金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)/纖維素微纖絲復(fù)合物的制備及其抗氧化性和穩(wěn)定性研究

焦 婷張紅杰張 雪張海艷程 蕓張文暉

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300457；3.制漿造紙國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102）

纖維素微纖絲（cellulose microfibrils，CMF）是在盡可能保留天然纖維素原有聚合度的基礎(chǔ)上對纖維進(jìn)行反復(fù)高強(qiáng)度均質(zhì)化處理后得到的具有納米尺度、高度潤脹的膠體狀纖維素產(chǎn)品［1］。CMF具有高機(jī)械強(qiáng)度、大比表面積、優(yōu)異的氧氣阻隔性能和極高的表面活性，且與親水性聚合物共混時(shí)有較好的分散性［2-3］，大大提高了其與其他材料的親和力，可作為增強(qiáng)劑與高分子聚合物復(fù)合，增強(qiáng)原有基材的強(qiáng)度［4］，還可作為涂層，替代部分傳統(tǒng)鋁塑制品［5-6］，達(dá)到增強(qiáng)材料阻隔性能［7-8］的目的，因此在造紙、包裝和食品等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（metal-polyphenol network，MPN）由墨爾本大學(xué)的Caruso課題組［9］在2013年首次提出，是利用天然多酚和金屬離子在底物表面通過配位鍵絡(luò)合而成的具有超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于薄膜、微膠囊和凝膠等［10］，還可以應(yīng)用于薄膜表面以固定金屬納米粒子［11］，對薄膜表面進(jìn)行功能化改性。MPN由于制備過程簡便快速、綠色環(huán)保，金屬離子和多酚物質(zhì)的可選擇性多［12］，且不受被修飾底物的限制，近年來常被用作多功能的表面涂層材料。此外，MPN具有抑制微生物生長、清除自由基和阻隔紫外線等功能，且細(xì)胞毒性低［13］，在食品行業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮螅?4］。其中，金屬離子一般為Fe3+、Cu2+和Ag+等過渡離子或鑭系金屬離子，多酚結(jié)構(gòu)物質(zhì)包括單寧酸（tannic acid，TA）、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）、聚多巴胺（polydo‐pamine，PDA）和阿魏酸（ferulic acid，F(xiàn)A）等。TA是自然界中較易獲得的多酚之一，具有抗氧化活性、抗菌活性和pH響應(yīng)性等。TA和Fe3+價(jià)格低廉，來源廣泛，無毒無害，因此TA-Fe3+絡(luò)合物是應(yīng)用廣泛的MPN。

本課題組利用TA與Fe3+共混制備MPN并用于CMF的功能化改性，以制備CMF-MPN復(fù)合物；探討了MPN添加量、TA與Fe3+質(zhì)量比以及體系pH值對CMF-MPN復(fù)合物抗氧化性和熱穩(wěn)定性等的影響；分析了CMF-MPN復(fù)合物的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和內(nèi)部結(jié)合方式，以期更好地應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 主要原料

CMF（制備原料為闊葉木漂白硫酸鹽漿，直徑約50~200 nm，長徑比大于100），中國制漿造紙研究院有限公司；三（羥甲基）氨基甲烷（分析純），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；DPPH試劑（生化試劑），福州飛凈生物科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉等（均為分析純），北京化工廠；TA、FeCl3、無水乙醇等（均為分析純），天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.1.2 主要儀器

超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（JY92-Ⅱ，上海喬躍電子有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，TENSOR 27，布魯克光譜儀器公司）；冷凍干燥機(jī)（FD-1D-50，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；熱重分析儀（TG，TGA/DSCⅠ，美國梅特勒-托利多有限公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N，日立先端科技股份有限公司）；旋渦混勻儀（HY-2，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；紫外-可見分光光度計(jì)（UV-1800，日本島津公司）；X射線光電子能譜儀（XPS，GENESIS 60 S，賽默飛世爾科技有限公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 MPN溶液的制備

參照Gyeongwon等［15］的方法制備MPN溶液。稱取適量TA和FeCl3粉末于等體積的超純水中，使TA與Fe3+質(zhì)量比分別為8∶1、4∶1、1∶1、1∶4和1∶8。將二者混合均勻后離心10 min（轉(zhuǎn)速10000 r/min），取上清液，通過0.22μm的針頭過濾器以去除雜質(zhì)，調(diào)節(jié)pH值為3，制得TA與Fe3+質(zhì)量比不同的MPN溶液。

選擇TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1的MPN溶液，利用HCl（0.1 mol/L）和NaOH（2 mol/L）溶液以及Tris-HCl（0.05 mol/L，pH值7.4）緩沖溶液調(diào)節(jié)MPN溶液的pH值至1、3、5、7和9，制得pH值不同的MPN溶液。

1.2.2 CMF-MPN復(fù)合物的制備

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CMF懸浮液，取適量CMF懸浮液，分別加入0.1%、0.5%、1%、2%和4%（相對于CMF絕干質(zhì)量，下同）的MPN（TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1，pH值為3）溶液，用磁力攪拌器于室溫下攪拌3 h（800 r/min），然后離心10 min（轉(zhuǎn)速10000 r/min），保留第1次離心所得上清液，最后用超純水反復(fù)洗滌沉淀直至上清液無色，制得MPN添加量分別為0.1%、0.5%、1%、2%和4%的CMF-MPN復(fù)合物，并標(biāo)記為A1~A5。

向CMF懸浮液中分別加入添加量為2%的不同TA與Fe3+質(zhì)量比（pH值=3）和不同pH值（TA與Fe3+質(zhì)量比4∶1）的MPN溶液（具體制備條件見表1），重復(fù)上述操作，分別制得TA與Fe3+質(zhì)量比（B1~B5）和pH值（C1~C5）不同的CMF-MPN復(fù)合物。

表1 TA與Fe3+質(zhì)量比和pH值不同的CMF-MPN復(fù)合物的制備條件Table 1 Preparation conditions of CMF-MPN complex with different mass ratio of TA to Fe3+and pH value

1.2.3 CMF-MPN復(fù)合物的穩(wěn)定性評價(jià)

將不同pH值的CMF-MPN復(fù)合物懸浮液稀釋至合適濃度，分別在制備完成的第0、1、2、3、5、7、10、15、30和60天，用紫外-可見分光光度計(jì)在190~800 nm范圍內(nèi)進(jìn)行全光譜掃描，得到出現(xiàn)最大吸收峰時(shí)的波長，通過吸光度的變化來表征CMF-MPN復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.2.4 CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性檢測

利用CMF-MPN復(fù)合物對DPPH自由基的清除率表示其抗氧化性。為使反應(yīng)充分，將反應(yīng)時(shí)間延長至1 h。具體方法如下：配制濃度為0.1 mmol/L的DPPH溶液（以無水乙醇為溶劑），取2 mL DPPH溶液和2 mL 1%的CMF-MPN復(fù)合物懸浮液置于5 mL離心管中，使用旋渦混勻儀充分搖勻，避光反應(yīng)1 h，記為樣品組。將2 mL DPPH溶液和2 mL無水乙醇充分混勻，記為空白組。將2 mL CMF-MPN復(fù)合物懸浮液和2 mL無水乙醇充分混勻，記為參比組。使用紫外-可見分光光度計(jì)在517 nm［16］處分別測其吸光度，每個(gè)試樣平行測定3次，取平均值。CMF-MPN復(fù)合物對DPPH的清除率按式（1）計(jì)算。

式中，A1為樣品組吸光度；A2為空白組吸光度；A0為參比組吸光度。

1.2.5 CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性分析

利用熱重分析儀測定CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性。稱取4~5 mg樣品放入儀器的樣品盤中，在氮?dú)猸h(huán)境下測定。設(shè)定氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，升溫范圍為25℃~800℃，升溫速率為10℃/min。

1.2.6 CMF-MPN復(fù)合物的XPS分析

首先利用冷凍干燥機(jī)對CMF-MPN復(fù)合物進(jìn)行凍干處理，然后通過X射線光電子能譜儀對其表面化學(xué)組成進(jìn)行表征。檢測條件如下：激發(fā)源為Al-KαX射線（1486.6 eV），結(jié)合能以C 1s峰（284.8 eV）為內(nèi)標(biāo)校正，起飛角90°，探測深度5 nm。分別對樣品進(jìn)行全譜、C 1s譜和O 1s譜測試，最后利用Avantage軟件對譜圖進(jìn)行分析處理，以此確定CMF-MPN復(fù)合物表面的化學(xué)組成。

1.2.7 CMF-MPN復(fù)合物的吸附量測定

采用超純水在室溫下將CMF-MPN復(fù)合物懸浮液稀釋至合適濃度，然后進(jìn)行梯度稀釋，制成一系列濃度梯度的CMF-MPN復(fù)合物懸浮液，并在277 nm處測其吸光度，按式（2）擬合成標(biāo)準(zhǔn)曲線。測量制樣時(shí)第1次離心所得上清液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出上清液中殘余MPN的濃度。根據(jù)式（3）和式（4）分別計(jì)算MPN反應(yīng)量及反應(yīng)比例。

式中，a和b為常數(shù)；ct為反應(yīng)液中MPN殘余濃度，mg/L；x為樣品上清液吸光度；qt為MPN反應(yīng)量，g；c0為MPN初始濃度，mg/L；V為反應(yīng)溶液體積，L；m1為CMF初始絕干質(zhì)量，g。

1.2.8 CMF-MPN復(fù)合物的FT-IR分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀對CMF-MPN復(fù)合物進(jìn)行FT-IR光譜測定。掃描波數(shù)為600~4000 cm-1，掃描次數(shù)為32次，掃描分辨率為4 cm-1，掃描頻率為1 Hz。

1.2.9 CMF-MPN復(fù)合物的SEM分析

在樣品臺上粘上導(dǎo)電膠帶，在膠帶上貼一硅片，將CMF-MPN復(fù)合物懸浮液滴在硅片上，待其自然風(fēng)干后對其表面進(jìn)行噴金處理，置于掃描電子顯微鏡下觀察其表面形貌，加速電壓為15.0 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 MPN添加量對CMF-MPN復(fù)合物性能的影響

2.1.1 CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性

不同MPN添加量的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率和吸光度如圖1所示。由圖1（a）可知，與純CMF（對照組）相比，CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性均明顯增強(qiáng)，說明TA-Fe3+絡(luò)合物能賦予CMF顯著的抗氧化性。

圖1 不同MPN添加量的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率（a）和吸光度（b）Fig.1 DPPH clearance rates(a)and absorbances(b)of CMF-MPN complexes with different MPN additive amounts

從圖1（a）左上角圖還可以看出，隨著MPN添加量的增加，純MPN溶液的DPPH清除率反而下降，這是由于MPN具有強(qiáng)黏附性，易發(fā)生自聚，且其是立體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，TA上發(fā)揮抗氧化活性的酚羥基會因自聚而被掩蓋，使其抗氧化性略微下降，但DPPH清除率仍在85%以上，依然能保持較好的抗氧化性。MPN吸附在CMF載體上后，CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性隨MPN添加量的增加而提高。因?yàn)镃MF長徑比較大，呈長條狀，可以穿插在MPN網(wǎng)絡(luò)中間，一定程度上阻止MPN發(fā)生聚集，使其分散成尺寸更小的顆粒，因此TA中能發(fā)揮抗氧化活性的酚羥基得以更多地暴露。值得注意的是，A4樣品的抗氧化性遠(yuǎn)高于純MPN，說明CMF與2%的MPN復(fù)合可以相互協(xié)同，使CMF-MPN復(fù)合物具備顯著的抗氧化性。

DPPH是一種穩(wěn)定的含氮自由基，其乙醇溶液呈紫色，在517 nm處有強(qiáng)吸收峰。當(dāng)體系中含有自由基清除劑時(shí)，自由基清除劑會與DPPH中的單電子配對而使DPPH溶液明顯褪色，在517 nm處的吸光度降低，且褪色程度與其所接受的電子數(shù)量成定量關(guān)系［17-18］。由圖1（b）可知，A4和A5樣品的最大吸收峰消失，說明二者具有顯著的抗氧化性；A1~A3樣品的最大吸收峰仍存在，說明此時(shí)樣品抗氧化性較弱，但隨著MPN添加量增加，峰強(qiáng)度逐漸減小，說明抗氧化性呈增強(qiáng)的趨勢。因此當(dāng)TA與Fe3+質(zhì)量比4∶1、pH值=3時(shí)，添加2%以上的MPN能使CMF-MPN復(fù)合物具備顯著的抗氧化性。

2.1.2 CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性

圖2為MPN添加量不同的CMF-MPN復(fù)合物的TG曲線。由圖2可知，CMF-MPN復(fù)合物的熱質(zhì)量損失主要有2個(gè)階段：第一階段為緩慢質(zhì)量損失階段，發(fā)生在30℃~150℃，該階段主要是CMF-MPN復(fù)合物中物理吸附水的蒸發(fā)；第二階段主要發(fā)生在250℃~350℃，為快速質(zhì)量損失階段，與CMF-MPN復(fù)合物中各組分的受熱分解有關(guān)。

圖2 MPN添加量不同的CMF-MPN復(fù)合物的TG曲線Fig.2 TG curves of CMF-MPN complexes with different MPN additive amounts

CMF-MPN復(fù)合物的最大熱降解溫度（Tmax）和殘留量（Rf）如表2所示。Tmax和Rf可用于表征CMFMPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性，Tmax和Rf越大，表明復(fù)合物越穩(wěn)定。由表2可知，MPN添加量與CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性無顯著相關(guān)性，各樣品Tmax基本一致。但由于TA具有熱不穩(wěn)定性，因此CMF-MPN復(fù)合物的Tmax均比純CMF略低。綜合考慮Tmax和Rf，MPN添加量為2%時(shí)，CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性最好。

表2 MPN添加量不同的CMF-MPN復(fù)合物的Tmax和RfTable 2 Maximum thermal degradation temperature(Tmax)and residual amount(Rf)of CMF-MPN complexes with different MPN additive amounts

2.1.3 CMF-MPN復(fù)合物的吸附效率比較

圖3為CMF-MPN復(fù)合物及其上清液的肉眼觀察照片，從左到右依次為樣品A1~A5。由圖3可知，CMF-MPN復(fù)合物是一個(gè)均一穩(wěn)定的懸浮液體系。由圖3（a）可知，隨著MPN添加量的增加，CMF-MPN復(fù)合物的紫色逐漸加深，上清液顏色（見圖3（b））與懸浮液顏色變化趨勢相同。不同添加量的MPN在CMF上的吸附效率差別不大，均在88.8%~89.0%，也說明無論何種條件，MPN都具有高黏附性，與文獻(xiàn)［19-20］報(bào)道一致。MPN的這種特性使其在應(yīng)用時(shí)具有高效性，可避免原料的浪費(fèi)。

圖3 MPN添加量不同的CMF-MPN復(fù)合物（a）及其上清液（b）照片F(xiàn)ig.3 Photographs of CMF-MPN complexes(a)and their supernatants(b)with different MPN additive amounts

2.2 TA與Fe3+質(zhì)量比對CMF-MPN復(fù)合物性能的影響

2.2.1 CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性

圖4為TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率和吸光度。由圖4（a）可知，TA的相對含量越高，CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性越強(qiáng)。由圖4（b）可知，B4和B5樣品的光譜圖中最大吸收峰消失，而B1~B3樣品仍存在最大吸收峰。這是因?yàn)镕e3+過量時(shí)，TA結(jié)構(gòu)中的酚羥基全部被Fe3+占據(jù)，失去了發(fā)揮抗氧化性的活性位點(diǎn)，所以抗氧化性弱。因此，當(dāng)TA與Fe3+質(zhì)量比大于4∶1、MPN的添加量為2%、pH值為3時(shí)，CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性較好。

圖4 TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率（a）和吸光度（b）Fig.4 DPPH clearance rates(a)and absorbances(b)of CMF-MPN complexes with different mass ratio of TA to Fe3+

2.2.2 CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性

TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的Tmax和Rf如表3所示。從表3可以看出，與對照組相比，除B3的Rf略微下降，其他樣品的Rf提高了45.9%~86.2%，說明除TA與Fe3+質(zhì)量比為1∶1外，其他TA與Fe3+質(zhì)量比制備的MPN的加入均可提高CMF的熱穩(wěn)定性；與純CMF相比，當(dāng)Fe3+相對含量過高時(shí)（B5），CMF-MPN復(fù)合物的Tmax降低，其余MPN樣品均能使CMF-MPN復(fù)合物的Tmax略微提高，其中B2的Tmax提高幅度最大，提高了8.5℃。從Rf來看，B5的Rf最大，但此時(shí)其Tmax顯著降低；從Tmax方面考慮，B2最穩(wěn)定，此時(shí)其Rf也較大，因此選取TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1條件制備的MPN用于制備CMF-MPN復(fù)合物，此時(shí)CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性最佳。

表3 TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的Tmax和RfTable 3 Tmax and Rf of CMF-MPN complexes with different mass ratio of TA to Fe3+

2.2.3 CMF-MPN復(fù)合物的化學(xué)成分分析

TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的表面元素組成和Fe與O形成化學(xué)鍵（Fe—OH和Fe—O）的比例如表4所示。與對照組相比，F(xiàn)e峰的出現(xiàn)說明TA-Fe3+絡(luò)合物成功吸附在CMF上；B2樣品中Fe含量最高，說明此條件下Fe3+的吸附效率最高，最終CMFMPN復(fù)合物中有效Fe3+含量最高。以純CMF為對照樣，吸附了MPN的CMF的C—O峰強(qiáng)度降低，因此C/O變大，根據(jù)TA的分子式（C76H52O46）推測，可能是TA的存在所致［21］。

表4 TA與Fe3+質(zhì)量比不同的CMF-MPN復(fù)合物的表面元素組成和Fe與O形成的化學(xué)鍵的比例Table 4 Surface elemental composition and the ratio of Fe—O bonds of CMF-MPN complexes with different mass ratio of TA to Fe3+

對O 1s分峰得到Fe—OH和Fe—O的特征峰分別出現(xiàn)在532.65和531.20 eV附近，F(xiàn)e—O鍵含量越多表明樣品結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［22］。B2的Fe—O鍵含量最多，為89.45%，說明此條件下的MPN結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定［23］。B1、B3、B4和B5的Fe—O鍵含量分別為57.85%、47.62%、42.76%和43.88%，可以看出TA相對含量比Fe3+多時(shí)，MPN結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，說明TA對維持MPN結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。但TA含量過高（B1）時(shí)，CMFMPN復(fù)合物穩(wěn)定性有所降低，主要是因?yàn)門A具有大量酚羥基，反應(yīng)活性較高，當(dāng)TA過量時(shí)，沒有足夠的Fe3+與其絡(luò)合，MPN結(jié)構(gòu)中仍保留較多高活性位點(diǎn)，因此較不穩(wěn)定。綜上，TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1時(shí)，MPN結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

2.3 pH值對CMF-MPN復(fù)合物性能的影響

2.3.1 CMF-MPN復(fù)合物的抗氧化性

pH值不同的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率、吸光度和MPN的pH響應(yīng)性示意圖如圖5所示。由圖5（a）可知，C2的DPPH清除率最強(qiáng)，即抗氧化性最強(qiáng)，其最大吸收峰消失（見圖5（b）），說明此條件下，CMFMPN復(fù)合物表現(xiàn)出強(qiáng)抗氧化性，這是由MPN的結(jié)構(gòu)決定的。如圖5（c）所示，MPN具有典型的pH響應(yīng)性［15］，pH值為3~6時(shí)是雙絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)，此條件下其既能保持穩(wěn)定的絡(luò)合物形式，又保留了TA的一些酚羥基。因此，當(dāng)MPN添加量為2%，TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1時(shí)，pH值為3~5是使CMF-MPN復(fù)合物發(fā)揮最大抗氧化性的最佳pH值范圍。

圖5 pH值不同的CMF-MPN復(fù)合物的DPPH清除率（a）、吸光度（b）和MPN的pH響應(yīng)性示意圖（c）Fig.5 DPPH clearance rates(a),absorbances(b)of CMF-MPN complexes at different pH values and schematic diagram of pH-respousiveness of MPN(c)

2.3.2 CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性

pH值對CMF-MPN復(fù)合物的Tmax和Rf的影響如表5所示。由表5可知，pH值對CMF-MPN復(fù)合物Rf的影響不大，但添加MPN能提高CMF的Rf，即熱穩(wěn)定性提高，其中C1的Rf提高最多，達(dá)到90.0%；與CMF相比，CMF-MPN復(fù)合物的Tmax均顯著提高，從328.2℃提高到了338.5℃~349.4℃，且隨pH值的升高，Tmax也相應(yīng)提高。綜合考慮Rf和Tmax以及前文中發(fā)揮最大抗氧化性的pH值范圍，制備CMF-MPN復(fù)合物的最佳pH值為3。

表5 pH值不同的CMF-MPN復(fù)合物的Tmax和RfTable 5 Tmax and Rf of CMF-MPN complexes with different pH value

2.3.3 CMF-MPN復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

利用紫外-可見分光光度計(jì)對CMF-MPN復(fù)合物進(jìn)行全光譜掃描，發(fā)現(xiàn)CMF-MPN復(fù)合物在277 nm處有最大吸收峰。CMF-MPN復(fù)合物在277 nm處的吸光度隨保存時(shí)間的變化情況如圖6所示。從圖6（a）可以看出，CMF-MPN復(fù)合物吸光度的變化主要分為2個(gè)階段：首先是在制備完成的前2天吸光度波動較大，15天后逐漸趨于平穩(wěn)，整體呈平穩(wěn)下降的趨勢。根據(jù)MPN的pH響應(yīng)性［15］原理，MPN在pH值<2的條件下是單絡(luò)合物的形式，其余未與Fe3+螯合的酚羥基使TA具有較高的反應(yīng)活性，造成MPN結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。堿性條件下的MPN是三絡(luò)合物的形式，此時(shí)TA中的鄰苯三酚結(jié)構(gòu)中2個(gè)相鄰的酚羥基能以氧負(fù)離子的形式與金屬離子絡(luò)合形成穩(wěn)定的五元環(huán)絡(luò)合物，第3個(gè)酚羥基可以促進(jìn)另外2個(gè)酚羥基的解離，從而促進(jìn)絡(luò)合物的形成及穩(wěn)定［24］。此外，pH值不同的復(fù)合物的吸光度波動規(guī)律基本相同，說明酸性條件下制備的MPN吸附到CMF上后，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大提高，因?yàn)镃MF與MPN的結(jié)合位點(diǎn)也是羥基，占據(jù)了TA的部分反應(yīng)位點(diǎn)，使反應(yīng)活性降低，消除了因pH值造成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的差異，因此以CMF為載體可以提高CMF-MPN復(fù)合物的穩(wěn)定性。

由圖6（b）可知，C1和C2在保存60天后的DPPH清除率分別為31.15%和70.65%，仍能較大程度上保持初始抗氧化性，為初始抗氧化性的80%左右。根據(jù)MPN的pH響應(yīng)性原理，MPN在堿性條件下是三絡(luò)合物的形式，抗氧化活性位點(diǎn)被占據(jù)的較多，隨著保存時(shí)間的延長，TA的酚羥基幾乎全部被Fe3+占據(jù)，因此保存60天后，堿性條件制備下的CMF-MPN復(fù)合物幾乎失去了抗氧化性；而pH值<3時(shí)，MPN為單絡(luò)合物形式，不穩(wěn)定，易分解成TA和Fe3+，TA的抗氧化活性位點(diǎn)保留較多。吸光度的變化規(guī)律也說明MPN結(jié)構(gòu)的解體是緩慢進(jìn)行的，因此用于食品包裝后可以在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)釋放抗氧化因子，達(dá)到緩釋的目的?？寡趸瘎┑目煽蒯尫艑τ谘娱L富含脂質(zhì)且易于氧化食品的保質(zhì)期非常重要［25］。因此，將CMF-MPN復(fù)合物應(yīng)用于食品包裝材料，通過調(diào)控可以達(dá)到食品保鮮的目的。

圖6 pH值對CMF-MPN復(fù)合物的穩(wěn)定性（a）和抗氧化性（b）的影響Fig.6 Effects of pH value on the stability（a）and antioxidant activity（b）of CMF-MPN complex

2.4 CMF-MPN復(fù)合物的FT-IR分析

CMF-MPN復(fù)合物的FT-IR譜圖如圖7所示。由圖7可知，CMF在3000~3650 cm-1寬區(qū)域內(nèi)的峰為O—H的伸縮振動吸收峰，在2894和1321 cm-1附近的峰為C—H的對稱伸縮振動吸收峰，1633 cm-1附近的峰為C=O伸縮振動吸收峰，1038 cm-1附近的峰歸屬于C—O—C骨架振動吸收峰，652 cm-1處的峰對應(yīng)C—H彎曲振動吸收峰［26-27］。此外，不同條件下制備的CMF-MPN復(fù)合物的FT-IR譜圖形狀基本相同，只有峰強(qiáng)度的變化而沒有特征峰的改變，這說明MPN在CMF上的吸附?jīng)]有造成化學(xué)鍵的改變，由此可推測MPN與CMF的吸附主要是物理吸附，不涉及共價(jià)鍵的變化。

由圖7（a）可知，由于TA富含酚羥基，導(dǎo)致CMFMPN復(fù)合物在3000~3650 cm-1處的峰強(qiáng)度顯著大于對照組，說明MPN成功引入到了CMF-MPN復(fù)合物體系中。1242~1620 cm-1區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的4個(gè)不同強(qiáng)度的吸收峰為苯環(huán)上鄰位酚羥基的特征峰［28］（見圖7（b）和圖7（c））。此外，B2和C2在2374 cm-1處的吸收峰消失，這是由鄰位酚羥基與Fe3+絡(luò)合造成的，也說明TA與Fe3+成功配位形成了MPN結(jié)構(gòu)。從MPN化學(xué)結(jié)構(gòu)方面考慮，TA∶Fe3+=4∶1、pH值=3為制備CMF-MPN復(fù)合物的最優(yōu)條件，而MPN添加量對CMF-MPN復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)無顯著影響。

圖7 CMF-MPN復(fù)合物的FT-IR譜圖Fig.7 FT-IR spectra of CMF-MPN complexes

2.5 CMF-MPN復(fù)合物的SEM分析

對照純CMF的SEM圖（見圖8（a））可以看出，CMF-MPN復(fù)合物表面（見圖8（b））出現(xiàn)許多顆粒物，且隨機(jī)分散在纖維間隙中。將CMF-MPN復(fù)合物局部放大（見圖8（c））可以明顯看出，CMF上吸附了許多大小不一的團(tuán)狀物，且每個(gè)團(tuán)狀物又是由許多小顆粒（即MPN顆粒）組成，這是由于MPN具有極強(qiáng)的黏附性［29］、易發(fā)生自身絮聚所致。將MPN顆粒放大20000倍（見圖8（d））可以看出，MPN顆粒單體的直徑在200~400 nm之間，納米級復(fù)合物的成功制備為其進(jìn)一步應(yīng)用提供了更多可能。

圖8 CMF（a）、CMF-MPN復(fù)合物（b）和（c）、MPN納米顆粒（d）的SEM圖Fig.8 SEM images of CMF(a),CMF-MPN complex(b)and(c),and MPN nanoparticles(d)

3 結(jié)論

利用Fe3+和單寧酸（TA）制備金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（MPN），并用于纖維素微纖絲（CMF）的功能化改性，以制備CMF-MPN復(fù)合物，探討CMF與MPN制備條件對CMF-MPN復(fù)合物抗氧化性和穩(wěn)定性等的影響。

3.1 在TA與Fe3+質(zhì)量比為8∶1、pH值=3的條件下制備MPN，且MPN添加量為CMF（絕干質(zhì)量，下同）的2%時(shí)，CMF-MPN復(fù)合物抗氧化性最強(qiáng)；在TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1、pH值=9條件下制備MPN，且MPN添加量為CMF的2%時(shí)，CMF-MPN復(fù)合物的熱穩(wěn)定性最佳；在TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1、pH值=3條件下制備的MPN結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。綜合考慮食品保鮮包裝需求和避免原料浪費(fèi)的原則，CMF-MPN復(fù)合物的最佳制備條件為：在TA與Fe3+質(zhì)量比為4∶1、pH=3條件下制備MPN，MPN的添加量為CMF的2%。

3.2 不同條件下制備的MPN在CMF上的吸附效率均在88%以上。傅里葉變換紅外譜圖分析結(jié)果表明，CMF與MPN的結(jié)合為物理吸附；掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，CMF-MPN復(fù)合物屬于納米級別。將MPN吸附在CMF上可以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，達(dá)到緩慢持續(xù)釋放抗氧化因子的目的。CMF-MPN復(fù)合物與生物大分子具有良好的相容性，因此可以與膠原纖維等基材復(fù)合用于食品包裝領(lǐng)域，起到食品保鮮的作用。