改性玉米秸稈纖維素的制備及其對Pickering 乳液穩定性的影響

邵添，樊紅秀，劉炳莉，滕 旭，劉婷婷，張艷榮

（吉林農業大學食品科學與工程學院，農業農村部食用菌加工技術集成科研基地，吉林省糧食精深加工與高效利用工程研究中心，吉林省糧食精深加工與副產物高效利用技術創新重點實驗室，吉林長春 130118）

纖維素是葡萄糖苷通過糖苷鍵連接而成的多糖類物質。由于其具有兩親性、穩定性好、無毒等優點，經常用來制備固體顆粒以作為Pickering 乳液的乳化劑[1]。其主要通過吸附行為不可逆地排列在液滴界面上，充當空間位阻，阻斷界面間相互作用和液滴接觸，以形成穩定的乳液[2]。然而，由于天然纖維素顆粒的粒徑相對較大且具有緊湊的聚合結構難以暴露官能團[3]，通常對其進行改性使其成為理想的固體乳化劑。其中酸解-機械聯用的方法受到了廣泛的關注。酸解-機械法改善了酸解過程難以控制和機械法能耗高的特點，同時使纖維素微觀結構松散，暴露更多官能團，并且小顆粒纖維素具有更大的比表面積，可以更快的吸附在油水界面，有利于界面膜的形成，從而提高了纖維素的乳化能力[4]。Lu 等[5]通過鹽酸水解-球磨的方式制備小顆粒纖維素，并以此穩定Pickering 乳液。發現小顆粒纖維素穩定的乳液在1 個月的貯藏期間表現出良好的穩定性。Luo 等[4]利用草酸水解纖維素，再利用高壓均質獲得不同尺度的纖維素，將其用作水包油型乳液的乳化劑。結果表明，纖維素尺度大小顯著影響其乳化能力，尺度較小的纖維素顆粒可以產生穩定的Pickering 乳液。

玉米秸稈作為農業生產過程中的副產品，其年產量達2.2 億噸，多被用作畜牧飼料。隨著糧食增產，秸稈過剩問題凸顯，造成違規焚燒秸稈等現象[6]。玉米秸稈纖維素含量約40%，因此是良好的纖維素來源[7]。玉米秸稈纖維素存在親水性高和尺度較大的缺點，難以滿足其作為固體乳化劑的要求，需要進一步改性，但其改性方法多為單一的改性方法[8]。并且，目前玉米秸稈纖維素在Pickering 乳液的應用研究還很少。由此可見，以硫酸水解-高壓均質法改性玉米秸稈纖維素并使用其制備Pickering 乳液，既能為玉米秸稈纖維素的改性提供新方法還可以為其拓展應用途徑。

百里香精油是一種天然疏水抗氧化劑和廣譜抗菌劑，因此在食品、包裝、醫藥等領域有著廣泛的應用[9]。但是百里香精油的高揮發性、熱分解性、低水溶性和不穩定性導致其在應用上有一定的局限性[10]。制備Pickering 乳液可以有效提高精油穩定性[11]。纖維素因其具有無毒、成本低、可降解及良好的生物相容性等特點常被用作Pickering 乳液的固體乳化劑[5]。但目前多數研究利用纖維素納米晶制備Pickering 乳液提高精油穩定性[12]，對于農產品加工副產物來源的纖維素制備Pickering 乳液的相關研究鮮有報道。此外，很少有研究關注不同改性方法制備的固體乳化劑對Pickering 乳液穩定性的影響。

因此，本文采用硫酸水解和硫酸水解-高壓均質聯用法對玉米秸稈纖維素改性。對改性前后纖維素進行表征與分析，探究改性處理對玉米秸稈纖維素結構與性質的影響，并探究改性前后纖維素穩定的Pickering 乳液的穩定性差異，以期提高玉米秸稈的附加值和綜合利用率，同時為后續百里香精油的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米秸稈 購于長春市；百里香精油 吉安市綠源天然香料油有限公司；亞氯酸鈉、氫氧化鈉、硫酸、鹽酸 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；冰醋酸 分析純，北京化工廠；尼羅紅、熒光增白28分析純，美國Sigma 試劑公司。

UV-2300 紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；TGL20M-Ⅱ高速冷凍離心機 鹽城市凱特儀器公司；Malvern Mastersizer 3000E 激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；Nicolet iS20 傅里葉變換紅外光譜儀 美國賽默飛世爾公司；Tundra Cryo-TEM 掃描電鏡 美國賽默飛世爾公司；Turbiscan AGS 多重光散射穩定性分析儀 法國Formulaction 儀器公司；Discovery HR-1 流變儀 美國TA 公司；ATS/AMF-5 高壓均質機 蘇州安托思納米技術有限公司；LSM880 激光共聚焦顯微鏡 德國Carl Zeiss 公司；Leica DMI600B 倒置顯微鏡 德國Leica公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維素的提取及改性 參考趙昊[13]的方法并稍作修改。將玉米秸稈清洗干凈，晾干，粉碎并過80 目篩，以1:15（g/mL）料液比，將秸稈粉末浸沒在5%亞氯酸鈉溶液中，用10%醋酸將溶液pH 調節至3，在75 ℃的水浴中攪拌3 h 除去木質素，隨后以4000 r/min 離心15 min，洗滌至中性。將得到的沉淀物用5%氫氧化鈉溶液70 ℃浸泡5 h 除去半纖維素，然后用蒸餾水離心洗滌樣品，直至上清液為中性，最后將得到的沉淀冷凍干燥，即得到CS。

參考郭艷等[14]的方法并加以改進。配制1 mol/L的硫酸溶液，按料液比1:10（g/mL）對上述得到的CS 進行水解，50 ℃水解1.5 h。隨后加入硫酸溶液10 倍體積的蒸餾水以終止反應，離心去除上清液，得到沉淀即為CP。用大量蒸餾水將沉淀至中性，冷凍干燥，研磨成粉末狀備用。然后用蒸餾水將凍干后的沉淀配制成質量分數為1%的懸浮液，超聲分散后，將高壓均質機壓力設置為40 MPa，均質時長為5 min，得到HPC。

1.2.2 纖維素粒徑分析 在室溫下，使用馬爾文激光粒度儀對不同纖維素顆粒的粒徑進行測定，以蒸餾水為分散介質，逐滴加入樣品，折光率達到14%～15%時開始測量，設置分散介質折射率1.330。

1.2.3 纖維素微觀結構觀察 在50 ℃烘箱中將纖維素樣品烘干至恒重。采用電子掃描顯微鏡觀察纖維素微觀結構的變化，觀察時采用高真空模式，工作電壓為10 kV，將樣品粘至導電臺并噴金后以5000倍的放大倍率觀察制備的纖維素樣品。

1.2.4 纖維素傅里葉紅外光譜分析 將纖維素和干燥至恒重的溴化鉀粉末按質量比為1:100 放置于研缽中，充分研磨后，稱取20 mg 混合物壓片。測定范圍為4000～400 cm?1，分辨率為4 cm?1。

1.2.5 纖維素靜水接觸角測定 參考Liu 等[15]的方法稍作修改，使用壓片機將纖維素壓制成表面光滑的薄片。然后將這些薄片放在樣品臺上，開始測量，并通過高速攝像機記錄圖像，使用停滴法和圓擬合法計算出靜水接觸角。

1.2.6 Pickering 乳液的制備 參考葛思彤等[16]的方法，將上述制備的纖維素用去離子水稀釋，與一定比例的百里香精油混合，利用高速剪切機在11000 r/min條件下均質2 min，得到粗乳液，再將粗乳液在30 MPa的壓力條件下，高壓均質3 min 得到新鮮乳液。根據前期預實驗的結果，確定纖維素質量濃度為0.50%，油相比例為10%，制備不同纖維素顆粒穩定的Pickering 乳液。將制備好的乳液密封在樣品瓶中，放置于室溫（25 ℃）下避光貯藏21 d，供后續觀察及分析使用。

1.2.7 乳液界面微觀結構觀察 取10 μL 的尼羅紅溶液（1 mg/mL）、10 μL 的熒光增白劑溶液與1 mL新鮮乳液混合均勻，靜止30 min 后[17]，吸取5 μL 染色乳液滴至載玻片，覆蓋蓋玻片后利用激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）觀察乳液液滴的界面微觀結構。

1.2.8 乳液流變學分析 取5 mL 新鮮乳液，在25 ℃條件下測定0～100 s?1剪切速率范圍內乳液黏彈性模量的變化[18]。同時在1 Pa 壓力下，測定10～100 Hz 范圍內乳液儲能模量（G'）與損耗模量（G''）的變化[19]。

1.2.9 乳液Zeta 電位和粒徑分析 在室溫下以蒸餾水為分散介質，將新鮮制備的乳液和貯藏21 d 后的乳液逐滴加入到樣品池中，直到折光率達到14%～15%，分別設置蒸餾水和百里香精油的分散介質折射率為1.330 和1.502，進行Zeta 電位和粒徑的測量。

1.2.10 乳液微觀結構觀察 參考Lu 等[20]的方法，吸取10 μL 新鮮制備的乳液和貯藏21 d 后的乳液分別置于載玻片上，使用熒光倒置顯微鏡對乳液的微觀形態進行觀察，并收集圖像。

1.2.11 乳液物理穩定性測定 穩定指數（Turbiscan stability index，TSI）是指將樣品在測試時間內掃描相同高度下透射光光強變化值，直至累加到樣品總高度的結果，是評價樣品穩定性的指標。參考邢琳琳等[21]的方法并稍作修改。用多重光散射儀以30 s的間隔，對新鮮制備的乳液和貯藏21 d 后的乳液分別掃描30 min。

1.3 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 24 軟件對數據進行分析，使用Origin 2019 和GraphPad Prism Version 8.02繪制圖像。每個實驗至少進行3 次平行實驗，實驗結果以平均數±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 纖維素結構與性質的結果分析

2.1.1 纖維素粒徑分析 纖維素的粒徑分析結果如圖1 所示，三種纖維素均呈現單峰分布且粒徑大小存在明顯差異，其中CS 平均粒徑為110.17 μm。CS經硫酸水解后降解斷裂，同時引入了SO42-，增加纖維素顆粒的表面電荷，增大顆粒間的靜電排斥作用和位阻效應，從而減少顆粒的團聚[14]，因此與CS 相比，CP 的粒徑均顯著減小（P<0.05），平均粒徑為56.48 μm。隨后在高壓均質的過程中纖維素受到多種力的作用，包括粒子間的撞擊力、剪切力，以及由于物體流速的極端變化而產生的空化力等[22]使得纖維素部分結晶區和非結晶區發生斷裂，HPC 粒徑分布曲線變窄，向較小粒徑方向移動，表明粒徑變小且粒徑分布更均勻，HPC 的平均粒徑為28.61 μm。

圖1 不同纖維素的粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution of different cellulose samples

2.1.2 纖維素微觀結構觀察 由圖2 的掃描電鏡結果可以清晰地觀察到CS 表面粗糙，呈現為較大的無規則片狀顆粒，結構完整，但顆粒大小不均勻；而通過硫酸水解除去了結構中的無定形部分后[23]，CP 的表面較為平整光滑，結構更為緊湊，呈現出短棒狀形態；HPC 的表面與CS 和CP 的差別很大，部分結構被破壞，多處呈卷翹形，表面粗糙，疏松多孔的結構可能會暴露出更多活性基團。張益嘉等[24]研究表明，高壓均質處理時纖維素與均質閥發生猛烈撞擊，使得纖維素顆粒的形貌發生較大變化。以上微觀結構結果表明，所制備的HPC 相較于CS 和CP 具有更小的粒度，這將有利于其暴露更多的活性基團，這些特點使得HPC 在作為固體乳化劑方面具有優勢，與Lu 等[5]的研究結果一致。

圖2 不同纖維素的掃描電子顯微鏡圖（5 k×）Fig.2 Scanning electron microscope images of different cellulose samples (5 k×)

2.1.3 纖維素傅里葉紅外光譜分析 傅里葉紅外光譜用于觀察不同纖維素之間功能基團的差異。圖3中，3 條紅外吸收譜帶均在3000～3650 cm?1處和1600 cm?1處附近出現強寬吸收峰，它們分別對應羥基（-OH）的拉伸振動和彎曲振動[25]，是纖維素結構具有的特征吸收峰。這表明纖維素中存在大量分子內和分子間氫鍵。在3000～3650 cm?1處和1600 cm?1處，與CS 相比，CP 和HPC 波數向低波數移動[26]，表明氫鍵數量增加。890 cm?1與1165 cm?1處為β-1,4-糖苷鍵的特征吸收峰[27]。890 cm?1處與1165 cm?1處，與CS 相比，CP 的峰減弱，HPC 的峰甚至消失，代表著β-1,4-糖苷鍵的斷裂，說明纖維素聚合度減小，與上述粒徑分析結果相一致。1353 cm?1處的吸收峰和纖維素中的C-H 鍵的伸縮振動有關[28?29]。其中與CS 相比，CP 與HPC 在1353 cm?1處的峰面積均有所增大，代表纖維素極性增加。以上結果表明，CS 經過硫酸水解和高壓均質處理后，其主要成分和結構未發生明顯變化，聚合度減小，極性增強，更有利于纖維素在乳液液滴表面的吸附[30]。

圖3 不同纖維素的傅里葉紅外圖譜Fig.3 Fourier transform infrared spectroscopy of different cellulose samples

2.1.4 纖維素靜水接觸角的測定 當接觸角接近90°時，纖維素表現出兩親性，可增強顆粒的吸附能力，并在乳液體系中充當空間位阻，防止乳液液滴發生聚結現象，更適合作為皮克林乳液的固體乳化劑使用[31]。結果如表1、圖4 所示，與 CS 相比，CP 和 HPC的靜水接觸角均顯著性增大（P<0.05），且HPC 達到了76.1°，約為CS 的2.4 倍。說明兩種改性方法均使纖維素顆粒的疏水性提高。其原因是在機械力的作用下纖維素斷裂，結晶區域會受到破壞，導致纖維素的結晶面（（200）疏水平面和（200）β/（220）α疏水平面）在結構上不等價[32]。這與Costa 等[33]的研究結果類似，他們發現高壓均質處理后的香蕉皮纖維素疏水性增加。

表1 改性前、后纖維素的接觸角比較Table 1 Comparison of contact angle between cellulose before and after modification

圖4 不同纖維素的靜水接觸角Fig.4 The static water contact angles of different cellulose samples

2.1.5 乳液界面微觀結構觀察 激光共聚焦法是一種常用來觀測乳液界面微觀結構的有效方法。如圖5所示，乳液的油滴被激發為紅色熒光，纖維素被激發為藍色熒光。研究表明，固體顆粒不可逆地吸附在油水界面上，會在油滴周圍形成一層屏障，防止油滴的聚結[34]。在圖5 的所有圖像中，觀察到不規則的藍色熒光分布在紅色液滴的周圍，證明該乳液是典型的O/W 型乳液，與Nomena 等[35]的研究結果相一致。在圖5（a）中，CS 乳液液滴分布不均勻，且液滴較大；圖5（b）中，CP 乳液液滴粒徑減小，但依然出現分布不均勻的情況，形成這種情況的可能原因是SO42-的引入增加了纖維素的不可逆吸附作用[36]。圖5（c）中，HPC 乳液液滴大小和分布相較于CS 乳液和CP乳液更加均勻、致密，液滴之間沒有發生明顯聚集現象，這表明HPC 吸附在液滴的油水界面上，緊密排列，形成致密的界面膜，充當空間位阻，防止乳油滴聚集，乳液穩定性較好[37]，進一步證實了HPC 作為乳化劑穩定乳液的能力。

圖5 不同纖維素乳液的CLSM 圖Fig.5 CLSM images of different cellulose emulsion

2.1.6 乳液流變特性分析 流變特性是反映乳液的物理穩定性的重要指標之一。為進一步驗證玉米秸稈纖維素在乳液體系中的作用，測定了由三種纖維素穩定的Pickering 乳液隨剪切頻率的改變，其表觀黏度的變化。如圖6（a）所示，所有乳液均隨著剪切速率的增大，表觀黏度值減小，這是典型的剪切稀化現象，證明三種Pickering 乳液均屬于非牛頓流體[38?39]。在相同剪切速率條件下，隨著纖維素顆粒粒徑的減小，乳液表觀黏度逐漸增加。這可能是因為CS 乳液的液滴分散不均一，液滴間網絡斷裂，導致分子間作用力降低，進而使黏度降低；而由CP 和HPC 穩定的乳液液滴粒徑更小，分散性變好，形成的網絡結構更穩定，乳液的黏度增大從而限制了液滴的移動，提高了乳液的抗剪切能力。

圖6 不同纖維素乳液的黏度（a）、儲能模量G′和損耗模量G″（b）Fig.6 Viscosity (a),storage modulus G′ and loss modulus G″(b) of different cellulose emulsion

儲能模量（G′）和損耗模量（G″）的變化如圖6（b）所示，在整個頻率范圍內所有樣品的儲能模量（G'）始終高于損耗模量（G''），G′及G″都隨頻率增加而增加，表現出頻率依賴性[40]，這種結構有利于提高乳液的穩定性[41]。Ortiz 等[42]的研究表明，Pickering 乳液的G'值越高，在外力作用下產生形變的可能性就越低，從而顯示出較好的高頻穩定性。因此可以證明HPC乳液具有較強的物理穩定性。

2.2 不同纖維素乳液貯藏穩定性的結果分析

2.2.1 乳液Zeta 電位及粒徑分析 Zeta 電位絕對值代表乳液所帶靜電荷數量[43],當Zeta 電位絕對值大于30 mV 時，液滴以及顆粒間的斥力具有抵抗聚結的能力[44]。圖7 中，三種乳液中HPC 乳液的Zeta 電位絕對值最大。由表2 可知，在貯藏21 d 后，CS 乳液的平均粒徑顯著增大（P<0.05），達到11.43 μm，這有可能是液滴之間斥力變小，發生聚集或絮凝所致[45]，這與Li 等[46]研究的結果一致。CP 乳液的粒徑變化和液滴聚集現象有所減弱，這可能是由于強靜電和空間斥力共同作用導致粒子難以聚集，液滴之間的靜電斥力增加，可以保持液滴之間的平衡，從而減小粒徑。HPC 乳液貯藏21 d 后平均粒徑變化較小，粒徑分布僅出現輕微移動并十分穩定。三種纖維素乳液的貯藏穩定性出現這種差異是因為纖維素中含有羥基等極性基團，溶于水后發生解離，帶有負電荷，而HPC 經過硫酸水解和高壓均質的剪切力，分子鏈之間的氫鍵發生斷裂，使得極性基團增加，電負性隨之增強[47]，液滴之間表現出相對抗聚集的能力，液滴分散性變好，絮凝現象逐漸減弱。這一現象與2.1.3 中傅立葉紅外光譜分析結果一致。

表2 不同纖維素乳液在第1 d 和貯藏21 d 后平均粒徑變化Table 2 The change of average particle size of different cellulose emulsion on the first day and after storage for 21 days

圖7 不同纖維素乳液在第1 d 和貯藏21 d 后Zeta 電位變化Fig.7 The change of Zeta potential of different cellulose emulsion on the first day and after storage for 21 days

2.2.2 乳液微觀結構分析 乳液的微觀結構觀察結果如圖8 所示。CS 乳液液滴粒徑分布不均勻且液滴絮凝狀明顯，這可能是CS 不足以在油水界面形成完整的膜，繼而發生乳液失穩現象；CP 乳液液滴粘連現象減弱，但依舊出現了部分絮凝；新鮮制備的HPC 乳液液滴邊緣清晰，結構完整，大小均一，沒有出現液滴塌陷和液滴聚集現象，呈現均勻致密的球形分布，分散性最好。CS 乳液在貯藏21 d 后粒徑增大，液滴粘連現象加劇。CP 乳液液滴之間表現出相對抗聚集的能力，絮凝現象逐漸減弱。對于HPC 乳液來說，在貯藏21 d 后沒有明顯的液滴粘連現象發生，乳液的分散性最好。這些觀察結果表明HPC 乳液液滴表面被HPC 逐漸覆蓋，與油相、水相形成了致密且穩定的網絡結構[48]，阻止液滴的聚集或絮凝。這與表2 中貯藏期間粒徑變化的趨勢相一致，再次證明了HPC 可以有效增強乳液在貯藏期間的穩定性能，防止乳液在貯藏期間發生失穩現象。

圖8 不同纖維素乳液在第1 d 和貯藏21 d 后微觀結構觀察圖像Fig.8 The microstructure observation figures of different cellulose emulsion on the first day and after storage for 21 days

2.2.3 乳液TSI 及外觀形貌分析 TSI 值代表乳液體系的穩定性[49]，TSI 值越小，說明液滴的吸附層穩定性更好，其在貯藏過程中發生液滴絮凝的幾率越小。乳液TSI 值越大，其曲線斜率越大，表明乳液越不穩定[50]。圖9（a）中，新鮮制備的乳液均具有較低的TSI 值，CS、CP 和HPC 乳液分別為0.408、0.317、0.199。貯藏21 d 后的TSI 分別為0.936、0.496、0.359，CS 乳液在900 s 時TSI 曲線還處于上升階段，CP 乳液和HPC 乳液在900 s 后，TSI 值升高的趨勢平穩，乳液體系逐漸穩定。貯藏前后CS 乳液的TSI 值顯著增大，表明CS 乳液在長期貯藏的過程中發生了結構崩塌的現象，而HPC 乳液在靜置21 d 內TSI 值波動最小，說明乳液儲藏穩定性最好。

圖9 不同纖維素乳液在第1 d 和貯藏21 d 后TSI 變化（a）和外觀形貌圖像（b）Fig.9 The change of TSI (a) and appearance (b) of different cellulose emulsion on the first day and after storage for 21 days

乳液是熱力學不穩定體系，在制備和儲藏過程中可能出現聚集、絮凝等現象，外觀形貌可以直觀地反映出乳液的穩定性[51]。三種纖維素穩定的Pickering乳液及貯藏21 d 后的外觀形貌如圖9（b）所示，圖中新鮮乳液均具有較高的穩定性，其質地均一細膩，未發生油水分離現象。靜置21 d 后，CS 乳液出現了油水分離現象，這是由于CS 乳液液滴粒徑不均一，液滴間的網絡結構不穩定，乳液流動性增加，乳液液滴間相互碰撞的頻率增加，更容易發生聚集，因此乳液的物理穩定性變差；CP 乳液發生了輕微的乳析現象，表明乳液穩定性欠佳；HPC 乳液外觀未發生分層現象，說明油滴被HPC 緊密包裹，形成了完整的界面屏障，乳液表現出更穩定的狀態。這與上述TSI 測試結果相符。

3 結論

本研究以玉米秸稈為原料，采用亞氯酸鈉-醋酸-氫氧化鈉法提取纖維素，并通過硫酸水解和硫酸水解-高壓均質聯用改性方法制備了三種不同的纖維素顆粒，與CS、CP 相比，HPC 的粒徑更小。掃描電鏡結果和傅里葉紅外光譜結果表明三種纖維素顆粒微觀形態差異較大，HPC 的尺度更小，表面疏松多孔，暴露了更多活性基團，從而提升了其乳化性。此外，HPC 的靜水接觸角達到了76.1°，大大改善了CS 親水性，這為提高Pickering 乳液的穩定性提供了結構基礎。對不同乳液的乳化特性及穩定性進行分析發現，與CS 相比，CP、HPC 均能有效提高Pickering 乳液穩定性，其中HPC 乳液粒徑最小、分布均一、儲能模量最高且乳液在21 d 的貯藏中TSI 值變化最小，具有更高的抗聚結能力，且隨著貯藏時間的延長乳液體系未發生明顯變化。因此，硫酸水解-高壓均質法可以提高玉米秸稈纖維素的乳化性，為其在Pickering乳液體系中的應用提供一定的理論基礎，拓寬了玉米秸稈高值化利用的應用范圍。