納米纖維素的制備及其在Pickering乳液中的應用研究進展

張歡，戴宏杰，2，*，陳媛，余永，朱瀚昆，王洪霞，付余，張宇昊，2，*

（1.西南大學食品科學學院，重慶400715；2.軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室，重慶400715）

纖維素由β-1，4-糖苷鍵線性連接的脫水葡萄糖單元組成，是自然界中含量最豐富的天然親水性聚合物，廣泛來源于農業廢棄物如木材、小麥、稻草、棉花和椰子纖維等[1-2]。納米纖維素（nanocellulose，NC）是指直徑在1 nm～100 nm左右的超微細纖維素[3]，從農業廢物中生產納米纖維素可以大大提高這些廢棄物的經濟價值。納米纖維素作為天然聚合物，其同時具有宏觀纖維素及納米材料的優異性能，如可再生、親水性、低熱膨脹系數、可修飾和比表面積大等特征[4]，已成為一種極具發展潛力的功能納米材料。目前常見的納米纖維素制備方法主要有機械處理、酸水解、細菌合成等。

傳統乳液通過表面活性劑進行穩定，而Pickering乳液通過固體顆粒代替乳化劑穩定乳液，具有穩定性好、可調控、環境相容性好和抗奧氏熟化等優勢特點，在食品、醫藥和化妝品等領域具有廣泛的應用前景[5]。目前研究較多的穩定Pickering乳液的固體粒子[6-9]，主要有蛋白質類粒子（如小麥醇溶蛋白、大豆分離蛋白和乳清分離蛋白等）、多糖類粒子（如淀粉、纖維素和殼聚糖等）和無機粒子（如黏土、石墨烯和Fe3O4等）等。其中纖維素由于其天然綠色屬性、來源廣泛以及可再生、可生物降解等優點，引起了學者們的廣泛關注，尤其是具有更精細結構的納米纖維素在穩定Pickering乳液研究中已經展現出良好的應用效果和發展前景[10]。本綜述中主要總結了納米纖維素的制備方法及其在Pickering乳液中的應用研究。

1 納米纖維素的分類及制備方法

1.1 納米纖維素的分類

按照納米纖維素的尺寸、來源以及制備方法差異可將其分為3種類型：微纖化纖維素（microfibrillated cellulose，MFC）、納米微晶纖維素（nanocrystalline cellulose，NCC）以及細菌納米纖維素（bacterial nanocellulose，BNC）[11]，如表 1 所示。

表1 納米纖維素的分類Table 1 Classification of nanocellulose

1.2 納米纖維素的制備方法

1.2.1 NCC的制備

酸水解法：用強酸催化水解破壞纖維素的無定形區，留下結晶區。常用的酸種類主要有硫酸、鹽酸、磷酸及磷鎢酸等。酸水解法制備NCC是目前實驗室研究使用最廣泛的NCC制備方法之一。本課題組戴宏杰等[19]以菠蘿皮渣為原料，通過濃度為64%的硫酸水解分離得到平均直徑（15±5）nm，長度（189±23）nm 的菠蘿皮渣NCC。Kontturi等[20]以棉纖維為原料，采用鹽酸蒸汽水解法制備得到長度為100 nm～300 nm、直徑為7 nm～8 nm的NCC，其得率高達97.4%，此方法對纖維素基質的形態影響小，不會在纖維素表面引入電荷，降解速度快、產量高，但存在成本高的問題。Vanderfleet等[21]以質量分數為75%的磷酸在120℃下水解棉漿纖維素，制備出長度范圍在238 nm～475 nm的NCC，與硫酸水解得到的NCC相比，該研究得到的NCC的熱穩定性顯著改善，且具有可阻燃性，能夠應用于骨架構以促進新骨生長。Lu等[22]以竹漿為原料，通過球磨機械預處理后進一步加入濃度為12.5%的磷鎢酸溶液進行水解-球磨耦合處理，得到了直徑為25 nm～50 nm、長度為200 nm～300 nm的棒狀NCC，結晶度為79.6%，得率高達88.4%。但是酸水解制備NCC的反應步驟比較冗雜且酸使用濃度高，大量的酸和雜質殘留在反應體系中，需多次對水解物進行離心洗滌和透析，增加了處理時間及成本。因此，如何降低酸水解制備NCC時所需的酸濃度是當前的一個研究瓶頸。此外一些學者分別從軟木、硬木和番茄皮等提取的纖維素納米晶的透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）圖像，如圖 1[26]所示，可見因原料來源的不同，制備的纖維素納米晶的形貌雖存在一些明顯的差異，但主要以棒狀為主。

圖1 不同原料來源CNCs的TEM圖像Fig.1 TEM images of CNCs derived

酶解法：采用纖維素酶或者混合纖維素酶催化水解去掉纖維素的無定形區，保留有一定長徑比的結晶區。纖維素酶能夠選擇性地水解纖維素的非結晶區，對纖維素結構的破壞程度比酸水解小。由于纖維素提取原料中通常含有大量木質纖維素，單一纖維素酶很難高效水解，常采用復合纖維素酶制備納米纖維素。酶解法的工藝條件相對溫和、專一性強，但通常需要對纖維素原料進行機械法預處理。此外，酶解的反應條件比較苛刻，對溫度、pH值、酶解底物等都有一定要求，提取時需要嚴格控制條件。Siqueira等[18]以劍麻纖維為原料，利用兩種商業纖維素酶酶解，并結合機械處理制備得到NCC。Teixeira等[13]分別以甘蔗渣、未漂白硫酸鹽紙漿、桉樹全纖維素和純纖維素為原料，通過濕式盤磨處理，然后在混合纖維素酶的酶解作用下獲得直徑4 nm～12 nm，長度為500 nm～1500 nm的納米微晶纖維素。

離子液體法：離子液體是一類在室溫或接近室溫（低于100℃）下呈液態、完全由離子組成的物質[27]。與傳統溶劑相比，離子液體具有不揮發、熱穩定性和化學穩定性高、溶解性好、性能可調、易于分離、易回收和可循環使用等特點，被稱為“綠色溶劑”[28]，是近年來開發出來的纖維素溶解和加工優良溶劑，其中以其為介質制備NCC也有少量報道。Mao等[23]將微晶纖維素與離子液體1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽（[BMIM]HSO4）混合，置于120℃下攪拌處理24 h，獲得的NCC尺寸為：直徑（3.6±1.8）nm，長度（146.8±62）nm，得率為48%。Abushammala等[24]以離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽（[EMIM][OAc]）直接處理木材，成功制備出了表面部分乙酰化的NCC，分離出的NCC為纖維素Ⅰ型，結晶度為75%。楊仁黨等[25]以低強度超聲波輔助氨基酸離子液體處理粉碎后的玉米秸稈，成功制備出直徑為14 nm～284 nm，長度為79 nm～1 286 nm的NCC。本課題組戴宏杰等[29]從菠蘿皮渣提取纖維素，通過離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽（[BMIM]Cl）離子液體預溶脹和低濃度H2SO4（10%）水解耦合制備了再生NCC，其直徑和長度分別為（25±5）nm和（330±28）nm。

除上述提到的制備方式外，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基 （2，2，6，6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）氧化法也越來越多的被用于制備納米纖維素。TEMPO是一種水溶性的穩定硝酰自由基，能夠選擇性的將纖維素的C6伯羥基催化氧化，使其轉化為羧基酯基團[30]。目前研究較多的是TEMPO/NaBr/NaClO和TEMPO/NaClO/NaClO2這兩種體系下氧化纖維素。通過TEMPO介導，能將天然木質纖維素轉化為直徑3 nm～4 nm，長徑比＞150 的納米纖維素[31]。

1.2.2 MFC的制備

MFC的制備過程通常需要預處理（酶促或氧化等）從原料中提取纖維素，再利用高強的機械外力（如高壓均質、微射流、超細研磨等），使纖維素發生切斷和細纖維化作用，分離出具有納米尺寸范圍的MFC。下面主要列舉高壓均質法、微射流法和超細研磨法，這3種方法制備的納米纖維素的原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）圖見圖 2[16，32]。

高壓均質法：高壓均質是利用往復泵將纖維素漿料懸浮液不斷泵入一個狹小的空間中，形成空穴效應和高速沖擊，懸浮液在此過程中產生撞擊、空穴、剪切和湍流渦旋作用，從而達到超微細化纖維素的目的，再經反復循環可制得MFC。HABIBI等[14]以漂白仙人掌皮漿為原料，在壓力50 MPa，溫度低于95℃時采用高壓均質循環15次，可制得直徑2 nm～5 nm的MFC。當前影響均質化制備MFC的主要障礙是高能耗。在均質前進行纖維素的純化和一定程度的細化處理可降低高壓均質的能耗。同時研究者發現使用長纖維時容易造成堵塞，這也是均質化有待解決的一個問題。

微射流法：微射流技術是在高壓下把纖維素漿料懸浮溶液泵入一個直徑在0.2 mm～0.4 mm的Z型管道中，由于漿料懸浮液在Z型管道中受到高速剪切和巨大撞擊力，經過多次重復后即可制得MFC。一般來講，微射流處理過程中物料質量分數范圍為0.7%～1.8%，壓力范圍為 69 MPa～207 MPa[33]。Ferrer等[15]采用微射流技術將棕櫚果束纖維解構成納米原纖化纖維素，并通過使用超壓裝置制造納米紙。該研究表明：以微射流處理棕櫚果束纖維紙漿獲得的MFC，纖維形態均一，且比從漂白木纖維獲得的典型MFC性能更加優良。該研究還發現當纖維在沒有任何預處理的情況下直接懸浮在水中時，所得懸浮液會完全堵塞微流化器并防止原纖化。Lavoine等[34]指出微射流技術制備納米纖維素時存在循環次數較多、能耗過高等問題，現階段在工業化規模生產應用方面仍需要進一步研究。

超細研磨法：超細研磨法的原理是利用磨砂輪旋轉產生高強剪切力，打破纖維原料的細胞壁結構和氫鍵連接，從而實現纖維原料的微纖化及分離單根纖維的目的。通常超細研磨過程中物料質量分數在5%～10%左右[35]，研磨機轉數控制在150 r/min～2 500 r/min左右，循環次數在1次～10次左右。Hassan等[16]利用超細研磨法與高壓均質技術聯用處理稻草漿和蔗渣漿制備得到MFC。其中超細研磨處理能夠起到纖維分絲的作用，而高壓均質處理能夠使纖維尺寸變得更加均一和細小。類似地，超細研磨也存在制備時間長、能耗過多的問題。

圖2 高壓均質、微射流、超細研磨制備的納米纖維素AFM圖像Fig.2 AFM image of nanocellulose prepared by high pressure homogenization，microfluidic and ultrafine grinding

1.2.3 BNC的制備

BNC是由特定種類的細菌微生物在一定條件下生物誘導合成的納米纖維素，目前已知合成纖維素能力最強的微生物菌株是木醋桿菌（Acetobacter xylinum）。Paximada等[36]通過在Hestrin和Schramm液體培養基中30℃和100 r/min～120 r/min下培養微生物2 d來制備細菌納米纖維素，同時研究了不同時間間隔（未超聲和超聲1、3、5 min）的超聲處理對BNC懸浮液的影響，見圖3。

如圖3所示，超聲對BNC的團聚具有明顯的改善作用。BNC作為納米纖維素的其中一種，其具有較高的結晶度、化學純度和強持水能力，但其制備周期長，制備條件苛刻，目前還無法在工業上進行大規模生產及應用，研究BNC的高效制備仍是該領域的熱點問題之一。

圖3 未處理和超聲1、3、5 min后的BCN的TEM圖和平均寬度Fig.3 TEM images and the width of the untreated BCN and ultrasonicated BCN at different time（1，3，5 min）

2 納米纖維素在Pickering乳液中的應用

2.1 天然納米纖維素穩定的Pickering乳液

天然納米纖維素具有兩親性和納米級尺寸，可以用于作為天然綠色穩定劑來構建Pickering乳液。Kasiri等[37]通過酸水解從開心果殼中分離NCC，并以NCC為穩定劑，加入玉米油（最終乳液的10%），采用超聲均質得到Pickering乳液。將NCC濃度從0.1%提高到1.5%，乳液的耐高溫及儲存穩定性得到明顯提高。天然納米纖維素構建的Pickering乳液的穩定性同時受到納米纖維素的電荷和尺寸的影響。Cherhal等[38]采用58 wt%硫酸溶液水解棉絨制備纖維素納米晶（cellulose nanocrystals，CNCs），而后通過油/水相比為10/90、20/80和30/70制備含各種濃度的CNCs分散體的3 mL乳液，并在相同條件下比較硫化和脫硫的CNCs的制備的乳液。在NaCl存在下CNCs穩定的Pickering乳液界面處的CNCs層厚度為7 nm，同時CNCs濃度不會影響CNCs層厚度，但會增加CNCs層的致密度，使乳液具有更好的抗聚結性能。而相同條件下中性CNCs（去硫酸酯化）穩定的Pickering乳液界面處的CNCs層厚度增加至18 nm，且由于CNCs大聚集體的存在呈現出多孔和不均勻的界面結構。Kalashnikova等[39]研究了不同縱橫比CNCs穩定的十二烷乳液（油/水比：30/70），如圖 4所示。

在掃描電子顯微鏡（scanning electron micros cope，SEM）下觀察到短縱橫比（13）的CNCs能均勻吸附在乳滴表面，達到100%的覆蓋率。雖然高縱橫比（160）的CNCs在乳滴表面僅能形成40%的覆蓋率，但乳滴表面之間能夠通過CNCs的氫鍵作用相互連接，也形成了乳滴之間相互纏結的穩定乳液體系。Kalashnikova等[40]還研究了通過后硫酸化或脫硫處理調節硫酸水解制備的棉絨CNCs的表面電荷密度，當電荷密度大于0.03 e/nm2時，位于乳液油/水界面（油/水比：30/70）的CNCs之間具有強靜電排斥作用，不能有效地穩定油滴形成乳液；而降低CNCs的表面電荷密度（低于0.03 e/nm2）則能夠獲得穩定的Pickering乳液。

圖4 不同長度的納米纖維素形成的乳液示意圖Fig.4 Schematic diagram of emulsions formed from different lengths of nanocellulose

2.2 改性納米纖維素穩定的Pickering乳液

天然納米纖維素由于強親水性而限制了其在Pickering乳液中的應用，通過改性可調節納米纖維素的親/疏水性，改善其乳化性能。常見的納米纖維素改性手段包括表面活性劑吸附、TEMPO氧化、醚化、胺化、酯化、硅烷化和聚合物接枝改性等。Chen等[41]首次報道了利用食品級辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）對納米纖維素進行簡單的表面改性可以很容易地制造具有微小液滴的穩定和凝膠狀的Pickering高內相乳液，其中油相體積為80%，其乳液制備過程如圖5所示。

因OSA加入的改性發生在相應的酸酐和CNCs的表面羥基之間，能顯著增加表面疏水性。Hu等[42]通過陽離子表面活性劑二癸基二甲基溴化銨（didodecyldimethylammonium bromide，DMAB）和十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）吸附在CNCs表面上調節其疏水性，加入50%的油相制備乳液，隨著CNCs吸附DMAB量的增加，其穩定的Pickering乳液出現了雙過渡相轉化（O/W→W/O→O/W），而吸附CTAB的CNCs穩定的Pickering乳液沒有出現相轉化現象。

圖5 辛烯基琥珀酸酐改性的納米纖維素穩定的凝膠狀Pickering乳液Fig.5 Gelatinous Pickering emulsion stabilized by octenyl succinic anhydride

2.3 功能性摻雜納米纖維素穩定的Pickering乳液

越來越多的研究表明，在納米纖維素穩定的Pickering乳液制備過程中添加其它生物聚合物（如殼聚糖、蛋白質、果膠）和無機粒子（如Fe3O4、氧化石墨烯等）[43-44]可以豐富Pickering乳液的功能性。Zhu等[45]使用 Fe3O4和CNCs穩定W1/O/W2型 Pickering乳液，并成功制備多重空心磁性印跡微球。在W1/O/W2乳液中，使用疏水性的Fe3O4納米顆粒穩定油（W1/O）液滴中的內部水，通過酸水解棉短絨制備的NCC作為外部O/W2界面上的穩定劑。其制備的磁性印跡微球吸附劑具有熱穩定性（低于250℃）和足夠的磁敏感度（0.46 emu/g），其對聯苯菊酯具有良好的選擇性吸附能力。Liu等[43]使用牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）覆蓋的CNCs作為有效穩定劑制備水包油型Pickering高內相乳液，大體流程如圖6所示。

圖6 由牛血清蛋白覆蓋的纖維素納米晶穩定的Pickering高內相乳液Fig.6 Pickering high internal phase emulsions stabilized by protein-covered cellulose nanocrystals

該研究發現少量的BSA（0.01%～0.1%）就能覆蓋0.5%的CNCs，以其作為乳化劑產生非常穩定的凝膠狀Pickering高內相乳液。試驗結果還表明，Pickering高內相乳液的性質如剛度和微觀結構可通過改變BSA對CNCs的表面覆蓋率或通過改變BSA覆蓋的CNC顆粒的濃度來調節。

3 納米纖維素穩定的Pickering乳液的應用

3.1 在藥物遞送中的應用

納米纖維素穩定的Pickering乳液的結構穩定性、生物相容性以及改性賦予的智能響應特性（pH值、溫度和磁敏感性等）使其在藥物遞送中具有重要研究意義[46]。Liang等[47]研究了超聲波輔助原位共沉淀法制備的Fe3O4-纖維素納米晶體（Fe3O4-cellulose nanocrystals，MCNC）納米復合材料穩定的水包棕櫚油型Pickering乳液。合成的MCNC納米復合材料成功地穩定了Pickering乳液，同時構建的乳液具有雙重響應性能（磁性響應和pH值響應性），可作為新一代智能納米治療載體，具有生物醫學和藥物輸送的潛力。Paukkonen等[48]利用來自里氏木霉的II類疏水蛋白作為表面活性劑，納米原纖化纖維素（NFC）用作黏度調節劑以進一步穩定乳液。通過制配該藥物乳液制劑，研究HFBII和NFC穩定的乳液對萘普生和布洛芬藥物釋放的影響，結果表明用低濃度的HFBII和NFC不僅實現乳液的穩定化，且含有HFBII和NFC的制劑被證明在控制藥物釋放速率方面是有效的，可用作藥物緩釋或快速釋放應用中的乳液穩定劑。Ngwabebhoh等[49]制備并優化了胺化纖維素納米顆粒穩定的Pickering乳液，并將香豆素和姜黃素包封在該乳液中并保持穩定。該乳液系統在預期治療中具有良好的生物利用度，顯示出優異抗癌和抗菌作用，尤其對革蘭氏陰性及陽性菌體現高抑制效率。同時以姜黃素和香豆素負載的Pickering乳液可以是用作抗微生物和抗癌靶向部位的藥物系統的有效材料。

3.2 在食品工程中的應用

由食品級的納米纖維素穩定的Pickering乳液也具有食品應用的潛力。Winuprasith等[50]以食品工業的廢產物山竹（Garcinia mangostana L.）為原料，采用過氧化氫及高壓均化器進行漂白、剪切提取納米原纖化纖維素（NFC），并用NFC穩定的水包油型Pickering乳液研究對維生素D3的包封及遞送作用的影響。同時利用模擬胃腸道模型研究NFC對脂質消化和維生素生物可接受性的影響，結果表明使用較低濃度的NFC，對脂質消化和維生素生物可接受性具有較小影響。這些信息都有助于從天然廢物產品如山竹果皮中合理設計功能性食品。此外，因在食品應用中大多需要低油體積分數的水包油乳液，而未改性的NCC穩定的Pickering乳液存在存儲不穩定性，若以化學改性或使用非天然成分結合NCC穩定的乳液則不適于在食品級產品中的應用。Bai等[51]研究了天然CNF在NCC穩定的Pickering乳液中的空位穩定作用，以期為綠色可食用的Pickering乳液開辟道路，通過添加CNF使得吸附在油/水界面處的NCC的低油相Pickering乳液得到穩定，同時利用兩種納米纖維素的協同作用來制備綠色天然的乳液。此項研究提出了使用CNF誘發的空位相互作用機理，可增強CNC在低油濃度（1.0%）Pickering乳液中的穩定性。

3.3 在材料工程中的應用

在Pickering乳液的基礎上，通過模板法制備多孔材料也受到越來越多的關注，其中以納米纖維素穩定的Pickering乳液制備綠色環境友好型高分子材料是目前研究的熱點。這其中包括納米填料、納米復合泡沫、液芯膠囊和聚電解質薄膜等[52]。Steven等[53]報道了一種新型的泡沫，在制備出乳液后，通過控制乳液中的油相用量來控制液滴的尺寸，從而控制泡沫的孔徑，并通過調整固體粒子來調整泡沫壁厚及強度。Blake等[54]使用改性大豆油作為油相形成W/O型高內相乳液（high internal phase emulsions，HIPE），并以疏水改性后的細菌纖維素納米原纖維穩定乳液，成功制備了多孔且完全可再生的納米纖維素/聚合物復合泡沫，其孔隙率高達76%。Svagan等[55]從木漿中分離制備短纖維素納米纖維（＜1 μm，NFC）和 CNC 混合物，利用在 Pickering乳液液滴的O/W界面處的加聚反應成功地制備了NFC/CNC殼膠囊。其機械性能顯示，在17 wt%NFC/CNC的負載下，有效膠囊彈性模量為4.8 GPa，比以前報道的再生纖維素膠囊高3個數量級（0.007 4 GPa），不僅納米纖維素層的彈性模量增加，并且該液芯膠囊的結構穩定性也得到明顯的增強。

4 總結及展望

纖維素提取原料來源豐富、價格低廉，可通過酸解法、酶解法、TEMPO氧化法、離子液體法和機械法制備納米纖維素。其中酸水解雖耗時較短，但存在酸使用量大、污染環境的問題，在降低酸濃度的同時仍能獲得大量納米纖維素值得深入研究。以高壓均質，微射流技術和超細研磨為代表的機械處理法雖然較為綠色，但存在能耗大、耗時久的問題。離子液體法作為一種“綠色溶劑”在溶脹纖維素及制備納米纖維素方面有著很好的應用前景，但機理尚不明確。在納米纖維素制備過程中，通過各種方法的耦合處理或許能夠取長補短，獲得優異效果。

納米纖維素穩定的Pickering乳液的穩定性及生物相容性在食品藥品及納米材料的應用中展現了巨大的優勢。但由于納米纖維素強親水性而只能制備O/W型乳液，目前的改性方法大多限制了其在食品領域中的應用，因此尋找高效、綠色的納米纖維素修飾改性方法是拓寬其在Pickering乳液應用中的必備條件。鑒于Pickering乳液獨特的結構，也可制造組織良好的基于納米纖維素的聚合物復合高分子材料，如多孔納米材料，薄膜，泡沫等。此外也有功能性聚合物與納米纖維素共同應用于Pickering乳液，能夠實現在其它領域的研究，比如在藥物傳送、營養輸送等方面。同時，納米纖維素作為天然納米粒子，應充分利用其環境友好的優點，尤其是針對可食用原料中的納米纖維素，采用不同溶液體系，將Pickering乳液的特點與（改性）納米纖維素結合，制備出更多具有優良特性的新型皮克林乳液基材料，為食品和生物醫學及材料工程的應用開辟新的創新途徑。