摘  要：为了探究纳米纤维素微纤长径比和浓度对其作为乳化剂的乳化能力及其组成的水包油型（O/W）Pickering乳液的乳化稳定性，分析讨论其内在机制，通过碱处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应黄麻纤维制备了相同晶型、不同尺寸和浓度的纳米纤维素纤维（CNF），以其作为乳化剂制备了不同的水包油型（O/W）Pickering乳液。通过表征结果发现：在相同用量下，长径比更大的CNF虽然具备一定的乳化能力，但形成的乳液的稳定性很差；长径比较小的CNF则展现出更好的乳化能力，形成的乳液液滴粒径尺寸更小，具有更好的稳定性。而在长径比相同的情况下，浓度更高的CNF会使得乳液液滴粒径尺寸更小，使乳液获得更好的乳化稳定性。研究结果提高了对CNF乳化剂形态影响乳化能力和乳化稳定性的作用机制的理解，促进其潜在应用的拓展。

关键词：纳米纤维素纤维；TEMPO氧化反应；Pickering乳液；

 

目前，随着消费者的健康意识不断增强，食品等行业增加了更多天然成分的使用，旨在开发绿色环保且更安全健康的产品。水包油型（O/W）食品级乳液作为活性化合物以及肠胃吸收油脂的输送载体一直受到关注和研究。但由于适宜的乳化剂数量有限，开发新的食品级乳化稳定剂用于食品乳液的制造就显得尤为重要^{[1]。其中，由吸附至油水两相界面的固体微粒作为乳化剂的Pickering乳液受到很多关注，与传统的表面活性剂作为乳化剂的乳液体系相比，其具有更好的稳定性、抗氧化性和控释能力，并且能有效降低脂质消化率。但并不是所有颗粒型的乳化剂都适合食品乳液体系[2]。近年来，越来越多的研究者选择以蛋白质、脂质体和多糖等大分子聚集体作为食品级Pickering乳液的稳定剂，因为这些乳化剂具有与食品良好的兼容性以及优秀的乳化能力[3]。开发出原料数量丰富、易得、成本较低的成熟提取方法且具备一定产业规模的乳化剂，是解决目前食品级Pickering乳液更广泛应用的关键。}

纤维素是地球上储量最丰富的多糖生物聚合物，多存在于植物细胞的细胞壁中，由于其可降解性、无毒性、结构刚性和生物相容性等特点，作为一种具有吸引力的可再生天然原料备受关注^{[4,5]。黄麻作为一种广泛种植的传统经济作物，其纤维主要由纤维素（72%）、半纤维素（13%）、木质素（13%）和植物蜡等组成。天然的纤维素可以通过机械加工、化学处理和酶水解等方法转化为纳米纤维素[6]，纳米纤维素微纤（CNF）是纳米纤维素的一种，其大小形态各异，一般宽度为2-20nm，长度为100nm到几微米，既有结晶区也包含无定型区[7]。纳米纤维素不仅保留了天然纤维素所具有的物理特性，也表现出良好的纳米材料特性[8]，而因其具有油水两亲性，其中一个重要应用方向就是作为制备食品级Pickering乳液的稳定剂[9]。}

CNF作为一种天然来源具备各向异性纤维结构的纳米颗粒，其结构有助于在非常低的浓度下稳定油水两相界面^{[10]。另外，作为乳液稳定剂，CNF的长径比和浓度也是影响乳液的稳定性能的重要因素[11]。为了更进一步探究CNF的长径比和浓度对乳化剂乳化能力及形成乳液的稳定性的作用机制，排除不同纤维素原料及不同CNF制备方法对试验结果的影响，本研究选择了黄麻为原料以及相同的CNF制备方法，通过试验过程中对反应条件的控制得到相同晶型、不同长径比和不同浓度的CNF，并以此制备出不同的Pickering乳液进行表征分析。对黄麻基CNF作为Pickering乳液乳化剂的乳化能力和乳化稳定性的作用机制的研究促进了其在相关领域发挥更大的作用。}

黄麻：广西龙州强力麻业有限公司；分析纯级氢氧化钠（NaOH，纯度97%）、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO，98%）、溴化钠（NaBr，99.6%）和无水乙醇：中国上海阿拉丁化学试剂有限公司；次氯酸钠（NaClO，4.00%-4.99%）：Sigma-Aldrich公司；试验中用水均为Milli-Qplus化系统（Millipore公司）净化水。食用花生油:市售。

同步辐射X射线散射装置：上海同步辐射光源小角X射线散射（SAXS）光束线站（BL16B1）；ThermoNicolet6700光谱仪：美国ThermoFisher公司；TecnaiG2F20S-TWIN透射电子显微镜：美国FEI公司；ZetasizerNanoZS纳米粒度电位仪、Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪：英国Malvern公司；DM2500P偏光显微镜：德国徕卡公司。

剪碎并进行过烘干处理的黄麻纤维预先在NaOH溶液（质量百分数为3%）中加热煮4h，固液质量比保持在1∶60。热碱煮过的黄麻纤维纤维经过过滤,并用去离子水清洗若干次,然后在70℃下烘干24h。

纳米纤维素的制备主要采用了TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应方法。首先将碱煮过的黄麻纤维（1g）在去离子水中分散搅拌1h，随后加入NaBr和TEMPO继续搅拌1h。随着NaClO的加入，反应开始进行，在此过程中需不断添加NaOH稀溶液保持pH值在10.6-10.8之间直至其稳定。反应快结束时，加入无水乙醇并连续搅拌20min终止此氧化反应。从反应容器中取出氧化后的样品，用去离子水和无水乙醇清洗若干次，获得果冻状的纳米纤维素凝胶（CNF）。在此氧化反应体系中，通过改变NaClO溶液的不同用量（10.00、20.00、30.00g），以此分别获得命名为CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30的3种不同纳米纤维素样品。

对氧化获得的CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30纳米纤维素样品进行固含量的测量，并配制出质量百分数为0.1%和0.3%的纳米纤维素溶液。然后以相同油相水相体积比（2∶8）向溶液中加入花生油，接着用高速分散器混合，获得乳液并密封放置于4℃以下备用。

对样品进行了同步辐射广角X射线散射（SR-WAXS）试验。所使用的X射线波长为0.124nm，样品到探测器的距离为187.51mm（校正标样为CeO2单晶粉末），使用Pilatus2M检测器进行数据采集，所有样品的数据采集时间均为60s。同时利用光谱仪从500-4000cm-1对样品进行了64次扫描获得其FTIR光谱。利用电子显微镜（TEM）观察合成的CNF的形貌，结合动态激光散射法（DLS），利用纳米颗粒分析仪测定CNF的粒径分布和平均粒径并与TEM的结果进行对照。还借助了激光衍射粒度分析仪和偏光显微镜探究不同条件下纳米纤维素乳液中液滴随时间变化的粒径分布与平均粒径，探究其对乳化性能的影响。

采用Fit2D软件对X射线散射数据进行处理获得一维WAXS积分曲线；采用Omnic软件对红外光谱结果进行处理；采用Origin分析数据并制图。

从图1a可知，样品CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30曲线均显示出纤维素celluloseI的典型峰位，在18.2°、22.6°和27.9°显现出3个较强的衍射峰，在13.8°、16.5°有两个较弱的衍射峰，这些峰位分别对应着I型纤维素的（200），（022），（004），（110）和（021）晶面，与Jin等^{[12,13]的研究结果相同。这说明去除了大部分杂质并成功提取出纤维素celluloseI，且在相同碱处理下，TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应中氧化剂NaClO的用量对纳米纤维素的晶型并无影响。}

 

图1 CNF3-10，CNF3-20和CNF3-30的SR-WAXS

曲线和傅里叶变换红外光谱图

由图1b可知，3个样品在2750-3500cm^-1特征峰区域均存在两个明显的红外吸收峰，与Miao等^{[14]的研究结果相同。其中相对更宽的3330-3360cm-1吸收峰是由纤维素羟基-OH伸缩振动所造成，而2915cm-1附近的吸收峰则源于纤维素C—H伸缩振动。850-1700cm-1特征峰区域更多是由黄麻纤维中木质素和半纤维素等非纤维素物质的化学官能团吸收峰所组成。在此区域内，纤维素celluloseI的红外吸收特征峰与其他非纤维素物质有区别，据此也可以用1599、1411、1158、1105、898cm-1等纤维素celluloseI典型吸收峰位来确定纤维素的晶型。在反应过程中，上述一些吸收峰发生了一定的偏移，这是碱处理和氧化反应导致了纤维分子内及分子间氢键的轻微变化，进而影响到化学官能团[7]。图1a、b相互对照说明了在碱处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应中，能够有效去除黄麻纤维中非纤维素的杂质，并提取出纤维素celluloseI。}

样品CNF3-10、CNF3-20和CNF3-30的透射电镜图及粒径尺寸分布统计如图2所示。从图2a和图2d可以看出，CNF3-10中的纳米纤维素的平均长度在1000nm左右，粒径尺寸在5-10nm范围内。TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应过程将黄麻纤维转化为单个CNF，这种结构形态的变化是由纤维素纤维的C6上的主羟基多重氧化成相应的羧酸基团引起的^{[15]。随着氧化剂NaClO用量的增加，样品中纳米纤维素的长度呈现出随之减小的趋势，粒径尺寸受到的影响较小，长径比由此产生了区别[16]。从图2b和图2d中可以看到，CNF3-20样品中的纳米纤维素长度在600nm左右，而且其尺寸分布也更加均一。在样品CNF3-30中（图2c和图2d），纳米纤维素的长度尺寸集中分布在150nm左右。这样的现象可能是由于高度氧化的纳米纤维素纤维含有更多的带负电荷的COO-基团，导致了在水溶液中单个纳米纤维素之间更强的静电排斥。样品中纤维羧基含量越高，能聚合在一起的微纤维越少，其空穴作用越强，样品尺寸就越小，其悬浮液的透明度就越高[17]。}

 

图2 CNF3-10,CNF3-20和CNF3-30的透射电镜图及粒径尺寸分布统计

注：a、b、c分别为CNF3-10、CNF3-20、CNF3-30的透射电镜图；d为3个样品的粒径尺寸分布统计。

综上，通过碱预处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应，可以通过改变NaClO用量，获得晶型完全相同且成分均一，而长度有明显区别的纳米纤维素样品，样品按照长径比从大到小的排序为CNF3-10、CNF3-20、CNF3-30。

图3为不同长径比纳米纤维素稳定乳液随时间变化的光学图像，图4则是其液滴的粒径分布统计。从图3a、b、c和图4a、表1中不难看出，随着时间的延长，样品CNF3-10-0.1%稳定的乳液的粒径尺寸也在增加，D[4,3]由99.63μm增加到151.69μm，尺寸分布也变得更不均一，乳析指数（CI）也逐渐增大，图3中乳液在7d后即由混合好的乳状变成了分层的混合物液体。图3d、e、f和图4b及表1显示样品CNF3-20-0.1%也呈现出这样变化的趋势：随时间的延长，液滴粒径尺寸不断增加，D[4,3]由63.64μm增加到143.44μm，乳液宏观上也出现了分层现象。但是可以看到，在第7天时，尚未出现明显分层，直到14d时，乳液才出现明显分层，乳析指数从3.7%增加到了13.1%。而在样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液中，虽然图3g、h、i和图4c、表1依旧随时间延长显示出粒径尺寸的明显变化，但是从图3可以看到，其乳液宏观上并未出现明显分层现象，且乳析指数变化最小，表现出最好的乳液稳定性。

 

图3 3种样品稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像

注：a、b、c分别是样品CNF3-10-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像；d、e、f分别是样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像；g、h、i分别是样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像。

 

图4 3种样品稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计

注：a是样品CNF3-10-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计；b是样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计；c分别是样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计。

 

表1 样品CNF3-10-0.1%、CNF3-20-0.1%和样品稳定的乳液在1d,7d和14d的D[4,3]和乳析指数

 

从图4和表1中可知，最大长径比的样品CNF3-10-0.1%具备一定的乳化能力，其混合乳液的D[4,3]为99.63μm，但其稳定性很差，油水体系很快出现了分层现象。而在纳米纤维素含量相同的情况下，长径比越小即展现出更好的乳化能力，样品CNF3-20-0.1%、样品CNF3-30-0.1%稳定的乳液D[4,3]分别为63.64μm和52.79μm。而从乳析指数的变化来看，不难看出样品CNF3-30-0.1%稳定乳液的稳定性是最好的，其样品在放置超过14d之后依旧未出现分层现象。这说明纳米纤维素具备油水两亲性，其微链中既有亲水基团又具有疏水结构，可以替代固体颗粒有效地稳定油水界面^{[18]。纳米纤维素微纤不同的长径比对于乳液形态有着明显影响：长径比更大的较长微纤其乳化能力较差，形成的乳液液滴粒径尺寸更大，短时间内粒径尺寸变化也更大，表现出较差的乳液稳定性，与Qu等[19]的研究结果相同。而长径比较小的短纤维则更易相互连接，使其形成的乳液液滴粒径尺寸更小，在一定时间内，粒径尺寸变化更细微，展现了更好的乳液稳定性。}

图5为不同浓度纳米纤维素CNF3-20稳定乳液随时间变化的光学图像，图6为其液滴的粒径分布统计。从图5a、d和图6a中可以看到，在纳米纤维素长径比相同时，其新鲜乳液的液滴尺寸分布和平均粒径大小差别不大。可以从表2中看到，样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液的D[4,3]为63.64μm，而样品CNF3-20-0.3%稳定的乳液的D[4,3]为50.06μm。两种乳液的乳析指数分别为3.7%和4.2%也较为接近。但是宏观观测来看，浓度更高的乳化效果更好，其乳液质地更为均一。而随时间的变化，当放置7d时，虽然乳液都未出现分层现象，但从图6中不难看出，浓度更高的样品CNF3-20-0.3%乳液液滴尺寸也更小一些，且其尺寸分布更加均一。当放置时间超过14d时，可以从光学图片上看到，浓度更低的样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液已经出现明显分层现象，其D[4,3]和乳析指数有明显的增大。而浓度更高的则依旧保持稳定的乳液状态，如表2所示，其D[4,3]仅增大到84.48μm，乳析指数也仅由4.2%增加到7.9%，显示出更好的油水界面稳定性^{[20]。这可以证明，在尺寸相同的情况下，一定范围内的浓度增加会使得纳米纤维素微纤对液滴的覆盖率更高，彼此间的静电排斥也更充分，这会使液滴尺寸更小，带来更好的乳化能力和乳化稳定性，占水相含量0.3%（乳液的0.09%）的纳米纤维素就已具备相当的乳化能力和乳化稳定性。但值得注意的是，并不是纳米纤维素浓度越高就越好，随着纳米纤维素微纤的不断增加，饱和的油水两相界面结构无法容纳更多微纤，其只能不断扩散至水相中，通过局部颗粒间的絮凝或两相界面结构间的桥接，会使得Pickering乳液黏度不断增加直至失去流动性。}

 

图5 2种样品稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像

注：a、b、c分别是样品CNF3-20-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像；d、e、f分别是样品CNF3-20-0.3%稳定的乳液在1、7、14d时的光学图像；

 

 

图6 2种样品稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计

注：a是CNF3-20-0.1%稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计；b是CNF3-20-0.3%稳定的乳液在1、7、14d时的粒径分布统计。

 

表2 样品CNF3-20-0.1%、CNF3-20-0.3%和样品稳定的乳液在1day,7days和14days的D[4,3]和乳析指数

本研究通过碱处理和TEMPO/NaBr/NaClO三元氧化反应制备了相同来源与晶型，不同长径比和浓度的纳米纤维素，并通过SR-WAXS、FTIR和TEM等手段对其晶型结构及形貌尺寸进行表征分析。为探究其作为乳化剂的乳化能力，及其稳定的Pickering乳液的乳化稳定性，并分析讨论其内在机制，制备了基于不同尺寸或浓度纳米纤维素的乳液。在相同用量下，研究发现长径比最小的纳米纤维素纤维乳化能力最好，乳化稳定性也最好。而在相同长径比下，浓度更高的乳化能力更为优秀，稳定性也更好。这说明，虽然纳米纤维素微纤的两亲性使其能够在油水两相界面上吸附，形成稳定的Pickering乳液。但是微纤的长径比对其乳液形态有着直接影响，并进而影响到其乳化能力和稳定性。而在保证乳液流动性的范围内，浓度的增加，会使得液滴间的空间网状结构更为稳定，获得更好的乳化能力和乳化稳定性。基于本研究的工作结果，将不同特性的纳米纤维素作为替代固体颗粒的Pickering乳液乳化剂，其有望在食品、医药、化妆品及石油回收等领域发挥更大作用。

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文章摘自：宋良益,缪夏然,黄宇营.黄麻基纳米纤维素作为Pickering乳液乳化剂的研究[J/OL].河南工业大学学报（自然科学版）:1-13[2022-08-06].