豆渣是豆浆及豆腐加工过程中产生的主要固体副产物,每生产1 kg豆腐可产生1.1～1.2 kg新鲜豆渣[1],目前豆渣的全球年产量已超过1 400万t[2]。由于豆渣含水量高、易腐败,利用率较低,造成了较大的资源浪费。豆渣中富含膳食纤维、蛋白质及脂质等成分[3],其中膳食纤维含量占干基质量的42.4%～76.4%[4],主要由不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF)和可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)组成。IDF占豆渣干基质量的50%～60%[5],其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素[6]。纤维素来源丰富、表面羟基活性高且易于进行结构与表面化学调控,被广泛用于纳米纤维素材料的制备[7-8]。近年来,纳米纤维素纤丝(cellulose nanofibrils, CNF)因具有高比表面积、高长径比、良好的生物相容性及丰富的表面羟基等特点[9],在Pickering 乳液稳定[10]、水凝胶构建[11]、药物缓释[12]及重金属吸附[13]等领域展现出广泛的应用潜力。

目前,2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy, TEMPO)因可特异性氧化纤维素C6位伯羟基,提高纤维表面电荷密度并促进纤维解离[14-16],已成为CNF制备中最常用的改性方法之一[17]。然而,纤维素内部存在致密氢键网络与高度有序的结晶结构,限制了氧化剂向纤维内部渗透及活性位点暴露,从而影响氧化效率及后续纳米化效果[18]。因此,在氧化前通过预处理破坏纤维束聚集结构、增强纤维膨胀程度并提高纤维与氧化体系的接触效率[19],已成为近年来的重要研究方向。已有研究表明,碱处理[20]、溴化锂熔融盐[21]等溶胀体系能够促进纤维膨胀并削弱分子间氢键作用;超声预处理则可通过空化效应促进纤维束剥离[22],从而提高氧化反应效率。然而,现有研究多集中于单一预处理体系,对于超声与溶胀协同作用下纤维素结构演变及其对TEMPO氧化行为影响和后续应用研究仍相对有限。

本研究假设超声与溶胀预处理对TEMPO氧化过程的影响并非简单叠加,二者可能在纤维素羧基化程度、后续机械解离效率及CNF分散稳定性等方面存在协同强化作用。因此,本研究以豆渣不溶性膳食纤维(insoluble soybean fiber, ISF)为原料,通过超声与溶胀预处理辅助TEMPO 改性,并结合高压均质处理制备氧化纳米纤维素纤丝(TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils, TCNF),系统分析不同预处理方式对纤维素氧化程度、微观结构、流变特性、光学性质及储存稳定性的影响,并进一步评价不同预处理方式制备的TCNF对所构建Pickering乳液稳定性的影响,旨在为豆渣来源TCNF的高效制备、性能调控及功能化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

干豆渣[成分(质量分数):纤维素51.16%,粗蛋白质12.52%,粗脂肪7.96%,粗灰分3.06%,水分3.21%],山东禹王生态食业有限公司;食用豆油,益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司;TEMPO、NaBr、NaClO等,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;NaOH、硫脲、HCl、LiBr等,国药集团化学试剂有限公司。实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JY92-IIDN-YT型超声波细胞粉碎仪,拓赫机电科技有限公司;Zetasizer Nano Zs型ζ-电位仪,英国马尔文仪器有限公司;S3500型激光粒度分析仪,美国麦奇克仪器有限公司;TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪,德国布鲁克公司;Ultima IV型X射线多晶衍射仪,日本理学公司;TG/DTA 6300型热重分析仪,日本精工仪器株式会社;Physica MCR 301型流变仪,奥地利安东帕有限公司;UV-1800型紫外-可见分光光度计,日本岛津公司;SU8010型冷场发射扫描电子显微镜,株式会社日立制作所;DDS-307A型电导率仪,上海仪电科学仪器股份有限公司;H-7500型透射电子显微镜,株式会社日立制作所;NX10型原子力显微镜,韩国帕克股份有限公司;TURBISCAN TOWER型快速稳定性分析仪,美国麦奇克仪器有限公司;HPH-L2型高压均质机,苏州艾特森制药设备有限公司;FSH-2A型可调高速均质机,常州市国旺仪器制造有限公司;CX23LEDRFS1C型生物显微镜,奥林巴斯工业有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

1.3.1.1 ISF的制备

以市购干豆渣为原料,经清水洗涤后于60 ℃烘干至恒重,粉碎并过60目筛,得到豆渣粉末。使用正己烷[23]按料液比1.0∶2.5(g/mL)于50 ℃条件下,对豆渣粉沫进行3次脱脂处理,每次2 h,脱脂后干燥备用。参考Tang等[24]的方法称取脱脂豆渣粉末,通过碱、超声交替处理除去豆渣蛋白,与氯化胆碱、草酸和乙二醇按物质的量比为1.0∶1.5∶1.5配制三元低共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES),再将脱脂、脱蛋白后的豆渣与该DES按质量比1∶40混合,于110 ℃条件下反应4 h。提取结束后,在所得反应体系中加入质量分数为20%的无水乙醇终止反应,经离心分离并采用无水乙醇反复洗涤,于60 ℃干燥12 h,制得ISF(纤维素质量分数80.33%)。

1.3.1.2 TCNF的制备

1) 溶胀与超声协同处理ISF。将ISF粉碎并过80目筛后备用,溶胀预处理体系参考Cai等[19]和Deng等[21]的方法并适当修改,包括去离子水体系(H2O system, H)、LiBr体系(LiBr system, LB)及NaOH/硫脲体系(NaOH-thiourea system, NT)。LB体系为质量分数60% LiBr的去离子水溶液;NT体系为质量分数9.5% NaOH、质量分数4.5%的硫脲及质量分数86.0% 的去离子水。取ISF按1∶20(g/mL)料液比加入不同体系中,于25 ℃条件下搅拌溶胀2 h后,LB体系样品洗涤至电导率低于20 μS/cm,NT体系样品洗涤至中性,使用H体系溶胀作为对照。参考Wu等[25]在豆渣纤维素体系中的超声参数设置,综合考虑超声预处理效果及纤维结构完整性,对各体系样品进一步进行超声处理(400 W,30 min),超声过程中采用冰浴控制体系温度,分别得到HUS、LBUS 及NTUS 预处理的ISF[22,26]。

2) TEMPO氧化制备TISF。取预处理后的ISF,按料液比1∶100(g/mL,以ISF 干基计)分散于去离子水中,随后加入TEMPO[15](0.102 mmol/g)和NaBr(0.972 mmol/g),搅拌均匀后缓慢加入NaClO 溶液(5 mmol/g)引发氧化反应。反应过程中采用0.1 mol/L NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液调节体系pH值至10.0～10.2,并维持反应2 h。反应结束后加入过量乙醇终止反应,经4 000 r/min离心洗涤并用去离子水反复过滤至中性,得到不同预处理体系下TEMPO 氧化豆渣纤维(TEMPO-oxidized insoluble soybean fiber, TISF),分别记作H-TISF、HUS-TISF、LB-TISF、LBUS-TISF、NT-TISF、NTUS-TISF。

3) 高压均质制备TCNF。所得TISF重新分散于去离子水中,采用高压均质机于60 MPa条件下循环均质10次[27],随后以 8 500 r/min 离心10 min去除未充分纳米化的大尺寸纤维沉淀,最终获得TCNF 悬浮液。部分稀释至质量浓度为1.5 mg/mL,并于4 ℃条件下保存备用。取部分TCNF悬浮液 -18 ℃预冻后进行冷冻干燥,储存于干燥环境下备用。采用不同预处理方式制备的TCNF分别记作H-TCNF、HUS-TCNF、LB-TCNF、LBUS-TCNF、NT-TCNF、NTUS-TCNF。

1.3.2 材料表征

1.3.2.1 TISF羧基含量、TISF和TCNF得率测定

采用电导滴定法测定TISF的羧基含量[14]。准确称取0.10 g样品,加入5 mL 0.01 mol/L NaCl溶液,并用去离子水定容至55～60 mL,搅拌分散后采用0.1 mol/L HCl溶液调节体系pH值至2.3～2.8。在持续搅拌条件下,使用0.05 mol/L NaOH标准溶液进行滴定,每次滴加100 μL,记录对应电导率变化,直至体系pH值达到11.0。根据电导滴定曲线计算羧基含量[式(1)],平行测定3次取平均值。

(1)

式(1)中,bCOOH为羧基质量摩尔浓度,mmol/g;c为NaOH浓度,mol/L;ΔV为滴定所消耗的NaOH体积,mL;m1为TISF的质量,g。

TISF及TCNF得率采用冷冻干燥法测定。分别取一定体积样品悬浮液冷冻干燥至恒重,结合样品总体积计算总固形物质量,见式(2)。

得率

(2)

式(2)中,m2为取一定体积悬浮液冷冻干燥后TISF或TCNF的质量,g; V1为该悬浮液的体积,mL;V为样品的总体积,mL;m为初始ISF的质量,g。

1.3.2.2 TISF和TCNF的粒径及ζ-电位测定

取20 mg TISF或TCNF于10 mL去离子水中,用激光粒度分析仪(laser diffraction particle analyzer, LDS)测量样品粒径,使用ζ-电位仪测量样品分散液的电位值[24]。

1.3.2.3 TISF的结构表征

采用傅里叶变换红外光谱仪(fourier transform infrared spectrometer, FTIR)测定TISF样品的红外吸收光谱,测试分辨率设为4 cm-1,扫描范围为 4 000～500 cm-1,累计扫描64次[15,28]。TISF样品均匀铺展于载样台表面,采用X射线多晶衍射仪进行分析(X-ray diffractometer, XRD),测试条件为Cu-Kα射线(λ=0.154 18 nm),工作电压为40 kV,电流为40 mA,扫描范围2θ为4°～50°,扫描速率为10°/min[29]。

1.3.2.4 TISF和TCNF的微观形貌观察

TISF样品经喷金处理后采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)在10 kV加速电压条件下观察其微观形貌特征。取质量浓度为1.5 mg/mL的TCNF悬浮液0.1 mL,稀释至15.0、0.5 mL。取少量稀释液滴加于洁净云母片及铜网上(样品需醋酸铀负染处理),采用原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)和透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)观察TCNF的微观结构与形貌特征[30]。

1.3.2.5 TCNF的光学性能测定

采用水平红外激光光源照射质量浓度为1.5 mg/mL的TCNF悬浮液,观察其丁达尔效应。利用紫外-可见分光光度计测定质量浓度为1.5 mg/mL的TCNF悬浮液的透射率,扫描波长设定为300～800 nm[14]。

1.3.2.6 TCNF的热稳定性测定

采用热重分析仪对TCNF样品的热稳定性进行测定,称取约5 mg样品置于氧化铝坩埚中,在N2(流速为200 mL/min)保护气氛下记录样品的TG和DTG曲线。测试温度为35～480 ℃,升温速率设定为15 ℃/min[25]。

1.3.2.7 TCNF的储存稳定性测定

采用快速稳定性分析仪测定质量浓度为1.5 mg/mL的TCNF悬浮液在室温条件下的储存稳定性,并以背散射光变化值(backscattering variation, ΔBS)和Turbiscan稳定性指数(turbiscan stability index, TSI)作为评价指标[31],TSI计算方法见式(3)。

(3)

式(3)中,xi是ΔBS强度的平均值;xbs是xi的平均值;n是对样本进行扫描的次数。

1.3.2.8 TCNF的黏度性能测定

利用流变仪对质量浓度1.5 mg/mL的TCNF悬浮液的黏度进行测定[32]。平板间隙为1.0 mm。在25 ℃恒温条件下,取0.75 mL制备的质量浓度为1.5 mg/mL的TCNF悬浮液作为测试样品,剪切速率梯度设置为0.1～100 s-1,以记录悬浮液表观黏度随剪切速率的变化规律。

1.3.2.9 TCNF的持水和持油能力测定

称取0.1 g TCNF,分别置于80 mL去离子水和玉米油的烧杯中,并将烧杯置于电子天平上,在吸附过程中不同时间点(10、20、30、40、50、60、90、120、180、240 s)取出样品,保持样品悬置于原烧杯上方自然沥液1 min,使表面附着液体回流后,记录剩余液体质量变化[30]。TCNF基冷冻凝胶的持水能力(water holding capacity, WHC)和持油能力(oil holding capacity, OHC)按照式(4)、式(5)进行计算。

(4)

(5)

式(4)和式(5)中,m3是TCNF样品的初始质量,g;m4和m5分别是含水和含油样品的质量,g。

1.3.3 Pickering乳液应用性能评价

1.3.3.1 Pickering乳液的制备

参考袁梦缘[33]的方法制备乳液。将不同预处理方式制备的质量浓度1.0 mg/mL的TCNF悬浮液作为水相,与市售大豆油按油水质量比3∶7混合。采用可调高速均质机于1.2×104 r/min条件下预乳化 3 min,制备粗乳液;利用超声细胞破碎仪进行均质处理(功率800 W,工作5 s、间歇5 s,总处理时间 4 min),获得均一稳定的Pickering乳液。将采用不同预处理方式制备的TCNF悬浮液所形成的Pickering乳液分别记作Pk-H、Pk-HUS、Pk-LB、Pk-LBUS、Pk-NT和Pk-NTUS。同时,以去离子水替代TCNF悬浮液作为水相,将在相同油水比例及乳化条件下制备不含TCNF的油水混合体系,作为空白对照组,记为Pk-CK。

1.3.3.2 Pickering乳液性质表征

参考李霞[34]的方法对乳液性质进行表征。采用激光粒度分析仪测定乳液平均粒径,每个样品平行测定3次;采用ζ-电位仪测定乳液电位,样品稀释100倍后平行测定3次;采用光学显微镜观察微观乳液结构,样品稀释10倍后滴加于载玻片上进行观察并拍照记录;采用流变仪测定乳液黏度特性。

离心稳定性测定[35]:取样品置于离心管中,于室温下以3 000 r/min转速离心10 min,观察乳液分层情况。储存稳定性测定[36]:将乳液置于25 ℃条件下静置储存14 d,定期观察并记录乳液的分层情况,并计算乳化指数(emulsification index,EI)[37]。EI计算方法见式(6)。

(6)

式(6)中,H为乳液底部析出的水相高度,mm;Ha为乳液体系总高度,mm。

1.4 数据处理

所有实验均平行测定3次,结果以平均值±标准差表示。采用Origin 2024软件绘图,采用SPSS 26.0软件进行数据统计分析。采用Duncan多重比较法进行组间差异显著性分析,以P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同预处理方式对TISF氧化及结构特性的影响

2.1.1 TISF羧基含量及TISF得率分析

TEMPO介导氧化能够选择性地将纤维素C6位伯羟基氧化为羧基,因此羧基含量的变化可反映纤维素氧化程度[38]。不同预处理方式对TISF羧基含量及得率的影响如图1所示。由图1可知,H-TISF羧基质量摩尔浓度仅为(0.67±0.05) mmol/g,而经超声或溶胀预处理后均有所提高。HUS-TISF和LB-TISF羧基质量摩尔浓度分别提高至(0.73±0.04) mmol/g和(0.78±0.02) mmol/g,NT-TISF则达到(0.99±0.03) mmol/g(较H-TISF组羧基质量摩尔浓度提升47.7%),说明超声及溶胀处理均有利于提高TEMPO氧化效率。进一步结合超声处理后,NTUS-TISF羧基质量摩尔浓度提高至(1.28±0.03) mmol/g(较H-TISF提高了91.0%),显著高于其他处理组(P<0.05)。本研究结果表明,超声与溶胀预处理之间存在明显协同强化作用,促进氧化体系向纤维内部渗透并提高纤维素C6位伯羟基氧化程度。

与羧基质量摩尔浓度变化趋势相比,TISF得率整体呈下降趋势。H-TISF得率最高,约为67.4%;而HUS-TISF、NTUS-TISF和LBUS-TISF得率分别下降至61.92%、60.36%和60.68%。这可能是由于超声与溶胀协同预处理促进纤维结构松散,提升了纤维素表面可及性,使更多C6位伯羟基暴露并参与TEMPO氧化,从而提高了羧基含量;与此同时,较强的结构解离作用也可能促进部分无定形区域及可溶性组分的去除,导致TISF得率下降。综合来看,NTUS预处理体系在氧化效率与得率之间取得了较优平衡,兼顾了最高的羧基含量和较高得率,表明该协同预处理策略更适用于后续TCNF的制备。

2.1.2 TISF粒径及ζ-电位分析

不同预处理方式对TISF粒径及ζ-电位的影响如图2所示。由图2可知,与原始ISF相比,H-TISF粒径由(80.17±1.48) μm降低至(78.26±3.12) μm,变化幅度较小,说明单纯TEMPO氧化对纤维粒径影响有限。经超声及溶胀预处理后,样品粒径进一步下降,其中HUS-TISF、NT-TISF和LBUS-TISF粒径分别降低至(72.55±3.62)、(55.36±1.74)、(67.44±2.54) μm。NTUS-TISF粒径最小,仅为(43.53±2.08) μm,较原始ISF下降约45.7%。实验结果表明,预处理能够有效削弱纤维束聚集结构并促进纤维松散化,从而提高后续TEMPO氧化过程中氧化剂与纤维内部活性位点的接触效率,且超声与NT协同预处理效果最为明显。TEMPO氧化后,TISF的ζ-电位绝对值明显增大。ISF的ζ-电位为-(18.33±0.74) mV,而H-TISF提高至-(22.83±0.54) mV,表明纤维表面成功引入羧基[39];随着不同预处理方式变化,ζ-电位绝对值进一步增加,其中NTUS-TISF达到-(32.97±0.57) mV,较H-TISF进一步提高约44.4%,显著高于其他处理组(P<0.05)。本研究结果表明,超声与溶胀协同预处理能够提高纤维素氧化程度并增强体系分散稳定性。

2.1.3 TISF结构及微观形貌分析

TISF的FTIR分析结果见图3。由图3可知,所有样品在3 406 cm-1附近均出现宽强吸收峰,对应纤维素中O—H伸缩振动,2 922 cm-1处为C—H伸缩振动峰,1 056.9 cm-1和891.1 cm-1处分别对应纤维素中C—O—C伸缩振动及β-糖苷键特征吸收峰,这些特征峰均符合纤维素典型化学结构特征[40]。与原始ISF相比,TEMPO氧化后各TISF样品在1 645.2 cm-1附近吸收峰明显增强,表明纤维表面成功引入了羧基,说明TEMPO氧化体系实现了对纤维素C6位伯羟基的特异性氧化[41]。

TISF的XRD分析结果见图4。由图4可知,原始ISF在2θ为14.88°、22.12°和34.5°附近均存在明显衍射峰,对应纤维素Ⅰ型结构的特征晶面。经不同预处理及TEMPO氧化后,各TISF样品衍射峰位置未发生明显偏移,说明预处理及TEMPO氧化过程未改变纤维素主体晶型结构[41]。总体来看,不同预处理方式均未导致纤维素晶型和结构转变,同时后续高压均质过程主要通过机械作用促进纤维纳米化,对纤维素化学结构及晶型影响较小[42],因此对TISF开展的FTIR及XRD分析结果同样能够反映最终TCNF的结构特征。

TISF的SEM观察结果见图5。图5显示,原始ISF呈现较为完整且致密的块状结构,颗粒尺寸较大。经TEMPO氧化后,H-TISF表面逐渐粗糙,并出现一定程度的片层化和褶皱结构。相比之下,经超声或溶胀预处理后,各TISF样品均表现出更加明显的纤维松散化特征。其中,HUS-TISF和LB-TISF表面褶皱结构增加,纤维层间逐渐剥离;LBUS-TISF进一步呈现出较明显的多孔网状结构;NT-TISF和NTUS-TISF则表现出更加疏松的片状及网络状结构,其中NTUS-TISF纤维束破碎最明显,颗粒尺寸进一步减小。本研究结果表明,超声及溶胀预处理能够有效削弱纤维束聚集结构并促进纤维松散化,超声与NT协同预处理对纤维束解离最为明显,这与其较高的羧基含量及较小粒径结果一致。

2.2 不同预处理方式对TCNF结构特性及理化性质的影响

2.2.1 TCNF得率、粒径及ζ-电位分析

TCNF的得率、粒径和ζ-电位分析结果见图6。由图6(a) 可知,与H-TISF相比,各组别TCNF得率均进一步下降,且随着预处理强化程度增加,TCNF得率整体呈降低趋势。NTUS-TCNF得率最低,为43.24%±0.80%。这也证明了超声与NT协同处理,使纤维更易发生解离及细化,同时也导致未完全纳米化组分在高压均质与后续离心过程中被去除,从而造成得率下降。

由图6(b)可见,经过高压均质后各TCNF团聚体等效粒径减小,说明高压均质有效促进了纤维束解离[43]。其中,NTUS-TCNF团聚体等效粒径最小,仅为(6.22±0.09) μm。需要注意的是,由于TCNF属于高长径比纳米纤维材料,且悬浮液中存在部分纤维缠结及团聚体,因此LDS测得结果主要反映悬浮体系中团聚体的等效粒径分布,而非单根纤丝真实尺寸[44],单根TCNF的直径与形貌需进一步通过AFM和TEM进行表征。由图6(b)可知,各TCNF样品ζ-电位绝对值均高于相应的TISF样品,其中NTUS-TCNF达到-(44.00±1.02) mV,显著高于其他处理组(P<0.05)。本研究结果表明,超声与溶胀协同预处理有利于提高TEMPO氧化程度并增强纤维表面电荷密度,从而降低TCNF团聚并提高悬浮体系分散稳定性。

2.2.2 TCNF热稳定性分析

不同预处理方式制备的TCNF的DTG和TG曲线如图7所示。由图7(a) 可知,各样品热失重过程主要分为3个阶段:50～150 ℃阶段的失重主要来源于TCNF样品中吸附水及结合水蒸发;200～350 ℃阶段对应TCNF样品中的纤维素主体结构热降解;350 ℃以上的缓慢失重则主要与TCNF中半纤维素、木质素残余组分及碳化产物结构进一步分解有关[45]。

由图7(b)可知,各样品主要热降解区间整体较为接近。DTG曲线表明,NT-TCNF与NTUS-TCNF在250～280 ℃附近均出现更加明显且尖锐的主热解峰,而300 ℃附近次级热解峰相对减弱,说明其热降解过程更易发生。这表明,与LB体系相比,NT溶胀体系对纤维内部结构解离更明显,可能在一定程度上削弱了纤维素分子间氢键作用,并提高了纤维解离程度。同时,与NT-TCNF相比,经超声处理后NTUS-TCNF主热解峰绝对峰值增大,主要热降解过程更集中于较低温区,热稳定性略有下降。不同预处理方式改变了TCNF的热降解温区及失重速率,其中NTUS预处理方式对其热降解行为的影响更为明显。

2.2.3 TCNF储存稳定性分析

不同TCNF悬浮液的TSI及ΔBS曲线如图8所示。通常,较低的TSI值代表体系具有更好的储存稳定性[31]。由图8(a) 可知,各TCNF样品的TSI值均随储存时间延长逐渐升高,但不同预处理组增长幅度存在明显差异。NTUS-TCNF在整个储存过程中始终保持较低TSI值,而对照组H-TCNF的TSI值最高,说明NTUS-TCNF具有较佳储存稳定性。

由图8(b)可知,H-TCNF与HUS-TCNF在储存过程中均出现较明显的背散射变化,说明体系内部颗粒浓度及空间分布发生明显变化,存在一定聚集与沉降现象;相比之下,NT-TCNF和NTUS-TCNF的ΔBS变化范围相对较小,尤其NTUS-TCNF曲线整体变化最平缓,表明其悬浮体系在储存过程中能够保持较好的分散状态。这可能与其较高的ζ-电位绝对值及更充分的解离程度有关,较强的纤维间静电斥力能够有效抑制TCNF之间的团聚与沉降行为[46]。超声与溶胀协同预处理,有利于提高TCNF悬浮体系储存稳定性,其中NTUS-TCNF表现出较佳稳定效果。

2.2.4 TCNF光学及流变性能分析

TCNF的光学及流变性能分析结果见图9,由图9(a)可知,各TCNF悬浮液在激光照射下均呈现明显丁达尔效应,说明样品已形成稳定胶体分散体系。LBUS-TCNF与NTUS-TCNF光路更加均匀清晰,表明其分散性及体系均一性优于其他处理组。图9(b1)结果进一步表明,不同TCNF样品在300～800 nm的透射率整体随波长增加而逐渐升高。NTUS-TCNF在整个可见光波段均表现出最高透射率,800 nm处透射率接近36.12%,高于其他处理组;NT-TCNF次之,而H-TCNF与HUS-TCNF透射率相对较低。本研究结果说明,结合超声的NT溶胀体系,更有利于提高TCNF悬浮液的分散均一性并降低纤维团聚程度。这可能与TCNF较高的羧基含量及ζ-电位绝对值有关,更多羧基的引入增强了纤维间静电斥力[47],从而减少了纤维聚集及光散射现象,提高了悬浮液透光性能。

图9(b2)中不同TCNF悬浮液的黏度表征结果显示,所有样品均随剪切速率增加表现出明显剪切变稀行为,说明TCNF悬浮液属于典型非牛顿流体。这主要是由于低剪切条件下纤维之间形成了缠结或网络结构,而随着剪切速率的提高,纤维间缠结逐渐被破坏,从而导致体系流动阻力下降、表观黏度降低[48]。不同样品间黏度存在明显差异,其中H-TCNF黏度最高,而NTUS-TCNF黏度最低。结合粒径及分散性分析结果可知,H-TCNF中存在更多未充分解离的纤维束及团聚结构,更容易形成致密的三维网络结构,从而表现出较高黏度;相比之下,超声与溶胀协同预处理促进了纤维充分解离及均匀分散,降低了大尺度纤维缠结程度,因此NTUS-TCNF体系表观黏度相对较低。值得注意的是,纳米纤维素悬浮液的流变行为主要受纤维尺寸、长径比及表面特性影响,而表面电荷产生的静电排斥作用能够有效抑制纤维间聚集行为[49],因此黏度较高并不一定意味着体系具有更好的储存稳定性。本研究结果表明,H-TCNF的较高黏度主要来源于未充分解离的纤维束形成的网络结构,而NTUS-TCNF虽然黏度较低,但由于纤维解离程度更高且ζ-电位绝对值更高,能够有效抑制纤维聚集,因此表现出更优的储存稳定性。

2.2.5 TCNF 微观结构分析

图10为TCNF的TEM和AFM图像。由图10(a)可知,所有样品均形成了典型的纤丝网状结构,但不同预处理方式下纤维分散状态存在明显差异。其中,H-TCNF与HUS-TCNF中仍可观察到较明显的纤维缠结及局部团聚现象,说明其纤维解离程度相对有限;LB-TCNF与LBUS-TCNF纤维分散性有所改善,但仍存在一定程度的纤维聚集现象。相比之下,NT-TCNF与NTUS-TCNF中纤维更加细化且分布均匀,其中NTUS-TCNF中纤维网络最为疏松均一,几乎未观察到明显大尺度团聚结构。图10(b)进一步验证了TEM观察结果,纤维直径主要分布于2～8 nm,表明高压均质后成功获得了纳米尺度纤维。H-TCNF表面仍存在较明显颗粒状聚集区域,而经过溶胀及超声处理后,纤维逐渐呈现更加均匀的纳米网络结构。其中,NTUS-TCNF纤维分布最均匀、纤维网络结构更为明显,表面突起及团聚结构显著减少,说明其纳米化程度最高。这可能与NT体系对纤维内部氢键作用削弱更加明显有关,同时超声空化作用进一步促进了纤维束剥离,从而提高了纤维纳米化程度及分散均一性[46]。

2.2.6 TCNF持水和持油能力分析

不同预处理方式制备的TCNF持水性和持油性分析结果如图11所示。由图11可知,各样品对水和油的吸附均在前60 s内迅速增加,随后逐渐趋于稳定,说明TCNF形成的多孔网络结构能够快速吸附液体并达到吸附平衡。不同样品间吸附能力存在明显差异,其中NTUS-TCNF表现出最高的持水和持油能力,稳定后分别达到约70.10 g·g-1和113.32 g·g-1,NT-TCNF次之,而H-TCNF整体吸附能力最低。本研究结果表明,NTUS预处理方式,更有利于提高TCNF对水和油的吸附能力,这可能是由于超声与溶胀协同作用促使纤维束充分解离,降低了纤维团聚程度,使纤维比表面积增加并暴露了更多的吸附位点;同时,羧基含量增加提高了纤维表面的亲水性,有利于水分子的结合与保持;此外,充分解离的纤维能够构建更为疏松的多孔网络结构,为水和油的储存提供更多空间,从而增强了TCNF对水和油的吸附与保持能力。

2.3 不同TCNF基Pickering乳液特性分析

2.3.1 乳液微观形貌、粒径分析

不同TCNF基Pickering乳液微观结构和粒径分析结果见图12。不同TCNF稳定的Pickering乳液均呈现典型球形液滴结构[图12(a)],但液滴尺寸和分散状态存在明显差异。未添加TCNF的对照组Pk-CK中液滴尺寸较大,乳液均一性较差。加入TCNF后,乳液液滴明显细化,分散均匀性提高。值得注意的是,未经过超声处理的Pk-H、Pk-LB和Pk-NT液滴存在明显的团聚现象,而经超声处理组液滴分布更加均匀,聚集现象明显减弱,这可能与超声处理促进TCNF解离,降低纤维团聚并提高分散稳定性有关。其中 Pk-NTUS液滴细小且分布均匀,几乎未观察到明显的大尺寸液滴和团聚现象,说明其具有更好的界面稳定能力[50]。

粒径测定结果与显微观察结果一致[图12(b)]。对照组Pk-CK平均粒径最高,为 94.58 μm,而添加TCNF后乳液粒径显著降低。这说明TCNF能够有效降低乳液液滴尺寸,其中Pk-NT和Pk-NTUS分别为22.16 μm和20.99 μm。

2.3.2 乳液稳定性分析

不同TCNF稳定Pickering乳液的离心稳定性和储存稳定性如图13所示。由图13(a)可知,离心处理前,对照组Pk-CK已出现明显的油水分层现象,而添加TCNF后,由于纳米纤维素能够吸附于油水界面形成稳定的颗粒保护层,从而抑制液滴聚并和相分离[51],因此不同TCNF乳液都呈均一稳定的乳白色状态。乳液在离心、振荡及剪切等外界作用下易发生絮凝和相分离等失稳现象,因此离心稳定性可作为评价乳液稳定性的重要指标。经离心后,虽然各TCNF基乳液出现不同程度的水相析出,但在相同溶胀预处理体系下,超声处理组(Pk-HUS、Pk-LBUS和Pk-NTUS)底部析出的水相均少于对应未超声组,这与显微观察中液滴尺寸减小、分散均匀性提高的结果相一致,表明超声处理有助于提高乳液离心稳定性。此外,NT溶胀体系乳液底部析出的水相相对较少,尤其是Pk-NTUS几乎未出现明显分层现象,说明其具有较佳的离心稳定性。

由图13(b)可知,随着储存时间延长,各TCNF基乳液均出现不同程度的分层现象,其中Pk-H和Pk-LB分层较为明显,而对应超声处理组分层程度有所减弱。

2.3.3 乳液ζ-电位、乳化指数和黏度特性分析

图14为TCNF基Pickering乳液的ζ-电位、乳化指数和黏度表征结果。乳液ζ-电位分析结果[图14(a)] 表明,不同处理组乳液的ζ-电位绝对值存在明显差异,其中Pk-NTUS最高,达到40.50 mV。较高的电位绝对值有利于增强乳滴间静电排斥作用,提高乳液稳定性[52],尤其是Pk-NTUS在储存14 d后仍保持较高的乳液稳定性,其储存14 d后乳化指数可达到97.78% [图14(b)],说明超声结合NaOH与硫脲协同预处理提升了TCNF的Pickering乳液的稳定性能。由图14(c)可知,随着剪切速率增加,各乳液表观黏度均逐渐降低,表现出典型的剪切变稀行为,说明其均属于假塑性非牛顿流体[53]。这可能是由于剪切作用破坏了乳液液滴间的空间网络结构,使体系流动阻力降低所致[54]。不同处理组乳液的黏度存在一定差异,Pk-H的表观黏度较高,而Pk-NTUS的表观黏度相对较低。这可能与TCNF的分散状态有关,粒径较大的TCNF团聚体更易在连续相中形成缠结网络,从而增加体系流动阻力;而经超声与NT处理后,TCNF解离程度提高、分散更加均匀,因此乳液表现出较低的表观黏度。

3 讨 论

超声与溶胀协同预处理能够有效提高TEMPO氧化效率并促进纤维纳米化,其中NT体系结合超声处理表现出最优效果,其协同作用可能源于二者对纤维结构的互补调控:NT溶胀处理可削弱纤维素分子间氢键作用,扩大纤维内部结构间隙,提升氧化试剂对纤维素链段的可及性;超声产生的空化效应和机械剪切作用进一步促进纤维束解离,暴露更多反应位点,从而提高TEMPO氧化效率并促进后续高压均质过程中的纳米化。因此,超声与溶胀协同作用不仅提高了羧基引入效率,也减小了TCNF团聚体等效粒径,改善了其分散性及功能特性。

本研究仍存在一定局限。1)现有溶胀或超声辅助TEMPO氧化研究[20-21,55]多关注纤维结构、氧化效率及纳米化性能,对得率下降过程中流失组分的组成关注较少。后续可对超声、溶胀、氧化及均质过程开展物料平衡分析,并测定液相中单糖、低聚糖组成及含量,以明确TCNF得率下降的物质去向。2)本研究中不同预处理体系已表现出明显不同的纤维束解离程度,说明适当的超声与溶胀预处理有望降低后续高压均质强度。未来可进一步探究减少均质次数条件下制备高性能TCNF的可行性,以降低能耗。下一步,考虑采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)模型[56]开展热分析动力学研究,结合频率因子、反应速率常数及可能的机理函数,对TCNF热降解过程进行定量表征,为不同预处理样品的热稳定性评价、热解机理分析及加工条件优化提供依据。另外,本研究采用统一的高压均质条件对不同预处理方式进行比较,主要用于筛选相对较优的预处理体系,尚未对筛选结果进行系统的工艺参数优化。后续将以较优预处理体系为基础,进一步优化TEMPO氧化体系中各试剂用量、氧化时间、均质压力及均质次数等条件。3)可结合分子动力学模拟构建纤维素孔道模型,从原子尺度揭示不同溶胀体系对纤维氢键结构、孔道扩张及氧化剂渗透行为的影响机制,为豆渣来源纳米纤维素的绿色高效制备提供理论基础。

尽管NTUS-TCNF构建的Pickering乳液在各处理组中表现出较佳稳定性,但储存14 d后仍呈现一定的分层趋势。与文献[35,57-58]报道的部分CNF基Pickering乳液相比,其长期储存稳定性仍有进一步提升空间,研究表明,颗粒表面润湿性、浓度、形貌及界面吸附行为是影响纤维素基Pickering乳液稳定性的主要因素[59],本研究制备的乳液长期储存稳定性可能受CNF表面性质及乳化条件的共同影响。在乳化条件方面,实验中采用固定的CNF浓度、油水比及乳化参数,比较了不同预处理方式的乳化效果,结果表明NTUS预处理表现更佳。但上述乳化工艺参数尚未进行系统优化,而CNF浓度[60]、油水比[61]及乳化强度[62]均会影响乳液结构和稳定状态。后续可通过优化乳液制备工艺并结合蛋白质、多糖等协同稳定策略,以提高乳液的长期储存稳定性。

4 结 论

本研究以豆渣不溶性膳食纤维(ISF)为原料,采用超声协同溶胀预处理结合TEMPO氧化及高压均质制备TCNF,并系统研究了不同预处理方式对纤维氧化行为、纳米化性能及应用特性的影响。结果表明,超声与溶胀预处理均能够提高TEMPO氧化效率,其中NaOH与硫脲结合超声处理作用最明显,制备的NTUS-TISF羧基质量摩尔浓度为(1.28±0.03)mmol/g,较H-TISF提高91.0%。同时,NTUS-TCNF等效粒径最小、ζ-电位绝对值较高(44.00 mV),表现出较佳储存稳定性及光学均一性。SEM、TEM及AFM分析表明,NTUS协同处理显著促进了纤维束剥离与纳米化,所得TCNF纤维直径主要分布于 2～8 nm,团聚现象明显降低。NTUS-TCNF持水能力和持油能力分别达到70.10、113.32 g·g-1,高于其他处理组。此外,NTUS-TCNF构建的Pickering乳液具有更小的液滴粒径、更高的ζ-电位绝对值以及相对优异的离心和储存稳定性,表现出良好的乳化性能。

超声结合NaOH与硫脲协同预处理,能够有效强化TEMPO氧化及TISF的后续纳米化过程,显著提高TCNF的分散稳定性、功能特性及乳化能力。本研究旨在为豆渣来源TCNF在食品乳液递送体系及功能化产品中的开发利用提供理论依据和技术参考。

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Preparation of Okara Cellulose Nanofibrils via TEMPO Oxidation Regulated by Ultrasound Assisted Swelling Pretreatment and Their Application in Pickering Emulsions

Zhang Beizhi1,2, Zhang Qing1,3, Chen Yu1, Zhao Dan1,3, Xie Fuzhi1,2, Chen Nannan1,4, Wang Fengzhong5, Fan Bei1, Zhang Liang1,2,*

(1.Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Agro-Products Quality and Safety in Harvest, Storage, Transportation, Management and Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China;2.National Center of Technology Innovation for Comprehensive Utilization of Saline-Alkali Land, Dongying 257000, China;3.College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;4.College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;5.Institute of Food and Nutrition Development, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China)

Abstract： Okara insoluble dietary fiber (ISF) was used as the raw material to prepare 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy (TEMPO) oxidized cellulose nanofibrils (TCNF) through ultrasound assisted swelling pretreatment combined with TEMPO-mediated oxidation and high-pressure homogenization. The effects of different pretreatment methods on the structure and properties of TCNF, as well as the stability of the resulting Pickering emulsions, were investigated. The results showed that both ultrasonic and swelling pretreatments enhanced the efficiency of TEMPO oxidation, among which the combination of NaOH/thiourea swelling and ultrasonic treatment exhibited the most pronounced synergistic effect. Under this treatment, the carboxyl content of TEMPO-oxidized ISF reached (1.28±0.03)mmol/g, which was 91.0% higher than that of the control group. Meanwhile, this treatment promoted fiber bundle disintegration, reduced the size of cellulose nanofibril aggregates, and improved the surface accessibility of cellulose, thereby facilitating carboxylation and increasing the absolute value of the ζ-potential of nanocellulose to 44.00 mV, resulting in relatively good storage stability and light transmittance. Microscopic observations revealed that the synergistic pretreatment led to a more uniform fibril dispersion with reduced aggregation, and the fibril diameters were mainly distributed in the range of 2-8 nm. Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction analyses indicated that neither the pretreatment nor the oxidation process altered the type Ⅰ cellulose crystalline structure. Thermogravimetric analysis showed that the combined NaOH/thiourea and ultrasonic pretreatment slightly reduced the thermal stability of TCNF. Compared with the other pretreatment groups, the TCNF obtained using NaOH/thiourea and ultrasonic pretreatment exhibited relatively high water-holding and oil-holding capacities, reaching 70.10 g·g-1 and 113.32 g·g-1, respectively. When the nanocellulose prepared by NaOH/thiourea treatment combined with ultrasonication was used to formulate Pickering emulsions, the emulsions exhibited a smaller droplet size (20.99 μm) than those in the other pretreatment groups, together with good centrifugal and storage stability. These results demonstrated that the synergistic effect of ultrasonic and swelling pretreatments effectively enhanced TEMPO oxidation and subsequent nanofibrillation, thereby improving the dispersion stability, functional properties, and emulsifying performance of TCNF. This study was expected to provide an experimental basis for the high-value utilization of okara-derived nanocellulose.

Keywords： okara; TEMPO oxidation; cellulose nanofibrils; ultrasound assisted swelling pretreatment; Pickering emulsion

doi：10.12301/spxb202600271

文章编号：2095-6002(2026)04-0051-19

引用格式：张贝智,张青,陈宇,等. 超声协同溶胀预处理调控TEMPO氧化制备豆渣纳米纤维素纤丝及其在Pickering乳液中的应用[J]. 食品科学技术学报,2026,44(4):51-69.

Zhang Beizhi, Zhang Qing, Chen Yu, et al. Preparation of okara cellulose nanofibrils via TEMPO oxidation regulated by ultrasound assisted swelling pretreatment and their application in pickering emulsions[J]. Journal of Food Science and Technology, 2026,44(4):51-69.

收稿日期： 2026-05-20

基金项目： 山东省重点研发计划项目(2023TZXD087-3);国家重点研发计划项目(2024YFD2100704);泰山学者工程资助项目;宁夏回族自治区重点研发计划项目(2024BEG01006)。

Foundation： Key Research and Development Program of Shandong (2023TZXD087-3); National Key Research and Development Program of China (2024YFD2100704); Supported by the Taishan Scholars Program; Key Research and Development Program of Ningxia Hui Autonomous Region (2024BEG01006).

第一作者： 张贝智,男,博士研究生,研究方向为纳米生物。

*通信作者： 张 亮,男,研究员,博士,主要从事靶向纳米载体构建方面的研究。E-mail: zhangliang02@caas.cn。

中图分类号： TS201.1

文献标志码： A

(责任编辑：叶红波)