由固體顆粒穩(wěn)定的乳液被稱為Pickering乳液。甲殼素是自然界中含量僅次于纖維素的可再生天然多糖，廣泛存在于蝦、蟹及其他甲殼類動(dòng)物的外骨骼中，具有良好的生物相容性和生物可降解性。甲殼素還具有降血壓、降血脂、改善腸胃功能、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等功效，能在保健食品領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。此外，甲殼素分子鏈上含有大量的—OH和—NHCOCH3，具有良好的雙親性，易于改性。甲殼素納米纖維（ChNFs）是由甲殼素制備得到的一維納米材料，不僅有甲殼素的優(yōu)良性質(zhì)，還具有高的比表面積、結(jié)晶度和模量，是一種極具發(fā)展前景的食品級(jí)Pickering乳化劑。ChNFs和甲殼素納米晶能有效穩(wěn)定O/W型Pickering乳液。
武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的董同珺、魏孔菊、丁貝貝*等將甲殼素進(jìn)行純化、部分脫乙?；棒燃谆幚砗蟮玫酵瑫r(shí)帶有氨基和羧基的ChNFs，表征其結(jié)構(gòu)并將其作為乳化劑應(yīng)用于穩(wěn)定Pickering乳液，結(jié)合流變學(xué)特性、激光共聚焦顯微鏡等對(duì)乳液穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，觀察其貯藏穩(wěn)定性及對(duì)pH值的適應(yīng)能力。以期在食品和生物技術(shù)領(lǐng)域用于保護(hù)和遞送生物活性物質(zhì)，尤其是對(duì)pH值敏感的物質(zhì)。
1 ChNFs和RE-ChNFs的形態(tài)表征
圖1A分別為ChNFs和RE-ChNFs水分散液的原子力顯微鏡（AFM）圖像，可以清楚地看到單個(gè)納米甲殼素的纖維形態(tài)。不僅如此，新鮮制備及再分散的納米甲殼素在水介質(zhì)中分散良好，均沒有出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。利用圖像處理軟件分別對(duì)2 種納米纖維的長度和寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果分別如圖1B、C所示，再分散前后ChNFs的平均長度分別為271.2 nm和295.4 nm，平均直徑分別為39.4 nm和44.5 nm，長徑比分別約為6.9和6.7，較低的長徑比也符合α-甲殼素“短胖”的形態(tài)。此外，在AFM圖像中還觀察到有少許較短的物質(zhì)存在。與一些已經(jīng)發(fā)表的研究結(jié)果不同的是，制備得到的ChNFs懸浮液及再分散懸浮液中納米纖維的尺寸變化不大，這可能是由于在制備過程中超聲處理時(shí)間較短，對(duì)甲殼素尺寸的影響不大，甚至可以忽略不計(jì)。圖2A為再分散前后ChNFs水分散液在相同濃度下的外觀。結(jié)果表明，當(dāng)水分散液中甲殼素濃度相同時(shí)，新鮮制備的ChNFs與RE-ChNFs水分散液的透光性差別不大，即濁度相近。經(jīng)干燥除去分散介質(zhì)得到的ChNFs只要再通過簡單的超聲處理就可重新分散在水介質(zhì)中，且與新鮮制備的樣品相比，除去分散介質(zhì)后再次分散的過程并不會(huì)對(duì)ChNFs的分散性產(chǎn)生影響，這主要是由于甲殼素在濃堿和羧甲基化試劑處理之后，大大削弱了分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用。
AFM和TEM結(jié)果（圖2B）表明，利用氯乙酸處理DE-chitin能得到可再分散納米甲殼素，并且，冷凍干燥除去水分散介質(zhì)及再分散時(shí)超聲處理的過程對(duì)納米甲殼素的長度和寬度影響不大，說明再分散過程中的冷凍干燥和短暫的超聲處理并不會(huì)影響甲殼素的形態(tài)。
圖3A所示為新鮮制備和再分散ChNFs懸浮液的粒徑分布，測(cè)量前用超純水適當(dāng)對(duì)懸浮液進(jìn)行稀釋處理，避免多散射現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明，新鮮制備和再分散ChNFs懸浮液的粒徑分布基本相同，說明再分散過程并未對(duì)甲殼素的形態(tài)造成太大影響。這與AFM和TEM所得到的結(jié)論一致。由圖3B可知，ChNFs懸浮液在pH 7條件下的Zeta電位值為-（38.1±1.2）mV，其絕對(duì)值大于30，且多分散性指數(shù)（PDI）為0.380，證明粒徑分布均勻。此外，由粒徑分布強(qiáng)度可知，所制得ChNFs與RE-ChNFs懸浮液尺寸均比較均一，粒徑范圍較小，這與所測(cè)得較小的PDI值吻合。
2 ChNFs和RE-ChNFs的結(jié)構(gòu)表征
通過FT-IR及XRD結(jié)果確定所制備ChNFs的化學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)。圖4A為甲殼素原料、PU-chitin、DE-chitin及ChNFs的紅外圖像，圖4B為1 800～1 000 cm-1范圍內(nèi)的放大圖，可以看出，1 730 cm-1處附近出現(xiàn)一個(gè)小峰，此峰是羧基的特征峰，表明在甲殼素分子鏈上成功引入羧基。與甲殼素原料及PU-chitin的結(jié)果相同的是，ChNFs的酰胺I鍵在1 660 cm-1和1 621 cm-1處有雙重吸收峰，說明實(shí)驗(yàn)中所用甲殼素的晶體結(jié)構(gòu)為α-晶型，且其晶體結(jié)構(gòu)在整個(gè)處理過程中未發(fā)生變化。
圖5中XRD結(jié)果顯示，4 種甲殼素樣品均在9.4°、12.8°、19.3°、20.8°、23.4°及26.4°處出現(xiàn)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)α-甲殼素晶體中的（020）、（021）、（110）、（120）、（130）及（013）晶面，這與FT-IR譜圖結(jié)果一致。同時(shí)FT-IR譜圖及XRD結(jié)果表明，在ChNFs的制備過程中，其部分脫乙?；汪燃谆话l(fā)生在ChNFs的表面。與未經(jīng)處理的甲殼素相比，在甲殼素純化、部分脫乙酰及羧甲基化的處理過程中，樣品結(jié)晶峰的峰值均隨處理過程的增加而逐漸降低，這也表明了甲殼素的分子間氫鍵在處理過程中進(jìn)一步被破壞。
3 乳液的流變學(xué)特性
圖6A為Pickering乳液的彈性模量（G′）和黏性模量（G″）隨頻率的變化趨勢(shì)，可以看出，即使乳液中ChNFs含量在很低的情況下，3 個(gè)樣品在低頻區(qū)的G′均高于G″，表明這些乳液都表現(xiàn)出明顯的凝膠特性，且當(dāng)ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%時(shí)，所穩(wěn)定乳液樣品的G′、G″值在低頻區(qū)不依賴于頻率的變化。除此以外，ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%和2.0%時(shí)，穩(wěn)定的Pickering乳液G′、G″變化趨勢(shì)與0.5%時(shí)的變化趨勢(shì)略有不同，當(dāng)用來穩(wěn)定乳液的ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（0.5%）時(shí)，G′和G″在較低頻率條件下較低，在較高頻率下相交，這一現(xiàn)象與Xu Baomei等研究結(jié)果類似，他們將這一現(xiàn)象歸因于乳液中的物質(zhì)很少或沒有形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著穩(wěn)定乳液的ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，乳液的G′和G″逐漸增大，當(dāng)乳液中ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，乳液的G′和G″值分別約為22 Pa和3 Pa，此時(shí)G′值超過G″值7 倍以上，且在0.1～10 Hz的頻率范圍內(nèi)相對(duì)保持不變，說明此時(shí)乳液中的物質(zhì)形成凝膠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖6B所示為Pickering乳液的黏度隨剪切速率的變化趨勢(shì)，可以看出，當(dāng)剪切速率高于0.1 s-1時(shí)，3 種乳液樣品均表現(xiàn)出典型的剪切稀化行為，即在低剪切速率下，乳液的剪切黏度都很高；隨著剪切速率的不斷增加，乳液的剪切黏度逐漸減小，這表明乳液網(wǎng)絡(luò)可以被較高的剪切速率破壞，同時(shí)這一現(xiàn)象也證明所制備的乳液類型屬于水包油型乳液。此外，乳液的表觀黏度隨ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，這可能是由于ChNFs懸浮液連續(xù)相的黏度增加導(dǎo)致。
4 乳液的微觀結(jié)構(gòu)
圖7為ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)穩(wěn)定的Pickering乳液的CLSM圖像，其中油相用尼羅紅染色，ChNFs用FITC染色，可以看出，在乳液中綠色的ChNFs幾乎占據(jù)整個(gè)觀察背景區(qū)域，呈連續(xù)相分布（圖7B），而紅色的石蠟呈現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)立的液滴狀分布（圖7A）。如圖7C所示，在ChNFs的水連續(xù)相周圍包圍著獨(dú)立分布的油滴，這一現(xiàn)象證實(shí)制備的乳液類型為O/W型乳液，也與乳液的流變學(xué)測(cè)試結(jié)果保持一致。
5 乳液的貯藏穩(wěn)定性
由圖8A可知，隨著分散液中ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，ChNFs分散液的光散射增加，即濁度增加。圖8B～F為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ChNFs穩(wěn)定的Pickering乳液在室溫條件下貯藏0、7、14、28 d和90 d的外觀圖片。表1所示為不同乳液樣品在貯藏期間的EI。這些結(jié)果表明，0.1%～2.0%的ChNFs在0 d（新鮮制備時(shí)）均能有效穩(wěn)定Pickering乳液，且EI值無顯著差異。此外，當(dāng)用于穩(wěn)定乳液的ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)（0.1%、0.2%），樣品在0～7 d的貯藏期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯分層，且在3 d乳液底部就可觀察到少量分層并隨著貯存時(shí)間的延長，分層現(xiàn)象逐漸明顯。與之相反的是，當(dāng)用于穩(wěn)定乳液的ChNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)（0.5%～2.0%），所制備的乳液在整個(gè)90 d的貯藏期內(nèi)均不會(huì)出現(xiàn)明顯分層，除0.5% ChNFs穩(wěn)定的乳液在貯藏后期EI值略有降低外，其他2 個(gè)乳液樣品的EI值均能維持在1左右，表明乳化效果良好，乳液具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性，同時(shí)也證明制備的ChNFs具有作為乳化劑的潛力。
6 pH值對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響
通過部分脫乙酰化處理使得ChNFs表面帶有一定量的氨基，再通過羧甲基化處理賦予其羧基，使ChNFs具有類似蛋白質(zhì)的雙電荷性質(zhì)。利用2.0% ChNFs懸浮液在不同pH值條件下制備得到的石蠟-水乳液放置24 h后，研究pH值對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響，其中油水的體積比為1∶9。由圖9可知，當(dāng)乳液的pH值在3～11范圍內(nèi)時(shí)，24 h內(nèi)ChNFs都可以穩(wěn)定乳液，若進(jìn)一步增大或減小乳液的pH值則會(huì)出現(xiàn)破乳現(xiàn)象。在較高或較低pH值時(shí)出現(xiàn)破乳現(xiàn)象的原因可能是此時(shí)納米粒子電荷密度較高，導(dǎo)致排斥力增加，從而出現(xiàn)油水分層的現(xiàn)象。盡管如此，ChNFs依然具有在較大pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定乳液的能力，與傳統(tǒng)具有pH值響應(yīng)性的乳化劑相比，本實(shí)驗(yàn)制備得到的ChNFs還具備來源廣、可再分散及生物相容性高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景可觀。
7 結(jié) 論
利用脫乙酰化法結(jié)合羧甲基化處理，制得同時(shí)帶有氨基和羧基的ChNFs，且其經(jīng)干燥除去分散介質(zhì)后仍能再次分散，便于大規(guī)模運(yùn)輸和貯存。此外，這種ChNFs能有效穩(wěn)定O/W型Pickering乳液，結(jié)果表明所制得的Pickering乳液具有良好的凝膠特性，同時(shí)還具有良好的貯藏穩(wěn)定性及較寬范圍pH值適應(yīng)性，可以用于保護(hù)和遞送對(duì)pH值敏感的活性物質(zhì)，拓展了甲殼素在食品生物領(lǐng)域的應(yīng)用。本文《可再分散甲殼素納米纖維的制備及其在穩(wěn)定Pickering乳液中的應(yīng)用》來源于《食品科學(xué)》2023年44卷24期1-8頁. 作者：董同珺，魏孔菊，雙 媛，丁貝貝，王學(xué)東，丁文平. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230221-193. 點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。