梁 爽，白 杰，王啟蒙，劉 斌，李 媛

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)營(yíng)養(yǎng)與健康系 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100193）

20世紀(jì)初，Pickering[1]和Ramsden[2]等科學(xué)家最早提出Pickering 乳液的定義，即由固體顆粒代替小分子表面活性劑來(lái)穩(wěn)定的乳狀液，或稱(chēng)為顆粒型乳狀液[3]。相較于傳統(tǒng)小分子乳化劑穩(wěn)定的乳狀液，固體顆粒乳狀液因具有較高的解吸附自由能和界面膜機(jī)械強(qiáng)度以及空間阻礙而更穩(wěn)定。Pickering 乳液體系具有更高的黏度，有利于改善食品質(zhì)構(gòu)[4]。對(duì)于水包油型Pickering 乳液，固體顆粒對(duì)于內(nèi)相中油脂的消化具有明顯的延緩作用，因此有人將高內(nèi)相水包油Pickering 乳液應(yīng)用于低熱量的人造奶油[5]。Pickering 乳液作為一個(gè)新型的食品乳液體系，在低熱量食品的開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。

目前用來(lái)穩(wěn)定Pickering 乳液的食品來(lái)源的固體顆粒主要由蛋白[8-9]、多糖[10]及脂肪[11]等食品大分子構(gòu)成，比如玉米醇溶蛋白、大豆蛋白，殼聚糖顆粒、纖維素顆粒和脂肪酸晶體等。纖維素是自然界存在最多的大分子多糖聚合物，由于其良好的生物相容性及安全性在食品中廣泛應(yīng)用[12]。通過(guò)強(qiáng)酸性氣爆處理，去除玉米芯廢料里的木質(zhì)纖維素、木質(zhì)素和半纖維素便可以得到纖維素。然而，纖維素因具有較強(qiáng)的分子間氫鍵作用而高度結(jié)晶，粒徑較大且不溶于水，難以形成穩(wěn)定的Pickering 乳液。以2，2，6，6-四甲基哌啶氧自由基（2，2，6，6-Tetramylpiperidol oxygen radical，TEMPO）作為催化劑，能使纖維素的碳六位羥基氧化為羧基，實(shí)現(xiàn)氧化度的精確控制，從而改變晶體結(jié)構(gòu)，獲得親水性相對(duì)增強(qiáng)且粒徑減小的纖維素納米顆粒，最終改善纖維素的結(jié)構(gòu)與性能[13]。作者發(fā)現(xiàn)作為穩(wěn)定劑，氧化纖維素能夠更好地穩(wěn)定油水界面。Kalashnikova 等[14]利用不同來(lái)源纖維素研究其穩(wěn)定Pickering 乳液的能力，結(jié)果表明，長(zhǎng)度在4～185 mm 范圍的纖維素納米顆粒均能不可逆地吸附在油水界面，形成非常穩(wěn)定的乳液。Liu 等[15]探究氧化纖維素納米顆粒形成Pickering 乳液在模擬腸液中的消化特性，結(jié)果表明：纖維素納米顆粒能夠阻礙脂質(zhì)的消化。有研究發(fā)現(xiàn)，不同形狀的納米顆粒穩(wěn)定的Pickering 乳液界面穩(wěn)定性和界面膜機(jī)械強(qiáng)度不同[16]，推測(cè)不同形狀納米顆粒穩(wěn)定的水包油型Pickering 乳液的油脂消化特性也不同。

為更好地探究顆粒形貌對(duì)于Pickering 乳液油脂消化的影響，以農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯為原材料提取纖維素，采用TEMPO 法獲得氧化纖維素納米顆粒，通過(guò)調(diào)控氧化工藝獲得氧化纖維素納米球及納米棒，并制備由氧化纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液。研究不同纖維素顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液的穩(wěn)定性差異，并探究其對(duì)乳液油脂消化的影響，以期為纖維素的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選用的氧化纖維素和去離子水均為實(shí)驗(yàn)室自制。玉米芯，購(gòu)自山東禹城，粉碎至20 目。NaBr、NaBH4均為分析純級(jí)，麥克林公司；TEMPO，Sigma公司；鹽酸胍，Sigma 公司；羅丹明B，Sigma 公司；醋酸雙氧鈾，蘭博立德公司；KBr，Sigma 公司。

1.2 儀器與設(shè)備

激光共聚焦顯微鏡，日本尼康A(chǔ)1；透射電子顯微鏡，日本日立HT7700；原子力顯微鏡，德國(guó)布魯克RAMII；馬爾文激光粒度儀，英國(guó)馬爾文Nano-series；穩(wěn)定性分析儀，法國(guó)Turbiscan MA2000；冷凍掃描電鏡，英國(guó)Quorum PP3010T；掃描電子顯微鏡，日本日立SU9000；接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)DataPhysics OCA 25；自動(dòng)電位滴定儀，瑞士Metrohm 907 Titrando；磁力攪拌器，德國(guó)Ika RCT B S25。

1.3 方法

1.3.1 纖維素原料的提取 纖維素原料的提取參考Liu 等[17]的方法。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的H2SO4在室溫下浸泡玉米芯10 h，然后用紗布過(guò)濾去除過(guò)量的酸溶液。過(guò)濾后的玉米芯用蒸汽進(jìn)行爆破處理。爆破后的玉米芯樣品，用水清洗。洗滌后的樣品在40 ℃烘箱中烘干，用于纖維素提取。將5 g 氣爆玉米芯溶于50 mL 堿溶液中，將反應(yīng)體系置于反應(yīng)釜中160 ℃下作用2 h。待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜冷卻至室溫后，用體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液洗滌抽濾產(chǎn)物，將所得樣品置通風(fēng)櫥干燥，獲得產(chǎn)物即為氣爆玉米芯纖維素。

1.3.2 氧化纖維素的制備 將8.1 g 在1.3.1 節(jié)制得的纖維素分散于水中，將溶解好的3.24 g NaBr和0.064 g TEMPO 加入纖維素懸濁液中，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH 值至10。在纖維素的氧化度達(dá)到50時(shí)，0.5 mol/L NaOH 溶液的使用量控制在50 mL。當(dāng)定量NaOH 滴完后，加入無(wú)水乙醇（10 mL）終止反應(yīng)。隨后加入3.24 g NaBr 充分?jǐn)嚢? h。將反應(yīng)體系pH 值調(diào)節(jié)至3，繼續(xù)攪拌1 h，除去多余的NaBr。最終將反應(yīng)溶液調(diào)節(jié)為中性，在攪拌狀態(tài)下加入體系1.5 倍體積的無(wú)水乙醇析出氧化纖維素。抽濾得到氧化產(chǎn)物，用無(wú)水乙醇抽濾洗滌3次，將所得產(chǎn)物放入通風(fēng)櫥中揮發(fā)多余的乙醇，即得到氧化后纖維素[15]。氧化纖維素納米棒及納米棒的制備可參考Liu 等[15，17]的方法。

1.3.3 纖維素納米顆粒的表征

大數(shù)據(jù)時(shí)代最大的特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用信息的快速轉(zhuǎn)發(fā)與海量匯總，可以在極短的時(shí)間內(nèi)傳輸大量信息。在大數(shù)據(jù)的背景下，各種應(yīng)用消息也得到了很細(xì)致的分類(lèi)與匯總，使人們得到的各種信息更加詳細(xì)、準(zhǔn)確，便于人們的日常生活、工作和學(xué)習(xí)。大數(shù)據(jù)中心在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用將把智慧城市建設(shè)帶入“共享時(shí)代”，實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共環(huán)境衛(wèi)生設(shè)施建設(shè)的城市共享。在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代下建設(shè)新型民主保障基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)多個(gè)渠道的資源共享。在中國(guó)特色社會(huì)主義城市建設(shè)中，高舉中國(guó)特色社會(huì)主義發(fā)展觀，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)利用[2]。

1.3.3.1 透射電子顯微鏡表征產(chǎn)物形態(tài) 用超純水將氧化纖維素樣品稀釋到1 mg/mL，渦旋振蕩并超聲5 次。取樣品10 μL 滴于銅網(wǎng)上，靜置5 min 后，用濾紙將多余樣品吸走并晾干。用透射電鏡（Transmission electron microscope，TEM）觀 察樣品形態(tài)。

1.3.3.2 掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物表面形態(tài) 將不同樣品固定在有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上，噴金處理后將樣品置于掃描電子顯微鏡（Scan electron microscope，SEM）下觀察樣品形貌。

1.3.3.3 原子力顯微鏡分析產(chǎn)物形態(tài) 將纖維素納米晶體用超純水稀釋至0.002%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），取10 μL 樣品均勻滴加到云母片上，并將其固定在底座貼片上，自然晾干后，用原子力顯微鏡（Atomic force microscope，AFM） 的OMCL-AC160TS 標(biāo)準(zhǔn)硅探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描，設(shè)置掃描頻率為1 Hz。

1.3.3.4 纖維素納米晶體電勢(shì)的測(cè)定 用馬爾文納米激光粒徑儀測(cè)定樣品的電勢(shì)。用去離子水將樣品稀釋至0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以避免多次散射效應(yīng)。每個(gè)樣品平行測(cè)量3 次，電勢(shì)以“±s”表示。

1.3.3.5 傅里葉紅外變換光譜 利用傅里葉紅外變換光譜測(cè)定不同處理纖維素樣品中的化學(xué)鍵組成。用KBr 壓片法制備樣品。分別取2 mg 不同纖維素樣品于研缽中，順時(shí)針研磨至樣品細(xì)致無(wú)結(jié)塊，然后向樣品中添加200 mg KBr，混合均勻。用紅外壓片機(jī)壓成厚度為0.5 mm 的薄片，將壓力維持在60 kN 2 min。用傅里葉紅外變換光譜（Fourier transform infrared spectrum，F(xiàn)T-IR）對(duì)樣品薄片進(jìn)行紅外掃描，通過(guò)觀察圖譜分析氧化纖維素與原料纖維素之間的化學(xué)鍵組成差異，分析樣品的氧化水平。

1.3.3.6 X 射線(xiàn)衍射分析 利用X 射線(xiàn)衍射（Xray diffraction，XRD）判斷不同處理纖維素樣品中晶體的含量及純度。X 射線(xiàn)衍射儀測(cè)量參數(shù)為Cu-Ke 的射線(xiàn)，掃描2 周，掃描速率為0.2 ℃/min，溫度范圍5～60 ℃。測(cè)量過(guò)程在40 kV 和25 mA 條件下完成。用XRD 儀比較氧化纖維素及原料纖維素的衍射圖譜，分析不同樣品間的晶體構(gòu)成差異。

1.3.3.7 纖維素納米顆粒接觸角的測(cè)定 用壓片法測(cè)定樣品接觸角，判斷氧化纖維素的親疏水性。分別稱(chēng)取2 mg 纖維素原料、氧化纖維素納米球及納米棒固體粉末，用紅外壓片機(jī)按1.3.3.5 節(jié)方法制成薄片。在玻璃皿內(nèi)加入大豆油，將上述薄片浸入大豆油后固定，用注射器將水滴滴在壓片上，用接觸角測(cè)量?jī)x采集圖像。隨后利用五點(diǎn)擬合法測(cè)定不同纖維素樣品油-水界面的接觸角θ。

1.3.4 Pickering 乳液的制備及觀察 將15 mg 氧化纖維素納米球和納米棒粉末通過(guò)渦旋振蕩分散于15 mL 去離子水中。冰浴條件下，用超聲破碎儀將顆粒破碎為納米級(jí)。添加0.05 mol/L NaCl 到水相并充分混勻，加入1.5 mL 大豆油，混勻后超聲90 s，功率為160 W，交替開(kāi)關(guān)周期為開(kāi)4 s 關(guān)3 s。超聲結(jié)束后得到穩(wěn)定的Pickering 乳液。在大豆油中加入尼羅紅染料可制得用熒光顯微鏡觀察的樣品。為了進(jìn)一步利用超低溫冷凍電鏡（Cryo-SEM）觀察Pickering 乳液的形態(tài)，必須迅速冷凍乳液，之后在超低溫的真空環(huán)境中切開(kāi)斷面，觀察乳滴的表面形態(tài)。用帶正電荷的羅丹明B 靜電吸附負(fù)電荷的氧化纖維素來(lái)熒光標(biāo)記氧化纖維素，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡可觀察氧化纖維素在乳液液滴的分布情況。分別吸取10 μL 吸附羅丹明B 的氧化纖維素納米球和納米棒滴于載玻片上，在激發(fā)光波長(zhǎng)570 nm、發(fā)射光波長(zhǎng)590 nm 的條件下觀察樣品。

1.3.5 Pickering 乳液穩(wěn)定性的測(cè)定 用Turbiscan 穩(wěn)定分析儀測(cè)定乳液穩(wěn)定性。通過(guò)測(cè)定激光得到樣品散射強(qiáng)度，得到時(shí)間函數(shù)，分析各Pickering乳液在乳化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)測(cè)量透射光和反向散射的變化強(qiáng)度，間接反映乳液的體積分?jǐn)?shù)和平均直徑，從而得到穩(wěn)定性指數(shù)（Turbiscan stability index，TSI）。將不同原料制備的Pickering乳液樣品放入樣品管中，25 ℃下監(jiān)測(cè)24 h。

1.3.6 體外模擬pH-Stat 滴定法測(cè)量游離脂肪酸的釋放消化 體外模擬測(cè)定游離脂肪酸的方法參考Mat 等[19]的試驗(yàn)方法完成。Pickering 乳液的體外脂肪消化率主要通過(guò)自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定。在脂質(zhì)消化過(guò)程中，用0.1 mol/L NaOH 溶液進(jìn)行中和滴定，使溶液pH 值保持在7.0，中和脂肪消化產(chǎn)生的游離脂肪酸（Free fatty acid，F(xiàn)FA）。消化池中反應(yīng)體系的配制方法：將5 mL 膽汁鹽溶液、1 mL 60 mg/mL 的CaCl2溶液及1.5 mL 脂肪酶溶液加入30 mL Pickering 乳液中。消化結(jié)束后，比較不同乳液NaOH 的消耗速率及體積，測(cè)定體外消化過(guò)程中釋放的FFA。將不添加穩(wěn)定劑的油水混合物和膽鹽穩(wěn)定乳液作為試驗(yàn)對(duì)照組。

FFA 的釋放曲線(xiàn)通過(guò)公式 （1） 計(jì)算，通過(guò)GraphPad Prism 6 與雙曲線(xiàn)公式（2）擬合；

式中，VNaOH——中和消化產(chǎn)生的FFA 所需的NaOH 體積 （mL）；CNaOH——中和反應(yīng)完成所用NaOH 溶液的濃度（mol/L）；wLipid——消化池中最初存在的油的總質(zhì)量 （g）；MLipid——油的分子質(zhì)量（880 g/mol）。

式中，Rmax和Km是擬合參數(shù)：Rmax——最大降解速率；Km——反應(yīng)速度（min）。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化纖維素納米顆粒的形態(tài)表征

如圖1a 所示，纖維素原料結(jié)構(gòu)較為致密，排列整齊。經(jīng)NaOH 溶脹處理的纖維素原料在TEMPO 氧化發(fā)生后，其纖維素葡萄糖上C6 位上羥基被氧化成羧基，形成親水性提高的改性纖維素，在此基礎(chǔ)上用超聲破碎儀破碎材料，得到氧化纖維素納米球。若纖維素原料不進(jìn)行溶脹處理，而是直接進(jìn)行TEMPO 氧化反應(yīng)并超聲處理，得到氧化纖維素納米棒。氧化纖維素納米球及納米棒的TEM、SEM 及AFM 形貌圖像如圖2所示。在TEMPO 發(fā)生過(guò)程中，NaClO 將纖維素的羥基氧化為羧基，NaOH 的處理程度也會(huì)影響羥基的氧化效率。Zeta-電勢(shì)結(jié)果顯示（圖1b），未經(jīng)NaOH 溶脹的纖維素（-26.8 mV）經(jīng)TEMPO 氧化和超聲破碎后氧化纖維素納米棒電勢(shì)降低 （-43.1 mV），說(shuō)明羥基成功氧化形成羧基，而用NaOH 溶脹的纖維素經(jīng)TEMPO 氧化和超聲破碎處理形成氧化纖維素納米球，其電勢(shì)降至-50.4 mV。由此可見(jiàn)，TEMPO 氧化使纖維素中羧基含量升高，負(fù)電荷增多，電勢(shì)降低。氧化纖維素在水溶液中的分散性得到顯著提高（圖1c），這是由于氧化產(chǎn)生的負(fù)電荷和減小的粒徑增強(qiáng)了氧化纖維素的水溶液分散性。

圖1 纖維素原料掃描電鏡照片及氧化纖維素納米顆粒的電勢(shì)和水溶液照片F(xiàn)ig.1 Morphological pictures of cellulose raw materials，zeta-potential and aqueous solution of oxidized cellulose nanoparticles

圖2 氧化纖維素納米顆粒的掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡形貌圖像Fig.2 Morphological pictures of scan electron microscope，transmission electron microscope，and atomic force microscope of oxidized cellulose nanoparticles

2.2 氧化纖維素納米顆粒的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)表征

由FT-IR 分析纖維素原料及兩種氧化纖維素納米顆粒的化學(xué)鍵組成。如圖3a 所示，與纖維素原料相比，氧化纖維素納米棒及納米球的FT-IR圖譜顯示碳氧雙鍵吸收峰（1 600 cm-1），以及羧基的碳氧單鍵吸收峰（1 390 cm-1），這表明TEMPO氧化使得纖維素羥基轉(zhuǎn)化為羧基，且羧基親水性較強(qiáng)，因此TEMPO 氧化后顯著提高了纖維素原料的親水性，同時(shí)改變了纖維素的界面活性。

通過(guò)X 射線(xiàn)衍射圖譜可以判斷晶體結(jié)晶度、結(jié)晶含量及純度。如圖3b 所示，2θ 為22.5°處出現(xiàn)纖維素原料結(jié)晶的特征衍射峰，而改性得到的氧化纖維素納米球和納米棒特征衍射峰顯著減弱。由此可見(jiàn)TEMPO 氧化過(guò)程在一定程度上破壞了纖維素材料的結(jié)晶區(qū)。羥基氧化得到的羧基帶負(fù)電荷，這可以削弱分子間的氫鍵作用，打開(kāi)纖維素鏈之間的聯(lián)接，從而形成球狀結(jié)構(gòu)。

圖3 氧化纖維素納米顆粒紅外光譜圖像和X 射線(xiàn)衍射圖譜Fig.3 Fourier transform infrared spectrum image and X-ray diffraction pattern of oxidized cellulose nanoparticles

2.3 氧化纖維素納米顆粒的接觸角表征

纖維素在油水界面的接觸角為θ，該值可直觀表征被測(cè)材料的親、疏水性。若θ 小于90°，則該物質(zhì)具有親水性，且θ 越小，親水性越強(qiáng)；若θ 大于90°，則該物質(zhì)的疏水性強(qiáng)。如表1所示，氧化前纖維素的θ 為130.5°，材料具有疏水性。而氧化后纖維素的θ 小于90°，這是由于氧化過(guò)程中羧基含量增加使材料親水性顯著增強(qiáng)，且氧化纖維素納米球的θ（55.5°）與氧化纖維素納米棒的θ（65.1°）相比較小，這是由于NaOH 溶脹處理使TEMPO 氧化的發(fā)生效率高，因此氧化纖維素納米球的羧基含量高，即親水性強(qiáng)。固體顆粒在乳液界面的穩(wěn)定性是由多重因素共同影響，為進(jìn)一步了解材料的表面性質(zhì)，需分析氧化纖維素納米顆粒的表面張力。

表1 氧化前、后纖維素的接觸角比較Table 1 Comparison of contact angle of oxidized cellulose and cellulose raw material

固體顆粒在油-水界面的吸附會(huì)使表面張力值下降，表面張力的平衡值隨界面吸附顆粒的增加而降低。如圖4b 所示，纖維素原料質(zhì)量濃度為1 mg/mL 時(shí)，其表面張力隨測(cè)定時(shí)間延長(zhǎng)先迅速下降，而后達(dá)到17.9 mN/m 的平衡值。材料氧化度升高，親水性增加，其表面張力相應(yīng)降低，即制備的氧化纖維素納米球及納米棒的平衡表面張力均有所降低（氧化纖維素納米球：15.4 mN/m；氧化纖維素納米棒：16.4 mN/m）。

圖4 氧化纖維素的接觸角示意圖（a）及表面張力動(dòng)態(tài)平衡圖（b）Fig.4 Contact angle figure （a） and dynamic equilibrium diagram （b） of surface tension of oxidized cellulose

2.4 纖維素濃度對(duì)Pickering 乳液穩(wěn)定性的影響

形成Pickering 乳液時(shí)，固體顆粒的尺寸是影響乳液穩(wěn)定性的重要因素，這是由于乳化能量壁壘和固體顆粒半徑的平方成正比，因此固體顆粒尺寸越小，形成乳液所需克服的能量壁壘越小。經(jīng)氧化改性纖維素的尺寸從微米級(jí)降到納米級(jí)，乳化能量壁壘縮小近100 萬(wàn)倍，有效增強(qiáng)了乳液的穩(wěn)定性[20-21]。

探究不同濃度纖維素納米顆粒對(duì)Pickering乳液穩(wěn)定性的影響。如圖5所示，增加氧化纖維素納米球或納米棒的濃度，Pickering 乳液的穩(wěn)定性均得到提高，而當(dāng)納米球或納米棒的質(zhì)量濃度提高到3 mg/mL 時(shí)，兩種乳液出現(xiàn)浮沫，乳液中出現(xiàn)油滴析出、油滴變大的現(xiàn)象。當(dāng)纖維素含量過(guò)高時(shí)，界面上分布的纖維素含量增加，導(dǎo)致排斥絮凝（Depletion interaction）發(fā)生。最終選擇1 mg/mL 氧化纖維素納米顆粒制備Pickering 乳液，在此質(zhì)量濃度下纖維素比較均勻且充分地排布在界面上形成相對(duì)穩(wěn)定的界面膜，溶液中散布的氧化纖維素較少，不會(huì)導(dǎo)致排斥絮凝。

圖5 不同濃度纖維素納米晶體對(duì)Pickering 乳液穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of various concentration of cellulose nanocrystal on the stability of emulsion

2.5 氧化纖維素Pickering 乳液的界面特性

采用羅丹明B 熒光標(biāo)記氧化纖維素納米顆粒，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察乳液中氧化纖維素的分布情況（圖6a），結(jié)果可清楚觀察到紅色熒光的氧化纖維素被吸附在油滴周?chē)苑€(wěn)定Pickering 乳液。在某些區(qū)域氧化纖維素納米顆粒Pickering 乳液出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵谟^察期間乳液間產(chǎn)生并聚現(xiàn)象。

用液氮將氧化纖維素納米顆粒穩(wěn)定的Pickering 乳液直接冷凍后，用低溫恒溫器切割樣品，通過(guò)Cryo-SEM 觀察樣品橫截面，結(jié)果如圖6b 所示。當(dāng)溫度降至-80 ℃時(shí)，水分子通過(guò)升華去除，乳液中的油相以球狀存在，球狀周?chē)嬖诘念w粒即氧化纖維素納米顆粒。如圖6b 所示，氧化纖維素納米球在乳液界面上緊密排布，且覆蓋率高；納米棒雖將油滴包裹起來(lái)，但仍有長(zhǎng)纖維。這些結(jié)果表明氧化纖維素可吸附在油滴表面，與圖6a 結(jié)果一致，氧化纖維素納米球和納米棒均能吸附在油水界面以穩(wěn)定Pickering 乳液。

圖6 Pickering 乳液的界面特性Fig.6 Interface property of Pickering emulsion

2.6 不同纖維素顆粒Pickering 乳液的穩(wěn)定性比較

Turbiscan 靜態(tài)穩(wěn)定性分析儀能在不破壞樣品初始狀態(tài)的情況下判斷乳液是否發(fā)生沉淀、分相、絮凝的現(xiàn)象，其依據(jù)散射光強(qiáng)度與分散相濃度及粒子平均直徑的定量關(guān)系，Turbiscan 穩(wěn)定性指數(shù)TSI 越大體系越不穩(wěn)定。圖7a 表明不同納米顆粒制備的乳液在24 h 內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)的變化。油水混合物及添加纖維素原料制備的乳液，其穩(wěn)定性指數(shù)TSI 在短時(shí)間內(nèi)迅速增大。而由氧化纖維素納米顆粒制得的乳液穩(wěn)定性有很大提升，24 h 內(nèi)穩(wěn)定性指數(shù)僅小幅度提升，且由氧化纖維素納米棒穩(wěn)定的乳液具有更高的穩(wěn)定性，這可能是因?yàn)槔w維狀結(jié)構(gòu)更易在油滴表面形成界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成機(jī)械強(qiáng)度較高的界面膜，從而使乳液具有更高的穩(wěn)定性[22-23]。

圖7 Pickering 水包油乳液穩(wěn)定性指數(shù)TSI 變化（a）及界面穩(wěn)定示意圖 （b）Fig.7 Turbiscan stability index （a） and interface stability diagram of Pickering oil-in-water emulsion （b）

2.7 不同形貌氧化纖維素穩(wěn)定的Pickering 乳液對(duì)脂肪消化的影響

為了明確不同形貌的氧化纖維素穩(wěn)定的水包油型Pickering 乳液是否能延緩內(nèi)油相中甘油三酯的消化，通過(guò)NaOH 滴定法測(cè)定甘油三酯水解時(shí)產(chǎn)生的脂肪酸含量，探究不同纖維素納米顆粒穩(wěn)定的水包油乳液在模擬腸液中2 h 內(nèi)所消化產(chǎn)生的脂肪酸（FFA）的釋放動(dòng)力學(xué)，并與油水混合物、膽酸鹽和氧化纖維素穩(wěn)定乳液等不同組之間的油脂消化能力相比較。油水混合物和膽鹽穩(wěn)定的乳液呈現(xiàn)出較快速的脂肪消化，而纖維素Pickering 乳液明顯延緩了脂肪的消化（圖8a，8b）。如圖8c 所示，油水混合物的最大降解率Rmax在腸液消化結(jié)束后可達(dá)到90%，膽鹽穩(wěn)定乳液的脂肪酸釋放率與油水混合物相比有所降低，達(dá)70%。經(jīng)腸液消化后，未改性纖維素乳液的Rmax達(dá)32%，可以看到纖維素本身就具有降低油脂消化的特性。值得注意的是，氧化纖維素納米球及納米棒能更加顯著地降低油脂的消化（P＜0.001），納米球乳液最終的Rmax可達(dá)9.2%，而納米棒僅為4.5%（圖8c）。圖8d 表明纖維素乳液具有比油水混合、膽鹽乳液更低的反應(yīng)速率Km，這是因?yàn)槔w維素對(duì)脂肪酶產(chǎn)生較強(qiáng)的空間位阻作用，因而降低了其消化速率。Bai 等[24]研究證明纖維素通過(guò)置換膽鹽及限制脂肪酶吸附來(lái)維持Pickering 乳液穩(wěn)定。脂肪酶發(fā)揮作用需吸附在油滴表面，而纖維素在油水界面上形成的固體顆粒界面膜可阻止脂肪酶在油滴上的附著。纖維素納米棒更易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其對(duì)脂肪酶的阻滯效果強(qiáng)于纖維素納米球顆粒。

圖8 不同顆粒Pickering 乳液的脂肪消化能力比較Fig.8 Comparison of fat digestibility of different particle Pickering emulsions

3 結(jié)論

采用TEMPO 氧化法對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)玉米芯中提取的纖維素進(jìn)行羧基化改性，將其碳六位伯醇基氧化為羧基，并采用不同的處理方法制得氧化纖維素納米球及納米棒。氧化纖維素納米球和納米棒的尺寸比纖維素原料的尺寸降低了1 000 倍，使得乳液的乳化能量壁壘降低了100 萬(wàn)倍。此外，氧化度提高，使改性后纖維素的親水性得到改善，這為提高Pickering 乳液的穩(wěn)定性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在納米顆粒質(zhì)量濃度為1 mg/mL，乳液體系pH 7，CaCl2濃度為0.05 mol/L 的條件下，較纖維素原料而言，氧化纖維素納米球和納米棒均能有效提高Pickering 乳液穩(wěn)定性。體外脂肪消化研究表明，氧化纖維素納米球及納米棒均可在油水界面上形成致密固體顆粒膜阻止脂肪酶分解油脂，推測(cè)氧化纖維素納米棒更易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，防止脂肪消化的能力更強(qiáng)。該研究成果表明纖維素Pickering 乳液在開(kāi)發(fā)低熱量食品中具有廣闊的應(yīng)用前景，且為農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)玉米芯的高值化利用提供了理論基礎(chǔ)。