磁性纖維素微晶穩定O/W型Pickering乳液特性分析

程 杰，王 彤，黃云艷，陳 星，于殿宇,*，羅淑年

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.九三集團惠康食品有限公司，黑龍江 哈爾濱 150069）

Pickering乳液是一種以固體顆粒為乳化劑制成的乳液，這些固體顆粒有明確的粒徑分布和可控的表面特性，因此可以在油水界面上產生不可逆吸附，比傳統乳液更加穩定[1]。Pickering乳液除具有傳統乳液的功能特性之外，利用固體顆粒穩定乳液不僅降低了體系的自由能，為液滴之間提供了良好的界面機械屏障，保護了乳液的液滴形態，使乳液更加穩定，而且具有粒徑分布可控、低毒性、制備方法簡單等諸多優點[2]。

已有大量研究表明，各種固體顆粒如二氧化硅[3]、二氧化鈦[4]、殼聚糖[5]、纖維素、氧化鋅[6]以及四氧化三鐵[7]等是有效的Pickering乳液穩定劑。近年來，磁性粒子穩定的Pickering乳液備受關注。Rajarshi等[8]以殼聚糖和Fe3O4磁性納米粒子為固體穩定劑制備了pH值響應型磁性Pickering Janus乳液，并且提出Pickering乳液的形成，需要將磁性納米粒子加入到油相中而不是分散在水相中。Wang Guangshuo等[9]將磁性納米粒子加入到還原氧化石墨烯中，并進一步利用其制備用于磁共振成像和藥物傳遞的磁響應Pickering乳液，實驗結果改善了磁共振成像表現以及敏感的持續藥物釋放行為。Low等[10]成功地以Fe3O4@纖維素納米晶納米復合材料為穩定劑制備了磁性Pickering乳劑。磁性納米粒子與纖維素納米晶表面的結合增加了納米復合材料的表面疏水性，從而提高了磁性生物高聚物穩定Pickering乳液的穩定性。

纖維素具有較高的熱和機械穩定性，可生物降解性以及對環境的低毒性等優點[11]。從纖維素中可以獲得多種不同材料，例如微纖化纖維素、羥乙基纖維素、微晶纖維素和纖維素納米晶體[12]。Thunnalin等[13]從山竹果皮中提取出微纖化纖維素，研究pH≈7.0時，10%的O/W Pickering乳液性能和穩定性的影響。Veronika等[14]研究了羧基化纖維素納米晶形成水/油性乳液的影響，發現乳化性能主要受連續相的影響。盡管對于纖維素類材料有較多報道，但是對于磁性纖維素微晶報道較少。

因此，本實驗通過制備磁性纖維素微晶顆粒，采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，FTIR）光譜和視頻光學接觸角對磁性纖維素微晶復合物進行表征，探究磁性纖維素微晶復合物添加量、油水比及高壓均質次數對乳液穩定性的影響。為后續藥物遞送、乳液界面催化等應用研究提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

纖維素微晶（≤25 μm） 國藥集團化學試劑有限公司；正己烷 美國Sigma-Aldrich公司；氨水（水中含氨氣≥28%）、FeCl2·H2O、FeCl3·6H2O 沈陽試劑化工貿易有限公司；所用化學藥品均為分析純。

1.2 儀器與設備

AXTD5A臺式離心機 鹽城市安信實驗儀器有限公司；MixPlus旋渦振蕩器 合肥艾本森科學儀器有限公司；KQ3200B超聲振蕩器 昆山市超聲儀器有限公司；PHS-3C精密酸度計 上海大營儀器有限公司；FA2204B電子分析天平 山東晨拓科學儀器有限公司；DF-101S磁性攪拌器 金壇區水北盛威實驗儀器廠；FJ200-T實驗室定時高速分散均質機 韜越（上海）機械科技有限公司；AVP-2000型高壓均質機 英國Stansted Fluid Power公司；科研級正置顯微成像系統 奧林巴斯（中國）有限公司；SL200L1視頻光學接觸角測量儀美國科諾工業有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡、H-7650透射電子顯微鏡 日本日立公司；振動樣品磁（VSM,NO.735） 美國Lake-shore公司；NIB610-FL/NIB620-FL倒置熒光顯微鏡 上海科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 磁性纖維素微晶復合物的制備

參考Chen Xin等[15]的方法并作適當修改。磁性纖維素微晶復合物通過超聲輔助原位共沉淀法制備。首先，將0.04 g纖維素微晶在超聲波下分散在80 g水中以制備0.05 g/100 mL的纖維素分散體。接下來，將FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O（Fe3+/Fe2+物質的量比為1.5∶1）添加到纖維素分散體中，攪拌并加熱到50 ℃。然后，將混合物內添加適量氨水，用pH計調節混合體系的pH值為11。之后，沉淀出所得磁性纖維素微晶復合物，磁力分離并用乙醇洗滌3 次以除去所有殘留的氫氧化銨。將收集的磁性微晶復合物以6 000 r/min離心20 min，然后在烤箱中干燥過夜。存儲收獲的磁性纖維素微晶復合物，用于后續表征。

1.3.1.1 掃描電子顯微鏡測定

參考Sonam等[16]的方法。取適量樣品粉末，利用掃描電子顯微鏡分析磁性樣品的形貌變化。采用日本JEOL公司生產的JSM 6360模型進行掃描電子顯微鏡觀察。

1.3.1.2 透射電子顯微鏡測定

參考Zheng Tingting等[17]的方法。取適量樣品粉末，利用透射電子顯微鏡觀察。將樣品置于乙醇中，超聲分散5 min，用移液器滴于銅網上，進行透射電子顯微鏡觀察。

1.3.1.3 紅外光譜分析

參考Zhang Damin等[18]的方法。在本研究中，采用KBr壓片法，具體操作步驟如下：分別取2 mg上述制備的Fe3O4粒子、纖維素微晶以及磁性纖維素微晶粒子和200 mg光譜級的KBr（200 ℃脫水處理24 h）混合碾磨均勻，隨后，分別取90 mg混合物在不銹鋼模具中壓制成約1 mm厚的直徑為13 mm的圓片。使用紅外光譜儀在室溫（25 ℃）于400～4 000 cm-1波數范圍內以4 cm-1的分辨率掃描32 次收集樣品光譜信息。以空白KBr壓片作為參考，消除KBr雜質、水和CO2對光譜結果的影響。整個操作在紅外燈下進行并且迅速完成，防止空氣中的水汽影響實驗結果。

1.3.1.4 三相接觸角分析

參考Yang Tao等[19]的方法，并作適當修改。用壓片機將制成的固體顆粒進行壓片，制備直徑13 mm、厚度2 mm的薄膜。使用高精度注射器將一滴水（5 μL）沉積在薄膜的表面上。在通過攝像機從注射器下落之后立即記錄液滴圖像，并且液滴的輪廓被數值求解并且適合于Laplace-Young方程，可確定其界面張力。每個樣品在3個顆粒中的每一個上測量接觸角，并對每個顆粒進行3 次測量。

1.3.2 Pickering乳液的制備

參照Galvez-vergara等[20]的方法，以正己烷作為油相，制備乳液并作適當修改。取適量磁性纖維素微晶復合物置于100 mL燒杯中，添加水相pH 8.5的磷酸鹽緩沖溶液，添加適量油相，將混合體系經過15 000 r/min均質處理2 min，得到初乳液。再經過高壓均質機40 MPa循環不同次數，以形成O/W型Pickering乳液。本實驗大致流程如圖1所示。

圖1 制備磁性纖維素微晶復合物顆粒及其Pickering乳液Fig. 1 Preparation of magnetic cellulose microcrystalline composite particles and their application to stabilize Pickering emulsion

1.3.2.1 磁性纖維素微晶復合物添加量對Pickering乳液的影響

參照1.3.2節方法，分別設置磁性纖維素微晶復合物添加量分別為0.5、1.5、2.5 g/100 mL，添加水相為體積分數80%，油相體積分數為20%，將混合體系經過均質處理，得到初乳液之后，再經過高壓均質2 次，以研究磁性纖維素微晶添加量對Pickering乳液的影響。

1.3.2.2 油水比對Pickering乳液的影響

參照1.3.2節方法，磁性纖維素微晶復合物的添加量為1.5 g/100 mL，分別設置不同油水比為4∶6、3∶7、2∶8（V/V），將混合體系經過均質處理，得到初乳液之后，再經過高壓均質2 次，以研究油水比對Pickering乳液的影響。

1.3.2.3 均質次數對Pickering乳液的影響

參照1.3.2節方法，磁性纖維素微晶復合物添加量為1.5 g/100 mL，添加水相為70%，油相為30%，將混合體系經過均質處理，得到初乳液之后，循環不同的高壓均質次數分別為0、2、4 次，以研究均質次數對Pickering乳液的影響。

1.3.3 Pickering乳液微觀結構

參考劉佩等[2]的方法。取Pickering乳液乳化層少量，稀釋一定的倍數，分散均勻后取10 μL分散液進行制片，在光學顯微鏡下觀察乳液的微觀形貌并拍照分析。

1.3.4 Pickering乳液熒光顯微鏡分析

使用倒置熒光顯微鏡在10 倍放大倍數下檢查磁性纖維素微晶復合物在油水界面的定位。采用雙染色法在pH 8.5條件下制備熒光顯微鏡用的乳液樣品。乳液制備前，將正己烷用尼羅紅染色，然后用異硫氰染色水相，觀察乳液形態時稀釋一定倍數置于載玻片上。

1.3.5 Pickering乳液的重復性

利用振動樣品磁強計測定室溫條件下（25 ℃）磁性纖維素微晶復合物的直流磁滯回線，施加磁場強度的范圍為-15 000～15 000 Oe，從磁滯回線中能得出磁性材料的飽和磁化強度值。將制得的Pickering乳液用磁性進行吸附，此時乳液會發生破乳現象，將磁性纖維素微晶復合物進行回收，測定磁性顆粒的磁化強度值，用于重新穩定Pickering乳液，循環測定乳液粒徑和磁性顆粒的磁化強度值。

1.4 數據處理

本實驗獲取的數據，用3 次重復實驗的平均值表示，采用SPSS 16.0軟件進行方差分析及多重比較分析，并利用Origin 9.0軟件處理實驗所得數據及畫圖。

2 結果與分析

2.1 掃描電子顯微鏡分析

從圖2a可以清晰看出，纖維素微晶呈現出完整的棒狀結構，管壁較為光滑，具有良好的長徑比。圖2b為摻雜Fe3O4納米粒子的纖維素微晶，可以看出具有明顯的形態變化，磁性纖維素微晶復合物表面變得較為粗糙，管壁變得不平整，且磁性纖維素微晶復合物的平均長度約為14.2 μm。

圖2 樣品的掃描電子顯微鏡圖像Fig. 2 SEM images of the samples

2.2 透射電子顯微鏡分析

從圖3可以看出，纖維素微晶負載前和負載后仍然保持棒狀結構，與掃描電子顯微鏡的結果吻合。由圖3c可以看到Fe3O4粒子均勻分布，分散良好，平均粒徑為10 nm左右。圖3b與3a相比，Fe3O4納米顆粒均勻地附著在纖維素微晶體表面。

圖3 樣品的透射電子顯微鏡圖像Fig. 3 TEM images of the samples

2.3 FTIR光譜分析

利用FTIR光譜對磁性纖維素微晶復合物的相互作用進行表征，結果如圖4所示。3種粒子在3 404、1 578 cm-1附近均出現了相同的吸收峰，表明粒子上存在—OH基團；此外在圖4b和c譜線中的565 cm-1處均出現吸收峰，這歸因于Fe3O4顆粒光譜中Fe—O鍵的伸縮振動[21]，因此可以判斷纖維素微晶上成功結合了磁性粒子，這與掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的結果一致。

圖4 樣品的FTIR光譜圖像Fig. 4 FTIR spectra of the samples

2.4 視頻光學接觸角分析

固體顆粒的潤濕性是制備Pickering乳液的重要標準，因為它控制形成的Pickering乳液類型及其穩定性，并且固體顆粒的潤濕性由接觸角（θ）的值決定[22]。當接觸角小于90°時，表明顆粒是親水的，易于形成O/W型乳液；當接觸角大于90°時，表明顆粒是親油的，易于形成W/O型乳液；當接觸角90°時，此時形成的乳液穩定性最好[23]。因此，開發具有兩親性質或具有適當潤濕性的顆粒是配制Pickering乳液最重要步驟之一[24]。合適的潤濕性可增強顆粒在水/油界面處的吸附，并隨后提供防止乳液液滴聚結的位阻。

如圖5所示，Fe3O4的接觸角為46.67°，纖維素微晶的接觸角為42.48°，磁性纖維素微晶復合物的接觸角為69.58°。相對于Fe3O4和纖維素微晶，磁性纖維素微晶復合物的疏水性更強，因為磁性纖維素微晶復合物的水接觸角大于Fe3O4和纖維素微晶，這可能是由于Fe3O4和纖維素微晶在共沉淀過程中，纖維素微晶表面的親水基團（-OH基團）減少導致[25]。因此，磁性纖維素微晶復合物形成穩定乳液的能力更強。

圖5 固體顆粒的接觸角Fig. 5 Contact angle of solid particles

2.5 磁性纖維素微晶復合物添加量對Pickering乳液穩定性的影響

一般情況下，當粒子濃度過低時無法形成穩定的Pickering乳液，這種乳液穩定一段時間后可能會出現破乳現象。當粒子濃度升高時，Pickering乳液的穩定性提高。因此，顆粒濃度只有適當時才會形成穩定的Pickering乳液。如圖6所示，當磁性纖維素微晶復合物添加量為0.5 g/100 mL時，能夠形成少量乳液并且粒徑分布不均勻。繼續提高磁性纖維素微晶復合物用量時，形成的乳液液滴較為均勻，并且粒徑基本一致。當磁性纖維素微晶復合物用量過多時，可能是乳液體系濃度過高，導致分散相中的粒子過剩或聚集[26]。綜上分析，磁性纖維素微晶復合物添加量為1.5 g/100 mL時，乳液穩定性較好。為比較磁性纖維素微晶復合物和纖維素微晶對Pickering乳液的穩定效果，設置纖維素微晶添加量為1.5 g/100 mL，其他條件保持不變，制備原始纖維素微晶穩定的乳液作為對照樣品，結果表明，純纖維素微晶不能制備出穩定的Pickering乳液。

圖6 磁性纖維素微晶復合物添加量對Pickering乳液穩定性的影響Fig. 6 Effect of magnetic cellulose microcrystal addition on the stability of Pickering emulsion

2.6 油水比對Pickering乳液穩定性的影響

如圖7所示，當油相體積少時，乳液的粒徑較小，隨著油水比的增大，即油相體積增加，水相體積減少，乳液的粒徑呈現變大的趨勢。當油水比為3∶7時，乳液液滴分布均勻，粒徑基本一致。但是油水比為4∶6時，乳液液滴尺寸較大，可能是由于油相含量增多時，乳化劑顆粒含量保持不變，所以穩定乳液液滴界面的乳化劑數量相對不足，液滴碰撞頻率就會增加，以達到減少界面總面積從而維持穩定的目的，此時乳化劑顆粒會分布在更大乳滴上，所以粒徑會越來越大，乳液產生不穩定趨勢[27]。因此，選擇適宜的油水比為3∶7。為比較不同乳化劑的效果，設置纖維素微晶用量1.5 g/100 mL，油水比3∶7，其他條件保持不變，得到磁性微晶和單純纖維素微晶的乳液，可以明確看出纖維素微晶穩定的乳液效果略低。

圖7 油水比對Pickering乳液穩定性的影響Fig. 7 Effect of oil/water ratio on the stability of Pickering emulsion

2.7 均質次數對Pickering乳液穩定性的影響

高壓均質會提高食品的加工效率，還能顯著提高乳液體系的穩定性[28]。如圖8所示，不同均質次數處理后乳液的平均粒徑均低于未進行高壓均質的乳液。未經過高壓均質的乳液，液滴分布不均勻，且乳液的粒徑較大。隨著均質次數的增加，乳狀液粒徑分布向低粒徑趨勢轉移，即乳滴粒徑減小，可能是經過高壓處理，乳液體系中被輸入較多能量導致[29]。均質處理4 次時，乳液粒徑有增大的趨勢，可能是乳液發生了“過處理”現象，由于高壓處理使乳液粒徑變小，顆粒之間布朗運動速率加快，增加了相互碰撞的次數，從而破壞界面膜，導致固體顆粒的聚集[30]，所以乳液穩定性降低。所以，均質次數為2 次最佳。為了比較乳化劑的效果，設置纖維素微晶用量1.5 g/100 mL，油水比3∶7，均質次數2 次制備Pickering乳液，與相同條件下磁性纖維素微晶復合物穩定的乳液進行對比，清晰觀察到單純纖維素微晶穩定的乳液效果較差。

圖8 均質次數對Pickering乳液穩定性的影響Fig. 8 Effect of number of homogenization cycles on the stability of Pickering emulsion

2.8 Pickering乳液的熒光顯微鏡分析

為明確Pickering乳液的類型，分別將油相用尼羅紅染為紅色，水相用異硫氰染為綠色，結果如圖9所示。圖9a中乳液液滴發出強烈的紅色熒光信號，圖9b中經染色后水相呈現出綠色熒光信號，乳液液滴外殼為綠色，內部呈現黑色。因此，乳液被確定為O/W型。

圖9 Pickering乳液熒光顯微圖像Fig. 9 Fluorescence microscopic image of Pickering emulsion

2.9 Pickering乳液可重復性分析

磁響應性是磁性可回收型材料最為重要的性能之一，反映磁響應性最為重要的參數是飽和磁化強度。磁性纖維素微晶復合物的磁性能是實現利用磁場控制磁性固體顆粒在乳液中破乳，從而進行快速分離的關鍵。磁性粒子的飽和磁化強度值越大，磁性分離時間越短，乳液也會快速破乳[31]。如圖10a所示，當施加外部磁場時，磁性纖維素微晶復合物會向磁鐵周圍靠近，表現出典型的磁場刺激響應性。如圖10b所示，磁性纖維素微晶復合物顆粒初始飽和磁化強度值為56.8 emu/g，磁性纖維素微晶復合物顆粒經過重復使用5 次后飽和磁化強度值為4.2 emu/g。此時，磁性固體粒子的磁性能過低，不利于乳化劑的分離回收，因此不適合繼續使用穩定乳液。

圖10 Pickering乳液磁場刺激響應性（a）和磁性固體顆粒重復使用磁性能變化（b）Fig. 10 Pickering emulsions stimulated magnetic field responsiveness (a) and changes in magnetic properties after repeated use of magnetic solid particles (b)

3 結 論

將Fe3O4與纖維素微晶結合成磁性固體顆粒，制得穩定的O/W型Pickering乳液。通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡發現，磁性纖維素微晶復合物仍能保持良好的棒狀結構，并且纖維素微晶表面明顯變的粗糙，Fe3O4粒子附著在纖維素微晶表面；FTIR光譜發現磁性纖維素微晶復合物上出現Fe3O4粒子的特征峰值；視頻光學接觸角測量得出磁性纖維素微晶復合物的親水親油性優于纖維素微晶，因此形成的乳液更加穩定。在最優的條件下制得O/W型Pickering乳液，該乳液表現出磁場刺激響應性，磁性纖維素微晶復合物顆粒可以重復使用5 次。