TEMPO氧化纖維素對花生油乳液物理化學穩定性的影響

沈陽，王星宇，陳紫婷，談江瑩，吳茜, ，馮年捷

1. 湖北工業大學生物工程與食品學院（武漢 430068）；2. 安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室（合肥 230036）；3. 湖北工業大學材料與化學工程學院（武漢 430068）

棉纖維在紡織材料領域有著廣泛應用，被認為是一種天然可再生的環境友好型材料[1]。棉纖維的主要化學成分為纖維素。纖維素上富含羥基，羥基提供了其良好的化學反應活性，經化學改性，有望提高棉纖維的物化性能，擴展其應用領域[2]。

2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO）/NaBr/NaClO體系可以在水溶液中選擇性氧化纖維素伯醇羥基[3]。天然纖維素的氧化發生在微纖維表面，引入羧基而不改變纖維形態[4]。近年來，利用TEMPO氧化纖維素的無毒和生物可降解性，探索其乳化性能的研究已成為熱點之一[5-7]。TEMPO氧化纖維素易在水包油體系中形成Pickering乳液[5,7]。通過微觀形態觀察[5]、粒徑電位檢測[6]和流體力學分析[7]，發現TEMPO氧化纖維素可改善乳液物理穩定性。

同時，TEMPO氧化纖維素上的羧基可為自由基提供電子，使自由基轉變為穩定的中間體，防止其進一步發生自由基反應，從而有效抑制氧化反應的進行[8]。然而，有關TEMPO氧化纖維素對乳液抗氧化性的研究鮮有報道。此次試驗以棉纖維為原料，經TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化纖維素。利用改性纖維素制備花生油乳液，探討改性纖維素對花生油乳液的抗氧化作用，以期實現不飽和脂肪酸的長期穩定儲存。

1 原料與方法

1.1 原料

棉纖維從湖北化纖集團有限公司購得，經疏解獲得纖維懸浮液[9]，于4 ℃冷藏保存。

花生油，中國農業科學院油料作物研究所；2, 2,6, 6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO），美國Sigma公司。其他所用化學品均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 改性纖維素制備

將78 mg TEMPO、514 mg NaBr與500 mL 1%濃度的纖維懸浮液混合均勻，通過0.1 mol/L NaOH維持反應體系pH 10.5。加入30 mL 12% NClO啟動反應，并在室溫條件下連續攪拌2 h，加入10 mL乙醇使反應淬滅。去離子水過濾洗滌3次，截留分子量3 500 Da的透析袋透析12 h，獲得TEMPO氧化纖維素。

1.3 化學結構表征

采用Nicolet 6700型傅里葉變換-紅外光譜儀（FTIR，Thermo Scientific，USA）進行樣品分析。稱取2 mg真空干燥試樣與350 mg光譜級溴化鉀，在瑪瑙研缽中充分混合，真空壓片至13 mm。紅外光譜波長采集范圍為4 000～500 cm-1。

采用D8-Advance型X射線衍射儀（XRD，Bruker，USA）進行樣品分析。選用CuKα射線，加速電壓40 kV，加速電流30 mA，掃描速度5°/min，掃描角度5°～70°。結晶度（CrI，%）按式（1）計算[10]。

式中：I200為最大衍射峰強度；Iam為2θ=18°處的衍射峰強度。

1.4 纖維素乳液制備

將TEMPO氧化纖維素在超聲作用下配成0.5%～2.0%濃度的懸浮液。按油水比10∶90，將花生油與不同濃度的纖維懸浮液混合，經高速剪切機（M133/1281-0，Biospec Products，Inc.，Switzerland），在8 000 r/min條件下預乳化5 min。粗乳液經微射流機（M110Y，Microfluidics，USA），在80 MPa條件下循環3次，得到改性纖維素乳液。于25 ℃室溫保存，用于乳液穩定性分析。

將未改性纖維素按2.0%濃度在相同條件下制備纖維素乳液，作為對照樣。

1.5 穩定性分析

乳液粒徑及電位利用激光衍射儀（Mastersizer 2000，Malvern Instruments Ltd.，UK）測定[6]。

利用光學顯微鏡（奧林巴斯CX31，日本）配備數碼相機（佳能60D，日本），對乳液微觀形態進行觀察。

在500 nm處測定反應溶液的吸光度，根據鐵的標準曲線計算過氧化物（PV）值[5]。

在532 nm處測定反應溶液的吸光度，根據1, 1,3, 3-四乙氧基丙烷的標準曲線計算硫代巴比妥酸（T-BAR）值[5]。

1.6 數據處理與誤差分析

試驗采取3組平行樣，取平均值，通過Origin 8.0軟件畫圖。

2 結果與討論

2.1 改性纖維素結構鑒定

圖1為纖維素和改性纖維素的XRD圖譜。纖維素在2θ=14.8°，16.4°和22.6°處的衍射峰，分別為（110），（110）和（200）晶面峰，是典型的纖維素Ⅰ型晶體結構，結晶指數CrI為67.9%。改性纖維素同樣在2θ=14.8°，16.4°和22.6°處有衍射峰，說明纖維素Ⅰ型晶體具有抗氧化性，TEMPO氧化過程中纖維素晶型未發生改變。改性纖維素的結晶指數CrI為73.6%，較纖維素增加8.4%。這是因為TEMPO氧化過程中有強烈的縱向剝離作用，將線性高分子的鏈間氫鍵破壞，從而暴露出更多的結晶區[11]。

圖1 纖維素（a）和改性纖維素（b）的XRD圖譜

圖2 為纖維素和改性纖維素的紅外譜圖。由圖2可見，3 328 cm-1處為O—H的伸縮振動吸收峰[12]，2 901 cm-1歸屬于—CH2的對稱伸縮振動吸收峰[12]，1 630 cm-1處為吸附水的—OH彎曲振動峰[13]，1 420～1 360 cm-1處的吸收峰歸屬于亞甲基和次甲基中C—H的伸縮振動峰[13]，1 033 cm-1處則為C—O—C的伸縮振動峰[14]。由圖2中紅外吸收曲線a和b對比可知，改性纖維素紅外吸收曲線在1 738 cm-1處出現了—C＝O的伸縮振動吸收峰[12]，而纖維素紅外吸收曲線在此處并沒用吸收峰，這證明纖維素在氧化過程中生成了新的羧基官能團。

圖2 纖維素（a）和改性纖維素（b）的紅外圖譜

2.2 粒徑及電位

圖3 （a）為不同濃度改性纖維素乳液的平均粒徑與儲存時間的關系。隨儲存時間延長，改性纖維素乳液的平均粒徑逐漸增大。前4 d，0.5%濃度改性纖維素乳液的平均粒徑從521 nm增大到1 132 nm，增長117%。纖維間極易形成氫鍵，導致液滴間相互聚并，乳液會發生不同程度的失穩現象[15]。隨濃度增加，改性纖維素乳液的平均粒徑逐漸減?。ㄒ妶D3b）。第4天時，較0.5%濃度，1.0%濃度改性纖維素乳液的平均粒徑從1 132 nm減小到809 nm，減少29%。增大纖維用量，可形成更為致密的界面纖維層和緊湊的纖維網狀結構，使得聚并阻力增大[16]。較纖維素，不難發現，2.0%濃度改性纖維素乳液在不同儲存時間的平均粒徑均得到了減小。纖維素經TEMPO氧化后，羥基減少，一定程度上制約了纖維間氫鍵的形成，減弱了液滴間的聚并作用力。同時，氧化形成的羧基在纖維表面形成負電荷保護層，增加了液滴間的相互排斥力。聚并作用力的減弱及相互排斥力的增加，有利于形成穩定的乳液體系、減小乳液的平均粒徑。

圖3 纖維素和改性纖維素花生油乳液的平均粒徑（a）及顯微鏡照片（b，第1天）

圖4 為不同濃度改性纖維素乳液的Zeta電位與儲存時間的關系。隨儲存時間延長，改性纖維素乳液的Zeta電位逐漸減小。隨濃度增加，改性纖維素乳液的Zeta電位逐漸增大。較纖維素，2.0%濃度改性纖維素乳液在不同儲存時間的Zeta電位均得到增大。增大乳液的Zeta電位，能提高乳液間的靜電作用，有助于增強乳液的穩定性[6]。圖4中Zeta電位的變化規律進一步說明了改性纖維素在減小乳液平均粒徑，維持乳液穩定性上的作用。

2.3 抗氧化性

圖5為不同濃度改性纖維素乳液的PV值與儲存時間的關系。隨儲存時間延長，改性纖維素乳液的PV值呈先增大后減小的趨勢。不同濃度的改性纖維素乳液均在第4天出現PV峰值。PV值反映油脂初級氧化產物含量。儲存第4天，初級氧化產物已達到平衡增長點。隨濃度增加，改性纖維素乳液的PV值在不同儲存時間均有一定程度降低。較纖維素，濃度2.0%改性纖維素乳液在不同儲存時間的PV值均得到大幅度降低。改性纖維素的應用及濃度的提高，均可顯著降低花生油乳液中的PV值。這說明改性纖維素中的羧基提供了一定的抗氧化作用，有利于不飽和脂肪酸的穩定儲存。

圖4 纖維素和改性纖維素花生油乳液的Zeta電位

圖5 纖維素和改性纖維素花生油乳液的PV值

圖6 為兒茶素對改性纖維素乳液PV值的影響。兒茶素具有較好的抗氧化作用[17]。在1.0%改性纖維素乳液中添加0.1 mg/mL兒茶素，PV值隨儲存時間延長仍呈先增大后減小的趨勢，且同樣在第4天出現PV峰值。但較未添加兒茶素的1.0%改性纖維素乳液，PV峰值從4.9 mmol/kg降至3.7 mmol/kg，降幅32.4%。這表明兒茶素與TEMPO氧化纖維素對油脂的抗氧化性具有協同增強效應。

圖7為不同濃度改性纖維素乳液的T-BAR值與儲存時間的關系。隨儲存時間延長，改性纖維素乳液的T-BAR值逐漸增大，且增大過程分為3個階段，即1～4 d的緩慢階段、4～5 d的快速階段和5～7 d的補充階段。T-BAR值反反映油脂次級氧化產物含量。次級氧化產物含量的增大速率與PV值具有正相關性[18]。隨濃度增加，改性纖維素乳液的T-BAR值在不同儲存時間均有一定程度降低。較纖維素，濃度2.0%改性纖維素乳液在不同儲存時間的T-BAR值均得到大幅度降低。T-BAR值的降低與羧基的抗氧化作用有關，亦或是僅與初級氧化產物含量降低有關，相關機理正在進一步探究。

圖6 兒茶素對改性纖維素花生油乳液PV值的影響

圖7 纖維素和改性纖維素花生油乳液的T-BAR值

圖8 為兒茶素對改性纖維素乳液T-BAR值的影響。在1.0%改性纖維素乳液中添加0.1 mg/mL兒茶素，T-BAR值隨儲存時間延長逐漸增大，且無明顯階段性。較未添加兒茶素的1.0%改性纖維素乳液，T-BAR值增大較慢，第7天的T-BAR值從25.4 mmol/kg降至16.1 mmol/kg，降幅36.6%。

圖8 兒茶素對改性纖維素花生油乳液T-BAR值的影響

3 結論

棉纖維經TEMPO氧化可形成羧基化纖維素。羧基提高了纖維表面的電荷密度，增加了液滴的靜電斥力，降低了纖維素乳液的平均粒徑，促進了油脂的穩定儲存。同時，改性纖維素中的羧基提供了抗氧化作用，在花生油乳液儲存過程中可顯著降低PV值和T-BAR值，有效改善了花生油的抗氧化能力，有利于不飽和脂肪酸的長期穩定儲存。此外，改性纖維素和兒茶素對油脂的抗氧化性具有協同增強效應。