白果殼纖維素對(duì)不同種類多酚的吸附行為及其動(dòng)力學(xué)研究

多酚是在植物性食物中發(fā)現(xiàn)的具有潛在促進(jìn)健康作用的化合物，也是近年來興起的天然抗氧化劑之一。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，多酚在預(yù)防某些疾病(如心血管疾病、癌癥)和維持人類健康方面具有潛在益處，食用富含多酚的植物性食品與慢性病患病風(fēng)險(xiǎn)的降低之間可能存在關(guān)聯(lián)[1-2]。

已知天然多酚與各種大分子之間存在吸附行為[3]。一旦多酚接觸到植物的細(xì)胞壁類似物(如纖維素、纖維素/果膠)或植物細(xì)胞壁材料，二者之間的相互作用就會(huì)自發(fā)地、廣泛地發(fā)生[2]。一方面，多酚與植物細(xì)胞壁成分(尤其是膳食纖維)的結(jié)合可以顯著影響它從食物基質(zhì)中的釋放，使其更具生物活性，更容易被人體胃腸道吸收[4-6]；另一方面，某些多酚與不溶性纖維素的結(jié)合增加了纖維素的抗氧化活性，當(dāng)這種纖維素/酚復(fù)合顆粒作為水包油(oil/water, O/W)型Pickering乳液的穩(wěn)定劑時(shí)，能夠?qū)⒍喾渝^定在油水界面，進(jìn)而延緩乳液內(nèi)油脂的氧化，這對(duì)食品加工是有利的[7-11]?；谝陨系膬?yōu)勢(shì)，越來越多的人開始研究纖維素對(duì)多酚的吸附行為和復(fù)合顆粒對(duì)多酚的生物可及性、加工利用度的影響。PHAN等[2]報(bào)道，經(jīng)選擇的多酚對(duì)不同的纖維素基復(fù)合材料和蘋果細(xì)胞壁具有選擇性的結(jié)合現(xiàn)象。LI等[3]制備了茶多酚改性細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose, BC)納米纖維，并將它作為界面抗氧化劑和膠體表面活性劑穩(wěn)定Pickering乳液。結(jié)果表明，改性納米纖維在油水界面上具有良好的自由基清除活性。盡管酚類物質(zhì)與植物細(xì)胞壁材料、純纖維素和纖維素/果膠模型之間的相互作用已經(jīng)日漸清晰，但是對(duì)不同種類多酚與纖維素之間的結(jié)合行為和不同種類植物細(xì)胞壁中的纖維素與多酚的結(jié)合行為仍然知之甚少。

白果殼纖維素是一種還未被深入研究的多酚目標(biāo)結(jié)合物。酸水解和高壓均質(zhì)(high pressure homogenization, HPH)處理能改變其光學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，使之成為納米級(jí)纖維素顆粒[12]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)白果殼納米纖維素進(jìn)行孔性能表征，并選取5種常見的多酚，探究其對(duì)不同種類多酚的吸附行為，研究離子強(qiáng)度、pH、溫度3種環(huán)境因素對(duì)多酚吸附的影響，表征纖維素吸附多酚前后的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，考察纖維素/酚復(fù)合顆粒的自由基清除能力。研究結(jié)果可為進(jìn)一步探究其他植物細(xì)胞壁多糖和整個(gè)細(xì)胞壁系統(tǒng)對(duì)不同種類多酚的吸附行為及動(dòng)力學(xué)提供參考依據(jù)，同時(shí)為制備一種能夠在油水界面抑制油脂氧化的乳液穩(wěn)定劑提供可能。

1 材料與方法

1.1 材料

白果，去除果仁得到白果殼，江蘇泰州；氫氧化鈉、亞氯酸鈉、乙酸、硫酸，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；兒茶素、茶多酚、沒食子酸、阿魏酸和表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate，EGCG)，上海源葉生物科技有限公司。

1.2 白果殼納米纖維素的制備

按照NI等[12]的方法對(duì)白果殼進(jìn)行純化處理。將粉碎的白果殼和4%的NaOH溶液按照料液比1∶25(g∶mL)混合，在90 ℃水浴下加熱2 h，隨后過濾去除NaOH溶液，用去離子水洗滌。此過程重復(fù)2次，在50 ℃條件下熱風(fēng)干燥。隨后將干燥的纖維素按照料液比1∶25(g∶mL)與漂洗液(每100 mL漂洗液中含有1.5 g亞氯酸鈉，2.5 g NaOH和8 mL乙酸)混合，在80 ℃水浴下加熱2 h，過濾去除漂洗液。此過程重復(fù)2次，用去離子水反復(fù)清洗至纖維素懸浮液的pH至中性。

純化后的纖維素，采用62%的硫酸按照1∶15(g∶mL)料液比在45 ℃下水解30 min，水解結(jié)束后立即終止反應(yīng)，用去離子水進(jìn)行透析去除多余的無機(jī)鹽離子。透析結(jié)束后，采用高壓均質(zhì)(30 MPa，循環(huán)2次)制備得到納米纖維素顆粒。

1.3 白果殼納米纖維素對(duì)酚的吸附行為

1.3.1 酚在纖維素上的吸附動(dòng)力學(xué)研究

為了探究白果殼纖維素對(duì)不同酚的吸附情況，選擇兒茶素、茶多酚、沒食子酸、阿魏酸和EGCG作為研究對(duì)象。纖維素和酚的自發(fā)吸附實(shí)驗(yàn)參照LIU等[13]的方法做了一定的修改。稱取1.0 g纖維素粉末倒入250 mL錐形瓶中，隨后加入100 mL(200 mg/L) pH 7.0的酚溶液，將錐形瓶放入轉(zhuǎn)速150 r/min和溫度37 ℃的搖床中。在吸附時(shí)間分別為1、5、10、20、30、60、120、240、480、600、1 000、1 440 min時(shí)，用注射器吸取1 mL的上清液，用0.22 μm濾膜過濾，隨后測(cè)定濾液的吸光值。纖維素吸附酚的量用Qt(mg/g纖維素)表示，Qt計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：ρ0和ρt分別為水相中起始酚的質(zhì)量濃度和t時(shí)刻酚的質(zhì)量濃度，mg/L;V,溶液體積，L；m，纖維素的質(zhì)量，g。

此外，利用一級(jí)(公式2)和二級(jí)(公式3)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以評(píng)價(jià)纖維素對(duì)5種酚類物質(zhì)的吸附能力。采用Weber-Morris顆粒間擴(kuò)散模型(公式4)描述吸附過程：

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

(2)

t/Qt=1/k2(Qe)2+t/Qe

(3)

Qt=kit1/2+C

(4)

式中：Qt為不同時(shí)間t的吸附量；Qe為平衡吸附量；k1(1/min)，k2[g/(mg·min)]和ki[(min1/2·mg)/g]分別是準(zhǔn)一級(jí)，準(zhǔn)二級(jí)和Weber-Morris粒子間擴(kuò)散模型的速率常數(shù)。

1.3.2 環(huán)境對(duì)酚吸附的影響

(1)離子強(qiáng)度的影響。以兒茶素為研究對(duì)象，吸附實(shí)驗(yàn)按照1.3.1的方法，通過加入NaCl來調(diào)節(jié)酚溶液的離子強(qiáng)度，使得最終酚溶液的離子強(qiáng)度分別為0、50和100 mmol/L。

(2)pH的影響。以兒茶素為研究對(duì)象，吸附實(shí)驗(yàn)按照1.3.1的方法，用磷酸緩沖液將酚溶液的pH分別調(diào)節(jié)為2.0、5.0和7.0。

(3)溫度的影響。以兒茶素為研究對(duì)象，吸附實(shí)驗(yàn)按照1.3.1的方法，將搖床的溫度分別調(diào)節(jié)為4、25、37 ℃。

1.4 纖維素顆粒的孔性能表征

使用氮?dú)馕絻x(Autosorb-IQ，Quantachrome公司，美國)對(duì)纖維素樣品進(jìn)行孔性能表征。5 g樣品在60 ℃和10-3 mmHg下進(jìn)行脫氣直到平衡。在-196 ℃下進(jìn)行N2的吸附-脫附過程測(cè)試。比表面積根據(jù)Brunauer-Emmett-Teller(BET)分析方法計(jì)算。

1.5 纖維素吸附多酚前后的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)變化

使用X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)對(duì)樣品表面化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取純纖維素以及纖維素吸附兒茶素的樣品。測(cè)試條件為XPS(Thermo ESCALAB 250，美國)的X射線激發(fā)源為單色Al Ka(Hv=1 486.6 eV)，功率150 W，X射線束斑500 μm，能量分析器固定透過能為20 eV。

1.6 纖維素/酚復(fù)合顆粒的自由基清除力

配制0.1 mmol/L的DPPH乙醇溶液，取一定體積的樣品懸浮液(2 mg/mL)用DPPH乙醇溶液補(bǔ)足至4 mL，充分混合后，室溫避光反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后，在5 000×g離心2 min，測(cè)定上清液的吸光值，即為At。相同條件下，將去離子水代替樣品溶液作為對(duì)照，將無水乙醇代替DPPH乙醇溶液作為空白，在517 nm處的吸光值分別記為Ac和Ab。DPPH自由基清除率計(jì)算如公式(5)所示：

DPPH自由基清除率

(5)

將7 mmol/L ABTS溶液和2.5 mmol/L過硫酸鉀溶液按1∶1的體積比混合，在避光條件下靜置12 h，使用前用無水乙醇稀釋至溶液在734 nm波長(zhǎng)下的吸光度為(0.70±0.02)，即為ABTS工作液。取一定體積上述樣品懸浮液，用ABTS工作液補(bǔ)足到4 mL，搖勻后避光放置10 min，在波長(zhǎng)734 nm下測(cè)定樣品的吸光度，記為Ax管；在相同的條件下，用無水乙醇代替Ax管中ABTS工作液，記為Ax0管；用無水乙醇代替Ax管中的樣品溶液，記為A0管。ABTS陽離子自由基清除率計(jì)算如公式(6)所示：

ABTS陽離子自由基清除率

(6)

1.7 數(shù)據(jù)分析

各組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，采用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0軟件進(jìn)行作圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素對(duì)不同酚類的吸附

2.1.1 纖維素孔性能表征

通過氮?dú)馕摳椒ㄑ芯坷w維素的孔隙結(jié)構(gòu)特征。由圖1-a可知，纖維素的吸脫附曲線符合Ⅰ型吸附-脫附等溫線[14]。另外，隨著相對(duì)壓力的增加，吸附N2的量逐漸增加，并且脫附曲線展現(xiàn)出H4型滯后環(huán)，屬于狹縫孔，這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在微孔和中孔混合的吸附劑中[14-15]。由圖1-b可知，纖維素孔隙主要分布在1～30 nm，通過計(jì)算，樣品的比表面積為246.71 m2/g，孔體積為0.35 cm3/g。氮?dú)馕摳椒ǖ慕Y(jié)果說明了白果殼納米纖維素顆粒存在著良好的吸附行為。

a-吸脫附等溫線；b-孔徑分布
圖1 納米纖維素氮?dú)馕摳降葴鼐€和孔徑分布
Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherm of nano cellulose and pore size distribution

2.1.2 多酚的自發(fā)吸附

5種酚類物質(zhì)在白果殼纖維素上的吸附隨時(shí)間變化的情況如圖2所示。

a-不同種類多酚的吸附情況；b-一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；c-二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；d-Weber & Morris粒子內(nèi)擴(kuò)散圖
圖2 酚類物質(zhì)在白果殼纖維素上的吸附隨時(shí)間的變化
Fig.2 Absorption behavior of polyphenols on gingko husk cellulose during absorption

隨著時(shí)間的增加，5種酚類的吸附量都在短時(shí)間內(nèi)有不同程度的增加，最終的吸附量都穩(wěn)定在0.5 mg/g纖維素以上。這說明白果殼纖維素對(duì)5種酚類物質(zhì)均存在自發(fā)吸附行為。吸附理論顯示，如果天然化學(xué)成分在吸附劑上的吸附在幾分鐘至幾小時(shí)這樣相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，表明這一過程可能是通過分子間作用力發(fā)生的[13]。

表1總結(jié)了動(dòng)力學(xué)參數(shù)、相關(guān)系數(shù)和相對(duì)誤差。模型擬合結(jié)果表明，采用二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，5種多酚的實(shí)驗(yàn)吸附容量(Qe，exp)均更接近計(jì)算值(Qe，cal)。這表明白果殼納米纖維素對(duì)不同種類多酚的吸附機(jī)制可能類似，纖維素對(duì)目標(biāo)吸附物的選擇性較低[13]。這進(jìn)一步證明了物理吸附過程的存在。

表1 不同酚在纖維素上吸附的動(dòng)力學(xué)參數(shù)
Table 1 Kinetic parameters of adsorption of different polyphenols on cellulose

注：Qe,exp和Qe,cal分別為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算數(shù)據(jù)；相對(duì)誤差=100×(|Qe,exp-Qe,cal|)/Qe,exp

事實(shí)上，酚類物質(zhì)對(duì)纖維素的自動(dòng)吸附可能涉及到許多由氫鍵和疏水相互作用組合而成的低能非共價(jià)相互作用的建立[1]。PHAN等[1]發(fā)現(xiàn)，中性帶電荷的纖維素與帶負(fù)電荷的酚酸、帶正電荷的花青素和中性化合物(+/-)-兒茶素相互作用的速率和程度相當(dāng)。PADAYACHEE等[16]也發(fā)現(xiàn)，紫色胡蘿卜汁中帶正電的花青素或帶負(fù)電的酚酸與細(xì)菌纖維素類似物之間存在程度相似的相互作用。上述結(jié)果都可以佐證這一觀點(diǎn)。

2.1.3 多酚的吸附過程

從圖2-a可知，纖維素吸附的酚量均呈先增加后不變的趨勢(shì)。具體為：在實(shí)驗(yàn)開始后的25 min內(nèi)吸附速度較快，多酚吸附量快速增加；25 min后，纖維素對(duì)5種酚類的吸附明顯放緩，雖仍有波動(dòng)，但總體趨于平衡；1 000 min后，5種酚類的吸附量幾乎保持不變。Weber & Morris粒子內(nèi)擴(kuò)散模型已被用于完全定義吸附過程[13]。根據(jù)該模型，通過線性擬合將吸附過程分為2個(gè)部分，如圖2-d所示，在第一階段，纖維素對(duì)5種多酚的吸附量迅速上升；吸附由第一階段進(jìn)入第二階段的時(shí)間集中在12.25～25 min左右；進(jìn)入第二階段后，吸附速率明顯下降，擬合線斜率遠(yuǎn)小于第一階段。這說明纖維素對(duì)酚的吸附過程存在快速、慢速和平衡3個(gè)階段。酚類吸附速度的前后變化與吸附原理有關(guān)：在初始階段，纖維素表面有足夠多的酚類物質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，因此吸附速度快；隨后，由于吸附位點(diǎn)數(shù)的減少和酚類物質(zhì)濃度降低，速率減慢，接近平衡[13](圖3)。LIU等[13]在研究?jī)翰杷卦诶w維素表面的吸附現(xiàn)象時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的速度變化情況。

圖3 纖維素對(duì)多酚的吸附過程示意圖
Fig.3 Schematic diagram of the adsorption process of catechin onto cellulose

一般來說，分子從液相到固體吸附劑的吸附過程包括3個(gè)階段：膜擴(kuò)散、顆粒內(nèi)擴(kuò)散和平衡，而Weber & Morris粒子內(nèi)擴(kuò)散模型擬合線沒有通過原點(diǎn)。這說明在吸附過程中，顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是速率限制因素，由于纖維素晶體的非微孔結(jié)構(gòu)，吸附主要發(fā)生在表面[13]。

2.1.4 纖維素對(duì)多酚的吸附量

縱向比較圖2-a或圖2-d中纖維素對(duì)5種酚類物質(zhì)的吸附量，排序如下：兒茶素>茶多酚>EGCG>阿魏酸>沒食子酸。5種酚類物質(zhì)中，白果殼納米纖維素對(duì)兒茶素的吸附能力最佳，吸附量可達(dá)3.7 mg/g纖維素；對(duì)沒食子酸吸附能力最差，吸附量?jī)H有0.5 mg/g纖維素。圖2-b表征了不同種類多酚在吸附初期(0～30 min)的吸附速率。可以看出，在吸附初期，纖維素對(duì)茶多酚的吸附較快，而對(duì)兒茶素、沒食子酸的吸附則相對(duì)較慢。圖2-c表征了不同種類多酚在整個(gè)吸附過程(0～1 600 min)中的吸附速率，排序如下：兒茶素>茶多酚>EGCG>阿魏酸>沒食子酸。

以上現(xiàn)象說明，白果殼纖維素對(duì)不同種類酚類物質(zhì)的吸附量和吸附速度有所差異。這可能是由于5種酚類物質(zhì)間分子結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量存在差異。如果酚類物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中有較多的芳香環(huán)，則它相比于其他酚類更容易與纖維素結(jié)合。這是因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)中芳香基團(tuán)和羥基的數(shù)目，或酚類化合物的天然電荷是酚類與纖維素之間形成非共價(jià)鍵和疏水相互作用的重要因素[1]。

2.2 環(huán)境對(duì)纖維素吸附兒茶素的影響

酚類物質(zhì)與纖維素之間的自發(fā)相互作用主要受非共價(jià)相互作用的調(diào)控，包括氫鍵和疏水相互作用[17-19]，而這些非共價(jià)相互作用會(huì)受到體系pH、溫度和離子強(qiáng)度的影響[20]。因此，選取白果殼纖維素吸附量最大的兒茶素來探究離子強(qiáng)度、pH和溫度3種環(huán)境條件的改變對(duì)酚類物質(zhì)吸附量的影響。

2.2.1 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響

由圖4可知，當(dāng)離子強(qiáng)度為50和100 mmol/L時(shí)，纖維素對(duì)兒茶素的吸附量無顯著性差異，而0 mmol/L的離子強(qiáng)度會(huì)使兒茶素的吸附量顯著低于另外2組。這說明外加一定的離子有利于多酚的吸附，而外加離子強(qiáng)度的大小對(duì)多酚吸附無顯著影響。這可能是因?yàn)槔w維素聚合物的疏水區(qū)域與多酚分子結(jié)構(gòu)中的疏水基團(tuán)(如芳香環(huán))之間建立了疏水相互作用，它能夠隨著離子強(qiáng)度的增加而增加[17]，所以外加一定離子能夠增加多酚的吸附量。PHAN等[20]在研究相同區(qū)間離子強(qiáng)度對(duì)阿魏酸、兒茶素和花青素-3-葡萄糖苷(Cya-3-glc)在BC上吸附情況的影響時(shí)得到了與本次實(shí)驗(yàn)類似的結(jié)論。但是GAO等[21]發(fā)現(xiàn)，離子強(qiáng)度為0.05～0.5 mol/L時(shí)，燕麥β-葡聚糖對(duì)茶多酚的吸附量顯著減少，這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論不同，可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中添加的NaCl量過少，不足以對(duì)疏水相互作用產(chǎn)生影響[20]。

圖4 不同環(huán)境中纖維素對(duì)兒茶素的吸附情況
Fig.4 Adsorption of catechins by cellulose in different environments

2.2.2 pH對(duì)吸附的影響

由圖4可知，相比于其他2個(gè)環(huán)境因素，pH對(duì)兒茶素吸附量的影響最大。兒茶素的吸附量在pH從2.0上升到5.0時(shí)略有下降，但沒有顯著性差異；而當(dāng)pH從5.0上升到7.0時(shí)，兒茶素的吸附量顯著上升，并在pH 7時(shí)呈現(xiàn)最大吸附，說明纖維素在中性環(huán)境下可以吸附更多的兒茶素。這可能是兒茶素在較低的pH條件下電離不完全，靜電相互作用對(duì)兒茶素吸附的貢獻(xiàn)相對(duì)較??；而在較高pH時(shí)，兒茶素失去了質(zhì)子，有更多的負(fù)位，從而使裸露的氧原子有更多的孤對(duì)電子從而更容易與纖維素表面發(fā)生相互作用[13]。LIU等[13]提出的鍵能理論同樣能解釋這一現(xiàn)象：在pH較小時(shí)，范德華力和氫鍵對(duì)結(jié)合的貢獻(xiàn)大于靜電相互作用，而pH對(duì)纖維素表面電位變化和兒茶素電離作用的影響又只能決定靜電相互作用的大小，所以兒茶素的吸附受pH影響不大。靜電相互作用對(duì)單寧和植物細(xì)胞壁材料之間的結(jié)合沒有貢獻(xiàn)[17,22]。但是，和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是，PHAN等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未帶電荷的化合物(+/-)兒茶素，pH值對(duì)其被BC吸附?jīng)]有顯著影響。同樣的，BOURVELLEC等[23]報(bào)道，未帶電荷的原花青素與蘋果細(xì)胞壁形成復(fù)合物在pH為2.2～7.0內(nèi)不受影響。

2.2.3 溫度對(duì)吸附的影響

由圖4可知，相比于其他2個(gè)環(huán)境因素，溫度對(duì)兒茶素吸附量的影響最小。溫度的增加會(huì)使兒茶素的吸附量有極少量的增加，但是3個(gè)溫度梯度之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性。由此可以推測(cè)，實(shí)驗(yàn)中的溫度變化對(duì)纖維素和酚類的物理化學(xué)性質(zhì)影響不大。酚類在4～37 ℃內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)榉肿觾?nèi)能量增高而使氫鍵減弱，影響纖維素對(duì)其的吸附能力；其次，酚類在水中的溶解度也并不會(huì)在此溫度區(qū)間內(nèi)有較大的改變[20]?？梢灶A(yù)測(cè)，無論是在低溫、常溫，還是在高溫貯藏狀態(tài)下，酚類的吸附量始終維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。PHAN等[20]與本實(shí)驗(yàn)得到了相同的結(jié)論，但是LIU等[7]在用纖維素吸附兒茶素時(shí)，得到了吸附量隨溫度升高而降低的結(jié)論。

2.3 纖維素吸附酚類物質(zhì)前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化

選取纖維素和兒茶素樣品，利用XPS表征纖維素吸附兒茶素前后表面化學(xué)元素的變化。圖5和表2分別展示了樣品XPS掃描譜圖、C1s的分峰特征曲線以及O/C值和C1s峰面積。由于纖維素和兒茶素只含有C、H和O元素，H元素對(duì)X射線不敏感，XPS不能對(duì)H進(jìn)行表征，因此圖5-a和圖5-d中XPS圖譜中只有C和O兩種元素的特征峰。從表2可知，纖維素吸附兒茶素后，樣品的O/C值輕微降低，這是因?yàn)槔w維素吸附一定量的兒茶素(C15H14O6)后，C原子增加量相對(duì)于O原子更多。此外，植物纖維的C1s價(jià)態(tài)有4類，分別代表纖維表面不同的碳鏈連接方式[24]。其中，C1代表只和碳、氫連接的碳原子(—C—H，—C—C)，其能譜峰大約在285 eV，主要來源于纖維素表面的木質(zhì)素等；C2表示與1個(gè)非羰基類的氧原子連接的碳原子(—C—O)，能譜峰為286.5 eV，主要來源于纖維素和半纖維素的羥基；C3代表2個(gè)非羰基類的氧或1個(gè)羰基類氧原子連接的碳原子(O—C—O或CO)，能譜峰大約在288～288.5 eV，主要來源于木質(zhì)素中的酮基、醛基或纖維素分子的氧化產(chǎn)物；C4代表連有1個(gè)羰基類氧原子和1個(gè)非羰基類氧原子的碳原子(O—CO)，能譜峰為289～289.5 eV，主要是纖維素中的有機(jī)酸等[25]。從圖5-b，圖5-d和表2可知，樣品1和2之間的C1、C2和C3峰面積變化不大，盡管C4價(jià)態(tài)所占的比例最小，但是變化最為明顯。樣品2的C4從0.83%增加到1.44%，這個(gè)變化說明纖維素吸附了兒茶素后，C4價(jià)態(tài)的C原子增加，可能歸因于吸附在纖維素表面的兒茶素中存在羧基。這個(gè)結(jié)果與O/C值的變化一致，證實(shí)了纖維素吸附兒茶素后表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

a-纖維素樣品XPS圖譜；b-纖維素樣品C1s特征峰；c-纖維素吸附兒茶素后的樣品XPS圖譜； d-纖維素吸附兒茶素后的樣品C1s特征峰
圖5 纖維素吸附兒茶素前后的XPS圖譜和C1s特征峰
Fig.5 XPS spectra and C1s characteristic peaks of cellulose before and after catechin adsorption

表2 吸附兒茶素前后纖維素表面O/C值以及C1s峰面積
Table 2 The O/C ratio and C1s peak area of cellulose surface before and after catechin adsorption

注：樣品1，2分別為純纖維素以及纖維素吸附了兒茶素

2.4 纖維素/酚復(fù)合顆粒的抗氧化能力

以純白果殼納米纖維素為對(duì)照，用DPPH和ABTS兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)白果殼纖維素吸附兒茶素后形成的纖維素/酚復(fù)合顆粒的抗氧化能力。圖6表明，純纖維素顆粒的自由基清除能力約為0，即幾乎沒有抗氧化能力，纖維素/酚復(fù)合顆粒具有優(yōu)異的DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除活性，且清除能力隨著加入的懸浮液體積的增加而上升，兩者呈線性關(guān)系。當(dāng)纖維素/酚復(fù)合顆粒懸浮液加入至2 mL時(shí)，DPPH自由基清除能力可達(dá)82%，ABTS陽離子自由基清除能力略小于DPPH，為65%。由此說明，酚類物質(zhì)吸附到白果殼纖維素上后依然能發(fā)揮其天然抗氧化功能，大大增強(qiáng)復(fù)合顆粒的抗氧化能力，這為將復(fù)合顆粒作為乳液穩(wěn)定劑錨定在油水界面以防止乳液內(nèi)油脂氧化提供了可能。

圖6 吸附酚后的纖維素顆粒的自由基清除能力
Fig.6 Free radical scavenging ability of cellulose particles after adsorbing phenol

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)白果殼納米纖維素的孔性能以及兒茶素、茶多酚、沒食子酸、阿魏酸和EGCG在其上的吸附特性進(jìn)行了考察，探究了環(huán)境因素對(duì)多酚吸附量的影響和吸附前后纖維素表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，測(cè)定了纖維素/酚復(fù)合顆粒的抗氧化能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維素具有良好的吸附行為，對(duì)酚類物質(zhì)存在自發(fā)吸附過程，且吸附速率均呈先快后慢，最后達(dá)到平衡的特點(diǎn)。其中，纖維素對(duì)兒茶素吸附最多，為3.7 mg/g纖維素。中性pH和高離子強(qiáng)度有利于纖維素對(duì)酚的吸附，而溫度對(duì)吸附的影響不大。纖維素吸附多酚后，其表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。纖維素對(duì)酚的吸附使纖維素/酚復(fù)合顆粒的抗氧化能力隨含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)加入的懸浮液體積為2 mL時(shí)，其DPPH自由基清除能力可達(dá)82%。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了白果殼納米纖維素可以作為多酚吸附劑吸附多種酚類物質(zhì)，且形成的纖維素/酚納米顆粒能發(fā)揮良好的抗氧化活性。后續(xù)研究會(huì)嘗試?yán)迷摾w維素/酚復(fù)合顆粒穩(wěn)定Pickering乳液，使其在油水界面發(fā)揮一定的抗氧化作用，減緩乳液內(nèi)油脂的氧化，為開發(fā)具有良好界面抗氧化活性的Pickering乳液奠定基礎(chǔ)。