不同硫酸濃度水解制備纖維素納米晶及其穩定Pickering乳液研究

王雨西,高煥秋,代笛菲,胡菽翰,羅鈺湲,黃越,張宇昊,3,余永,3,戴宏杰,3*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(重慶市蠶業科學技術研究院,重慶,400700)3(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學),重慶,400715)

纖維素是地球上最豐富的天然聚合物之一,納米纖維素是具有納米尺寸的纖維素衍生物,廣泛來源于農業廢棄物(如茶渣、甘蔗渣、玉米殼、菠蘿皮渣等[1-2])。纖維素納米晶(cellulose nanocrystals,CNCs)是纖維素精細化處理后獲得的一類棒狀、高結晶度的納米級纖維素材料,因其強機械性能而備受關注,同時兼具較好的可持續性、生物相容性、生物降解性、親水性和高比表面積等優良特性[3-5]。近年來,由于CNCs獨特的納米結構、天然兩親性和環境穩定性,其作為食品級乳化劑應用于Pickering乳液領域受到廣泛關注[2,6-9]。CNCs的天然兩親性依賴于(200)β/(220)α的疏水邊緣平面,同時CNCs還可以沿著油/水界面彎曲(適應油滴的曲率),這種在界面上的小變形促進了CNCs在油水界面的潤濕和吸附,而CNCs的粒徑形貌和電荷會影響其在界面上的吸附,進而影響乳液穩定性[9-10]。目前研究納米纖維素形貌對Pickering乳液的影響主要集中在不同類型的納米纖維素(如CNCs和纖維素納米纖絲),關于不同粒徑CNCs穩定的Pickering乳液研究鮮有報道。此外,對CNCs的粒徑適當調控,可能對Pickering乳液界面和連續相形成雙向調控,具有重要的研究價值。

CNCs的表面特性主要與其制備方法有關[11]。酶解法時間長并且成本高,氧化降解法無法回收化學試劑,有機酸法反應效率低,而無機酸法高效且產品均一性、穩定性相對較好[12]。目前酸水解制備CNCs中最常用的是質量分數為64%的硫酸溶液,硫酸水解導致纖維素結構中的無定形區域和亞結晶區域優先被破壞和去除,而結晶區域由于結構緊密,對酸具有較強抵御力而不易水解[13]。此外,硫酸通過酯化過程與纖維素的表面羥基進行反應,允許陰離子硫酸酯基團的接枝,進而產生強靜電排斥促進CNCs在水中的分散[14]。需要注意的是,酸水解制備CNCs的形貌和理化特性因纖維素來源和酸水解參數的差異而影響較大。考慮到生產成本、經濟和環境效益,適量降低硫酸水解時的酸濃度對生產CNCs具有重要意義,同時可能會實現對CNCs表面特性(如粒徑、電位)的有效調控。

因此,本研究以典型果蔬加工副產物菠蘿皮渣為原料提取纖維素,以前期預試驗驗證的可水解生成CNCs的有效硫酸濃度范圍為基礎,進一步研究不同質量分數硫酸(58%～64%)水解菠蘿皮渣纖維素制備CNCs,從官能團、粒徑、電位、熱穩定性等方面對CNCs的結構和理化性質分析;進一步以CNCs作為穩定劑制備Pickering乳液,考察CNCs濃度和形態對Pickering乳液粒徑、微觀結構和儲藏穩定性的影響。研究結果將為硫酸水解制備果蔬皮渣來源的CNCs提供基礎數據,并為不同形貌和粒徑的CNCs穩定Pickering乳液應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菠蘿皮渣,重慶市北碚區永輝超市提供;菠蘿皮渣纖維素,自制;葵花籽油,上海佳格食品有限公司;硫酸、NaOH、NaClO2,重慶川東化工(集團)有限公司;NaCl,成都金山化學試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

Heraeus Multifuge X3R型臺式高速冷凍離心機,美國賽默飛世爾科技公司;BX 53型熒光正置顯微鏡,日本OLYMPUS公司;Spectrun 100型紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司;DTG-60A/60AH型熱重儀,日本島津公司;FD-1-50型真空冷凍干燥機,中國北京博益康實驗儀器有限公司;XHF-DY型高速分散器,寧波新芝有限公司;KQ3200DV型超聲波清洗儀,昆山超聲儀器有限公司;Mastersizer 3000型激光粒度儀、ZEN 3690型馬爾文納米粒度電位儀,英國Malvern公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 菠蘿皮渣CNCs的制備

以課題組前期制備的菠蘿皮渣纖維素為原料[15-16],采用傳統硫酸水解法進一步制備CNCs。配制質量分數為58%、61%和64%的硫酸溶液,將菠蘿皮渣纖維素與硫酸溶液按料液比1∶20(g∶mL)混合,45 ℃水浴攪拌加熱1.5 h,然后加入10倍體積預冷蒸餾水(4 ℃)以終止反應,多次離心(4 000 r/min,15 min)和蒸餾水洗滌以洗去酸液,直至出現渾濁CNCs懸浮液,收集懸浮液后透析,4 ℃保存備用,部分冷凍干燥用于結構表征。根據水解時使用硫酸溶液質量分數,制備的CNCs分別命名為CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%。

1.3.2 原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)分析

將CNCs懸浮液稀釋至質量分數為0.01%,經超聲波處理后,吸取一滴懸浮液滴于新鮮剝離的云母片上,室溫干燥5 h,采用帶有硅懸臂探頭(5 N/m)的AFM儀器測試樣品粒徑和形貌,最后使用Nano Measurer 1.2軟件對圖片進行處理。

1.3.3 紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)測定

采用KBr壓片法制樣,使用FTIR光譜儀在4 000～600 cm-1的波數范圍內進行掃描,掃描頻率為4 cm-1,掃描次數為 32次。

1.3.4 粒徑和電位測定

采用馬爾文納米粒度電位儀測定CNCs的粒徑和Zeta電位。將CNCs懸浮液稀釋至質量分數為0.1%后進行測試,測試溫度為25 ℃,平衡時間為120 s。

1.3.5 熱重分析(thermogravimetric analysis,TGA)

分別準確稱取10 mg干燥CNCs樣品,使用熱重分析儀在N2氛圍下以10 ℃/min的加熱速率對樣品進行熱性能測試,測試溫度范圍為30～550 ℃。

1.3.6 CNCs穩定的Pickering乳液制備

以CNCs懸浮液為水相,葵花籽油為油相制備乳液,油相體積分數為50%。制備乳液之前先在CNCs懸浮液中加入50 mmol/L NaCl以屏蔽部分電荷,油水相混合后在15 000 r/min下高速剪切均質1 min形成Pickering乳液,儲存在4 ℃冰箱中備用。在固定油相比例的條件下,制備不同CNCs和顆粒濃度(質量分數0.2%、0.5%和1.0%)下穩定的Pickering乳液。

1.3.7 乳液外觀與光學顯微鏡觀測

使用相機拍攝乳液外觀照片以直觀觀察乳液的分層現象。使用光學顯微鏡觀察乳液,獲得乳液的顯微鏡圖像。

1.3.8 乳液粒徑和電位測定

采用激光粒度分析儀測定液滴粒徑和尺寸分布,乳液粒徑測量報告為體積平均直徑(d4,3)所有樣品測量3次,取平均值。采用納米粒度電位儀測定Zeta電位,每個樣品至少測量3次,取平均值。

1.4 數據處理與分析

所有樣品至少重復測量3次,獲得的部分數據表示為平均值±標準偏差,使用SPSS Statistics 23、Origin 2018和Nano Measurer 1.2等軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 AFM分析

不同濃度硫酸水解制備的CNCs的AFM圖像如圖1-a所示。CNCs-58%呈現相對較長的細絲狀形貌,分散不均勻,存在一定聚集纏繞形貌;CNCs-61%呈較短的細棒狀,粒徑有所減小,同時其良好的分散性能使其呈現相互纏結的纖維網絡結構;CNCs-64%表現出傳統CNCs的典型短棒狀形貌結構,粒徑明顯較小,CNCs顆粒分散較好且粒徑尺寸相對均勻,不具有相互纏繞的網絡結構。

a-AFM圖像;b-直徑;c-長度

CNCs的直徑和長度分布分別如圖1-b和1-c所示。CNCs-58%的長度和直徑分別主要分布在350～500 nm和9～21 nm,且各范圍分布占比相對平均,表明整體尺寸均一性相對較差;CNCs-61%長度主要分布在250～300 nm,直徑主要分布在7～13 nm,尺寸均一性較好;CNCs-64%長度主要分布在150～200 nm,直徑主要分布在9～15 nm,粒徑最短且整體尺寸均一性較好。整體上,隨著硫酸溶液濃度的增加,纖維素非晶區域水解程度增強,獲得的CNCs直徑和長度均明顯降低,產品均一性增加。

2.2 FTIR分析

不同質量分數硫酸水解制備的CNCs的FTIR圖譜如圖2所示。所有樣品均表現出相似的纖維素特征吸收峰,包括3 350～3 450 cm-1(—OH拉伸振動),2 899 cm-1(C—H拉伸振動),1 050 cm-1(C—O—C拉伸振動),1 430 cm-1(—CH2彎曲振動)和896 cm-1(β-糖苷鍵)[17],表明所制備的CNCs在基團結構上不存在明顯差異[15]。此外,CNCs在1 645 cm-1處的吸收峰為纖維素吸附水的特征峰,更高質量分數硫酸制備的CNCs在此處吸收峰降低,表明親水性降低,這與在3 400 cm-1處吸收峰強度的變化趨勢一致[13]。此外,隨著硫酸質量分數的增加,硫酸與結晶區表面的纖維素分子發生酯化反應的程度增強,在C6位引入磺酸基,制備的CNCs表現出在1 204 cm-1處的吸收峰增強,這是磺酸基的伸縮振動造成的[18]。

圖2 不同質量分數硫酸制備的CNCs的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of CNCs prepared at different concentrations of sulfuric acid solution

2.3 粒徑和Zeta電位分析

不同質量分數硫酸水解制備的CNCs的粒徑和Zeta電位如圖3所示。如圖3-a所示,CNCs主要呈現較強的單一主峰分布且粒徑存在明顯差異,通過激光粒度儀粗略得到的CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%的平均粒徑分別為479、299和273 nm,這與AFM的粒徑變化趨勢大致相符。CNCs-64%的平均粒徑和AFM分析結果存在一定差異,這可能是其在超過1 μm處的小峰造成的,這與制樣過程中的CNCs發生輕微團聚有關。由圖3-b所示,CNCs-58%、CNCs-61%和CNCs-64%的Zeta電位值分別為-33.5、-43.6和-45.7 mV。纖維素表面羥基與硫酸反應脫氫生成磺酸根離子,使生成的CNCs帶負電荷。通常,CNCs的穩定懸浮液顯示出低于-25 mV的Zeta電位值[15]。在當前測試的硫酸質量分數范圍內,所有CNCs懸浮液的Zeta電位絕對值均大于25 mV,表明穩定性較好。Zeta電位值隨著酸質量分數的增加逐漸增加,CNCs穩定性提升。

a-粒徑分布;b-Zeta電位值

2.4 熱穩定性分析

CNCs的TG曲線如圖4-a所示。從圖中可以發現,CNCs的失重可分為三個階段:第一階段發生在35～100 ℃范圍內,主要是由CNCs物理吸附的水分蒸發引起的;第二階段發生在120～220 ℃范圍內,主要涉及CNCs自身的熱分解;第三階段是氧化和分解碳殘渣形成更小分子質量氣態產物而損失的質量[4,15]。所有樣品的最終殘余質量差距較小(26.62%、24.67%和25.52%),這與其組分一致有關。CNCs的DTG曲線如圖4-b所示。低于100 ℃的DTG峰對應CNCs吸附自由水的蒸發損失質量;CNC-58%、CNC-61%和CNC-64%的最大降解峰分別出現在218、200和151 ℃,進一步升溫形成的較高溫度的降解峰分別出現在352、363和387 ℃,對應于纖維素糖苷鍵的斷裂、脫水和解聚等熱解反應。整體上,提高酸濃度降低了CNCs的熱穩定性,這主要是部分—OH被—OSO32-—取代,—OSO32-在高溫下會催化糖苷鍵的分解,導致熱穩定性降低[19]。此外,CNC-64%的尺寸相對更小,在熱解聚過程中會暴露出更大的受熱面積,CNCs表面末端和外露反應活性基團也增加,最終加速熱量分布而降低熱穩定性[20]。

a-TG曲線;b-DTG曲線

2.5 Pickering乳液的外觀和光學顯微鏡圖像

一般顆粒尺寸越小,越容易吸附在油滴界面上形成乳液層,形成的乳液越穩定[21]。如圖5所示,與CNCs-58%相比,CNCs-61%和CNCs-64%穩定的Pickering乳液的液滴粒徑明顯更小。但在相對較低的CNCs質量分數(0.2%)下,與CNCs-58%、CNCs-61%穩定的乳液相比,CNC-64%穩定乳液的析水程度更高,且下層水相相對渾濁,這與CNCs的形貌結構和表面電荷有關[22]。CNCs-58%和CNCs-61%的尺寸相對較長且電荷較少,能夠相互纏結形成網絡結構而穩定乳液,增大空間位阻從而增強液滴對聚結的抵抗力[23]。而CNCs-64%粒徑相對較小且攜帶電荷較多,乳液網絡形成能力相對較弱且未吸附顆粒相對較多。隨著CNCs顆粒濃度的增加,析水現象消失,液滴尺寸減小且分布更加均勻,表明在較高的CNCs濃度下乳液穩定性更好,這可能是因為足夠顆粒的存在促進了網絡結構的形成且提供了更多的空間位阻來抑制絮凝,使得液滴更加穩定[24]。總體上,當前條件下制備的CNCs穩定Pickering在4 ℃下儲存15 d后,所有乳液的外觀和光學顯微鏡基本保持穩定,表現出較好的儲藏穩定性。

圖5 CNCs穩定Pickering乳液的外觀與微觀形貌Fig.5 Appearance and micromorphology of CNCs stabilized Pickering emulsions

2.6 Pickering乳液的粒徑與電位分析

顆粒濃度和儲藏時間對CNCs穩定Pickering乳液的粒徑分布影響如圖6所示。

a-Day1;b-Day7;c-Day15

儲藏1 d后,CNCs-58%在0.2%、0.5%和1.0%質量分數下穩定的乳液液滴平均粒徑(d4,3)分別為181、172、151 μm,CNCs-61%分別為154、104、94 μm,CNCs-64%分別為120、72、70 μm;進一步儲藏7 d后,CNCs-58%穩定的乳液粒徑分別為211、192和183 μm,CNCs-61%分別為168、116和106 μm,CNCs-64%分別為139、72、70 μm。CNCs穩定乳液的粒徑穩定性、較長的縱橫比與連續相網絡結構形成有關[23, 25];從粒徑變化數值來看,CNCs-61%和CNCs-64%穩定乳液的儲藏穩定性相對較好。隨著CNCs顆粒濃度的增加,乳液液滴逐漸變小且穩定性增加,這是由更多的CNCs顆粒可用于穩定更高的整體界面面積和增加的乳液連續相濃度造成的[23,25]。

如圖7所示,所有乳液的電位值均為負值,這是由于液滴界面吸附的帶負電荷的CNCs顆粒形成的界面膜造成的。相對較高的乳液電位絕對值會增強液滴之間的靜電斥力,以防止液滴聚集并保持乳液穩定性[26]。隨著儲藏時間增加,乳液電位絕對值有所減小,尤其是CNCs-58%穩定的乳液,這與其儲藏穩定性結果一致。隨著CNCs質量分數的增大,乳液液滴表面吸附顆粒增加,乳液電位絕對值相應增大,穩定性增強。整體上,CNCs-61%和CNC-64%在較高質量分數(0.5%～1.0%)下均可以形成穩定性較好的Pickering乳液。

a-Day1;b-Day7;c-Day15

3 結論

通過不同質量分數硫酸溶液水解菠蘿皮渣纖維素制備CNCs并對其性質進行調控。隨著硫酸溶液質量分數增加,CNCs的尺寸逐漸減小且均一性增加,懸浮液穩定性提高,但熱穩定性降低。由于粒徑尺寸和表面電荷的差異性,不同硫酸質量分數水解的CNCs具有不同的穩定Pickering乳液性能。與CNCs-58%相比,CNCs-61%和CNCs-64%穩定的Pickering乳液具有更小、更均一的液滴粒徑,且乳液儲藏穩定性相對較好。在較低CNCs顆粒濃度下,CNCs-58%穩定乳液的析水程度相對較低;隨著CNCs質量分數增加,更多的CNCs顆粒參與界面吸附,乳液粒徑逐漸減小,乳液穩定性、持水性增加。本研究通過控制硫酸質量分數來調控CNCs形貌尺寸和穩定乳液性能,為CNCs穩定Pickering乳液的應用提供基礎數據,后續可進一步研究不同粒徑尺寸CNCs的界面性能和對乳液流變性質的影響。