磁性纖維素納米晶體與水溶性聚合物間相互作用分析及其乳化特性探究

戶昕娜,朱帥,馬濤,盧舒瑜,趙婧,胡小松,宋弋*,廖小軍

1(國家果蔬加工工程技術研究中心(中國農業大學)，北京，100083) 2(農業部果蔬加工重點開放實驗室，(中國農業大學)，北京，100083) 3(食品科學與營養工程學院(中國農業大學)，北京，100083)

乳液是由2種或2種以上互不相溶的液相組成的多相分散體系,其中內相以液滴的形式分散于外相。由于存在的油/水界面面積大,體系吉布斯自由能高,本質上屬于熱力學不穩定體系[1]。因此,傳統乳液往往需添加乳化劑(如表面活性劑或聚合物),以降低體系界面張力,提高乳液穩定性[2]。20世紀初,RAMSDEN[3]首次發現膠體尺寸的固體顆?？梢杂糜诜€定乳液。隨后,PICKERING[4]對其進行了更為系統的研究,為表彰其突出貢獻,由固體顆粒代替乳化劑而制備的乳液被命名為 Pickering 乳液。近年來,Pickering乳液因其具有高抗聚結性、環境友好性、成本較低等優點,在食品、農業、醫藥等領域受到了研究人員的廣泛關注[5]。

目前,各種無機納米粒子已被廣泛應用于Pickering乳液。但無機納米粒子存在有毒、不易降解、生物相容性低等缺陷,限制了其在食品領域的應用[6]。因此,尋求環境友好型、天然來源、可再生和可生物降解的固體顆粒用于穩定 Pickering 乳液已成為目前研究的熱點[7-8],如淀粉納米顆粒[9]、甲殼素納米晶[10]、大豆分離蛋白[11]、玉米醇溶蛋白[12]和纖維素納米晶體[13]等。其中,通過硫酸水解纖維素制備的纖維素納米晶體(cellulose nanocrystals,CNC)因其獨特的棒狀形態在諸多納米纖維素材料中備受關注[14]。棒狀CNC呈現出的高比表面積和高長徑比,賦予其高吸附能力及強親和力,CNC表面還存在著豐富的羥基,是極佳的納米粒子生長還原劑和成核位點[15-16]。利用CNC作為有機或無機納米材料的生長模板開發新型納米功能材料已成為當下CNC研究與應用的一大熱點。以CNC為生物基模板合成的磁性纖維素納米晶體(magnetic cellulose nanocrystal,MCNC),具有特殊的磁響應性能[17]。本文用超聲共沉淀法制備MCNC,對其形貌進行表征,探究了MCNC與不同水溶性聚合物間的相互作用及其協同穩定Pickering乳液的效果。通過比較不同乳液的基本性質、界面特性和流變特性,并結合冷凍掃描電子顯微鏡成像,揭示了MCNC與不同水溶性聚合物間的相互作用及其在乳液中的穩定機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

纖維素納米晶,湖州閃思新材料科技有限公司；亞麻籽油,河北愛度生物科技股份有限公司；甲基纖維素(methylcellulose, MC)、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC),北京酷來搏科技有限公司；FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O、NH3·H2O(25%～28%)、無水乙醇(≥95%),均為分析純,國藥集團化學試劑北京有限公司；聚乙烯亞胺,北京索萊寶科技有限公司；實驗用水均為超純水。

1.2 儀器與設備

SCIENTZ-950E超聲波細胞破碎機,中國寧波新芝生物科技有限公司；T18高速勻漿機,德國IKA公司；FB-110Q納米級高壓均質機,中國上海勵圖機械；LS13 320 激光粒度儀,美國Beckman公司；OCA25視頻接觸角測量儀,德國Dataphysics公司；DHR2旋轉流變儀,美國TA儀器；QSENCE-E4石英晶體微天平,瑞典Biolin公司；SU8010冷凍掃描電鏡,日本HITACHI公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 磁性纖維素納米晶體的制備

參考LOW等[18]的方法,通過超聲-共沉淀法制備MCNC。稱取一定質量的CNC分散于超純水中,冰浴超聲900 W/5 min制得均勻穩定的0.4%(以濕重計) CNC分散液,取100 mL分散液依次分別加入FeCl2·4H2O 0.18 g和FeCl3·6H2O 0.37 g,保持Fe2+/Fe3+摩爾比為1∶1.5；然后將混合反應液45 ℃水浴、800 r/min機械攪拌10 min,同時滴加NH3·H2O調節反應液pH值至10；在80 W功率下超聲處理5 min,促進晶核形成與生長。結束后用無水乙醇、超純水沖洗4次以去除雜質,用磁鐵分離產物MCNC,真空冷凍干燥后隔氧避光保存,待用。在無CNC基質的情況下,以相同條件合成Fe3O4作為對照。

1.3.2 乳液的制備

經前期預實驗優化參數,選擇質量分數0.2% MCNC及0.3% MC、0.3% HPMC單獨或者等體積混合分散液做水相,以亞麻籽油作為油相,V(油)∶V(水)=30∶70,在12 000 r/min高速剪切2 min,再在50 MPa下高壓均質3 min制備Pickering乳液,分別標記為MCNC-PE,MCNC/MC-PE,MCNC/HPMC-PE。

1.3.3 乳液的粒徑分布

使用LS13 320激光粒度儀測定乳液的粒徑分布。選擇Induce PIDS模式,模型為Fraunhofer.rf 780 d。滴加樣品后,偏振光散射強度差保持在40%～50%,測定乳液的粒徑分布。

1.3.4 乳化體系油-水界面張力的測定

使用OCA25視頻接觸角測量儀,參考NI等[19]的方法采用懸滴法(pendant drop)測定油-水界面張力。在5.0 cm×5.0 cm×5.0 cm矩形樣品池中倒入亞麻籽油作油相,0.51 mm針頭浸入油液面以下,定量擠出5 μL乳化劑小液滴，用視頻接觸角測量儀拍照記錄20 min內的液滴形態變化，并由液滴形狀依據LaPlace-Young公式計算界面張力。

1.3.5 流變特性分析

參考LI等[20]的方法使用DHR-2流變儀表征不同乳液體系的流變特性。選用直徑為40 mm錐度為2°的不銹鋼椎板夾具,測試模式為Flow Ramp模式,測定溫度25 ℃,平衡時間30 s,間距1 050 μm,剪切速率1～100 s-1,測定時間60 s,測定黏度/剪切應力-剪切速率曲線。

1.3.6 石英晶體微天平分析

根據JAAFAR等[21]方法略作修改,采用石英晶體微天平重量法(quartz crystal microbalance with dissipation,QCM-D)探究MC、HPMC對MCNC的吸附作用。

MCNC-SiO2傳感器：SiO2晶片用乙醇清洗、純水沖洗、氮氣吹干；再將潔凈的SiO2晶片置于旋涂儀,涂布1滴1 g/L 聚乙烯亞胺溶液；滴加1滴質量分數0.2% MCNC分散液于旋轉的SiO2晶片上,維持轉速4 000 r/30 s；涂布完成的SiO2晶片于80 ℃/15 min下熱固定,防止MCNC脫吸附。

QCM-D測定流程：記錄傳感器接觸吸附介質時的頻移Δf和耗散系數D(第3、5、7、9、11倍頻)。平衡基線：先分別以空氣、超純水在100 μL/min流速下平穩基線,至各倍頻無明顯差異；將1 g/L MC或HPMC水溶液以100 μL/min流速注入,直至再次平穩；再以超純水在100 μL/min流速下注入直至平穩。

1.3.7 冷凍掃描電鏡分析

參考DELOID等[22]的方法,通過冷凍掃描電鏡(cryo-sanning electron microscope,cryo-SEM)揭示乳液液滴的微觀結構。選用針頭直徑0.45 mm的1 mL注射器,擠1滴乳液于樣品托上,注意排除氣泡；樣品于130 K(-143.5 ℃)的過冷液氮中速凍；結束后轉移到真空環境的冷臺上橫向切割,冷凍升華連續相,使乳液微球充分暴露；升華后樣品橫截面濺射鍍鉑金,cryo-SEM進行超微結構觀察。

1.3.8 統計分析方法

采用SPSS 20進行數據分析,Origin 8.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 MCNC表征

采用超聲-共沉淀法,在80 W/5 min超聲處理下,以CNC為反應模板制備磁性納米復合物MCNC；并在無CNC基質的情況下,以相同制備條件合成的磁性納米粒子Fe3O4作為對照。

如圖1所示,通過透射電鏡(transmission electron microscopy,TEM)進行表征,超聲-共沉淀法合成的Fe3O4呈球形結構,尺寸分布較均勻,直徑為7～10 nm,但由于高表面能和磁偶極子相互作用[17],顆粒之間嚴重聚集形成非常不規則的團塊,影響了其分散性。CNC呈現典型的棒狀結構且具有較大的長徑比,這一獨特結構有利于其為Fe3O4粒子提供充足的結合位點。利用超聲-共沉淀法成功制備了表面吸附Fe3O4的納米復合物MCNC,Fe3O4納米粒子均勻穩定的分散于MCNC表面。MCNC上吸附的Fe3O4粒子尺寸分布較為均勻,直徑約8 nm,與純Fe3O4尺寸相接近。此外,MCNC分散液在進行TEM觀察前已進行過超聲處理,然而大部分Fe3O4依然被吸附于CNC表面,說明CNC與Fe3O4間存在較強相互作用,使Fe3O4不易脫落。

圖1 TEM圖像Fig.1 TEM images

2.2 不同乳化體系的油-水界面張力

乳化劑的界面張力與乳液的形成和穩定密切相關,高效的乳化劑必須能夠降低油-水界面張力[23]。為評估所制備的磁改性MCNC及其與水溶性聚合物在亞麻籽油-水界面的乳化性能,通過懸滴法測定了20 min內不同乳化體系的界面張力-時間曲線(圖2)。MCNC分散液在測定開始時界面張力迅速下降,表明MCNC可以快速吸附到油-水界面上[23]。相比于單獨的MCNC分散液,MCNC與聚合物的復合乳化體系表面活性提高,復合體系的混合溶液在20 min時,界面張力即降至7.31 mN/m,介于MCNC和聚合物之間,這意味著MCNC與聚合物的復合乳化體系能夠更快吸附在油-水界面并降低界面張力。已有研究表明,乳化劑先在油-水界面吸附,繼而在油滴周圍經過構象重排形成黏彈性薄膜的能力,因此乳化劑的界面吸附能力是影響乳液形成的重要因素[24]。因此,從這一方面來說,MCNC和水溶性聚合物具有協同穩定乳液的潛力。

圖2 不同乳化體系的油/水界面張力-時間曲線Fig.2 Oil/water interfacial tension-time curves of different dispersion

2.3 MCNC/衍生物之間的相互作用分析

MCNC和非離子型纖維素MC或HPMC之間的協同作用不等同于2種乳化劑成分的簡單混合,需要兩者之間相互作用(吸附行為),才能發揮更佳的整體效應。因而,采用QCM-D法評定2種水溶性聚合物MC、HPMC和MCNC之間的物理吸附效果,測定MCNC-SiO2傳感器在特定程序下的頻率變化Δf以反映聚合物于MCNC表面的吸附情況。圖3-a顯示了在3倍頻(15 MHz)下的頻移-時間曲線,發現加入MC溶液,Δf3曲線即出現急劇下降,這種負頻移是由于耦合質量的增加導致的,表明MC聚合物大分子在MCNC上發生吸附[25],飽和值達-100 Hz；而HPMC則未發生該反應。MC、HPMC質量吸附導致ΔD值增大的情況與Δf曲線變化類似,而當沖洗時則發生輕微的Δf上升和ΔD下降,這是由于部分聚合物發生了解吸附。

運用QTools軟件以蘇伯雷方程(Sauerbrey formula)對Δf3數據進行擬合,如公式(1)所示可以獲得MCNC-SiO2傳感器表面吸附的聚合物質量隨時間變化曲線(圖3-c)。

(1)

式中：CQCM,質量靈敏度常數，(17.7 ng·cm2/Hz,f=5 MHz);n,倍頻數，(1,3,…)。

吸附質量-時間曲線可給出吸附過程整體動力學圖像。由圖3可知,加入MC溶液,在MCNC上的吸附質量顯著升高,飽和值達到1 756 ng/cm2,即使再經水沖洗也只是略有下降,這表明非離子聚合物MC與MCNC之間通過氫鍵結合牢固。而HPMC吸附質量則相對極低,飽和值僅104 ng/cm2,表明HPMC在MCNC上的吸附相對微弱。

a-頻移-時間曲線；b-耗散系數-時間曲線；c-吸附質量-時間曲線圖3 QCM-D測定MC、HPMC在MCNC表面的吸附特征Fig.3 Adsorption characteristics of MC,HPMC on MCNCs-coated sensors determined by QCM-D

2.4 不同乳液體系的表征

如圖4所示,單獨由MCNC穩定的MCNC-PE,粒徑呈多峰分布,液滴大小不均勻。MCNC/MC協同穩定的乳液比MCNC單獨穩定的乳液粒徑更大。但MCNC/MC-PE呈單峰分布,粒徑變化更加均勻連續,而不像MCNC-PE呈多峰分布。根據膠體排空相互作用理論(大小不等顆粒組成的多相體系,小顆粒和大顆粒之間的排空作用力會導致大顆粒聚集傾向)[26],這意味著均勻的粒徑分布可能會提高乳液體系穩定性。而MCNC/HPMC-PE粒徑分布則呈雙峰分布,不利于乳液的長期穩定性。單獨由MCNC穩定的乳液經長期貯存后沒有分層(圖5),但會因液滴的聚結而發生了少部分油析；而MCNC/MC和MCNC/HPMC混合體系協同穩定的乳液可以避免液滴破乳油析,MCNC/MC穩定的乳液短期內穩定性良好,但長期貯存后,兩者均發生了明顯分層。

圖4 不同乳液體系的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of different Pickering emulsions

a-f-分別為第0,3,7,14,21,28天;從左到右依次為：MCNC-PE、MCNC/MC-PE、MCNC/HPMC-PE圖5 不同乳液在貯藏期內的外觀變化Fig.5 Appearance changes of different emulsions during storage

2.5 不同乳液體系的流變特性

MCNC及水溶性聚合物MC、HPMC單獨或協同制備乳液MCNC-PE、MCNC/MC-PE、MCNC/HPMC-PE的流體力學曲線如圖6所示。由結果可知,3種乳液體系表觀黏度大小依次為ηMCNC/MC-PE>ηMCNC/HPMC-PE>ηMCNC-PE,且均表現出剪切稀化特性,這與MCNC、MCNC/MC、MCNC/HPMC乳化體系的流變特性相一致。此外,利用Herschel-Bulkley方程進行剪切應力-剪切速率曲線擬合,相關系數R2>0.99,模型擬合參數值詳見表1。

a-黏度-剪切速率曲線；b-剪切應力-剪切速率曲線圖6 不同乳液體系的流變特性Fig.6 Rheological characteristics of different Pickering emulsions

表1 不同乳液體系的Herschel-Bulkley模型擬合參數值Table 1 Parameters of Herschel-Bulkley model of different Pickering emulsions

乳液體系黏度的增大,可以減緩密度較小的乳化液滴上浮或密度較大的固體顆粒沉淀的速度,降低乳化層和水相分層程度,改善乳液貯存過程中的物理穩定性。在研究不同質量濃度對MCNC及水溶性聚合物穩定Pickering乳液穩定性的影響時,發現隨著水溶性聚合物MC或HPMC濃度增大,乳、水兩相分層程度降低,乳化層保留率更大。但是,乳液體系黏度不是影響其物理穩定性的唯一因素,由于乳化劑不同性質造成液滴之間相互作用的差異也會影響其在長期存儲過程中的穩定性[27]。

2.6 MCNC/Polymer協同穩定乳液的機理

Cryo-SEM技術能夠實時、準確地反映乳液的真實微觀形貌,是目前表征納米顆粒(<200 nm)的最先進技術之一,可以為乳液穩定機制提供直觀的認知依據[28]。MCNC、MCNC/MC、MCNC/HPMC 3種乳化體系制備Pickering乳液的cryo-SEM圖像如圖7所示。單獨由MCNC穩定的乳液上可觀察到在液滴表面吸附、堆積的棒狀納米纖維(圖7-a),進一步證明了MCNC通過在油-水界面形成致密堆積層以穩定乳液。在乳液的液滴間也可發現MCNC形成“鳥巢”狀連接,這種空間阻隔可避免或減緩液滴之間的聚結[29]；此外,當一個液滴同時受到來自另外2個相鄰液滴上MCNC纖維網絡的牽拉時,會發生變形[30],這使得MCNC-PE許多液滴并非呈規則的圓形,且乳液在貯存過程中也將會處于這種動態穩定的狀態[31]。

a-MCNC-PE;b-MCNC/MC-PE;c-MCNC/HPMC-PE圖7 Pickering乳液的cryo-SEM圖像Fig.7 Cryo-SEM images of Pickering emulsions

由圖7-b可知,由MCNC、MC協同穩定的乳液MCNC/MC-PE液滴間呈現“神經元”狀連接,從微米級尺寸判斷其應為MC纖維素分子。另外,在單獨的液滴表面可以發現細小棒狀顆粒堆積形成的褶皺,這是MCNC納米纖維素吸附于油-水界面噴涂鉑金后的印跡。這表明MCNC/MC-PE具有雙重穩定機理:一方面,通過MCNC和MC分子共同吸附于油滴表面形成界面膜穩定乳液(固體顆粒界面膜理論)[32]；另一方面,在MCNC/MC強吸附作用下,MC纖維素分子搭接于2個相鄰液滴間,形成“神經元”狀網絡結構,增大了連續相的黏度,進一步避免液滴發生碰撞聚結,提高乳液穩定性(三維黏彈粒子網絡機理)[33]。此外,液滴間相互橋連的方式使得乳化層形成致密的空間結構,并因密度低于連續相而逐漸上浮,進而在長期存儲過程中發生分層、乳析。

從圖7-c可以看出,乳液MCNC/HPMC-PE液滴間布滿一層層的纖維網絡,且在單獨液滴表面可以觀察到長約十幾微米的凸起條紋,應為界面吸附的HPMC纖維素分子,但卻難以在液滴表面找到棒狀納米顆粒MCNC。這主要是由于MCNC、HPMC之間的吸附作用較弱,且HPMC的油-水界面張力顯著低于MCNC,具有更強的表面活性,因此MCNC、HPMC在油-水界面的吸附可能是競爭性的[34]。因此HPMC會優先吸附于界面,而MCNC只有少數得以吸附,其余MCNC只能游離分散于連續相,導致在cryo-SEM觀察下很難找到MCNC的痕跡。

綜上所述,MCNC/MC協同穩定Pickering乳液極大改善了其長期穩定性。通過cryo-SEM對乳液微觀結構的研究,揭示了其穩定機制符合固體顆粒界面膜理論(機械阻隔理論)和三維黏彈粒子網絡機理。

3 結論

本文探究了磁性纖維素納米晶體與水溶性聚合物間相互作用,并分析了乳化體系及乳液體系的流變特性。石英晶體微天平結果顯示僅MCNC/MC之間存在較強的吸附作用,而MCNC/HPMC則無明顯吸附。推測MCNC/MC可發揮協同乳化效果,而MCNC/HPMC可能為競爭性吸附。MC的加入可以降低界面張力,提高乳液體系黏度,具有促進乳液穩定的趨勢。利用冷凍掃描電鏡技術,發現MCNC或MCNC/MC穩定乳液的機理符合固體顆粒界面膜理論和三維黏彈粒子網絡機理。