表面活性劑助溶體系自組裝制備微/納米木質素及其紫外線防護應用

陳 凱 張蛟龍 齊云賡 李海明，*

（1.大連工業大學輕工與化學工程學院，遼寧大連，116034；2.遼寧省生物質化學與材料重點實驗室，遼寧大連，116034）

隨著納米材料科學的不斷發展及納米材料的廣泛應用［1-2］，加之煤炭等化石能源匱乏的問題日益顯現，使得開發可再生資源成為新的發展方向。基于此，研究者將目光投向了可再生、低成本、易取得的生物質材料［3］。作為自然界中大量存在的天然高分子、制漿造紙工業的主要副產物［4-5］——木質素，其因環境友好性和可生物降解性引起了研究者的關注［6-7］。

繼納米纖維素的研究取得階段性成果［8-10］以來，納米木質素的研究為木質素基高附加值產品的開發與應用開辟了一條新途徑［11］。許多學者已對微/納米木質素的制備和應用進行了一定的研究［12-14］。納米木質素通常是采用物理或化學等手段，將聚集態的木質素經過納米化處理而得到的粒徑均勻和形狀均一的納米顆粒［15］；而微/納米木質素則是進一步將粒徑范圍擴大到了微納級（1 nm～1μm）。目前，根據反應類型，微/納米木質素的制備大體可分為化學法和機械法。其中，化學法主要包括有機溶劑自組裝法［16］、反溶劑法［17］、界面聚合/交聯法［18］及沉降法等；機械法主要包括高剪切均質法［19］和超聲波法等。微/納米木質素主要應用于紫外線防護［20］、復合材料［21］、醫藥運輸載體［22］等領域。

自組裝法制備微/納米木質素常采用四氫呋喃、丙酮等有機溶劑，易對環境及人體造成危害。作為常用的日用化工原料及食品添加劑，表面活性劑更加綠色環保且價格低廉；因此，以表面活性劑溶液為溶劑，代替溶解木質素常用的有毒有害溶劑，更符合“綠色化學”理念。本研究以堿木質素為原料，采用不同表面活性劑溶液作為溶劑促進堿木質素在水中的溶解，通過調節pH值與加入去離子水，誘導溶解后的堿木質素進行自組裝反應，從而制備微/納米木質素。

本研究對微/納米木質素的最佳制備工藝條件進行了初步研究，并對產物進行了一系列表征分析；將制得的微/納米木質素添加至市售面霜中，通過紫外-可見分光光度計測定其吸光度與透過率，從而確定了其紫外線防護能力及光穩定性。本研究旨在提高木質素的高值化利用率，實現廢料低排放、產品多元化，增強制漿造紙產業競爭力，為林木資源深加工和生物質基納米材料的開發與利用拓寬思路。

1 實驗

1.1 原料

苯磺酸鈉（下文以A表示），純度97%，購自上海聯碩生物科技有限公司；對甲苯磺酸鈉（下文以B表示）、十二烷基硫酸鈉（下文以C表示）、十二烷基苯磺酸鈉（下文以D表示）、油酸鈉（下文以E表示），分析純，購自廣東翁江化學試劑有限公司；堿木質素，生物試劑，購自卡邁舒（上海）生物科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉，分析純，購自天津市科密歐化學試劑有限公司；某市售面霜（下文為純面霜），購自某化妝品公司；某市售防曬乳（下文為防曬霜），防曬系數30，購自浙江某化妝品有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 微/納米木質素的制備

根據每種表面活性劑的物理性質，按照最高溶解度配置不同濃度的表面活性劑水溶液，量取100 mL，加入不同質量的堿木質素，水浴加熱2 h，并通過磁力攪拌促進其溶解。以6000 r/min離心5 min后，除去未溶解的堿木質素。通過滴加稀釋的鹽酸和氫氧化鈉溶液調節pH值。隨后加入去離子水至400 mL，將溶液中表面活性劑的濃度稀釋4倍［23］。利用H1850臺式高速離心機（湖南湘儀實驗室儀器開發公司）、以10000 r/min離心5 min，除去上清液。將含有微/納米木質素的沉淀物分散在100 mL去離子水中，再將其轉移至透析袋（MWCO為1000 Da）中，進一步除去表面活性劑；隨后冷凍干燥48 h，獲得固體微/納米木質素。

通過正交實驗探討微/納米木質素的最佳制備工藝條件，具體見表1。正交實驗采用L9（34）正交表，第4列為誤差列R，實驗結果見表2。

表1 微/納米木質素的制備因素及水平Table 1 Factors and levels of preparation of micro/nano lignin

1.2.2 木質素防曬樣品的制備

在室溫條件下，將0.1 mg制得的微/納米木質素加入至0.4 g純面霜中，加入0.5 mL去離子水，通過攪拌使之均勻分散，制得木質素防曬樣品。

1.3 表征

1.3.1 粒徑與Zeta電位表征

將含有微/納米木質素的水溶液過濾后，分別轉移至測定粒徑與測定Zeta電位的樣品池中，使用ZEN3690納米粒度和Zeta電位測定儀（馬爾文儀器有限公司）進行平均粒徑與Zeta電位的測定。

1.3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）表征

將含有微/納米木質素的水溶液過濾后，轉移至干凈平滑的玻璃載玻片表面，自然風干后，在15 kV加速電壓下，通過JCM-6000 Plus掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）對微/納米木質素進行形貌分析。

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征

將冷凍干燥后的微/納米木質素樣品、堿木質素原料分別與干燥后的溴化鉀以1∶100（w/w）比例混合并充分研磨至粉末狀，通過壓片機壓成薄片后，使用Frontier紅外光譜儀（美國PerkinElmer公司）進行FT-IR分析。

1.3.4 紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）表征

借鑒錢勇等［20，24］的方法，將由微/納米木質素制備的木質素防曬樣品、純面霜和防曬霜分別通過玻璃棒轉移至石英比色皿上，通過電子天平控制木質素防曬樣品、純面霜和防曬霜的轉移量，并用玻璃棒將其均勻分布于石英比色皿表面，利用Cary 300紫外-可見分光光度計（安捷倫科技（中國）有限公司）對其進行表征。

紫外線透過率的測定：波長范圍為UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm），用來評價各樣品的紫外線防護能力。

紫外線吸光度的測定：將樣品在PLS-SXE 300UV氙燈光源（北京泊菲萊科技有限公司）下輻射2 h；測定輻射前后樣品的紫外線吸光度，從而確定樣品的光穩定性。波長范圍為UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm）。

2 結果與討論

2.1 粒徑與Zeta電位分析

利用不同表面活性制備的微/納米木質素的平均粒徑（半徑）與Zeta電位正交實驗結果及分析如表2和表3所示。其中，A～E為不同表面活性劑。

由表2和表3可知，對于平均粒徑，因素較好水平（按因素主次順序列出）如下：A組為木質素添加量5 g/L、pH值=6、溫度40℃，B組為溫度40℃、木質素添加量1 g/L、pH值=9，C組為pH值=6、木質素添加量3 g/L、溫度20℃，D組為木質素添加量1 g/L、溫度40℃、pH值=9，E組為pH值=9、溫度40℃、木質素添加量5 g/L。由方差分析可知，木質素添加量對D組平均粒徑影響顯著。

表2 微/納米木質素的平均粒徑及Zeta電位正交實驗結果Table 2 Orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

Zeta電位是表征膠體分散體系穩定性的重要指標之一，Zeta電位絕對值越大，表明其穩定性越好，反之，體系則易于發生團聚。由表2及表3可知，對于Zeta電位，各組因素較好水平（按因素主次順序列出）如下：A組為溫度40℃、木質素添加量3 g/L、pH值=9，B組為溫度40℃、木質素添加量5 g/L、pH值=9，C組為溫度60℃、pH值=3、木質素添加量1 g/L，D組為溫度60℃、pH值=6、木質素添加量5 g/L，E組為pH值=9、木質素添加量5 g/L、溫度40℃。由方差分析可知，溫度對A組、B組、C組和D組的Zeta電位影響顯著，木質素添加量對B組的Zeta電位也有顯著影響，pH值對B組、C組和E組的Zeta電位影響顯著。A組測得的Zeta電位絕對值普遍較小，表明A組對應體系的穩定性不及其他組。C組和D組Zeta電位絕對值相對較大，體系穩定性較優。

值得注意的是，表面活性劑E在不同條件下制得的微/納米木質素的平均粒徑及Zeta電位差別非常大，而pH值是影響Zeta電位的主要因素。在調節pH值的過程中發現，隨著pH值降低，各溶液由澄清透明逐漸變得渾濁，且黏度增大。改變pH值會引起表面活性劑E中反離子離子勢的變化，從而改變其頭基（親水基）的帶電性質，使表面活性劑E形成的膠束在球狀與蠕蟲狀之間轉變［25］。因此，有理由認為，膠束的形態變化是E組對應的微/納米木質素平均粒徑及Zeta電位差別較大的原因之一。此外，不同結構的膠束對木質素的作用方式或有差異，從而在一定程度上影響微/納米木質素顆粒形態，進而影響其平均粒徑和Zeta電位。

當考察指標不同時，即便是同樣的因素水平也會導致不一樣的優化結果。本研究中，以平均粒徑為主要篩選條件、Zeta電位為輔助篩選條件，篩選出相對較好的實驗樣品如下：A組實驗7、B組實驗3、C組實驗1、D組實驗4和E組實驗1分別制得的樣品。這些樣品的工藝參數及結果比較如圖1所示。

圖1 各組較佳樣品的工藝參數及結果比較Fig.1 Comparison of process parameters and results of best samples in each group

由表2和圖1可知，B組實驗3制得的微/納米木質素平均粒徑最大，為167.8 nm。木質素添加量（5 g/L）高于其他組（1 g/L）可能是造成該條件下制備的微/納米木質素平均粒徑較大的原因之一。C組實驗1制得的微/納米木質素平均粒徑最小，為94.7 nm。D組實驗4與E組實驗1制得的微/納米木質素平均粒徑相當，分別為110.8 nm和115.7 nm。但這兩組實驗制得的微/納米木質素的Zeta電位低于其他組，分別為?42.2 mV和?71.8 mV。A組實驗7制得的微/納米木質素平均粒徑與B組實驗3的較接近，為160.1 nm，但其Zeta電位值最大，為?2.46 mV。相較于A組實驗7和B組實驗3制得的微/納米木質素，其他3組實驗樣品的平均粒徑更小，這可能與表面活性劑中疏水性烷基鏈的長度有關。烷基鏈越長，降低木質素與水之間界面張力的能力越強，對木質素的助溶作用越強，易于形成穩定的聚集體結構［26-27］，因此，顆粒粒徑也越小。然而對于C組實驗1和D組實驗4來說，雖然表

面活性劑D降低界面張力的能力優于表面活性劑C，但其制得的樣品的平均粒徑卻顯示出相反的結果。這是因為，表面活性劑D中親水基團的極性更大；因此，其與極性水分子的相互作用更強［28］，與木質素的相互作用隨之減弱，致使形成的聚集體結構更為松散［29］，從而制得的木質素顆粒粒徑更大。但這種作用相對較弱，因此，對于產品平均粒徑的影響較小。

表3 微/納米木質素的平均粒徑及Zeta電位正交實驗結果分析Table 3 Analysis of orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

2.2 SEM表征分析

對2.1節中篩選出的相對較好的微/納米木質素樣品進行SEM形貌分析，結果如圖2所示。由圖2可知，各樣品均為形狀相對規則的顆粒；其中，A組實驗7制得的微/納米木質素樣品發生了較嚴重的團聚現象，而C組實驗1和D組實驗4制得的微/納米木質素樣品分散性良好，B組實驗3和E組實驗1制得的微/納米木質素樣品的分散性介于中間。

由2.1節中Zeta電位分析可知，采用表面活性劑A制備的微/納米木質素的Zeta電位絕對值最小，說明相應的微/納米木質素體系穩定性最差，這與SEM圖的結果吻合。這可能是因為，表面活性劑A分子質量偏小且只有一個親水基團和一個疏水基團，因此，形成的聚集體結構不穩定，極易從有序相的聚集體向無序相的自由表面活性劑離子轉變［30］。而自由表面活性劑離子與木質素的結合方式以吸附作用為主［29］，對木質素的助溶效果差；因此，難以形成穩定的膠束結構對木質素的疏水基團實現有效包裹，是發生團聚的原因之一。表面活性劑B僅比表面活性劑A多一個疏水基團，其Zeta電位絕對值則明顯提高，制得的微/納米木質素穩定性改善明顯。

2.3 FT-IR表征分析

對堿木質素原料、B組實驗3和C組實驗1制得的微/納米木質素進行FT-IR分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，2種微/納米木質素樣品的FT-IR譜圖與堿木質素原料的譜圖一致；3425 cm?1處有明顯的羥基特征吸收峰，2920 cm?1處存在甲基特征吸收峰，1600、1505、1425 cm?1處存在芳香環的特征吸收帶，1120 cm?1處有明顯的芳香核特征吸收峰。而3種樣品吸收峰位置與強度略有差異，這可能與殘留在木質素顆粒中的表面活性劑有關。

2.4 UV-Vis表征分析

樣品的紫外線防護能力隨其紫外線透過率的降低而增強［20，24］。從不同樣品紫外線透過率（見圖4）可以看出，添加了由B組實驗3制得的微/納米木質素（圖4中B3，下同）的面霜紫外線透過率較純面霜有明顯下降，添加了C組實驗1制得的微/納米木質素（圖4中C1，下同）的面霜紫外線透過率有大幅下降，其紫外線防護能力更強；這可能是因為C組實驗1制得的微/納米木質素的Zeta電位絕對值更大，顆粒更穩定，且粒徑小，易于均勻分散在面霜中。此外，相同質量下，粒徑更小的木質素往往具有更大的比表面積，利于酚羥基等對紫外線有良好吸收的官能團均勻分布于木質素表面，使其具有更強的紫外線防護能力［31］。雖然本研究制備的木質素防曬樣品的紫外線防護能力不及市售防曬霜，但需要指出的是，研究中，添加至面霜中的微/納米木質素含量是微量的（約0.01 wt%）。可以預期，適當提高面霜中微/納米木質素的添加量，其紫外線防護能力將進一步得到提高［31］。

圖2 不同樣品的SEM圖Fig.2 SEM images of different samples

圖3 不同樣品的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra of different samples

圖4 不同樣品的UV-Vis譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of different samples

圖5 不同樣品的紫外線吸光度Fig.5 UV absorbance of different samples

紫外線輻射2 h后，樣品的紫外線吸光度變化越小，說明其光穩定性越好。從不同樣品紫外線吸光度（見圖5）可以看出，添加B3、C1的面霜吸光度較純面霜有明顯提高，紫外線輻射2 h后，添加B3、C1的面霜吸光度下降至約0.25（與純面霜吸光度接近）。造成光穩定性不理想的原因可能是，在長時間紫外線輻射下，微/納米木質素中的酚羥基和芳香結構被破壞［32］，木質素分子結構中的不飽和雙鍵（如羰基和乙烯基）與苯環形成的共軛體系減少，活性π電子隨之減少，從而導致紫外線吸光度下降［33］。與之相比，市售防曬霜中的活性成分（甲氧基肉桂酸乙基己酯、4-甲基芐亞基樟腦和二氧化鈦）使其具有更好的光穩定性。

然而，隨著研究的不斷深入，防曬產品的安全性再次引起了人們的關注。美國食品藥品監督管理局于2019年發布了對防曬產品的新規定［34］。甲氧基肉桂酸乙基己酯和4-甲基芐亞基樟腦作為防曬活性成分的安全性仍無足夠的數據支持，其通過滲透皮膚對人體造成的影響仍存在爭議［35］。而二氧化鈦雖被普遍認為安全有效，但納米級的二氧化鈦仍存在易團聚、難分散的缺點，影響防曬產品的涂抹均勻性和感官體驗［20］，且由于其在陽光下具有光催化活性，產生的活性氧仍會對細胞造成一定損傷［36］。與此同時，許多研究［37-38］表明，微/納米木質素中存在的酚羥基可有效清除自由基，而不會對眼睛和皮膚造成刺激。此外，微/納米木質素作為傷口敷料的研究也獲得了積極評價［39-40］。另有報道［38］指出，即便是工業木質素，經提純后基本無細胞毒性，具有良好的生物相容性。這些研究基本消除了微/納米木質素在防曬護膚、功能材料及生物醫藥領域使用的安全顧慮［41-42］，并有望通過部分替代傳統防曬活性成分獲得更優異的防曬效果和安全性［43-44］。

3 結論

本研究以堿木質素為原料、不同表面活性劑溶液為溶劑，利用自組裝法制備微/納米木質素，通過粒徑和Zeta電位分析，探討了以不同表面活性劑溶液制備微/納米木質素的最佳工藝條件。通過調節pH值、溫度、木質素添加量，成功制備了大小均勻、形態穩定的微/納米木質素，主要結論如下。

3.1 在pH值為9、木質素添加量1 g/L、溫度20℃條件下，利用十二烷基硫酸鈉制備的微/納米木質素平均粒徑最小，為94.7 nm；在pH值為9、木質素添加量3 g/L、溫度40℃條件下，利用油酸鈉制備的微/納米木質素Zeta電位絕對值最大，為109 mV。

3.2 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征結果顯示，實驗制備的微/納米木質素的化學結構沒有發生改變。紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）表征分析發現，添加微/納米木質素的面霜紫外線透過率明顯降低，吸光度顯著提高，能夠起到紫外線防護作用。但在紫外線輻射2 h后，微/納米木質素幾乎喪失了吸收紫外線的能力，仍需進一步研究以提高其光穩定性。