现明显分层现象，且CI变化最小，表现出最好的乳液稳定性。

注：a、b、c是样品CNF3-10-0.1%、CNF3-20-0.1%、CNF3-30-0.1%稳定的乳液在1、7、14 d时的粒径分布。图4 3种样品稳定乳液的粒径分布Fig.4 Particle sizes of three samples stabilized emulsions

从图4和表1可知，最大长径比的样品CNF3-10-0.1%具备一定的乳化能力，其混合乳液在第1天时D[4,3]为99.63 μm，但其稳定性很差，油水体系很快出现了分层现象。而在纳米纤维素含量相同的情况下，长径比越小即展现出更好的乳化能力，样品CNF3-20-0.1%、CNF3-30-0.1%稳定的乳液在第1天时D[4,3]分别为63.64 μm和52.79 μm。从CI的变化来看，样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液稳定性是最好的，其样品放置超过14 d依旧未出现分层现象。说明纳米纤维素具备油水两亲性，其微链中既有亲水基团又具有疏水结构，可以替代固体颗粒有效地稳定油水界面[18]。纳米纤维素微纤不同的长径比对于乳液形态有着明显影响：长径比更大的较长微纤其乳化能力较差，形成的乳液液滴粒径更大，短时间内粒径变化也更大，表现出较差的乳液稳定性，这与Qu等[19]的研究结果相同；而长径比较小的短纤维则更易相互连接，使其形成的乳液液滴粒径更小，在一定时间内，粒径变化更细微，展现了更好的乳液稳定性。

注：a、b、c分别是样品CNF3-10-0.1%稳定乳液在1、7、14 d时的光学图像；d、e、f分别是样品CNF3-20-0.1%稳定乳液在1、7、14 d时的光学图像；g、h、i分别是样品CNF3-30-0.1%稳定乳液在1、7、14 d时的光学图像。0.1%为CNF质量分数，图4和表1同。图3 3种样品稳定乳液的光学图像Fig.3 Optical images of the three samples stabilized emulsions

表1 3种样品稳定乳液的D[4,3]和乳析指数Table 1 D[4,3] and creaming index of particle sizes of three samples stabilized emulsions

2.3 不同质量分数纳米纤维素稳定的Pickering乳液的乳化稳定性

图5为不同质量分数纳米纤维素CNF3-20稳定的乳液随时间变化的光学图像，图6为CNF3-20-0.3%液滴的粒径分布。从图5a、d和图4b、图6可以看到，在纳米纤维素长径比相同时，其新鲜乳液的液滴粒径分布和平均粒径差别不大。从表2可知，样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液在第1天时D[4,3]为63.64 μm，样品CNF3-20-0.3%稳定的乳液的D[4,3]为50.06 μm。两种乳液的CI在第1天时分别为3.7%和4.2%，也较为接近。但是从宏观观测来看，质量分数更高的纳米纤维素微纤其乳化效果更好，其乳液质地更为均一，而随时间的变化，当放置7 d时，虽然乳液都未出现分层现象，但从图4b和图6看出，质量分数更高的样品CNF3-20-0.3%的乳液液滴粒径也更小一些，且其粒径分布更加均一。由图5和表2可知：当放置时间超过14 d时，质量分数更低的样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液已经出现明显分层现象，其D[4,3]和乳析指数明显增大；而质量分数更高的样品CNF3-20-0.3%则依旧保持稳定的乳液状态，D[4,3]仅增大到84.48 μm，CI也仅由4.2%增加到7.9%，显示出更好的油水界面稳定性，这与Li等[20]结果一致。在粒径相同的情况下，一定范围内的质量分数增加会使得纳米纤维素微纤对液滴的覆盖率更高，彼此间的静电排斥也更充分，这会使液滴粒径更小，具备更好的乳化能力和乳化稳定性，占水相含量0.3%(乳液的0.09%)的纳米纤维素就已具备相当好的乳化能力和乳化稳定性。但值得注意的是，并不是纳米纤维素质量分数越高就越好，随着纳米纤维素微纤的不断增加，饱和的油水两相界面结构无法容纳更多微纤，其只能不断扩散至水相中，通过局部颗粒间的絮凝或两相界面结构间的桥接，会使得Pickering乳液黏度不断增加直至失去流动性。

注：a、b、c分别是样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液在1、7、14 d时的光学图像；d、e、f分别是样品CNF3-20-0.3%稳定的乳液在1、7、14 d时的光学图像。0.1%和0.3%是CNF质量分数。图5 2种样品稳定乳液的光学图像Fig.5 Optical images of the two samples stabilized emulsions

图6 样品CNF-20-0.3%稳定乳液的粒径分布Fig.6 Particle sizes of CNF-20-0.3% stabilized emulsions

表2 2种样品稳定乳液的D[4,3]和乳析指数Table 2 D[4,3] and creaming index of two samples stabilized emulsions

3 结论

通过碱处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应制备了相同晶型、不同长径比和质量分数的CNF，并通过SR-WAXS、FTIR和TEM等对其晶型结构及形貌尺寸进行表征分析。为探究CNF作为乳化剂的乳化能力，以及其稳定的Pickering乳液的乳化稳定性，并分析讨论其内在机制，制备了基于不同粒径或质量分数CNF的乳液。在CNF用量0.1%时，发现长径比最小的CNF3-30乳化能力最好，乳化稳定性也最好。而在相同长径比CNF3-20中，质量分数更高的CNF3-20-0.3%乳化能力更为优秀，稳定性也更好。说明虽然CNF的两亲性使其能够在油水两相界面上吸附，形成稳定的Pickering乳液。但是微纤的长径比对其乳液形态有着直接影响，进而影响到其乳化能力和稳定性。而在保证乳液流动性的范围内，质量分数的增加使得液滴间的空间网状结构更为稳定，获得更好的乳化能力和乳化稳定性。基于本研究的工作结果，将不同特性的CNF作为替代固体颗粒的Pickering乳液乳化剂，其有望在食品、医药、化妆品及石油回收等领域发挥更大作用。