白果殼纖維素納米絲（CNFs）的制備及其在Pickering中的應(yīng)用

范柳萍，倪 洋，段 慧，李進偉

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，無錫 214122）

乳液是一種或多種液體以液滴形式分散在另一種與之不相溶的液體中形成的分散體系[1]。相較于表面活性劑穩(wěn)定的傳統(tǒng)乳液，由固體顆粒穩(wěn)定的 Pickering乳液展現(xiàn)出更好的貯藏穩(wěn)定性，抗聚集，抗絮凝，可調(diào)控等特點[2-3]。近年來，Pickering乳液在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，不僅因為其出色的穩(wěn)定性，還因為生物基固體顆粒的廣泛開發(fā)。這些生物基固體顆粒，包括蛋白、淀粉、纖維素、殼聚糖等等，賦予Pickering乳液更好的生物安全性和環(huán)境相容性，使得乳液具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為最常用的生物聚合物之一，纖維素因其非常豐富的來源，低成本，生物可降解性和生物相容性等特點已成為食品級Pickering乳化穩(wěn)定劑的良好候選物。目前，具有納米尺寸的納米纖維素受到廣泛的關(guān)注，根據(jù)納米纖維素的尺寸、形態(tài)和制備方法，其主要分為三種：纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNCs）、纖維素納米絲（cellulose nanofibrils，CNFs）和細菌納米纖維素（bacterial nanocellulose，BNC）[4-6]。已經(jīng)有很多研究人員利用農(nóng)林廢料制備出納米纖維素，比如菠蘿葉[7]，棕櫚樹[8]，米糠[9]，開心果殼[10]等。這些納米纖維素可以有效穩(wěn)定Pickering乳液，其穩(wěn)定機制為納米纖維素不可逆地吸附在油水界面處，形成致密的界面膜，將油相包裹在內(nèi)部，同時結(jié)合空間位阻效應(yīng)，阻止液滴之間相互絮凝和聚集[11]。

但需要注意的是，目前有關(guān)納米纖維素制備和應(yīng)用的研究重點主要集中在 CNCs上，CNFs的研究相對較少。相較于酸水解制備的 CNCs，CNFs無需水解通過機械處理即可制備[5]。這種物理加工方法也有利于保護環(huán)境。另外，我國是第一大白果生產(chǎn)國，每年有大量白果被消耗，隨之產(chǎn)生了大量白果殼廢料。從果殼廢物中生產(chǎn)納米纖維素可以大大提高這些廢棄物的經(jīng)濟價值。因此，本研究以白果殼纖維素為原料，通過高壓均質(zhì)制備CNFs，并研究其在Pickering乳液中的應(yīng)用，為果殼廢棄物的利用提供一定的方法。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

白果，去除果仁得到白果殼：江蘇泰州；氫氧化鈉、亞氯酸鈉、乙酸，均為分析純：國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

AH-2010型高壓均質(zhì)機：安拓思納米技術(shù)（蘇州）有限公司；多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀：美國布魯克海文儀器公司；原子力顯微鏡：德國布魯克公司；傅里葉紅外光譜儀（FTIR）：美國 Nicolet公司；X-ray衍射儀（X-ray）：德國布魯克AXS有限公司；S3500激光粒度分析儀：美國Microtrac公司；Axio Vert A1倒置熒光顯微鏡：德國蔡司公司；T18高速勻漿機：美國IKA公司；OCA15光學(xué)接觸角測量儀：德國Dataphysics公司。

1.2 白果殼CNFs的制備

按照Ni等[2]的方法對白果殼進行純化處理。將粉碎的白果殼和 4%的氫氧化鈉溶液按照料液比1∶25（w/v）的比例混合，在90 ℃水浴下加熱2 h，隨后過濾去除氫氧化鈉溶液，用去離子水洗滌。此過程重復(fù) 2次，在 50 ℃條件下熱風(fēng)干燥。隨后將干燥的纖維素按照料液比1∶25（w/v）的比例與漂洗液（每100 mL漂洗液中含有1.5 g亞氯酸鈉，2.5 g氫氧化鈉和8 mL乙酸）混合，在80 ℃水浴下加熱2 h，過濾去除漂洗液。此過程重復(fù)2次，用去離子水反復(fù)清洗至纖維素懸浮液的pH至中性。

采用高壓均質(zhì)進一步處理純化后的纖維素顆粒。取4份100 mL的0.3%（w/v）的纖維素懸浮液置于高壓均質(zhì)機中，均質(zhì)壓力分別調(diào)節(jié)為10、30、50和70 MPa，處理過后得到的CNFs依次記為 CNFs-10，CNFs-30，CNFs-50，CNFs-70。

1.3 CNFs的性質(zhì)表征

1.3.1 顆粒尺寸和電位

纖維素懸浮液稀釋100倍，采用多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀測量CNFs顆粒的尺寸和電位。

1.3.2 CNFs形態(tài)

采用原子力顯微鏡觀察CNFs顆粒的形態(tài)[2]。懸浮液濃度稀釋至0.003%（w/v），隨后取10 μL稀釋的懸浮液小心滴在云母片上，室溫下干燥。干燥的云母片放置于設(shè)備中進行觀察顆粒形態(tài)。Bruker Dimension Fast Scan AFM軟件進行樣品分析。

1.3.3 FTIR和X-ray測量

FTIR和X-ray用于觀察不同均質(zhì)壓力得到的CNFs的化學(xué)基團和結(jié)晶度的差異。干燥的CNFs顆粒粉末和溴化鉀按照1∶50的比例進行壓片。FTIR的掃描波長范圍4 000～400 cm–1。X-ray測量的 2θ 范圍 3°到 50°（1 °/min）。纖維素結(jié)晶度根據(jù)公式（1）計算：

1.3.4 顆粒靜水接觸角

CNFs的靜水接觸角按照 Li等[12]的方法。CNFs懸浮液干燥成薄膜，將薄膜鋪平在光學(xué)接觸角儀器測量平臺上，緩慢低落2 μL的去離子水到薄膜上，平衡2 min后，采用高速攝像頭進行照片采集，并用OCA15軟件進行數(shù)據(jù)處理。

1.4 Pickering乳液的制備

參照Ni等[2]的方法制備乳液。將CNFs懸浮液稀釋至0.3%（w/v），隨后按照V（油）∶V（水）=20∶80的比例將油相和水相進行混合，制備乳液。高速勻漿機以10 000 r/min的速率處理混合體系2 min得到粗乳液，隨后高壓均質(zhì)機進一步處理粗乳液（30 MPa，循環(huán)2次）得到Pickering乳液。

1.5 乳液性質(zhì)表征

1.5.1 乳液粒徑尺寸和粒徑分布

乳液的粒徑尺寸和粒徑分布采用激光粒度分析儀進行測定。乳滴的折射率設(shè)置為 1.49。乳液樣品用去離子水進行分散，每個樣品測量3次。

1.5.2 乳液微觀結(jié)構(gòu)

采用倒置顯微鏡對乳液微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。乳液用去離子水稀釋10倍，隨后吸取20 μL的樣品，仔細滴在載玻片上，輕輕蓋上蓋玻片進行觀察。

1.5.3 乳液離心穩(wěn)定性

參照Ni等[2]的方法測量乳液離心穩(wěn)定性。吸取5 mL乳液加入到離心管中，在10 000 r/min轉(zhuǎn)速下室溫離心10 min，考察乳液離心穩(wěn)定性。

1.5.4 乳液儲藏穩(wěn)定性

將制備好的乳液裝入樣品瓶中，蓋好瓶蓋，在25 ℃環(huán)境中，放置3個月。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

各組實驗重復(fù)3次，采用SPSS18.0進行統(tǒng)計分析，Origin 9.0軟件進行作圖處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNFs的尺寸和形態(tài)

不同均質(zhì)壓力分別得到的 CNFs尺寸和形態(tài)見表1和圖1。由表1可知，對照樣品（純化后的纖維素）經(jīng)過高壓均質(zhì)處理后，纖維素顆粒尺寸顯著下降，并且所得到的纖維素展現(xiàn)出絲狀形態(tài)（圖1）。相似的絲狀CNFs形態(tài)也出現(xiàn)在香蕉皮[13]、檳榔皮[14]和麥秸纖維[15]等研究中。隨著均質(zhì)壓力的提高，CNFs的長度從11 450 nm降低至5 987 nm，直徑也從78 nm減少到47 nm。這種尺寸的變化清晰的展示在圖1中，CNFs-10展現(xiàn)出長、粗的絲狀形態(tài)，當(dāng)均質(zhì)壓力提高，CNFs逐漸變短變細。這意味著提高均質(zhì)壓力可以有效降低CNFs尺寸。不同于 CNCs，CNFs是一種由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)交替排列而成的長而柔韌的納米纖維素纖維[5]。因此，在高壓、高速剪切和激烈的湍流作用下，部分結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)會發(fā)生斷裂，使得纖維素尺寸發(fā)生變化。相對于直徑的變化，纖維素長度受均質(zhì)壓力的影響更大。但是當(dāng)均質(zhì)壓力超過50 MPa，CNFs的尺寸變化相對小很多。此外，不同均質(zhì)壓力得到的 CNFs懸浮液的電位也存在著差異。CNFs-50和CNFs-70的電位絕對值顯著高于CNFs-10和CNFs-30的電位，這可能是因為更高的均質(zhì)壓力造成更多結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的斷裂，從而暴露更多的陰離子基團[13]。Costa，等[13]和 Ni等[2]也報道了高壓均質(zhì)會引起纖維素懸浮液電位的降低。

圖1 CNFs顆粒形態(tài)Fig.1 The morphology of different CNFs

2.2 CNFs的FTIR和X-ray

FTIR用于觀察不同CNFs之間功能基團的變化。圖2中，所有樣品在3 400～3 300 cm–1和1 630～1 640 cm–1處都有寬吸收峰，它們分別對應(yīng)羥基的拉伸振動和彎曲振動。2 920 cm–1處的峰是由C-H脂肪鍵的拉伸引起的。在所有樣品中也都能看到1 029.21 cm–1處的寬峰，其對應(yīng)的是C-O-C吡喃糖環(huán)骨架振動。值得注意的是，相比白果殼原料的光譜，純化后的白果殼光譜中1 735 cm–1、1 500 cm–1、1 270 cm–1三個峰幾乎消失。1 735 cm–1峰的出現(xiàn)歸因于白果殼中半纖維素和木質(zhì)素組分中羰基、酯基和乙酰基中C=O鍵的拉伸特性[16]。1 500 cm–1峰歸因于木質(zhì)素芳香環(huán)中的C=C鍵。1 270 cm–1與木質(zhì)素中芳基的C-O伸縮有關(guān)[17]。結(jié)果說明，白果殼的純化過程可以有效去除殼中的半纖維素和木質(zhì)素。但是，純化后的纖維素的光譜和CNFs光譜之間沒有差異，并且不同CNFs之間也沒有峰的消失或增加，說明高壓均質(zhì)處理對纖維素的功能基團沒有影響。結(jié)果跟前人的研究一致[2,13]。

圖2 CNFs的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of raw ginkgo seed shells and CNFs

X-ray衍射用于探究高壓均質(zhì)對于CNFs結(jié)晶度的影響。表1展示了不同CNFs顆粒的結(jié)晶度值。很明顯，隨著均質(zhì)壓力的增加，所得到的CNFs的結(jié)晶度值顯著下降。相較于純化后的纖維素（47%），CNFs-70的結(jié)晶度值（33%）下降了14%。Winuprasith等[18]在制備山竹殼微纖化纖維素（MFCs）過程中，也發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)處理會降低MFCs的結(jié)晶度。結(jié)晶度的降低可能因為高壓均質(zhì)使得纖維素分子間的氫鍵被破壞，導(dǎo)致纖維素中的部分晶體結(jié)構(gòu)崩潰[18]。

表1 不同均質(zhì)壓力得到的CNFs的物理性質(zhì)Table 1 The physical properties of CNFs under different homogenization pressure

2.3 CNFs的靜水接觸角

靜水接觸角有助于揭示CNFs疏水性的變化。圖3展示了不同CNFs的靜水接觸角，可以發(fā)現(xiàn)越高壓力制備的 CNFs具有越大的靜水接觸角。CNFs-10的靜水接觸角僅僅為20.4°，意味著其具有相對強的親水性。當(dāng)均質(zhì)壓力增加到70 MPa，CNFs-70的靜水接觸角增加到36.4°，說明纖維素顆粒的疏水性提高。Costa等[13]也報道了相似的現(xiàn)象，高壓均質(zhì)處理后，香蕉皮 CNFs的疏水性增加。前人研究發(fā)現(xiàn)，纖維素納米晶體的疏水性跟其疏水(200)β晶體邊緣有著密切的關(guān)系[19-20]。在油/水體系中，這個(200)β疏水晶體邊緣對于納米纖維素的潤濕性起到非常重要的作用，會直接與油界面相互作用，使得納米纖維素吸附在油/水界面。但是(200)β疏水晶面通常位于纖維素晶體的角落，更多親水晶面處在纖維素表面[20]。均質(zhì)處理過程會導(dǎo)致纖維素斷裂，并且結(jié)晶區(qū)域會受到影響，可能導(dǎo)致更多的(200)β疏水晶面暴露。因此，纖維素的疏水性得到提高。

圖3 不同CNFs的靜水接觸角Fig.3 The static water contact angles of different CNFs

2.4 CNFs穩(wěn)定的Pickering乳液

2.4.1 乳液粒徑大小和粒徑分布

圖 4顯示的是乳液的粒徑分布，可以看出所有乳液呈現(xiàn)雙峰分布。其中大峰應(yīng)該歸因于乳液中的乳滴，小峰應(yīng)該是未吸附的CNFs顆粒。Du等[21]利用疏水改性CNCs制備Pickering乳液也發(fā)現(xiàn)了相似的雙峰乳液粒徑分布。從小峰的變化可以看出，隨著均質(zhì)壓力的提高，小峰占比以及尺寸逐漸變小，意味著未吸附的 CNFs顆粒數(shù)量和尺寸都變小。另外，更高壓力制備的 CNFs穩(wěn)定的乳液的高峰逐漸從大尺寸位置向小尺寸位置移動，并且乳滴尺寸從 50.41 μm（CNFs-10）下降到30.20 μm（CNFs-70）。乳液的微觀結(jié)構(gòu)（圖5）也清晰證明了乳液尺寸的降低，CNFs-70的乳滴尺寸明顯小于CNFs-10。這說明CNFs-70具有更好的乳化性質(zhì)。CNFs顆粒乳液性質(zhì)的提高可能歸因于顆粒尺寸的減小和疏水性的提高[22]。相對于大顆粒，小尺寸的顆粒更容易吸附在油水界面由于其更低的吸附能障礙[23]。增加的疏水性也進一步促進 CNFs吸附到油水界面。結(jié)果跟 Ni等[24]的報道一致。

圖4 CNFs穩(wěn)定乳液的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of emulsions stabilized by CNFs

圖5 CNFs穩(wěn)定乳液的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 The microstructure of emulsions stabilized CNFs

2.4.2 乳液穩(wěn)定性

圖 6分別展示乳液的離心穩(wěn)定性（圖 6-A）和儲藏穩(wěn)定性（圖6-B）。從圖6-A中可以看出，乳液離心后分為三相，最上層的油相，中層的乳液相和下層的水相，但是不同 CNFs穩(wěn)定的乳液的相厚度有著明顯的差異。CNFs-10乳液離心后，油相和水相幾乎完全分離，僅僅一層薄薄的乳液層，說明CNFs-10具有較差的乳化性質(zhì)，其形成的乳液很容易被破壞。CNFs-30乳液離心后，最上層的油相明顯減少，乳液相也明顯增加，意味著CNFs-30具有比CNFs-10更強的乳化性質(zhì)，乳液不易被破壞。而CNFs-70乳液離心后，其展現(xiàn)出最少的油相，最高的乳液相，意味著 CNFs-70具有最好的乳化性質(zhì)。結(jié)果跟乳液尺寸結(jié)果一致。圖7-B顯示的是貯藏3個月后的乳液，很明顯，CNFs-10乳液已經(jīng)不穩(wěn)定，而其余三種乳液仍然具有較好的穩(wěn)定性，表2中的乳液粒徑在貯藏前后的變化也證實 CNFs-30，CNFs-50和 CNFs-70乳液具有較好的穩(wěn)定性，尤其是CNFs-70乳液。這些結(jié)果意味著從白果殼中制備的 CNFs可以有效穩(wěn)定Pickering乳液。

圖6 CNFs乳液離心穩(wěn)定性（A）和儲藏穩(wěn)定性（B）Fig.6 The centrifugation stability (A) and storage stability (B) of CNFs stabilized emulsions

表2 乳液貯藏前后的尺寸Table 2 The droplet size of emulsions before and after storage μm

3 結(jié)論

本文以白果殼為原料，通過調(diào)節(jié)均質(zhì)壓力10～70 MPa制備不同尺寸的 CNFs，并對這些 CNFs進行表征。結(jié)果表明，CNFs呈現(xiàn)絲狀形態(tài)，均質(zhì)壓力對于 CNFs的物理性質(zhì)有顯著影響，當(dāng)均質(zhì)壓力從10 MPa增加到70 MPa，CNFs長度從11 450 nm降低到 5 787 nm，懸浮液電位從–13.6 mV下降到–27.6 mV，結(jié)晶度從47.84下降到33.11，并且CNFs的疏水性提高。Pickering乳液的穩(wěn)定性跟 CNFs的物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系，CNFs-10制備的乳液展現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性因為其大尺寸和低疏水性，而CNFs-70制備的乳液具有出色的穩(wěn)定性由于其小尺寸和相對較高的疏水性。

備注：本文的彩色圖表詳見本期 PC13-C14，也可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/ index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。