《食品工业科技》客座主编专栏：吉林农业大学张艳荣教授|改性玉米秸秆纤维素的制备及其对Pickering乳液稳定性的影响- 大数跨境

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《食品工业科技》客座主编专栏：吉林农业大学张艳荣教授|改性玉米秸秆纤维素的制备及其对Pickering乳液稳定性的影响

食品工业科技编辑部

2024-09-12

导读：以玉米秸秆为原料，通过亚氯酸钠-醋酸-氢氧化钠法提取纤维素（CS），分别用硫酸水解和硫酸水解-高压均质联用的方法对CS进行改性，并以百里香精油作为油相制备Pickering乳液

导读

玉米秸秆作为农业生产过程中的副产品，其年产量达2.2 亿吨，多被用作畜牧饲料。随着粮食增产，秸秆过剩问题凸显，造成违规焚烧秸秆等现象。玉米秸秆纤维素含量约40%，因此是良好的纤维素来源。玉米秸秆纤维素存在亲水性高和尺度较大的缺点，难以满足其作为固体乳化剂的要求，需要进一步改性，但其改性方法多为单一的改性方法。并且，目前玉米秸秆纤维素在Pickering乳液的应用研究还很少。由此可见，以硫酸水解-高压均质法改性玉米秸秆纤维素并使用其制备Pickering乳液，既能为玉米秸秆纤维素的改性提供新方法还可以为其拓展应用途径。

吉林农业大学食品科学与工程学院的邵添，樊红秀，刘炳莉，滕旭，刘婷婷，张艳荣^* 以玉米秸秆为原料，通过亚氯酸钠-醋酸-氢氧化钠法提取纤维素（CS），分别用硫酸水解和硫酸水解-高压均质联用的方法对CS进行改性，并以百里香精油作为油相制备Pickering乳液，研究改性前后纤维素作为乳化剂对Pickering乳液稳定性的影响。分别对改性前后纤维素的结构与性质进行表征，对所得乳液微观结构、粒径、电位、稳定性和流变特性进行测定。

实验方法

文章亮点

纤维素结构与性质的结果分析

图1 不同纤维素的粒径分布图

结果表明，与CS和硫酸水解改性的纤维素（CP）相比，硫酸水解-高压均质联用改性的纤维素（HPC）的粒径显著减小（P<0.05），为28.61μm。

图2 不同纤维素的扫描电子显微镜图（5 k×）

由图2的扫描电镜结果可以清晰地观察到CS表面粗糙，呈现为较大的无规则片状颗粒，结构完整，但颗粒大小不均匀；而通过硫酸水解除去了结构中的无定形部分后，CP的表面较为平整光滑，结构更为紧凑，呈现出短棒状形态；HPC的表面与CS和CP的差别很大，部分结构被破坏，多处呈卷翘形，表面粗糙，疏松多孔的结构可能会暴露出更多活性基团。

图3 不同纤维素的傅里叶红外图谱

结果表明，CS经过硫酸水解和高压均质处理后，其主要成分和结构未发生明显变化，聚合度减小，极性增强，更有利于纤维素在乳液液滴表面的吸附。

表1 改性前、后纤维素的接触角比较

注：表中同一列中不同字母表示差异显著（P<0.05）。

图4 不同纤维素的静水接触角

结果如表1 、图4所示，与CS相比，CP和HPC的静水接触角均显著性增大（P<0.05），且HPC达到了76.1°，约为CS的2.4倍。

图5 不同纤维素乳液的CLSM图

如图5所示，乳液的油滴被激发为红色荧光，纤维素被激发为蓝色荧光。研究表明，固体颗粒不可逆地吸附在油水界面上，会在油滴周围形成一层屏障，防止油滴的聚结。在图5的所有图像中，观察到不规则的蓝色荧光分布在红色液滴的周围，证明该乳液是典型的O/W型乳液。

图6 不同纤维素乳液的黏度（a）、储能模量 G′和损耗模量G″（b）

如图6（a）所示，所有乳液均随着剪切速率的增大，表观黏度值减小。在相同剪切速率条件下，随着纤维素颗粒粒径的减小，乳液表观黏度逐渐增加。如图6（b）所示，在整个频率范围内所有样品的储能模量（G'）始终高于损耗模量（G''），G′及G″都随频率增加而增加，表现出频率依赖性，这种结构有利于提高乳液的稳定性。

不同纤维素乳液贮藏稳定性的结果分析

图7 不同纤维素乳液在第1d和贮藏21d后Zeta电位变化

注：图中不同字母表示差异显著（P<0.05）。

表2 不同纤维素乳液在第1d和贮藏21d后平均粒径变化

注：表中不同字母表示差异显著（P<0.05）。

如图7所示，三种乳液中HPC乳液的Zeta电位绝对值最大。由表2可知，在贮藏21d后，CS乳液的平均粒径显著增大（P<0.05），达到11.43μm。CP乳液的粒径变化和液滴聚集现象有所减弱。HPC乳液贮藏21d后平均粒径变化较小，粒径分布仅出现轻微移动并十分稳定。

图8 不同纤维素乳液在第1d和贮藏21d后微观结构观察图像

如图8所示，CS乳液液滴粒径分布不均匀且液滴絮凝状明显；CP乳液液滴粘连现象减弱，但依旧出现了部分絮凝；新鲜制备的HPC乳液液滴边缘清晰，结构完整，大小均一，没有出现液滴塌陷和液滴聚集现象，呈现均匀致密的球形分布，分散性最好。CS乳液在贮藏21d后粒径增大，液滴粘连现象加剧；CP乳液液滴之间表现出相对抗聚集的能力，絮凝现象逐渐减弱。对于HPC乳液来说，在贮藏21d后没有明显的液滴粘连现象发生，乳液的分散性最好。

图9 不同纤维素乳液在第1d和贮藏21d后TSI变化（a）和外观形貌图像（b）

如图9（a）所示，新鲜制备的乳液均具有较低的TSI值，CS、CP和HPC乳液分别为0.408、0.317、0.199。贮藏21d后的TSI分别为0.936、0.496、0.359，CS乳液在900s时TSI曲线还处于上升阶段，CP乳液和HPC乳液在900s后，TSI值升高的趋势平稳，乳液体系逐渐稳定。贮藏前后CS乳液的TSI值显著增大，而HPC乳液在静置21d内TSI值波动最小。如图9（b）所示，图中新鲜乳液均具有较高的稳定性，其质地均一细腻，未发生油水分离现象。静置21d后，CS乳液出现了油水分离现象；CP乳液发生了轻微的乳析现象；HPC乳液外观未发生分层现象。

总结展望

本研究以玉米秸秆为原料，采用亚氯酸钠-醋酸-氢氧化钠法提取纤维素，并通过硫酸水解和硫酸水解-高压均质联用改性方法制备了三种不同的纤维素颗粒，与CS、CP相比，HPC的粒径更小。扫描电镜结果和傅里叶红外光谱结果表明三种纤维素颗粒微观形态差异较大，HPC的尺度更小，表面疏松多孔，暴露了更多活性基团，从而提升了其乳化性。此外，HPC的静水接触角达到了76.1°，大大改善了CS亲水性，这为提高Pickering乳液的稳定性提供了结构基础。对不同乳液的乳化特性及稳定性进行分析发现，与CS相比，CP、HPC均能有效提高Pickering乳液稳定性，其中HPC乳液粒径最小、分布均一、储能模量最高且乳液在21d的贮藏中TSI值变化最小，具有更高的抗聚结能力，且随着贮藏时间的延长乳液体系未发生明显变化。因此，硫酸水解-高压均质法可以提高玉米秸秆纤维素的乳化性，为其在Pickering乳液体系中的应用提供一定的理论基础，拓宽了玉米秸秆高值化利用的应用范围。

引文

本文《改性玉米秸秆纤维素的制备及其对Pickering乳液稳定性的影响》收录于《食品工业科技》2023年44卷15期25-33页。doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023020144. 作者：邵添, 樊红秀, 刘炳莉, 滕旭, 刘婷婷, 张艳荣。点击“阅读全文”获取本文更多信息。

通讯作者简介

图片来源于吉林农业大学官网

张艳荣，女，博士，吉林农业大学教授，博士生导师，吉林省养生保健协会常务理事，国际药膳食疗保健学会常务理事，《乳业科学与技术》期刊编委。

主要研究方向：食药用菌精深加工及其主食化研究、功能性食品开发、粮油及其副产物高值化综合利用。

主要科研项目：主持完成了《高浓度玉米淀粉生物酶法液化、糖化工艺技术路线研究》《食药用菌高值化综合利用技术集成及产业化》《稻谷高值化利用关键技术研究与示范》《玉米高F值低聚肽产业化生产技术开发》等国家 “863”、国家重大科技支撑、吉林省重大科技攻关、长春市重大科技攻关及与企业横向合作科研项目16项。现主持《民族特色米类食品工业化关键技术与装备开发》《玉米食用菌及植物性胶囊生产关键技术研究与开发》等国家重点研发计划、吉林省科技攻关、长春市重大科技成果转化及与企业横向合作项目5项。