戶昕娜,朱帥,馬濤,盧舒瑜,趙婧,胡小松,宋弋*,廖小軍

1(國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))，北京，100083) 2(農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))，北京，100083) 3(食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))，北京，100083)

乳液是由2種或2種以上互不相溶的液相組成的多相分散體系,其中內(nèi)相以液滴的形式分散于外相。由于存在的油/水界面面積大,體系吉布斯自由能高,本質(zhì)上屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系[1]。因此,傳統(tǒng)乳液往往需添加乳化劑(如表面活性劑或聚合物),以降低體系界面張力,提高乳液穩(wěn)定性[2]。20世紀(jì)初,RAMSDEN[3]首次發(fā)現(xiàn)膠體尺寸的固體顆?？梢杂糜诜€(wěn)定乳液。隨后,PICKERING[4]對(duì)其進(jìn)行了更為系統(tǒng)的研究,為表彰其突出貢獻(xiàn),由固體顆粒代替乳化劑而制備的乳液被命名為 Pickering 乳液。近年來,Pickering乳液因其具有高抗聚結(jié)性、環(huán)境友好性、成本較低等優(yōu)點(diǎn),在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域受到了研究人員的廣泛關(guān)注[5]。

目前,各種無機(jī)納米粒子已被廣泛應(yīng)用于Pickering乳液。但無機(jī)納米粒子存在有毒、不易降解、生物相容性低等缺陷,限制了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[6]。因此,尋求環(huán)境友好型、天然來源、可再生和可生物降解的固體顆粒用于穩(wěn)定 Pickering 乳液已成為目前研究的熱點(diǎn)[7-8],如淀粉納米顆粒[9]、甲殼素納米晶[10]、大豆分離蛋白[11]、玉米醇溶蛋白[12]和纖維素納米晶體[13]等。其中,通過硫酸水解纖維素制備的纖維素納米晶體(cellulose nanocrystals,CNC)因其獨(dú)特的棒狀形態(tài)在諸多納米纖維素材料中備受關(guān)注[14]。棒狀CNC呈現(xiàn)出的高比表面積和高長(zhǎng)徑比,賦予其高吸附能力及強(qiáng)親和力,CNC表面還存在著豐富的羥基,是極佳的納米粒子生長(zhǎng)還原劑和成核位點(diǎn)[15-16]。利用CNC作為有機(jī)或無機(jī)納米材料的生長(zhǎng)模板開發(fā)新型納米功能材料已成為當(dāng)下CNC研究與應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。以CNC為生物基模板合成的磁性纖維素納米晶體(magnetic cellulose nanocrystal,MCNC),具有特殊的磁響應(yīng)性能[17]。本文用超聲共沉淀法制備MCNC,對(duì)其形貌進(jìn)行表征,探究了MCNC與不同水溶性聚合物間的相互作用及其協(xié)同穩(wěn)定Pickering乳液的效果。通過比較不同乳液的基本性質(zhì)、界面特性和流變特性,并結(jié)合冷凍掃描電子顯微鏡成像,揭示了MCNC與不同水溶性聚合物間的相互作用及其在乳液中的穩(wěn)定機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

纖維素納米晶,湖州閃思新材料科技有限公司；亞麻籽油,河北愛度生物科技股份有限公司；甲基纖維素(methylcellulose, MC)、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC),北京酷來搏科技有限公司；FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O、NH3·H2O(25%～28%)、無水乙醇(≥95%),均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司；聚乙烯亞胺,北京索萊寶科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

SCIENTZ-950E超聲波細(xì)胞破碎機(jī),中國(guó)寧波新芝生物科技有限公司；T18高速勻漿機(jī),德國(guó)IKA公司；FB-110Q納米級(jí)高壓均質(zhì)機(jī),中國(guó)上海勵(lì)圖機(jī)械；LS13 320 激光粒度儀,美國(guó)Beckman公司；OCA25視頻接觸角測(cè)量?jī)x,德國(guó)Dataphysics公司；DHR2旋轉(zhuǎn)流變儀,美國(guó)TA儀器；QSENCE-E4石英晶體微天平,瑞典Biolin公司；SU8010冷凍掃描電鏡,日本HITACHI公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 磁性纖維素納米晶體的制備

參考LOW等[18]的方法,通過超聲-共沉淀法制備MCNC。稱取一定質(zhì)量的CNC分散于超純水中,冰浴超聲900 W/5 min制得均勻穩(wěn)定的0.4%(以濕重計(jì)) CNC分散液,取100 mL分散液依次分別加入FeCl2·4H2O 0.18 g和FeCl3·6H2O 0.37 g,保持Fe2+/Fe3+摩爾比為1∶1.5；然后將混合反應(yīng)液45 ℃水浴、800 r/min機(jī)械攪拌10 min,同時(shí)滴加NH3·H2O調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH值至10；在80 W功率下超聲處理5 min,促進(jìn)晶核形成與生長(zhǎng)。結(jié)束后用無水乙醇、超純水沖洗4次以去除雜質(zhì),用磁鐵分離產(chǎn)物MCNC,真空冷凍干燥后隔氧避光保存,待用。在無CNC基質(zhì)的情況下,以相同條件合成Fe3O4作為對(duì)照。

1.3.2 乳液的制備

經(jīng)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù),選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2% MCNC及0.3% MC、0.3% HPMC單獨(dú)或者等體積混合分散液做水相,以亞麻籽油作為油相,V(油)∶V(水)=30∶70,在12 000 r/min高速剪切2 min,再在50 MPa下高壓均質(zhì)3 min制備Pickering乳液,分別標(biāo)記為MCNC-PE,MCNC/MC-PE,MCNC/HPMC-PE。

1.3.3 乳液的粒徑分布

使用LS13 320激光粒度儀測(cè)定乳液的粒徑分布。選擇Induce PIDS模式,模型為Fraunhofer.rf 780 d。滴加樣品后,偏振光散射強(qiáng)度差保持在40%～50%,測(cè)定乳液的粒徑分布。

1.3.4 乳化體系油-水界面張力的測(cè)定

使用OCA25視頻接觸角測(cè)量?jī)x,參考NI等[19]的方法采用懸滴法(pendant drop)測(cè)定油-水界面張力。在5.0 cm×5.0 cm×5.0 cm矩形樣品池中倒入亞麻籽油作油相,0.51 mm針頭浸入油液面以下,定量擠出5 μL乳化劑小液滴，用視頻接觸角測(cè)量?jī)x拍照記錄20 min內(nèi)的液滴形態(tài)變化，并由液滴形狀依據(jù)LaPlace-Young公式計(jì)算界面張力。

1.3.5 流變特性分析

參考LI等[20]的方法使用DHR-2流變儀表征不同乳液體系的流變特性。選用直徑為40 mm錐度為2°的不銹鋼椎板夾具,測(cè)試模式為Flow Ramp模式,測(cè)定溫度25 ℃,平衡時(shí)間30 s,間距1 050 μm,剪切速率1～100 s-1,測(cè)定時(shí)間60 s,測(cè)定黏度/剪切應(yīng)力-剪切速率曲線。

1.3.6 石英晶體微天平分析

根據(jù)JAAFAR等[21]方法略作修改,采用石英晶體微天平重量法(quartz crystal microbalance with dissipation,QCM-D)探究MC、HPMC對(duì)MCNC的吸附作用。

MCNC-SiO2傳感器：SiO2晶片用乙醇清洗、純水沖洗、氮?dú)獯蹈桑辉賹崈舻腟iO2晶片置于旋涂?jī)x,涂布1滴1 g/L 聚乙烯亞胺溶液；滴加1滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2% MCNC分散液于旋轉(zhuǎn)的SiO2晶片上,維持轉(zhuǎn)速4 000 r/30 s；涂布完成的SiO2晶片于80 ℃/15 min下熱固定,防止MCNC脫吸附。

QCM-D測(cè)定流程：記錄傳感器接觸吸附介質(zhì)時(shí)的頻移Δf和耗散系數(shù)D(第3、5、7、9、11倍頻)。平衡基線：先分別以空氣、超純水在100 μL/min流速下平穩(wěn)基線,至各倍頻無明顯差異；將1 g/L MC或HPMC水溶液以100 μL/min流速注入,直至再次平穩(wěn)；再以超純水在100 μL/min流速下注入直至平穩(wěn)。

1.3.7 冷凍掃描電鏡分析

參考DELOID等[22]的方法,通過冷凍掃描電鏡(cryo-sanning electron microscope,cryo-SEM)揭示乳液液滴的微觀結(jié)構(gòu)。選用針頭直徑0.45 mm的1 mL注射器,擠1滴乳液于樣品托上,注意排除氣泡；樣品于130 K(-143.5 ℃)的過冷液氮中速凍；結(jié)束后轉(zhuǎn)移到真空環(huán)境的冷臺(tái)上橫向切割,冷凍升華連續(xù)相,使乳液微球充分暴露；升華后樣品橫截面濺射鍍鉑金,cryo-SEM進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)觀察。

1.3.8 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,Origin 8.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 MCNC表征

采用超聲-共沉淀法,在80 W/5 min超聲處理下,以CNC為反應(yīng)模板制備磁性納米復(fù)合物MCNC；并在無CNC基質(zhì)的情況下,以相同制備條件合成的磁性納米粒子Fe3O4作為對(duì)照。

如圖1所示,通過透射電鏡(transmission electron microscopy,TEM)進(jìn)行表征,超聲-共沉淀法合成的Fe3O4呈球形結(jié)構(gòu),尺寸分布較均勻,直徑為7～10 nm,但由于高表面能和磁偶極子相互作用[17],顆粒之間嚴(yán)重聚集形成非常不規(guī)則的團(tuán)塊,影響了其分散性。CNC呈現(xiàn)典型的棒狀結(jié)構(gòu)且具有較大的長(zhǎng)徑比,這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)有利于其為Fe3O4粒子提供充足的結(jié)合位點(diǎn)。利用超聲-共沉淀法成功制備了表面吸附Fe3O4的納米復(fù)合物MCNC,Fe3O4納米粒子均勻穩(wěn)定的分散于MCNC表面。MCNC上吸附的Fe3O4粒子尺寸分布較為均勻,直徑約8 nm,與純Fe3O4尺寸相接近。此外,MCNC分散液在進(jìn)行TEM觀察前已進(jìn)行過超聲處理,然而大部分Fe3O4依然被吸附于CNC表面,說明CNC與Fe3O4間存在較強(qiáng)相互作用,使Fe3O4不易脫落。

圖1 TEM圖像Fig.1 TEM images

2.2 不同乳化體系的油-水界面張力

乳化劑的界面張力與乳液的形成和穩(wěn)定密切相關(guān),高效的乳化劑必須能夠降低油-水界面張力[23]。為評(píng)估所制備的磁改性MCNC及其與水溶性聚合物在亞麻籽油-水界面的乳化性能,通過懸滴法測(cè)定了20 min內(nèi)不同乳化體系的界面張力-時(shí)間曲線(圖2)。MCNC分散液在測(cè)定開始時(shí)界面張力迅速下降,表明MCNC可以快速吸附到油-水界面上[23]。相比于單獨(dú)的MCNC分散液,MCNC與聚合物的復(fù)合乳化體系表面活性提高,復(fù)合體系的混合溶液在20 min時(shí),界面張力即降至7.31 mN/m,介于MCNC和聚合物之間,這意味著MCNC與聚合物的復(fù)合乳化體系能夠更快吸附在油-水界面并降低界面張力。已有研究表明,乳化劑先在油-水界面吸附,繼而在油滴周圍經(jīng)過構(gòu)象重排形成黏彈性薄膜的能力,因此乳化劑的界面吸附能力是影響乳液形成的重要因素[24]。因此,從這一方面來說,MCNC和水溶性聚合物具有協(xié)同穩(wěn)定乳液的潛力。

圖2 不同乳化體系的油/水界面張力-時(shí)間曲線Fig.2 Oil/water interfacial tension-time curves of different dispersion

2.3 MCNC/衍生物之間的相互作用分析

MCNC和非離子型纖維素MC或HPMC之間的協(xié)同作用不等同于2種乳化劑成分的簡(jiǎn)單混合,需要兩者之間相互作用(吸附行為),才能發(fā)揮更佳的整體效應(yīng)。因而,采用QCM-D法評(píng)定2種水溶性聚合物MC、HPMC和MCNC之間的物理吸附效果,測(cè)定MCNC-SiO2傳感器在特定程序下的頻率變化Δf以反映聚合物于MCNC表面的吸附情況。圖3-a顯示了在3倍頻(15 MHz)下的頻移-時(shí)間曲線,發(fā)現(xiàn)加入MC溶液,Δf3曲線即出現(xiàn)急劇下降,這種負(fù)頻移是由于耦合質(zhì)量的增加導(dǎo)致的,表明MC聚合物大分子在MCNC上發(fā)生吸附[25],飽和值達(dá)-100 Hz；而HPMC則未發(fā)生該反應(yīng)。MC、HPMC質(zhì)量吸附導(dǎo)致ΔD值增大的情況與Δf曲線變化類似,而當(dāng)沖洗時(shí)則發(fā)生輕微的Δf上升和ΔD下降,這是由于部分聚合物發(fā)生了解吸附。

運(yùn)用QTools軟件以蘇伯雷方程(Sauerbrey formula)對(duì)Δf3數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如公式(1)所示可以獲得MCNC-SiO2傳感器表面吸附的聚合物質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(圖3-c)。

(1)

式中：CQCM,質(zhì)量靈敏度常數(shù)，(17.7 ng·cm2/Hz,f=5 MHz);n,倍頻數(shù)，(1,3,…)。

吸附質(zhì)量-時(shí)間曲線可給出吸附過程整體動(dòng)力學(xué)圖像。由圖3可知,加入MC溶液,在MCNC上的吸附質(zhì)量顯著升高,飽和值達(dá)到1 756 ng/cm2,即使再經(jīng)水沖洗也只是略有下降,這表明非離子聚合物MC與MCNC之間通過氫鍵結(jié)合牢固。而HPMC吸附質(zhì)量則相對(duì)極低,飽和值僅104 ng/cm2,表明HPMC在MCNC上的吸附相對(duì)微弱。

a-頻移-時(shí)間曲線；b-耗散系數(shù)-時(shí)間曲線；c-吸附質(zhì)量-時(shí)間曲線圖3 QCM-D測(cè)定MC、HPMC在MCNC表面的吸附特征Fig.3 Adsorption characteristics of MC,HPMC on MCNCs-coated sensors determined by QCM-D

2.4 不同乳液體系的表征

如圖4所示,單獨(dú)由MCNC穩(wěn)定的MCNC-PE,粒徑呈多峰分布,液滴大小不均勻。MCNC/MC協(xié)同穩(wěn)定的乳液比MCNC單獨(dú)穩(wěn)定的乳液粒徑更大。但MCNC/MC-PE呈單峰分布,粒徑變化更加均勻連續(xù),而不像MCNC-PE呈多峰分布。根據(jù)膠體排空相互作用理論(大小不等顆粒組成的多相體系,小顆粒和大顆粒之間的排空作用力會(huì)導(dǎo)致大顆粒聚集傾向)[26],這意味著均勻的粒徑分布可能會(huì)提高乳液體系穩(wěn)定性。而MCNC/HPMC-PE粒徑分布則呈雙峰分布,不利于乳液的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單獨(dú)由MCNC穩(wěn)定的乳液經(jīng)長(zhǎng)期貯存后沒有分層(圖5),但會(huì)因液滴的聚結(jié)而發(fā)生了少部分油析；而MCNC/MC和MCNC/HPMC混合體系協(xié)同穩(wěn)定的乳液可以避免液滴破乳油析,MCNC/MC穩(wěn)定的乳液短期內(nèi)穩(wěn)定性良好,但長(zhǎng)期貯存后,兩者均發(fā)生了明顯分層。

圖4 不同乳液體系的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of different Pickering emulsions

a-f-分別為第0,3,7,14,21,28天;從左到右依次為：MCNC-PE、MCNC/MC-PE、MCNC/HPMC-PE圖5 不同乳液在貯藏期內(nèi)的外觀變化Fig.5 Appearance changes of different emulsions during storage

2.5 不同乳液體系的流變特性

MCNC及水溶性聚合物MC、HPMC單獨(dú)或協(xié)同制備乳液MCNC-PE、MCNC/MC-PE、MCNC/HPMC-PE的流體力學(xué)曲線如圖6所示。由結(jié)果可知,3種乳液體系表觀黏度大小依次為ηMCNC/MC-PE>ηMCNC/HPMC-PE>ηMCNC-PE,且均表現(xiàn)出剪切稀化特性,這與MCNC、MCNC/MC、MCNC/HPMC乳化體系的流變特性相一致。此外,利用Herschel-Bulkley方程進(jìn)行剪切應(yīng)力-剪切速率曲線擬合,相關(guān)系數(shù)R2>0.99,模型擬合參數(shù)值詳見表1。

a-黏度-剪切速率曲線；b-剪切應(yīng)力-剪切速率曲線圖6 不同乳液體系的流變特性Fig.6 Rheological characteristics of different Pickering emulsions

表1 不同乳液體系的Herschel-Bulkley模型擬合參數(shù)值Table 1 Parameters of Herschel-Bulkley model of different Pickering emulsions

乳液體系黏度的增大,可以減緩密度較小的乳化液滴上浮或密度較大的固體顆粒沉淀的速度,降低乳化層和水相分層程度,改善乳液貯存過程中的物理穩(wěn)定性。在研究不同質(zhì)量濃度對(duì)MCNC及水溶性聚合物穩(wěn)定Pickering乳液穩(wěn)定性的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)隨著水溶性聚合物MC或HPMC濃度增大,乳、水兩相分層程度降低,乳化層保留率更大。但是,乳液體系黏度不是影響其物理穩(wěn)定性的唯一因素,由于乳化劑不同性質(zhì)造成液滴之間相互作用的差異也會(huì)影響其在長(zhǎng)期存儲(chǔ)過程中的穩(wěn)定性[27]。

2.6 MCNC/Polymer協(xié)同穩(wěn)定乳液的機(jī)理

Cryo-SEM技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映乳液的真實(shí)微觀形貌,是目前表征納米顆粒(<200 nm)的最先進(jìn)技術(shù)之一,可以為乳液穩(wěn)定機(jī)制提供直觀的認(rèn)知依據(jù)[28]。MCNC、MCNC/MC、MCNC/HPMC 3種乳化體系制備Pickering乳液的cryo-SEM圖像如圖7所示。單獨(dú)由MCNC穩(wěn)定的乳液上可觀察到在液滴表面吸附、堆積的棒狀納米纖維(圖7-a),進(jìn)一步證明了MCNC通過在油-水界面形成致密堆積層以穩(wěn)定乳液。在乳液的液滴間也可發(fā)現(xiàn)MCNC形成“鳥巢”狀連接,這種空間阻隔可避免或減緩液滴之間的聚結(jié)[29]；此外,當(dāng)一個(gè)液滴同時(shí)受到來自另外2個(gè)相鄰液滴上MCNC纖維網(wǎng)絡(luò)的牽拉時(shí),會(huì)發(fā)生變形[30],這使得MCNC-PE許多液滴并非呈規(guī)則的圓形,且乳液在貯存過程中也將會(huì)處于這種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)[31]。

a-MCNC-PE;b-MCNC/MC-PE;c-MCNC/HPMC-PE圖7 Pickering乳液的cryo-SEM圖像Fig.7 Cryo-SEM images of Pickering emulsions

由圖7-b可知,由MCNC、MC協(xié)同穩(wěn)定的乳液MCNC/MC-PE液滴間呈現(xiàn)“神經(jīng)元”狀連接,從微米級(jí)尺寸判斷其應(yīng)為MC纖維素分子。另外,在單獨(dú)的液滴表面可以發(fā)現(xiàn)細(xì)小棒狀顆粒堆積形成的褶皺,這是MCNC納米纖維素吸附于油-水界面噴涂鉑金后的印跡。這表明MCNC/MC-PE具有雙重穩(wěn)定機(jī)理:一方面,通過MCNC和MC分子共同吸附于油滴表面形成界面膜穩(wěn)定乳液(固體顆粒界面膜理論)[32]；另一方面,在MCNC/MC強(qiáng)吸附作用下,MC纖維素分子搭接于2個(gè)相鄰液滴間,形成“神經(jīng)元”狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增大了連續(xù)相的黏度,進(jìn)一步避免液滴發(fā)生碰撞聚結(jié),提高乳液穩(wěn)定性(三維黏彈粒子網(wǎng)絡(luò)機(jī)理)[33]。此外,液滴間相互橋連的方式使得乳化層形成致密的空間結(jié)構(gòu),并因密度低于連續(xù)相而逐漸上浮,進(jìn)而在長(zhǎng)期存儲(chǔ)過程中發(fā)生分層、乳析。

從圖7-c可以看出,乳液MCNC/HPMC-PE液滴間布滿一層層的纖維網(wǎng)絡(luò),且在單獨(dú)液滴表面可以觀察到長(zhǎng)約十幾微米的凸起條紋,應(yīng)為界面吸附的HPMC纖維素分子,但卻難以在液滴表面找到棒狀納米顆粒MCNC。這主要是由于MCNC、HPMC之間的吸附作用較弱,且HPMC的油-水界面張力顯著低于MCNC,具有更強(qiáng)的表面活性,因此MCNC、HPMC在油-水界面的吸附可能是競(jìng)爭(zhēng)性的[34]。因此HPMC會(huì)優(yōu)先吸附于界面,而MCNC只有少數(shù)得以吸附,其余MCNC只能游離分散于連續(xù)相,導(dǎo)致在cryo-SEM觀察下很難找到MCNC的痕跡。

綜上所述,MCNC/MC協(xié)同穩(wěn)定Pickering乳液極大改善了其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。通過cryo-SEM對(duì)乳液微觀結(jié)構(gòu)的研究,揭示了其穩(wěn)定機(jī)制符合固體顆粒界面膜理論(機(jī)械阻隔理論)和三維黏彈粒子網(wǎng)絡(luò)機(jī)理。

3 結(jié)論

本文探究了磁性纖維素納米晶體與水溶性聚合物間相互作用,并分析了乳化體系及乳液體系的流變特性。石英晶體微天平結(jié)果顯示僅MCNC/MC之間存在較強(qiáng)的吸附作用,而MCNC/HPMC則無明顯吸附。推測(cè)MCNC/MC可發(fā)揮協(xié)同乳化效果,而MCNC/HPMC可能為競(jìng)爭(zhēng)性吸附。MC的加入可以降低界面張力,提高乳液體系黏度,具有促進(jìn)乳液穩(wěn)定的趨勢(shì)。利用冷凍掃描電鏡技術(shù),發(fā)現(xiàn)MCNC或MCNC/MC穩(wěn)定乳液的機(jī)理符合固體顆粒界面膜理論和三維黏彈粒子網(wǎng)絡(luò)機(jī)理。