張 歡，戴宏杰，陳 媛，高煥秋，劉 姣，馬 良，余 永，張宇昊

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

天然纖維素由無定形區(qū)和結晶區(qū)域組成，經過機械、化學或酶法處理后，高分子纖維素被分解形成直徑小于100 nm的納米纖維素[1]。納米纖維素來源廣泛，主要可從棉花、稻草、小麥秸稈以及果蔬皮渣等植物原料中獲得，因具有宏觀纖維素和納米材料的優(yōu)異特性（如低熱膨脹系數、生物降解性、高比表面積和可持續(xù)性等）而受到越來越多的關注[2]。納米纖維素通常由物理法（高壓均質、微射流、超細研磨等機械手段）、化學法（酸水解、氧化等）和生物法（酶水解及細菌、合成）獲得[3]。一般來說，根據原料來源及制備方法等差異，納米纖維素又可分為纖維素納米晶、纖維素納米纖絲（cellulose nanofibrils，CNF）和細菌纖維素[3]。CNF作為納米纖維素的一種，長度為幾微米，具有較高的機械性能以及低密度和高親水性等特性，在包裝、復合材料和生物醫(yī)學等方面具有廣闊的應用前景[4]。

目前制備CNF的方法主要包括高壓均質、超細研磨、超聲波處理和低溫破碎等手段[4]，這些手段大多為機械操作方式，存在能耗高、操作繁瑣、儀器系統(tǒng)易堵塞等缺陷，因而限制了其應用。球磨是一種在材料和研磨介質之間施加能量將材料的尺寸減小到納米水平的機械技術[5]。與其他機械方式相比，球磨法除了操作更簡便、不會造成堵塞外，還可在室溫和常壓下大量生產納米纖維素，但僅采用球磨操作所需的能耗也不低。馬海珠等[6]通過亞臨界乙醇預處理漂白闊葉木漿后再球磨獲得CNF，但需要在150 ℃下進行1 h的加熱處理，且球磨時間也較長。Rao Xianmeng等[7]也以二甲基甲酰胺為介質進行球磨后獲得分散的CNF，但該介質的高毒性使其不適宜應用于食品工業(yè)中。因而尋找合適介質與球磨結合形成一種節(jié)能、綠色、高效的方式來獲得CNF意義重大。

離子液體因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，是溶脹和加工纖維素的“綠色溶劑”[8]。它是完全由離子組成的物質，一般是由有機陽離子和無機陰離子結合組成，且大多在較低溫度下（＜100 ℃）呈現液態(tài)[9]。離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，[BMIM]Cl）以氯離子和1-丁基-3-甲基咪唑鎓分別作為陰、陽離子，是溶脹纖維素時使用最多的離子液體之一，在處理纖維素時可破壞其分子鏈強大的氫鍵網絡，然后從分散的纖維素分子鏈中分離出納米纖維素且不產生任何衍生作用[10]。本課題組前期利用[BMIM]Cl在90 ℃高溫下預處理菠蘿皮渣，再通過低體積分數（10%）硫酸水解獲得菠蘿皮渣纖維素納米晶[11]。而目前關于離子液體在獲取CNF方面的應用研究還很少，本研究則考慮將離子液體的溶脹功能與球磨處理結合，以期在室溫下即可獲得大量檸檬籽納米纖維素，拓展離子液體在纖維素中的應用，同時也希望達到減少能耗、簡化操作的目的。

檸檬作為世界上第三大重要的柑橘品種（僅次于橙和寬皮橘）[12]，除了鮮銷外，還用于生產加工如檸檬汁、檸檬精油和干檸檬片等產品。目前對檸檬渣的利用主要集中在果膠、精油及活性物質等的提取研究方面[13]。而榨油后的檸檬籽（lemon seed，LS）作為檸檬殘渣的一部分，通常被丟棄，造成了一定的資源浪費和環(huán)境污染。在本課題組的前期研究中發(fā)現，LS中纖維素、半纖維素和木質素的相對含量分別約為20%、13%和9%[14]，可作為纖維素資源開發(fā)利用。本研究以榨油后的LS為原料提取纖維素，進一步通過機械球磨法制備檸檬籽纖維素納米纖絲（lemon seed cellulose nanofibrils，LSCNF），考察球磨過程中球磨介質——離子液體[BMIM]Cl質量分數對LSCNF形貌和結構的影響，以期為檸檬籽納米纖維素的開發(fā)利用提供基礎數據，促進檸檬加工副產物的開發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

榨油后的LS由重慶匯達檸檬加工集團有限公司提供。[BMIM]Cl離子液體 中科院蘭州化學物理研究所；HCl、NaOH 成都市科隆化學品有限公司；NaClO2重慶躍翔化工有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

FW135型中草藥粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；HH-4型數顯恒溫攪拌水浴鍋 金壇區(qū)西城新瑞儀器廠；PE20型實驗室pH計 梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；DGG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；BM6pro型行星式球磨儀 北京格瑞德曼儀器設備有限公司；MultifugeX3R型通用臺式離心機 美國賽默飛世爾科技有限公司；JY92-IIN型超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；Spectrun100型傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）儀美國珀金埃爾默股份有限公司；Dimension icon型原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM） 德國布魯克公司；BI-200SM型廣角動靜態(tài)光散射儀 美國布魯克海文儀器公司；X’Pert3 Powder10300型X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 荷蘭帕納特儀器有限公司；STA 449F3型同步熱分析儀 德國耐馳有限公司；MCR302型流變儀 奧地利安東帕有限公司。

1.3 方法

1.3.1 檸檬籽纖維素的提取

參照Dai Hongjie等[15]的方法并稍作修改制備檸檬籽纖維素（lemon seed cellulose，LSC）。將烘干的LS粉碎后過80 目篩，然后取100 g與2 L蒸餾水混合，置于恒溫攪拌水浴鍋中80 ℃攪拌加熱2 h以除去原料中的雜質，用濾布過濾后清洗殘渣至濾液無色，在50 ℃烘干后獲得LS樣品。取50 g LS樣品按料液比1∶20加入NaClO2溶液（pH 3.8～4.0、質量分數5%），在75 ℃下加熱5 h進行漂白處理，漂白后的殘渣用蒸餾水重復洗滌直至中性。再次干燥后，將殘渣用NaOH溶液（質量分數10%）在30 ℃下恒溫攪拌處理12 h，以除去半纖維素和剩余的木質素，并依次用蒸餾水和體積分數95%的乙醇溶液反復清洗殘渣，直至濾液變?yōu)橹行?，烘干后過100 目篩得到LSC樣品，得率約為15%，室溫下貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 LSCNF的制備

球磨工藝參考Phanthong等[16]的方法進行。根據球磨需要挑取3 種不同直徑（7、3、1 mm）的氧化鋯球，使3 種球的質量比為5∶4∶3，同時球的總質量與LSC質量之比為12∶1。在室溫下，將1 g LSC、20 mL不同質量分數（0%、5%、10%、50%）的[BMIM]Cl溶液（蒸餾水配制）及氧化鋯球一起放入球磨儀，球磨轉速400 r/min、球磨時間2 h，進行4 次循環(huán)，即球磨30 min后暫停30 min，依次循環(huán)往復直至達到凈球磨時間2 h。球磨結束后對懸浮液進行多次離心洗滌（8 000 r/min、15 min），然后在4 ℃下透析48 h以除去降解物和殘留的離子液體。根據制備過程中添加不同質量分數的離子液體，將獲得的4 種LSCNF樣品分別命名為LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs，其懸浮液置于4 ℃冰箱備用，部分冷凍干燥用于結構表征。

1.3.3 FTIR分析

采用KBr壓片法，將2 mg干燥的LSCNF與150 mg KBr混合后研磨成粉末壓片，置于FTIR儀上在4 000～400 cm-1的波數范圍內以4 cm-1的分辨率進行檢測。

1.3.4 XRD分析

將干燥的LSCNF樣品置于XRD儀的衍射槽中，利用Cu-Kα輻射在2θ＝3°～50°、掃描速率2（°）/min、電壓45 kV、電流40 mA的條件下測試以獲得XRD圖，并采用如下所示的Segal公式計算不同樣品的結晶度指數[17]。

式中：I200為纖維素Iβ在2θ約為22°處（I002晶面）的最大晶格衍射峰強度（一般纖維素在22°處有最大的I002晶面衍射峰強度）；Iam為纖維素Iβ在2θ約為18.5°處的最小晶格衍射峰強度[18]。

1.3.5 AFM觀察

取稀釋后的LSCNF懸浮液（質量分數0.01%）經超聲處理后滴在云母片基底上并室溫干燥5 h制樣，使用AFM在輕敲模式下觀察樣品形貌特征。

1.3.6 動態(tài)光散射分析

配制2 mg/mL的LSCNF懸浮液，采用動靜態(tài)激光散射儀測定其粒徑分布，進行動態(tài)光散射（dynamic light scattering，DLS）分析。測定溫度25 ℃、散射角173°、平衡時間3 min，每個樣品重復測定3 次。

1.3.7 熱重分析

準確稱取10 mg干燥的LSCNF，利用同步熱分析儀對其進行熱重（thermogravimetry，TG）分析，記錄樣品的TG和微分熱重（derivative thermogravimetry，DTG）曲線。設置溫度范圍為30～500 ℃，升溫速率為10 ℃/min，在氮氣氛圍下進行測定。

1.3.8 流變學分析

測試前，將LSCNF懸浮液（質量分數約0.8%）超聲30 min破壞納米纖維素之間的團聚。采用PP25平板，設定平板間隙為1 mm，在剪切速率0.1～100 s-1范圍內進行剪切黏度測試；在0.1～100 rad/s的頻率范圍內施加0.5%的恒定應力進行頻率-模量測試。所有測試均在線性黏彈性區(qū)域內進行。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 17.0軟件進行數據分析，每個實驗設置3 次平行，最終結果以平均值±標準差表示。采用Origin 8.6軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 LSCNF的FTIR分析結果

圖1是LS、LSC和LSCNF（LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs）的FTIR圖。所有樣品在3 400、2 900、1 744、1 630、1 050 cm-1和897 cm-1處均有峰出現，屬于纖維素I型結構，說明球磨過程沒有破壞纖維素的基本結構。其中，在3 000～3 600 cm-1范圍出現的較寬吸收帶和2 900 cm-1處的窄峰分別是由O—H和C—H伸縮振動引起的；1 630 cm-1附近的吸收峰由樣品中吸收的水中O—H彎曲振動引起；C—O和O—H伸縮振動峰出現在1 050 cm-1附近[19]；896 cm-1附近的吸收峰是由纖維素分子中葡萄糖單元之間β-糖苷鍵的C—H振動引起[20-21]。在1 744 cm-1處出現的峰與羰基有關，且僅在LS中出現，主要歸因于半纖維素和木質素中乙酰基團和羧酸基團的酯鍵[18,22]，相比之下，LSC中沒有此峰存在，表明其中木質素和半纖維素已被除去，同時也成功獲得了純度高的檸檬籽納米纖維素。此外，獲得的LSCNF FTIR圖譜與LSC的基本相似，不過在1 630 cm-1處的峰強度增加，這是因為在球磨的過程中暴露了更多的O—H氫鍵。不同質量分數離子液體結合球磨法制備的LSCNF的FTIR圖沒有明顯區(qū)別。此外，在該FTIR光譜上并未檢測到離子液體（[BMIM]Cl）的化學成分，這也表明在離心洗滌和透析過程中已經完全去除了[BMIM]Cl。

圖1 Lemon seed (LS)、LSC和LSCNF的FTIR圖Fig.1 FTIR spectra of lemon seed (LS), LSC and LSCNFs prepared with different concentration of ILs

2.2 LSCNF的XRD分析結果

由圖2可見，所有樣品均在2θ為14.8°、22.6°和34.7°處出現衍射峰，分別對應于纖維素Iβ晶型結構的（1-10）、（200）和（004）晶面[23]，說明離子液體-球磨法不會改變纖維素的晶體結構。與其他樣品相比，LS中的纖維素XRD特征衍射峰強度較弱，這主要是其纖維素含量較低造成的。通過Segal公式計算結晶度指數，結果如表1所示。LSC的結晶度指數（52.98%）明顯高于LS（31.84%），這是由于NaOH和NaClO2處理除去了纖維素無定形區(qū)域中的木質素和半纖維素，從而提高了結晶度[24]。與LSC相比，LSCNF-0%ILs的結晶度指數（43.67%）大幅度降低，這是由于球磨過程中對纖維素結晶區(qū)的破壞和非晶區(qū)的暴露造成的[16]，球磨過程中會產生一定的熱量，增加了[BMIM]Cl中的陰陽離子與纖維素的羥基作用的幾率，導致不同纖維素鏈中的羥基斷裂和無定形區(qū)的破壞，從而使結晶度指數下降[16]。這與Kim等[25]的研究結果相似。然而，在球磨中添加[BMIM]Cl，獲得的LSCNF結晶度指數增加，且隨著[BMIM]Cl質量分數的增加，LSCNF的結晶度指數逐漸增加并趨于平穩(wěn)。當[BMIM]Cl質量分數在10%時，LSCNF-10%ILs結晶度指數最大（54.78%）。[BMIM]Cl添加量繼續(xù)增加至50%，獲得的LSCNF-50%ILs的結晶度指數略有下降，可能是更多的添加量不僅會使部分無定形區(qū)域溶脹，也會使纖維素的結晶區(qū)域溶脹。

圖2 LS、LSC和LSCNF的XRD圖Fig.2 XRD profiles of LS, LSC and LSCNFs

表1 LS、LSC和LSCNF的結晶度指數、最高熱分解溫度及500 ℃時殘余質量分數Table 1 Crystallinity index, maximum degradation temperatures and residual amounts at 500 ℃ of LS, LSC and LSCNFs

2.3 LSCNF的AFM觀察結果

如圖3A所示，所有LSCNF樣品都呈現出典型CNF的細絲狀，并呈現出一定的相互纏繞網絡。當[BMIM]Cl的添加量為0時，僅球磨作用獲得的LSCNF-0%ILs呈現更細且密集的纖維素納米纖絲，且某些部分和主要的納米纖絲微束略微分離，這應該是球磨時不同大小的氧化鋯球碰撞及與罐壁摩擦提供了較高的剪切力，從而引起輕微的除顫[26]所致；LSCNF-0%ILs的緊密堆積程度較其他樣品高，這是纖維素分子之間的強氫鍵相互作用引起的[27]。隨著[BMIM]Cl質量分數的增加，獲得的LSCNF的直徑逐漸增長，但粒徑逐漸縮短。這可能是離子液體[BMIM]Cl中的離子（即陰離子（氯離子）和陽離子（1-丁基-3-甲基咪唑鎓））與纖維素的羥基發(fā)生相互作用，導致纖維素鏈中的羥基斷裂，同時球磨的剪切力將離子液體溶脹的LSC纖維束除顫成更短的納米纖絲網絡[16]。當[BMIM]Cl的添加量達到10%和50%時，CNF的分散性更好，粒徑甚至達到納米水平。由此可見，在室溫下通過[BMIM]Cl和球磨方式結合可以成功從LSC中獲得LSCNF。通過Nanomeasure軟件統(tǒng)計不同樣品的直徑范圍，如圖3B所示，LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs經軟件分析得出的平均直徑分別為20～35、30～40、35～50 nm和40～60 nm。

圖3 LSCNF的AFM圖（A）和直徑分布（B）Fig.3 AFM images (A) and diameter distribution (B) of LSCNFs

2.4 LSCNF的DLS分析結果

DLS技術是一種分析樣品散射光強度變化的技術，由于布朗運動的存在，粒子散射光亦會不斷發(fā)生變化。根據相關研究，粒子散射光強度的變化和頻移與其粒徑呈現負相關，即粒徑越大，散射光強度的變化或頻移變化越小。因此，通過觀測粒子散射光強度的變化或頻移變化情況，可同時獲得樣品粒徑的動態(tài)參數，并計算出粒子的粒徑（測量范圍1 nm～5 μm）[28]。LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs的DLS分析結果如圖4所示。4 種LSCNF均呈現單峰分布且粒徑存在明顯差異，其表觀粒徑分別為（4 127.87±303.02）nm（LSCNF-0%ILs）、（2 180.87±273.1）nm（LSCNF-5%ILs）、（1 517.73±236.2）nm（LSCNF-10%ILs）和（577.28±49.88）nm（LSCNF-50%ILs）。隨著球磨過程中[BMIM]Cl添加量逐漸增加，LSCNF的粒徑也逐漸降低，這與AFM的觀察結果一致，這是因為更多的離子液體[BMIM]Cl有效地破壞了LSC中的強氫鍵網絡，使球磨過程中的剪切行為更易進行。

圖4 LSCNF的DLS圖Fig.4 DLS profiles of LSCNFs

2.5 LSCNF的TG分析結果

圖5是LS、LSC和LSCNF的TG和DTG曲線圖，相應的樣品最大熱解溫度和500 ℃時的殘余質量分數見表1。如圖5所示，所有樣品在低于150 ℃的初始損失質量分數分別是6.62%（LS）、5.27%（LSC）、6.61%（LSCNF-0%ILs）、7.52%（LSCNF-5%ILs）、4.71%（LSCNF-10%ILs）和6.48%（LSCNF-50%ILs），這部分是樣品中吸附水或結合水的質量損失[24]。在200～380 ℃時，所有樣品都存在較大的質量損失，這歸因于纖維素材料自身的熱解。與此同時，由圖5B觀察到LS在不同溫度下存在不同熱解峰，這是由于LS還存在半纖維素和木質素。LS和LSC的最大熱解溫度與LSCNF的差異較小，均在360 ℃左右，說明纖維素的主要成分分解溫度在360 ℃左右。不同樣品的最高熱解速率明顯不同，LSC的最高熱解速率最大（18.85%/min），而LS的最?。?.74%/min），這是經因為漂白和堿處理后獲得的LS中木質素和半纖維素含量大幅減少，使得LSC更易于發(fā)生熱解[29]。不同離子液體[BMIM]Cl添加量與球磨結合制備的LSCNF在360 ℃附近的最高熱解速率與LSC也存在差異，相同球磨時間內，隨著[BMIM]Cl的添加量增大，獲得的LSCNF最高熱解速率逐步降低且都低于LSC。其中離子液體-球磨制備的LSCNF殘余質量分數與僅球磨制備的相比更高，質量損失更小（表1），表明其具有相對較高的熱穩(wěn)定性[30]，這與其結晶度的變化趨勢一致，也表明離子液體[BMIM]Cl的添加可能會對熱穩(wěn)定性產生積極影響。在380～500 ℃溫度范圍的質量損失源于含碳骨架的損失，產生了碳和碳氫化合物的混合物以及一些非揮發(fā)性成分[30]。加熱至500 ℃后，LS、LSC和LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs、LSCNF-50%ILs的殘余質量分數分別為31.36%、24.08%、22.87%、24.06%、23.49%和24.53%（表1）。

圖5 LS、LSC和LSCNF的TG（A）和DTG（B）曲線Fig.5 TG (A) and derivative thermogravimetry (B) curves of LS, LSC and LSCNFs

2.6 LSCNF的流變學分析結果

LSCNF-0%ILs、LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs在質量分數均為0.8%時的剪切速率-黏度曲線和角頻率-模量測定結果分別如圖6和圖7所示?？傮w來看，隨著剪切速率在0.1～100 s-1范圍內逐漸增大，所有的LSCNF懸浮液均呈現典型的剪切稀化行為，表現為非牛頓流體[31]，這可能是由于纏繞或聚集的CNF三維網狀結構在剪切過程中被破壞，降低了流體阻力，從而使得表觀黏度降低。當剪切速率一定時，4 種LSCNF的黏度大小依次為LSCNF-0%ILs＞LSCNF-5%ILs＞LSCNF-10%ILs＞LSCNF-50%ILs。這種現象出現很可能是因為不同添加量的離子液體造成了不同粒徑和直徑的LSCNF，LSCNF-0%ILs的粒徑最長，其形成更密集的網狀結構且大分子鏈蠕動更慢，所以受剪切速率的影響最小，黏度較大。4 種LSCNF懸浮液的儲能模量（G’）和損耗模量（G”）的大小差異不明顯。角頻率范圍在0.1～100 rad/s時，LSCNF-5%ILs、LSCNF-10%ILs和LSCNF-50%ILs的G′均高于G”，且隨角頻率的增加，G’與G”在該掃描范圍內未發(fā)生交叉，彈性流體（G’＞G”）未轉化成黏性流體（G’＜G”），表現出無凝膠性質[32]，而LSCNF-0%ILs在較低角頻率下（0.1～10 rad/s）體系的彈性更好，較高角頻率時（10～100 rad/s）由于G”均高于G’，且出現了從溶膠轉為凝膠的交叉點，樣品的黏性特征更強，還呈現出凝膠性質[32]，這與該樣品對應的剪切速率曲線的結果相一致。

圖6 LSCNF的剪切速率-黏度變化曲線Fig.6 Shear rate-viscosity curves of LSCNFs

圖7 LSCNF的頻率掃描圖Fig.7 Frequency scanning of LSCNFs

3 結 論

離子液體-球磨法可以用于制備LSCNF，同時LSCNF的形貌和結構與球磨介質（離子液體[BMIM]Cl）的質量分數有關。AFM觀察和DLS分析結果表明，當[BMIM]Cl添加量不同時，獲得的LSCNF粒徑和直徑差異較大，這與[BMIM]Cl對纖維素的溶脹作用有關。FTIR和XRD分析結果表明獲得的LSCNF屬于纖維素Iβ晶型結構，添加[BMIM]Cl有利于提高LSCNF的結晶度和熱穩(wěn)定性，說明在球磨的強剪切力下破壞了纖維素的結晶區(qū)，而加入離子液體可對結晶區(qū)和熱穩(wěn)定性起到一定保護作用。流變學分析結果表明LSCNF長度更長時黏度較高，離子液體-球磨結合制備的樣品在角頻率為0.1～100 rad/s時均呈現彈性特征強于黏性特征，而僅球磨操作的LSCNF-0%ILs在低角頻率（0.1～10 rad/s）時彈性特征占主導，在高角頻率（10～100 rad/s）時主要表現為黏性流體。本研究提供了一種有效分離檸檬籽納米纖維素的方法，有利于提高檸檬加工副產物的利用價值。