離子液體預(yù)處理/硫酸水解協(xié)同制備納米纖維素及其穩(wěn)定Pickering乳液初步研究

張書敏，劉玥，劉洪龍，張宇昊，陳媛，余永，戴宏杰*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

納米纖維素(nanocellulose,NC)是指一維尺度上具有納米尺寸(<100 nm)的纖維素材料，具有高比表面積、高長徑比、低熱膨脹系數(shù)、高機械強度、易修飾、無毒性、可降解等優(yōu)異特性，在食品領(lǐng)域如乳液穩(wěn)定劑、包裝膜、食品調(diào)節(jié)劑、凝膠和載體材料等方面受到廣泛關(guān)注[1-2]。根據(jù)纖維素來源、形貌和制備方法，納米纖維素可分為細(xì)菌納米纖維素(bacterial nanocellulose, BNC)、纖維素納米晶體(cellulose nanocrystals, CNC)和纖維素納米纖絲(cellulose nanofibrils, CNF)[3]。目前制備CNC的方法主要是酸水解法，此外氧化法、酶解法的研究也較多；而制備CNF的方法主要是機械法(如球磨、超聲和高壓均質(zhì)等)[4-5]。其中通過無機酸水解(主要包括硫酸、磷酸和鹽酸)是制備CNC的最常用方法，獲得的CNC具有較好的穩(wěn)定性且尺寸相對均一，但在制備過程中存在酸溶液濃度過高(如常用的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%，磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%和鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)的問題，不僅生產(chǎn)成本高，且易產(chǎn)生工業(yè)廢水污染環(huán)境并對機器造成耗損腐蝕；此外，酸水解法制備CNC還存在得率較低的缺點[6]。而機械法制備CNF耗時較長，能耗高，機器磨碎嚴(yán)重且易堵塞或升溫，同時獲得的納米纖維素形貌均一性較差[7]。因此，研究納米纖維素的高效穩(wěn)定制備方法具有重要意義。

離子液體是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由陰陽離子所組成的鹽類物質(zhì)，具有出色的溶解能力、高熱穩(wěn)定性、可回收性及低毒性等特性，是纖維素溶解和加工的“綠色溶劑”[8-9]。MAO等[10]采用酸性離子液體1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽([Bmim][HSO4])在120 ℃條件下處理微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)制備得到CNC。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，以離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯化物([BMIM]Cl)為球磨介質(zhì)和檸檬籽纖維素為原料，可制備CNF，同時球磨介質(zhì)中的[BMIM]Cl含量能夠調(diào)控納米纖維素結(jié)構(gòu)[7]。有研究表明，通過離子液體對纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，可以削弱原纖維素內(nèi)部的氫鍵并破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加纖維素分子的反應(yīng)可及性[11]。因此，對于酸水解制備納米纖維素而言，過高的酸濃度是產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的主要瓶頸。通過離子液體預(yù)處理，提高其在較低濃度硫酸溶液中的水解程度，進(jìn)一步促進(jìn)納米化效率和提高產(chǎn)品得率具有一定的可行性和巨大潛力。

相較于表面活性穩(wěn)定的傳統(tǒng)乳液，固體顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液由于固體顆粒在界面處的不可逆吸附而具有高穩(wěn)定性(抗奧氏熟化)、界面和結(jié)構(gòu)可調(diào)控等特點，在食品領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[5]。作為最廣泛的生物質(zhì)資源，納米纖維素具有良好的生物相容性、兩親性和獨特的納米結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建食品級Pickering乳液中具有極大潛力，如脂肪替代物、3D打印食品和營養(yǎng)載體等方面的應(yīng)用[12-13]?；谝陨涎芯勘尘埃狙芯恳訫CC為原料，采用離子液體預(yù)處理/硫酸水解協(xié)同制備納米纖維素，考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸溶液對納米纖維素結(jié)構(gòu)的影響，同時探究其在穩(wěn)定Pickering乳液方面的潛力。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

微晶纖維素，上海源葉生物科技有限公司；葵花籽油，佳格投資有限公司；1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽、[Bmim]Cl)離子液體、中科院蘭州化學(xué)物理研究所；NaCl，重慶川東化工有限公司；H2SO4、HCl、NaOH，成都市科隆化學(xué)品有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

XHF-DY高速分散器、JY 92-IIN超聲波細(xì)胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；BX53立式顯微鏡，日本OLYMPUS公司；PE 20實驗室酸度計，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；Heraeus Multifuge X3R臺式高速冷凍離心機，美國賽默飛世爾科技公司；FD-1-50冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；Spectrun 100紅外光譜儀，美國鉑金埃爾默股份有限公司；ZEN3690納米粒度及Zeta電位分析儀，英國馬爾文公司；Nano Man VS原子力顯微鏡，美國Bruker公司；X’Pert3 Powder10300 X射線衍射儀，荷蘭帕納特儀器有限公司；TGA550熱重分析儀，美國TA公司。

1.3 納米纖維素的制備

取2 g MCC和60 g離子液體[BMIM]Cl進(jìn)行混合，置于90 ℃的油浴鍋中攪拌2 h進(jìn)行預(yù)處理，然后加入60 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸(10%、20%、30%和40%)，超聲破碎均勻后，再置于90 ℃的油浴鍋中繼續(xù)水解3 h，然后加入5倍體積蒸餾水終止反應(yīng)，用蒸餾水多次離心(5 000 r/min，5 min)洗滌以除去殘留的酸液和離子液體，收集懸浮液超聲(300 W，10 min)并在蒸餾水中透析72 h(4 ℃)，獲得納米纖維素懸浮液并測定其得率，部分樣品冷凍干燥用于結(jié)構(gòu)表征。根據(jù)制備過程中使用的硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別命名納米纖維素為NC10%、NC20%、NC30%和NC40%。

1.4 結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 Zeta電位測定

準(zhǔn)確配制質(zhì)量濃度為1 g/L的納米纖維素懸浮液，采用馬爾文儀器測定其Zeta電位值。測定溫度為室溫，每個樣品重復(fù)測定3次。

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

將納米纖維素懸浮液(0.2 g/L)滴在新鮮剝離的云母片上，室溫干燥2 h后通過原子力顯微鏡觀察其形貌。用Nano measure1.2軟件進(jìn)行納米纖維素樣品長度和直徑的測量。

1.4.3 傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)

將干燥的樣品和溴化鉀按質(zhì)量比1∶70研磨混合均勻后進(jìn)行壓片，用紅外光譜儀對其進(jìn)行紅外光譜分析，測量的波長為4 000～400 cm-1。

1.4.4 X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)

采用X射線衍射儀表征微晶纖維素和納米纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。掃描范圍為10°～50°，掃描速度0.02 °/s。其中，纖維素Ⅰ型和Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的比例計算如公式(1)所示[14]：

(1)

式中：I22.7為2θ=22.7°衍射峰強度；I20.4為2θ=20.4°衍射峰強度。

1.4.5 熱失重分析(thermogravimetric analysis，TGA)

通過熱重分析儀對樣品進(jìn)行熱失重分析，實驗中選取的測試溫度為20～500 ℃，升溫速度為10 ℃/min，氣體環(huán)境N2，氣流速度為20 mL/min。

1.5 納米纖維素穩(wěn)定Pickering乳液研究

1.5.1 Pickering乳液的制備

取一定體積的納米纖維素溶液于10 mL離心管中，然后加入一定量的葵花籽油，用高速分散器在9 000 r/min下均質(zhì)1 min得到新鮮乳液，密封放置于4 ℃冰箱備用?？疾烊橐褐苽溥^程中納米纖維素質(zhì)量濃度(1.0～5.0 g/L)和油相體積分?jǐn)?shù)(30%～70%)以及乳液不同儲藏時間(1和7 d)對乳液微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1.5.2 乳液微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用光學(xué)顯微鏡觀察。吸取20 μL的乳液樣品于干凈載玻片上，輕蓋蓋玻片，防止液滴破裂，在10倍鏡下觀察乳液液滴大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米纖維素得率和穩(wěn)定性

如圖1所示，通過離子液體預(yù)處理/硫酸水解制備納米纖維素時，其得率隨硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低，但仍能達(dá)到30%以上，高于常規(guī)酸水解法。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致氫離子的濃度增加，使得無定型區(qū)的氫鍵破壞，無定型區(qū)纖維素水解生成水溶性糖類物質(zhì)[15-16]。納米纖維素懸浮液(2 g/L)在室溫下靜置1 h后，NC10%和NC20%出現(xiàn)明顯分層，而NC30%和NC40%則保持較好的靜置穩(wěn)定性，無分層現(xiàn)象發(fā)生。一般來說，當(dāng)電位絕對值趨于25 mV時，粒子之間靜電作用力增強，納米纖維素懸浮液趨于穩(wěn)定[17]。Zeta電位分析結(jié)果表明NC30%和NC40%電位絕對值均接近30 mV，而NC10%和NC20%電位絕對值相對較低(<20 mV)。這是由于硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有利于硫酸與纖維分子中的羥基酯化形成酯基，從而增加納米纖維素懸浮液的電位絕對值，進(jìn)而提高納米纖維素的穩(wěn)定性和分散性，最終導(dǎo)致納米纖維素懸浮液體系越來越穩(wěn)定。當(dāng)前研究表明，通過離子液體預(yù)處理，在相對較低的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<64%)下也能獲得穩(wěn)定的納米纖維素懸浮液，其得率高于常規(guī)酸水解法。

圖1 納米纖維素懸浮液的靜置穩(wěn)定性、Zeta電位和得率Fig.1 The static stability, Zeta potential and yield of the obtained nanocellulose suspension

2.2 AFM分析

由圖2可以看出，隨著硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維素的形態(tài)發(fā)生明顯變化。NC10%呈現(xiàn)纖絲狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其直徑和長度分別為(18±8) nm和(1 500±246) nm；NC20%仍呈現(xiàn)一定程度的相互纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其直徑增加至(23±7) nm，長度減少至(680±85) nm；但NC30%形貌發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)短纖絲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯減弱，其直徑繼續(xù)增加至(35±10) nm，長度減少至(280±55) nm；繼續(xù)增加硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)至40%時，獲得的NC40%呈短棒狀，其直徑和長度分別為(50±8)和(150±25) nm?？傮w上，隨著硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維素形態(tài)從長纖絲狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎贪魻罱Y(jié)構(gòu)且直徑逐漸增加。在離子液體預(yù)處理/硫酸水解協(xié)同制備納米纖維素過程中，調(diào)節(jié)硫酸溶液濃度能夠調(diào)控納米纖維素的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這對納米纖維素的應(yīng)用具有重要意義。

圖2 納米纖維素的AFM圖Fig.2 AFM images of the obtained nanocellulose

2.3 XRD分析

圖3為MCC和納米纖維素的XRD圖譜。MCC在2θ=15.01、22.57、34.61 °處出現(xiàn)明顯的衍射峰，分別對應(yīng)纖維素(1-10)/(110)、(002)和(004)晶面，屬于纖維素Ⅰ型晶體結(jié)構(gòu)的特征衍射峰[18]。經(jīng)過離子液體預(yù)處理/硫酸水解后，制備的納米纖維素晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，屬于(002)晶面的衍射峰強度明顯降低，但2θ=20.28°處屬于(110)晶面的衍射峰強度明顯增加，表明納米纖維素的無定型結(jié)構(gòu)增加。此外，納米纖維素在2θ=12.37°出現(xiàn)一個新的衍射峰，屬于纖維素I和II型晶體結(jié)構(gòu)共存衍射吸收峰，表明存在I型向纖維素Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象[16,19-20]。MCC中纖維素Ⅰ型與Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的比例為2.22，隨硫酸溶液濃度增加，納米纖維素的纖維素Ⅰ型與Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的比例為0.81～0.91。這主要是由于離子液體預(yù)處理能夠破壞MCC之間的氫鍵作用，導(dǎo)致纖維素原有晶體結(jié)構(gòu)的破壞和轉(zhuǎn)變，纖維素II型晶體結(jié)構(gòu)增加；而硫酸溶液濃度增加導(dǎo)致纖維素?zé)o定型區(qū)水解增加，進(jìn)而Ⅰ型晶體結(jié)構(gòu)相對增加[21]。

圖3 MCC和納米纖維素的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of MCC and the prepared nanocelluloses

2.4 FT-IR分析

圖4為MCC和納米纖維素的FT-IR圖譜。由圖4可以看出，MCC和制備的納米纖維素在3 400 cm-1左右處均存在纖維素中O—H的伸縮振動吸收峰，但是納米纖維素中O—H吸收峰強度較MCC相對降低，這是由于離子液體預(yù)處理過程中纖維素氫鍵結(jié)構(gòu)部分?jǐn)嗔裑22]。此外，在2 904和1 429 cm-1處分別為C—H的伸縮振動和彎曲振動峰，1 635 cm-1處的吸收峰與吸收水的O—H基團(tuán)彎曲振動有關(guān)，1 065 cm-1處為吡喃糖環(huán)中的C—O—C伸縮振動吸收峰，895 cm-1處為β-糖苷鍵的特征吸收峰。以上特征峰在所有納米纖維素中都存在，表明離子液體預(yù)處理/硫酸水解制備納米纖維素過程沒有破壞纖維素的結(jié)構(gòu)[23]。此外，制備的納米纖維素在2 904、1 635、1 429 cm-1處的峰強度均明顯低于MCC，說明盡管纖維素的分子結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，但是晶體結(jié)構(gòu)和氫鍵遭到破壞，這與XRD分析結(jié)果一致。

圖4 MCC和納米纖維素的FT-IR圖譜Fig.4 FT-IR spectra of MCC and the prepared nanocelluloses

2.5 熱穩(wěn)定性分析

圖5為MCC和制備的納米纖維素的TG和DTG曲線。所有樣品在100 ℃以下出現(xiàn)輕微的重量損失，這是樣品中吸附水或結(jié)合水的質(zhì)量損失造成的[21]。在200～400 ℃所有樣品均出現(xiàn)了大量的質(zhì)量損失，這與纖維素自身受熱分解有關(guān)，對應(yīng)DTG曲線上280～350 ℃出現(xiàn)的最大降解峰。繼續(xù)升高溫度，在400 ℃以上的質(zhì)量損失是纖維素的進(jìn)一步高溫碳化造成的。MCC的初始降解和最大降解溫度分別為294、333 ℃，NC10%、NC20%、NC30%和NC40%的初始分解溫度分別為262、260、257、251 ℃，最大降解溫度分別為321、310、310和300 ℃，其初始分解溫度和最大降解溫度均隨硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且均低于MCC，這是由于離子液體預(yù)處理后增加酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)將降低納米纖維素聚合度和結(jié)晶度，同時增加無定形區(qū)酯化度造成的[24]。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時，MCC的殘余量為6.60%，而隨硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加納米纖維素殘余質(zhì)量明顯增加(10.24%～12.53%)。硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致納米纖維素中磺酸基團(tuán)逐漸增加，其具有阻燃作用，導(dǎo)致高溫后納米纖維素殘余質(zhì)量增加[25]。

圖5 MCC和納米纖維素的TG和DTG曲線Fig.5 TG and DTG curves of MCC and the prepared nanocelluloses

2.6 穩(wěn)定Pickering乳液性能分析

2.6.1 不同納米纖維素濃度下穩(wěn)定的Pickering乳液

圖6為固定油相體積分?jǐn)?shù)為40%，不同納米纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定的Pickering乳液在4 ℃下儲存1和7 d后的光學(xué)顯微鏡圖片。對于NC20%、NC30%和NC40%，隨著納米纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，所制備乳液的粒徑逐漸減小。這主要是因為固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致更多顆?？梢晕降接偷伪砻?，形成緊密的網(wǎng)狀層和界面膜結(jié)構(gòu)，有效防止了乳滴之間聚集現(xiàn)象，最終形成較小尺寸的乳滴，也降低了發(fā)生奧氏熟化的幾率[26]。乳液放置1周后，乳液液滴尺寸變化較小，表明當(dāng)前制備的乳液具有較好的儲存穩(wěn)定性。這主要是由于納米纖維素穩(wěn)定的乳滴之間的靜電作用和空間排斥作用，使其具有良好的穩(wěn)定性[27]。但是NC10%在1 g/L時形成的乳液出現(xiàn)很多細(xì)小液滴，儲藏1周后細(xì)小液滴減少且乳液液滴不明顯，這可能是NC10%在油滴表面的吸附程度較弱，此時液滴之間的空間排斥作用較低，導(dǎo)致其不能形成穩(wěn)定的界面層造成的；此外，NC10%在3～5 g/L下穩(wěn)定的乳液，粒徑也相對較大。相比NC10%，NC20%、NC30%和NC40%穩(wěn)定的乳液具有更好的儲藏穩(wěn)定性和更小的乳液粒徑，這可能是更高的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)導(dǎo)致納米纖維素具有更好的懸浮穩(wěn)定性和適宜的尺寸造成的，其更有利于顆粒吸附和乳液界面穩(wěn)定[28]?？傮w來看，NC40%在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均具有最小的乳液粒徑，穩(wěn)定乳液效果較好。

圖6 不同納米纖維素濃度下穩(wěn)定的Pickering乳液的光鏡圖片F(xiàn)ig.6 Optical images of Pickering emulsions stabilized by the prepared nanocelluloses with different concentrations

2.6.2 不同油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液

圖7是固定納米纖維素質(zhì)量濃度為5 g/L，在不同油相體積分?jǐn)?shù)(30%～70%)下制備的Pickering乳液在4 ℃下儲存1和7 d后的光學(xué)顯微鏡圖片。隨著油相比例的增加，所有乳液的粒徑逐漸增加，但均保持較好的油滴形狀，說明制備的納米纖維素在質(zhì)量濃度5 g/L下能穩(wěn)定較高油相比例的乳液。隨著油相比例的增加，此時連續(xù)相中的納米纖維素不足以穩(wěn)定大量的油滴，此時通過增加液滴的碰撞頻率，以達(dá)到減少界面總面積從而維持穩(wěn)定，減少液滴凝聚的可能，最終形成較大尺寸的乳液液滴[29]。對比不同納米纖維素穩(wěn)定的乳液，NC10%穩(wěn)定的乳液液滴尺寸相對較大，尤其是在高油相比例下(>60%)；而NC20%、NC30%和NC40%穩(wěn)定的乳液隨油相體積分?jǐn)?shù)增加(30%～70%)，其乳液粒徑也逐漸增加，但均小于NC10%。所有乳液在貯藏7 d后液滴保持完整，具有較好的儲藏穩(wěn)定性。而NC40%穩(wěn)定的乳液的粒徑僅在高油相下(>60%)增大，具有更好的乳化性能和乳液穩(wěn)定性。

圖7 不同油相濃度下納米纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液的光鏡圖片F(xiàn)ig.7 Optical images of Pickering emulsions stabilized by the prepared nanocelluloses with different oil phase ratio

3 結(jié)論

本研究以MCC為原料，采用離子液體預(yù)處理/硫酸水解協(xié)同制備納米纖維素。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠?qū){米纖維素結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，包括電位值、形貌、晶體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。隨著硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(10%～40%)，納米纖維素從長纖絲狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎贪魻罱Y(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；其初始分解溫度和最大分解溫度均降低，但高溫殘余量較高，具有較好的阻燃性能。當(dāng)前制備的納米纖維素均能有效穩(wěn)定Pickering乳液，且隨著硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制備的納米纖維素在不同顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同油相比例下穩(wěn)定乳液性能提升，乳液粒徑逐漸降低且乳液儲藏穩(wěn)定性增加。本研究提供了一種有效制備納米纖維素基Pickering穩(wěn)定劑的方法，可降低傳統(tǒng)酸水解制備納米纖維素的酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)并提高產(chǎn)品得率。后續(xù)研究應(yīng)重點探究納米纖維素在油水界面的分布和環(huán)境條件對乳液穩(wěn)定性的影響，揭示其穩(wěn)定Pickering乳液機制。