表面活性剂助溶体系自组装制备微/纳米木质素及其紫外线防护应用

陈 凯 张蛟龙 齐云赓 李海明，*

（1.大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034；2.辽宁省生物质化学与材料重点实验室，辽宁大连，116034）

随着纳米材料科学的不断发展及纳米材料的广泛应用［1-2］，加之煤炭等化石能源匮乏的问题日益显现，使得开发可再生资源成为新的发展方向。基于此，研究者将目光投向了可再生、低成本、易取得的生物质材料［3］。作为自然界中大量存在的天然高分子、制浆造纸工业的主要副产物［4-5］——木质素，其因环境友好性和可生物降解性引起了研究者的关注［6-7］。

继纳米纤维素的研究取得阶段性成果［8-10］以来，纳米木质素的研究为木质素基高附加值产品的开发与应用开辟了一条新途径［11］。许多学者已对微/纳米木质素的制备和应用进行了一定的研究［12-14］。纳米木质素通常是采用物理或化学等手段，将聚集态的木质素经过纳米化处理而得到的粒径均匀和形状均一的纳米颗粒［15］；而微/纳米木质素则是进一步将粒径范围扩大到了微纳级（1 nm～1µm）。目前，根据反应类型，微/纳米木质素的制备大体可分为化学法和机械法。其中，化学法主要包括有机溶剂自组装法［16］、反溶剂法［17］、界面聚合/交联法［18］及沉降法等；机械法主要包括高剪切均质法［19］和超声波法等。微/纳米木质素主要应用于紫外线防护［20］、复合材料［21］、医药运输载体［22］等领域。

自组装法制备微/纳米木质素常采用四氢呋喃、丙酮等有机溶剂，易对环境及人体造成危害。作为常用的日用化工原料及食品添加剂，表面活性剂更加绿色环保且价格低廉；因此，以表面活性剂溶液为溶剂，代替溶解木质素常用的有毒有害溶剂，更符合“绿色化学”理念。本研究以碱木质素为原料，采用不同表面活性剂溶液作为溶剂促进碱木质素在水中的溶解，通过调节pH值与加入去离子水，诱导溶解后的碱木质素进行自组装反应，从而制备微/纳米木质素。

本研究对微/纳米木质素的最佳制备工艺条件进行了初步研究，并对产物进行了一系列表征分析；将制得的微/纳米木质素添加至市售面霜中，通过紫外-可见分光光度计测定其吸光度与透过率，从而确定了其紫外线防护能力及光稳定性。本研究旨在提高木质素的高值化利用率，实现废料低排放、产品多元化，增强制浆造纸产业竞争力，为林木资源深加工和生物质基纳米材料的开发与利用拓宽思路。

1 实验

1.1 原料

苯磺酸钠（下文以A表示），纯度97%，购自上海联硕生物科技有限公司；对甲苯磺酸钠（下文以B表示）、十二烷基硫酸钠（下文以C表示）、十二烷基苯磺酸钠（下文以D表示）、油酸钠（下文以E表示），分析纯，购自广东翁江化学试剂有限公司；碱木质素，生物试剂，购自卡迈舒（上海）生物科技有限公司；盐酸、氢氧化钠，分析纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；某市售面霜（下文为纯面霜），购自某化妆品公司；某市售防晒乳（下文为防晒霜），防晒系数30，购自浙江某化妆品有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 微/纳米木质素的制备

根据每种表面活性剂的物理性质，按照最高溶解度配置不同浓度的表面活性剂水溶液，量取100 mL，加入不同质量的碱木质素，水浴加热2 h，并通过磁力搅拌促进其溶解。以6000 r/min离心5 min后，除去未溶解的碱木质素。通过滴加稀释的盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值。随后加入去离子水至400 mL，将溶液中表面活性剂的浓度稀释4倍［23］。利用H1850台式高速离心机（湖南湘仪实验室仪器开发公司）、以10000 r/min离心5 min，除去上清液。将含有微/纳米木质素的沉淀物分散在100 mL去离子水中，再将其转移至透析袋（MWCO为1000 Da）中，进一步除去表面活性剂；随后冷冻干燥48 h，获得固体微/纳米木质素。

通过正交实验探讨微/纳米木质素的最佳制备工艺条件，具体见表1。正交实验采用L9（34）正交表，第4列为误差列R，实验结果见表2。

表1 微/纳米木质素的制备因素及水平Table 1 Factors and levels of preparation of micro/nano lignin

1.2.2 木质素防晒样品的制备

在室温条件下，将0.1 mg制得的微/纳米木质素加入至0.4 g纯面霜中，加入0.5 mL去离子水，通过搅拌使之均匀分散，制得木质素防晒样品。

1.3 表征

1.3.1 粒径与Zeta电位表征

将含有微/纳米木质素的水溶液过滤后，分别转移至测定粒径与测定Zeta电位的样品池中，使用ZEN3690纳米粒度和Zeta电位测定仪（马尔文仪器有限公司）进行平均粒径与Zeta电位的测定。

1.3.2 扫描电子显微镜（SEM）表征

将含有微/纳米木质素的水溶液过滤后，转移至干净平滑的玻璃载玻片表面，自然风干后，在15 kV加速电压下，通过JCM-6000 Plus扫描电子显微镜（日本电子株式会社）对微/纳米木质素进行形貌分析。

1.3.3 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征

将冷冻干燥后的微/纳米木质素样品、碱木质素原料分别与干燥后的溴化钾以1∶100（w/w）比例混合并充分研磨至粉末状，通过压片机压成薄片后，使用Frontier红外光谱仪（美国PerkinElmer公司）进行FT-IR分析。

1.3.4 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）表征

借鉴钱勇等［20，24］的方法，将由微/纳米木质素制备的木质素防晒样品、纯面霜和防晒霜分别通过玻璃棒转移至石英比色皿上，通过电子天平控制木质素防晒样品、纯面霜和防晒霜的转移量，并用玻璃棒将其均匀分布于石英比色皿表面，利用Cary 300紫外-可见分光光度计（安捷伦科技（中国）有限公司）对其进行表征。

紫外线透过率的测定：波长范围为UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm），用来评价各样品的紫外线防护能力。

紫外线吸光度的测定：将样品在PLS-SXE 300UV氙灯光源（北京泊菲莱科技有限公司）下辐射2 h；测定辐射前后样品的紫外线吸光度，从而确定样品的光稳定性。波长范围为UVB（290～320 nm）和UVA（320～400 nm）。

2 结果与讨论

2.1 粒径与Zeta电位分析

利用不同表面活性制备的微/纳米木质素的平均粒径（半径）与Zeta电位正交实验结果及分析如表2和表3所示。其中，A～E为不同表面活性剂。

由表2和表3可知，对于平均粒径，因素较好水平（按因素主次顺序列出）如下：A组为木质素添加量5 g/L、pH值=6、温度40℃，B组为温度40℃、木质素添加量1 g/L、pH值=9，C组为pH值=6、木质素添加量3 g/L、温度20℃，D组为木质素添加量1 g/L、温度40℃、pH值=9，E组为pH值=9、温度40℃、木质素添加量5 g/L。由方差分析可知，木质素添加量对D组平均粒径影响显著。

表2 微/纳米木质素的平均粒径及Zeta电位正交实验结果Table 2 Orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

Zeta电位是表征胶体分散体系稳定性的重要指标之一，Zeta电位绝对值越大，表明其稳定性越好，反之，体系则易于发生团聚。由表2及表3可知，对于Zeta电位，各组因素较好水平（按因素主次顺序列出）如下：A组为温度40℃、木质素添加量3 g/L、pH值=9，B组为温度40℃、木质素添加量5 g/L、pH值=9，C组为温度60℃、pH值=3、木质素添加量1 g/L，D组为温度60℃、pH值=6、木质素添加量5 g/L，E组为pH值=9、木质素添加量5 g/L、温度40℃。由方差分析可知，温度对A组、B组、C组和D组的Zeta电位影响显著，木质素添加量对B组的Zeta电位也有显著影响，pH值对B组、C组和E组的Zeta电位影响显著。A组测得的Zeta电位绝对值普遍较小，表明A组对应体系的稳定性不及其他组。C组和D组Zeta电位绝对值相对较大，体系稳定性较优。

值得注意的是，表面活性剂E在不同条件下制得的微/纳米木质素的平均粒径及Zeta电位差别非常大，而pH值是影响Zeta电位的主要因素。在调节pH值的过程中发现，随着pH值降低，各溶液由澄清透明逐渐变得浑浊，且黏度增大。改变pH值会引起表面活性剂E中反离子离子势的变化，从而改变其头基（亲水基）的带电性质，使表面活性剂E形成的胶束在球状与蠕虫状之间转变［25］。因此，有理由认为，胶束的形态变化是E组对应的微/纳米木质素平均粒径及Zeta电位差别较大的原因之一。此外，不同结构的胶束对木质素的作用方式或有差异，从而在一定程度上影响微/纳米木质素颗粒形态，进而影响其平均粒径和Zeta电位。

当考察指标不同时，即便是同样的因素水平也会导致不一样的优化结果。本研究中，以平均粒径为主要筛选条件、Zeta电位为辅助筛选条件，筛选出相对较好的实验样品如下：A组实验7、B组实验3、C组实验1、D组实验4和E组实验1分别制得的样品。这些样品的工艺参数及结果比较如图1所示。

图1 各组较佳样品的工艺参数及结果比较Fig.1 Comparison of process parameters and results of best samples in each group

由表2和图1可知，B组实验3制得的微/纳米木质素平均粒径最大，为167.8 nm。木质素添加量（5 g/L）高于其他组（1 g/L）可能是造成该条件下制备的微/纳米木质素平均粒径较大的原因之一。C组实验1制得的微/纳米木质素平均粒径最小，为94.7 nm。D组实验4与E组实验1制得的微/纳米木质素平均粒径相当，分别为110.8 nm和115.7 nm。但这两组实验制得的微/纳米木质素的Zeta电位低于其他组，分别为−42.2 mV和−71.8 mV。A组实验7制得的微/纳米木质素平均粒径与B组实验3的较接近，为160.1 nm，但其Zeta电位值最大，为−2.46 mV。相较于A组实验7和B组实验3制得的微/纳米木质素，其他3组实验样品的平均粒径更小，这可能与表面活性剂中疏水性烷基链的长度有关。烷基链越长，降低木质素与水之间界面张力的能力越强，对木质素的助溶作用越强，易于形成稳定的聚集体结构［26-27］，因此，颗粒粒径也越小。然而对于C组实验1和D组实验4来说，虽然表

面活性剂D降低界面张力的能力优于表面活性剂C，但其制得的样品的平均粒径却显示出相反的结果。这是因为，表面活性剂D中亲水基团的极性更大；因此，其与极性水分子的相互作用更强［28］，与木质素的相互作用随之减弱，致使形成的聚集体结构更为松散［29］，从而制得的木质素颗粒粒径更大。但这种作用相对较弱，因此，对于产品平均粒径的影响较小。

表3 微/纳米木质素的平均粒径及Zeta电位正交实验结果分析Table 3 Analysis of orthogonal experimental results of average particle size and Zeta potential of micro/nano lignin

2.2 SEM表征分析

对2.1节中筛选出的相对较好的微/纳米木质素样品进行SEM形貌分析，结果如图2所示。由图2可知，各样品均为形状相对规则的颗粒；其中，A组实验7制得的微/纳米木质素样品发生了较严重的团聚现象，而C组实验1和D组实验4制得的微/纳米木质素样品分散性良好，B组实验3和E组实验1制得的微/纳米木质素样品的分散性介于中间。

由2.1节中Zeta电位分析可知，采用表面活性剂A制备的微/纳米木质素的Zeta电位绝对值最小，说明相应的微/纳米木质素体系稳定性最差，这与SEM图的结果吻合。这可能是因为，表面活性剂A分子质量偏小且只有一个亲水基团和一个疏水基团，因此，形成的聚集体结构不稳定，极易从有序相的聚集体向无序相的自由表面活性剂离子转变［30］。而自由表面活性剂离子与木质素的结合方式以吸附作用为主［29］，对木质素的助溶效果差；因此，难以形成稳定的胶束结构对木质素的疏水基团实现有效包裹，是发生团聚的原因之一。表面活性剂B仅比表面活性剂A多一个疏水基团，其Zeta电位绝对值则明显提高，制得的微/纳米木质素稳定性改善明显。

2.3 FT-IR表征分析

对碱木质素原料、B组实验3和C组实验1制得的微/纳米木质素进行FT-IR分析，结果如图3所示。从图3可以看出，2种微/纳米木质素样品的FT-IR谱图与碱木质素原料的谱图一致；3425 cm−1处有明显的羟基特征吸收峰，2920 cm−1处存在甲基特征吸收峰，1600、1505、1425 cm−1处存在芳香环的特征吸收带，1120 cm−1处有明显的芳香核特征吸收峰。而3种样品吸收峰位置与强度略有差异，这可能与残留在木质素颗粒中的表面活性剂有关。

2.4 UV-Vis表征分析

样品的紫外线防护能力随其紫外线透过率的降低而增强［20，24］。从不同样品紫外线透过率（见图4）可以看出，添加了由B组实验3制得的微/纳米木质素（图4中B3，下同）的面霜紫外线透过率较纯面霜有明显下降，添加了C组实验1制得的微/纳米木质素（图4中C1，下同）的面霜紫外线透过率有大幅下降，其紫外线防护能力更强；这可能是因为C组实验1制得的微/纳米木质素的Zeta电位绝对值更大，颗粒更稳定，且粒径小，易于均匀分散在面霜中。此外，相同质量下，粒径更小的木质素往往具有更大的比表面积，利于酚羟基等对紫外线有良好吸收的官能团均匀分布于木质素表面，使其具有更强的紫外线防护能力［31］。虽然本研究制备的木质素防晒样品的紫外线防护能力不及市售防晒霜，但需要指出的是，研究中，添加至面霜中的微/纳米木质素含量是微量的（约0.01 wt%）。可以预期，适当提高面霜中微/纳米木质素的添加量，其紫外线防护能力将进一步得到提高［31］。

图2 不同样品的SEM图Fig.2 SEM images of different samples

图3 不同样品的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of different samples

图4 不同样品的UV-Vis谱图Fig.4 UV-Vis spectra of different samples

图5 不同样品的紫外线吸光度Fig.5 UV absorbance of different samples

紫外线辐射2 h后，样品的紫外线吸光度变化越小，说明其光稳定性越好。从不同样品紫外线吸光度（见图5）可以看出，添加B3、C1的面霜吸光度较纯面霜有明显提高，紫外线辐射2 h后，添加B3、C1的面霜吸光度下降至约0.25（与纯面霜吸光度接近）。造成光稳定性不理想的原因可能是，在长时间紫外线辐射下，微/纳米木质素中的酚羟基和芳香结构被破坏［32］，木质素分子结构中的不饱和双键（如羰基和乙烯基）与苯环形成的共轭体系减少，活性π电子随之减少，从而导致紫外线吸光度下降［33］。与之相比，市售防晒霜中的活性成分（甲氧基肉桂酸乙基己酯、4-甲基苄亚基樟脑和二氧化钛）使其具有更好的光稳定性。

然而，随着研究的不断深入，防晒产品的安全性再次引起了人们的关注。美国食品药品监督管理局于2019年发布了对防晒产品的新规定［34］。甲氧基肉桂酸乙基己酯和4-甲基苄亚基樟脑作为防晒活性成分的安全性仍无足够的数据支持，其通过渗透皮肤对人体造成的影响仍存在争议［35］。而二氧化钛虽被普遍认为安全有效，但纳米级的二氧化钛仍存在易团聚、难分散的缺点，影响防晒产品的涂抹均匀性和感官体验［20］，且由于其在阳光下具有光催化活性，产生的活性氧仍会对细胞造成一定损伤［36］。与此同时，许多研究［37-38］表明，微/纳米木质素中存在的酚羟基可有效清除自由基，而不会对眼睛和皮肤造成刺激。此外，微/纳米木质素作为伤口敷料的研究也获得了积极评价［39-40］。另有报道［38］指出，即便是工业木质素，经提纯后基本无细胞毒性，具有良好的生物相容性。这些研究基本消除了微/纳米木质素在防晒护肤、功能材料及生物医药领域使用的安全顾虑［41-42］，并有望通过部分替代传统防晒活性成分获得更优异的防晒效果和安全性［43-44］。

3 结论

本研究以碱木质素为原料、不同表面活性剂溶液为溶剂，利用自组装法制备微/纳米木质素，通过粒径和Zeta电位分析，探讨了以不同表面活性剂溶液制备微/纳米木质素的最佳工艺条件。通过调节pH值、温度、木质素添加量，成功制备了大小均匀、形态稳定的微/纳米木质素，主要结论如下。

3.1 在pH值为9、木质素添加量1 g/L、温度20℃条件下，利用十二烷基硫酸钠制备的微/纳米木质素平均粒径最小，为94.7 nm；在pH值为9、木质素添加量3 g/L、温度40℃条件下，利用油酸钠制备的微/纳米木质素Zeta电位绝对值最大，为109 mV。

3.2 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征结果显示，实验制备的微/纳米木质素的化学结构没有发生改变。紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）表征分析发现，添加微/纳米木质素的面霜紫外线透过率明显降低，吸光度显著提高，能够起到紫外线防护作用。但在紫外线辐射2 h后，微/纳米木质素几乎丧失了吸收紫外线的能力，仍需进一步研究以提高其光稳定性。