陳 凱 張蛟龍 齊云賡 李海明，*

（1.大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連，116034；2.遼寧省生物質(zhì)化學(xué)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連，116034）

隨著納米材料科學(xué)的不斷發(fā)展及納米材料的廣泛應(yīng)用［1-2］，加之煤炭等化石能源匱乏的問題日益顯現(xiàn)，使得開發(fā)可再生資源成為新的發(fā)展方向?；诖耍芯空邔⒛抗馔断蛄丝稍偕?、低成本、易取得的生物質(zhì)材料［3］。作為自然界中大量存在的天然高分子、制漿造紙工業(yè)的主要副產(chǎn)物［4-5］——木質(zhì)素，其因環(huán)境友好性和可生物降解性引起了研究者的關(guān)注［6-7］。

繼納米纖維素的研究取得階段性成果［8-10］以來，納米木質(zhì)素的研究為木質(zhì)素基高附加值產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用開辟了一條新途徑［11］。許多學(xué)者已對微/納米木質(zhì)素的制備和應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究［12-14］。納米木質(zhì)素通常是采用物理或化學(xué)等手段，將聚集態(tài)的木質(zhì)素經(jīng)過納米化處理而得到的粒徑均勻和形狀均一的納米顆粒［15］；而微/納米木質(zhì)素則是進(jìn)一步將粒徑范圍擴(kuò)大到了微納級（1 nm～1μm）。目前，根據(jù)反應(yīng)類型，微/納米木質(zhì)素的制備大體可分為化學(xué)法和機(jī)械法。其中，化學(xué)法主要包括有機(jī)溶劑自組裝法［16］、反溶劑法［17］、界面聚合/交聯(lián)法［18］及沉降法等；機(jī)械法主要包括高剪切均質(zhì)法［19］和超聲波法等。微/納米木質(zhì)素主要應(yīng)用于紫外線防護(hù)［20］、復(fù)合材料［21］、醫(yī)藥運(yùn)輸載體［22］等領(lǐng)域。

自組裝法制備微/納米木質(zhì)素常采用四氫呋喃、丙酮等有機(jī)溶劑，易對環(huán)境及人體造成危害。作為常用的日用化工原料及食品添加劑，表面活性劑更加綠色環(huán)保且價格低廉；因此，以表面活性劑溶液為溶劑，代替溶解木質(zhì)素常用的有毒有害溶劑，更符合“綠色化學(xué)”理念。本研究以堿木質(zhì)素為原料，采用不同表面活性劑溶液作為溶劑促進(jìn)堿木質(zhì)素在水中的溶解，通過調(diào)節(jié)pH值與加入去離子水，誘導(dǎo)溶解后的堿木質(zhì)素進(jìn)行自組裝反應(yīng)，從而制備微/納米木質(zhì)素。

本研究對微/納米木質(zhì)素的最佳制備工藝條件進(jìn)行了初步研究，并對產(chǎn)物進(jìn)行了一系列表征分析；將制得的微/納米木質(zhì)素添加至市售面霜中，通過紫外-可見分光光度計測定其吸光度與透過率，從而確定了其紫外線防護(hù)能力及光穩(wěn)定性。本研究旨在提高木質(zhì)素的高值化利用率，實(shí)現(xiàn)廢料低排放、產(chǎn)品多元化，增強(qiáng)制漿造紙產(chǎn)業(yè)競爭力，為林木資源深加工和生物質(zhì)基納米材料的開發(fā)與利用拓寬思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

苯磺酸鈉（下文以A表示），純度97%，購自上海聯(lián)碩生物科技有限公司；對甲苯磺酸鈉（下文以B表示）、十二烷基硫酸鈉（下文以C表示）、十二烷基苯磺酸鈉（下文以D表示）、油酸鈉（下文以E表示），分析純，購自廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；堿木質(zhì)素，生物試劑，購自卡邁舒（上海）生物科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉，分析純，購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；某市售面霜（下文為純面霜），購自某化妝品公司；某市售防曬乳（下文為防曬霜），防曬系數(shù)30，購自浙江某化妝品有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微/納米木質(zhì)素的制備

根據(jù)每種表面活性劑的物理性質(zhì)，按照最高溶解度配置不同濃度的表面活性劑水溶液，量取100 mL，加入不同質(zhì)量的堿木質(zhì)素，水浴加熱2 h，并通過磁力攪拌促進(jìn)其溶解。以6000 r/min離心5 min后，除去未溶解的堿木質(zhì)素。通過滴加稀釋的鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值。隨后加入去離子水至400 mL，將溶液中表面活性劑的濃度稀釋4倍［23］。利用H1850臺式高速離心機(jī)（湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)公司）、以10000 r/min離心5 min，除去上清液。將含有微/納米木質(zhì)素的沉淀物分散在100 mL去離子水中，再將其轉(zhuǎn)移至透析袋（MWCO為1000 Da）中，進(jìn)一步除去表面活性劑；隨后冷凍干燥48 h，獲得固體微/納米木質(zhì)素。

通過正交實(shí)驗(yàn)探討微/納米木質(zhì)素的最佳制備工藝條件，具體見表1。正交實(shí)驗(yàn)采用L9（34）正交表，第4列為誤差列R，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 微/納米木質(zhì)素的制備因素及水平Table 1 Factors and levels of preparation of micro/nano lignin

1.2.2 木質(zhì)素防曬樣品的制備

在室溫條件下，將0.1 mg制得的微/納米木質(zhì)素加入至0.4 g純面霜中，加入0.5 mL去離子水，通過攪拌使之均勻分散，制得木質(zhì)素防曬樣品。

1.3 表征

1.3.1 粒徑與Zeta電位表征

將含有微/納米木質(zhì)素的水溶液過濾后，分別轉(zhuǎn)移至測定粒徑與測定Zeta電位的樣品池中，使用ZEN3690納米粒度和Zeta電位測定儀（馬爾文儀器有限公司）進(jìn)行平均粒徑與Zeta電位的測定。

1.3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）表征

將含有微/納米木質(zhì)素的水溶液過濾后，轉(zhuǎn)移至干凈平滑的玻璃載玻片表面，自然風(fēng)干后，在15 kV加速電壓下，通過JCM-6000 Plus掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）對微/納米木質(zhì)素進(jìn)行形貌分析。

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征

將冷凍干燥后的微/納米木質(zhì)素樣品、堿木質(zhì)素原料分別與干燥后的溴化鉀以1∶100（w/w）比例混合并充分研磨至粉末狀，通過壓片機(jī)壓成薄片后，使用Frontier紅外光譜儀（美國PerkinElmer公司）進(jìn)行FT-IR分析。

1.3.4 紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）表征

借鑒錢勇等［20，24］的方法，將由微/納米木質(zhì)素制備的木質(zhì)素防曬樣品、純面霜和防曬霜分別通過玻璃棒轉(zhuǎn)移至石英比色皿上，通過電子天平控制木質(zhì)素防曬樣品、純面霜和防曬霜的轉(zhuǎn)移量，并用玻璃棒將其均勻分布于石英比色皿表面，利用Cary 300紫外-可見分光光度計（安捷倫科技（中國）有限公司）對其進(jìn)行表征。

紫外線透過率的測定：波長范圍為UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm），用來評價各樣品的紫外線防護(hù)能力。

紫外線吸光度的測定：將樣品在PLS-SXE 300UV氙燈光源（北京泊菲萊科技有限公司）下輻射2 h；測定輻射前后樣品的紫外線吸光度，從而確定樣品的光穩(wěn)定性。波長范圍為UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑與Zeta電位分析

利用不同表面活性制備的微/納米木質(zhì)素的平均粒徑（半徑）與Zeta電位正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表2和表3所示。其中，A～E為不同表面活性劑。

由表2和表3可知，對于平均粒徑，因素較好水平（按因素主次順序列出）如下：A組為木質(zhì)素添加量5 g/L、pH值=6、溫度40℃，B組為溫度40℃、木質(zhì)素添加量1 g/L、pH值=9，C組為pH值=6、木質(zhì)素添加量3 g/L、溫度20℃，D組為木質(zhì)素添加量1 g/L、溫度40℃、pH值=9，E組為pH值=9、溫度40℃、木質(zhì)素添加量5 g/L。由方差分析可知，木質(zhì)素添加量對D組平均粒徑影響顯著。

表2 微/納米木質(zhì)素的平均粒徑及Zeta電位正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

Zeta電位是表征膠體分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，Zeta電位絕對值越大，表明其穩(wěn)定性越好，反之，體系則易于發(fā)生團(tuán)聚。由表2及表3可知，對于Zeta電位，各組因素較好水平（按因素主次順序列出）如下：A組為溫度40℃、木質(zhì)素添加量3 g/L、pH值=9，B組為溫度40℃、木質(zhì)素添加量5 g/L、pH值=9，C組為溫度60℃、pH值=3、木質(zhì)素添加量1 g/L，D組為溫度60℃、pH值=6、木質(zhì)素添加量5 g/L，E組為pH值=9、木質(zhì)素添加量5 g/L、溫度40℃。由方差分析可知，溫度對A組、B組、C組和D組的Zeta電位影響顯著，木質(zhì)素添加量對B組的Zeta電位也有顯著影響，pH值對B組、C組和E組的Zeta電位影響顯著。A組測得的Zeta電位絕對值普遍較小，表明A組對應(yīng)體系的穩(wěn)定性不及其他組。C組和D組Zeta電位絕對值相對較大，體系穩(wěn)定性較優(yōu)。

值得注意的是，表面活性劑E在不同條件下制得的微/納米木質(zhì)素的平均粒徑及Zeta電位差別非常大，而pH值是影響Zeta電位的主要因素。在調(diào)節(jié)pH值的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著pH值降低，各溶液由澄清透明逐漸變得渾濁，且黏度增大。改變pH值會引起表面活性劑E中反離子離子勢的變化，從而改變其頭基（親水基）的帶電性質(zhì)，使表面活性劑E形成的膠束在球狀與蠕蟲狀之間轉(zhuǎn)變［25］。因此，有理由認(rèn)為，膠束的形態(tài)變化是E組對應(yīng)的微/納米木質(zhì)素平均粒徑及Zeta電位差別較大的原因之一。此外，不同結(jié)構(gòu)的膠束對木質(zhì)素的作用方式或有差異，從而在一定程度上影響微/納米木質(zhì)素顆粒形態(tài)，進(jìn)而影響其平均粒徑和Zeta電位。

當(dāng)考察指標(biāo)不同時，即便是同樣的因素水平也會導(dǎo)致不一樣的優(yōu)化結(jié)果。本研究中，以平均粒徑為主要篩選條件、Zeta電位為輔助篩選條件，篩選出相對較好的實(shí)驗(yàn)樣品如下：A組實(shí)驗(yàn)7、B組實(shí)驗(yàn)3、C組實(shí)驗(yàn)1、D組實(shí)驗(yàn)4和E組實(shí)驗(yàn)1分別制得的樣品。這些樣品的工藝參數(shù)及結(jié)果比較如圖1所示。

圖1 各組較佳樣品的工藝參數(shù)及結(jié)果比較Fig.1 Comparison of process parameters and results of best samples in each group

由表2和圖1可知，B組實(shí)驗(yàn)3制得的微/納米木質(zhì)素平均粒徑最大，為167.8 nm。木質(zhì)素添加量（5 g/L）高于其他組（1 g/L）可能是造成該條件下制備的微/納米木質(zhì)素平均粒徑較大的原因之一。C組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素平均粒徑最小，為94.7 nm。D組實(shí)驗(yàn)4與E組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素平均粒徑相當(dāng)，分別為110.8 nm和115.7 nm。但這兩組實(shí)驗(yàn)制得的微/納米木質(zhì)素的Zeta電位低于其他組，分別為?42.2 mV和?71.8 mV。A組實(shí)驗(yàn)7制得的微/納米木質(zhì)素平均粒徑與B組實(shí)驗(yàn)3的較接近，為160.1 nm，但其Zeta電位值最大，為?2.46 mV。相較于A組實(shí)驗(yàn)7和B組實(shí)驗(yàn)3制得的微/納米木質(zhì)素，其他3組實(shí)驗(yàn)樣品的平均粒徑更小，這可能與表面活性劑中疏水性烷基鏈的長度有關(guān)。烷基鏈越長，降低木質(zhì)素與水之間界面張力的能力越強(qiáng)，對木質(zhì)素的助溶作用越強(qiáng)，易于形成穩(wěn)定的聚集體結(jié)構(gòu)［26-27］，因此，顆粒粒徑也越小。然而對于C組實(shí)驗(yàn)1和D組實(shí)驗(yàn)4來說，雖然表

面活性劑D降低界面張力的能力優(yōu)于表面活性劑C，但其制得的樣品的平均粒徑卻顯示出相反的結(jié)果。這是因?yàn)椋砻婊钚詣〥中親水基團(tuán)的極性更大；因此，其與極性水分子的相互作用更強(qiáng)［28］，與木質(zhì)素的相互作用隨之減弱，致使形成的聚集體結(jié)構(gòu)更為松散［29］，從而制得的木質(zhì)素顆粒粒徑更大。但這種作用相對較弱，因此，對于產(chǎn)品平均粒徑的影響較小。

表3 微/納米木質(zhì)素的平均粒徑及Zeta電位正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

2.2 SEM表征分析

對2.1節(jié)中篩選出的相對較好的微/納米木質(zhì)素樣品進(jìn)行SEM形貌分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，各樣品均為形狀相對規(guī)則的顆粒；其中，A組實(shí)驗(yàn)7制得的微/納米木質(zhì)素樣品發(fā)生了較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，而C組實(shí)驗(yàn)1和D組實(shí)驗(yàn)4制得的微/納米木質(zhì)素樣品分散性良好，B組實(shí)驗(yàn)3和E組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素樣品的分散性介于中間。

由2.1節(jié)中Zeta電位分析可知，采用表面活性劑A制備的微/納米木質(zhì)素的Zeta電位絕對值最小，說明相應(yīng)的微/納米木質(zhì)素體系穩(wěn)定性最差，這與SEM圖的結(jié)果吻合。這可能是因?yàn)?，表面活性劑A分子質(zhì)量偏小且只有一個親水基團(tuán)和一個疏水基團(tuán)，因此，形成的聚集體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，極易從有序相的聚集體向無序相的自由表面活性劑離子轉(zhuǎn)變［30］。而自由表面活性劑離子與木質(zhì)素的結(jié)合方式以吸附作用為主［29］，對木質(zhì)素的助溶效果差；因此，難以形成穩(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu)對木質(zhì)素的疏水基團(tuán)實(shí)現(xiàn)有效包裹，是發(fā)生團(tuán)聚的原因之一。表面活性劑B僅比表面活性劑A多一個疏水基團(tuán)，其Zeta電位絕對值則明顯提高，制得的微/納米木質(zhì)素穩(wěn)定性改善明顯。

2.3 FT-IR表征分析

對堿木質(zhì)素原料、B組實(shí)驗(yàn)3和C組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素進(jìn)行FT-IR分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，2種微/納米木質(zhì)素樣品的FT-IR譜圖與堿木質(zhì)素原料的譜圖一致；3425 cm?1處有明顯的羥基特征吸收峰，2920 cm?1處存在甲基特征吸收峰，1600、1505、1425 cm?1處存在芳香環(huán)的特征吸收帶，1120 cm?1處有明顯的芳香核特征吸收峰。而3種樣品吸收峰位置與強(qiáng)度略有差異，這可能與殘留在木質(zhì)素顆粒中的表面活性劑有關(guān)。

2.4 UV-Vis表征分析

樣品的紫外線防護(hù)能力隨其紫外線透過率的降低而增強(qiáng)［20，24］。從不同樣品紫外線透過率（見圖4）可以看出，添加了由B組實(shí)驗(yàn)3制得的微/納米木質(zhì)素（圖4中B3，下同）的面霜紫外線透過率較純面霜有明顯下降，添加了C組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素（圖4中C1，下同）的面霜紫外線透過率有大幅下降，其紫外線防護(hù)能力更強(qiáng)；這可能是因?yàn)镃組實(shí)驗(yàn)1制得的微/納米木質(zhì)素的Zeta電位絕對值更大，顆粒更穩(wěn)定，且粒徑小，易于均勻分散在面霜中。此外，相同質(zhì)量下，粒徑更小的木質(zhì)素往往具有更大的比表面積，利于酚羥基等對紫外線有良好吸收的官能團(tuán)均勻分布于木質(zhì)素表面，使其具有更強(qiáng)的紫外線防護(hù)能力［31］。雖然本研究制備的木質(zhì)素防曬樣品的紫外線防護(hù)能力不及市售防曬霜，但需要指出的是，研究中，添加至面霜中的微/納米木質(zhì)素含量是微量的（約0.01 wt%）?？梢灶A(yù)期，適當(dāng)提高面霜中微/納米木質(zhì)素的添加量，其紫外線防護(hù)能力將進(jìn)一步得到提高［31］。

圖2 不同樣品的SEM圖Fig.2 SEM images of different samples

圖3 不同樣品的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra of different samples

圖4 不同樣品的UV-Vis譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of different samples

圖5 不同樣品的紫外線吸光度Fig.5 UV absorbance of different samples

紫外線輻射2 h后，樣品的紫外線吸光度變化越小，說明其光穩(wěn)定性越好。從不同樣品紫外線吸光度（見圖5）可以看出，添加B3、C1的面霜吸光度較純面霜有明顯提高，紫外線輻射2 h后，添加B3、C1的面霜吸光度下降至約0.25（與純面霜吸光度接近）。造成光穩(wěn)定性不理想的原因可能是，在長時間紫外線輻射下，微/納米木質(zhì)素中的酚羥基和芳香結(jié)構(gòu)被破壞［32］，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵（如羰基和乙烯基）與苯環(huán)形成的共軛體系減少，活性π電子隨之減少，從而導(dǎo)致紫外線吸光度下降［33］。與之相比，市售防曬霜中的活性成分（甲氧基肉桂酸乙基己酯、4-甲基芐亞基樟腦和二氧化鈦）使其具有更好的光穩(wěn)定性。

然而，隨著研究的不斷深入，防曬產(chǎn)品的安全性再次引起了人們的關(guān)注。美國食品藥品監(jiān)督管理局于2019年發(fā)布了對防曬產(chǎn)品的新規(guī)定［34］。甲氧基肉桂酸乙基己酯和4-甲基芐亞基樟腦作為防曬活性成分的安全性仍無足夠的數(shù)據(jù)支持，其通過滲透皮膚對人體造成的影響仍存在爭議［35］。而二氧化鈦雖被普遍認(rèn)為安全有效，但納米級的二氧化鈦仍存在易團(tuán)聚、難分散的缺點(diǎn)，影響防曬產(chǎn)品的涂抹均勻性和感官體驗(yàn)［20］，且由于其在陽光下具有光催化活性，產(chǎn)生的活性氧仍會對細(xì)胞造成一定損傷［36］。與此同時，許多研究［37-38］表明，微/納米木質(zhì)素中存在的酚羥基可有效清除自由基，而不會對眼睛和皮膚造成刺激。此外，微/納米木質(zhì)素作為傷口敷料的研究也獲得了積極評價［39-40］。另有報道［38］指出，即便是工業(yè)木質(zhì)素，經(jīng)提純后基本無細(xì)胞毒性，具有良好的生物相容性。這些研究基本消除了微/納米木質(zhì)素在防曬護(hù)膚、功能材料及生物醫(yī)藥領(lǐng)域使用的安全顧慮［41-42］，并有望通過部分替代傳統(tǒng)防曬活性成分獲得更優(yōu)異的防曬效果和安全性［43-44］。

3 結(jié)論

本研究以堿木質(zhì)素為原料、不同表面活性劑溶液為溶劑，利用自組裝法制備微/納米木質(zhì)素，通過粒徑和Zeta電位分析，探討了以不同表面活性劑溶液制備微/納米木質(zhì)素的最佳工藝條件。通過調(diào)節(jié)pH值、溫度、木質(zhì)素添加量，成功制備了大小均勻、形態(tài)穩(wěn)定的微/納米木質(zhì)素，主要結(jié)論如下。

3.1 在pH值為9、木質(zhì)素添加量1 g/L、溫度20℃條件下，利用十二烷基硫酸鈉制備的微/納米木質(zhì)素平均粒徑最小，為94.7 nm；在pH值為9、木質(zhì)素添加量3 g/L、溫度40℃條件下，利用油酸鈉制備的微/納米木質(zhì)素Zeta電位絕對值最大，為109 mV。

3.2 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)制備的微/納米木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）表征分析發(fā)現(xiàn)，添加微/納米木質(zhì)素的面霜紫外線透過率明顯降低，吸光度顯著提高，能夠起到紫外線防護(hù)作用。但在紫外線輻射2 h后，微/納米木質(zhì)素幾乎喪失了吸收紫外線的能力，仍需進(jìn)一步研究以提高其光穩(wěn)定性。