中国农业大学食品科学与营养工程学院宋弋副教授等/不同表面基团的纤维素纳米晶体薄膜在不同磁场下的光学特性响应- 大数跨境

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中国农业大学食品科学与营养工程学院宋弋副教授等/不同表面基团的纤维素纳米晶体薄膜在不同磁场下的光学特性响应

食品工业科技编辑部

2024-05-23

导读：中国农业大学食品科学与营养工程学院宋弋副教授等探究了磁场对不同表面基团的纤维素纳米晶体薄膜光学特性的影响。

不同表面基团的纤维素纳米晶体薄膜

在不同磁场下的光学特性响应

中国农业大学食品科学与营养工程学院宋弋副教授等以硫酸化纤维素纳米晶体(S-CNC)为原料，通过2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基(TEMPO)氧化制备表面带有羧基的纳米纤维(T-CNC)，并采用傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和Zeta电位对其基本结构进行表征。并在无磁场、垂直磁场、倾斜磁场、水平磁场四种模式下观察磁场对不同表面电荷CNC薄膜的影响。

研究背景

图片来源于本文

纤维素纳米晶体<<<<

纤维素纳米晶体(Cellulose Nanocrystal，CNC)是具有纳米尺度的纤维素，目前常通过植物材料如秸秆、甘蔗渣、柠檬籽等原料生产。研究表明，CNC具有无毒无害、可降解性、良好的阻隔性、高结晶性的特点。可形成纳米组合物水凝胶，可以插入食品中或作为介质传递营养物质；同时其具有良好的亲水性与流变性，在水中形成稳定溶液，可作为增稠剂、稳定剂等食品添加剂使用。

薄膜/磁场<<<<

薄膜在干燥过程中由于液体表面张力不同产生马兰戈尼效应，使薄膜边缘颜色与中心颜色不一致的咖啡环现象，使得CNC薄膜颜色不均，限制了其发展与应用。

在磁场对CNC薄膜机械性能影响方面，相关研究表明CNC薄膜刚性较强，拉伸性能较弱，引入磁场会降低纤维素纳米晶体膜的杨氏模量及拉伸性能，降低其机械性能。所以目前常通过外加其它物质制备纤维素纳米晶体复合膜以增加其机械强度来解决。

目的意义<<<<

本研究通过对带有硫酸酯基的硫酸水解CNC(S-CNC)与带有羧酸基团的TEMPO氧化CNC(T-CNC)，观察其在无磁场、垂直磁场、水平磁场、倾斜磁场四种模式下干燥薄膜的差异，探讨磁场对不同表面基团CNC薄膜光学特性的影响，为CNC在食品绿色包装方面的应用提供实验依据。

研究内容

不同表面基团CNC的FTIR

S-CNC与T-CNC在1433cm⁻¹与1332cm⁻¹两处均出现吸收峰。不同的水解方式会导致CNC表面带有不同的基团，硫酸水解主要是与纤维素表面羟基发生酯化反应生成硫酸酯基团，在S-CNC中观察1260cm⁻¹处的明显的吸收峰

CNC形貌及稳定性的影响

T-CNC与S-CNC在水溶液中分散效果良好，均呈现针状，具有CNC的典型特征。通过ImageJ统计分析得到T-CNC的平均长度为86.5±28.5nm，平均直径为6.1±1.7nm；S-CNC的平均长度为103.1±29.6nm，平均直径为7.3±2.3nm。两种CNC在水中均有较好的分散性。相较于T-CNC，S-CNC在水溶液中的分散性更好。而T-CNC的电位绝对值较小则易使T-CNC发生聚集。

CNC薄膜颜色的影响

四种S-CNC薄膜为蓝色。与T-CNC形成彩色同心圆环对比，说明了表面基团对薄膜颜色的影响。四种T-CNC薄膜倾斜45°可出现彩色同心圆环，在磁场条件下，圆环排列更加紧密，颜色明显。其中垂直磁场作用下CNC薄膜颜色变化最为明显。四种薄膜的透光率存在差异，垂直磁场条件下薄膜的吸收光谱图出现了较大波动。

CNC薄膜的偏振光响应

图5-a显示偏振光下可以看到晶体颗粒。如图5-b所示，薄膜中心颜色为蓝色，随着磁场的加入S-CNC薄膜中心颜色出现蓝移，在垂直磁场下薄膜颜色蓝移更加明显，倾斜磁场与水平磁场相对于垂直磁场发生了部分红移。

CNC薄膜的结构影响

图6-a显示，T-CNC的薄膜截面并未观察到明显的层状结构。图6-b显示了S-CNC在不同磁场模式下S-CNC薄膜截面，S-CNC薄膜出现明显的层状结构。对比不同表面基团对CNC薄膜的影响，发现垂直磁场对T-CNC于S-CNC薄膜的影响最大，CNC排列在垂直磁场中最为紧密。

展望

由于表面电荷的差异，两种薄膜在干燥过程中自组装方式不同，T-CNC呈同心自组装，S-CNC呈手性向列自组装。二者自组装过程均受到磁场影响，随着磁场取向的不同，CNC排列所受的影响不同，其中垂直磁场对其影响最大，使CNC排列更加均匀紧密、形成的薄膜颜色均匀一致。CNC薄膜在外加磁场条件下表现出不同的颜色响应，T-CNC薄膜在磁场加入后圆环排列变得更加紧密并且颜色清晰，S-CNC薄膜呈现蓝色结构色，磁场加入后薄膜蓝移且更加均匀。

磁场可作为调节CNC薄膜颜色均匀性的方式，此种方法不受CNC自身基团的影响，研究结果可为CNC薄膜在食品包装等领域的应用提供基础。

作者简介

宋弋，中国农业大学食品科学与营养工程学院，副教授/博士，食品营养与安全系主任。主持国家重点研发计划项目/课题2项，主持国家自然基金面上、青年项目3项。在 Crit.Rev.FoodSci.Nutr.、Carbohydr.Polym.、Food Hydrocolloids、Food Chem.等期刊发表学术论文30余篇，ESI高被引论文1篇，担任Crit. Rev.Food Sci. Nutr.、 Carbohydr. Polym.、Food Chem.等期刊审稿人;获软件著作权6项，授权专利9项，转化4项，累计金额240万元;参与制定行业、团体及企业标准5部，全国高校“黄大年式教学团队”成员，曾获中国轻工业联合会科技一等奖。