不同结构纳米纤维素稳定Pickering乳液的作用机制与应用研究

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Pickering乳液是由一种或多种胶体颗粒代替传统表面活性剂作为稳定剂制备的乳液。与传统表面活性剂作为稳定剂的乳化工艺相比,该乳化工艺具有稳定剂用量少,环境污染小,乳液稳定性好等优势。由于纤维素具有来源广泛、无毒、可持续性和生物相容性等优点,利用纤维素材料制备的纳米纤维素用于稳定Pickering乳液成为一个备受关注的研究方向。纳米纤维素的乳化性能主要受其自身特性的影响。因此,本文分别探讨了纳米纤维素晶型、长径比对其作为Pickering乳液稳定剂的影响。在此理论基础之上,研究了其在食品乳液和造纸施胶剂方面的应用。该工作可以促进纳米纤维素稳定Pickering乳液的机理研究,同时为实际应用提供理论指导,拓宽了其稳定的乳液在各行业中的潜在应用。本论文的主要工作如下:(1)研究了纳米纤维素的晶型对乳化性能和乳液性能的影响。制备了具有不同晶型的CNCs-I和CNCs-II,用于稳定O/W型的Pickering乳液。结果表明:CNCs-I比CNCs-II具有较优的乳化性能。相同用量下,CNCs-I稳定的乳液比CNCs-II稳定的乳液具有较大的乳液相体积分数,较小的乳液粒径(约二分之一)和较强的离心稳定性。而导致这种差异的主要原因可能是CNCs-I与CNCs-II的晶型不同,晶型不同会具有不同的晶面和晶面间距,最终导致了颗粒的亲疏水性能的不同。CNCs作为亲水性材料,CNCs-I比CNCs-II疏水性较强,这有利于作为O/W型Pickering乳液的颗粒稳定剂。(2)研究了纳米纤维素的长径比对乳化性能和乳液性能的影响。制备具有不同长径比的CNCs和CNFs,用于稳定O/W型的Pickering乳液。结果表明:在相同用量下CNCs稳定的乳液粒径小于由CNFs稳定的乳液粒径;但是,CNCs稳定的乳液放置稳定性较差,随放置时间延长,乳液粒径增大;同时,相同用量下,两者稳定乳液的乳液相体积分数几乎相同。但是,在高盐浓度条件下,CNFs比CNCs具有较优的乳化能,CNFs稳定的乳液具有较小的粒径,较大的乳液相体积分数,这主要归因于CNFs悬浮液在添加盐后容易凝胶化,从而形成稳定的乳液。这些性能的差异主要是由于CNCs与CNFs在乳液体系中的分布状态不相同引起的。CNFs不仅分布在O/W界面上,同时也分布在乳液液滴之间,形成空间网状结构。而CNCs只分布在O/W界面上,乳液液滴之间并不存在由CNCs形成的空间网状结构。(3)研究了三种纳米纤维素稳定的食品玉米油Pickering乳液的体外消化特性。制备了三种纳米纤维素,CNCs-I,CNCs-II和CNFs。其长径比依次为18、4和90(或者更大,此值为长度按照1um计算的结果)。研究了由其稳定的玉米油Pickering乳液经过体外模拟口腔、肠、胃后乳液的粒径、形貌、Zeta电位和FFA的释放。结果表明:口腔消化阶段后,乳液粒径没有显著增加,经过胃阶段消化后,乳液粒径显著增加,但样品间不具有显著差异。但经过小肠阶段消化后所有乳液粒径显著增加,样品间也不具有显著性差异。三种乳液Zeta电位的变化趋势是类似的。经过口腔消化后,Zeta电位的大小变大,但经过胃相消化后,Zeta电位值大小达到最低,并且三个样品间不具有显著性差异(p>0.05)。经过小肠中消化后,乳液出现大的聚集体。经过小肠段消化后,FFA的释放量为CNCs-I>CNCs-II>CNFs,样品间D[4,3]的值和Zeta电位均不具有显著性差异(p>0.05)。因此,这些均不是影响消化速率和程度的主要因素,纳米纤维素在界面的分布情况可能是决定油脂水解的重要因素。(4)研究了纳米纤维素单独作为造纸施胶剂ASA的颗粒稳定剂制备ASA乳液的性能。制备了两种纳米纤维素CNCs和CNFs。随纳米纤维素用量的增加,乳液的Zeta电位增加,粒径减小,乳液相体积分数增大。同时,相同用量下,CNFs稳定的乳液与CNCs稳定的乳液相比具有较高的Zeta电位,较小的粒径、较优的乳液稳定性。乳液的流变测试表明,CNFs稳定的乳液具有较高的黏度,同时,当用量为2%时,乳液表现出明显的凝胶化。有利于形成稳定的ASA乳液。
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