研究介电屏障放电（DBD）冷等离子体技术对羧甲基纤维素（CMC）物理化学性质和功能特性的影响

《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》：Demonstrating the effect of Dielectric Barrier Discharge (DBD) cold plasma technology on physicochemical and functional properties of Carboxymethyl Cellulose (CMC)

羧甲基纤维素经DBD冷等离子体处理后，结晶度降低6-13%，持水能力提升至4.997 g/g，持油能力达1.997 g/g，同时粘度显著下降（峰值降低65%），还原糖含量增加。该绿色技术为食品包装、制药等应用提供新途径。

　　本研究探讨了利用低温等离子体（Cold Plasma, CP）技术对羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）进行改性的效果。通过调整不同的处理参数，如电压（170–230 V）和时间（5–15 min），研究人员对CMC的物理化学特性、功能性质以及结构变化进行了系统分析。这项研究的目的是评估CP技术在食品、制药和包装等领域的应用潜力，并通过科学手段揭示其对CMC性能的提升机制。

CMC作为一种天然的高分子材料，因其环境友好性、可再生性和可生物降解性，在多个行业中展现出广阔的应用前景。然而，其在实际应用中存在一些限制，例如高结晶度和低溶解性，这些特性可能会影响其在不同溶剂中的应用效果。因此，寻找一种能够有效改善CMC性能的改性技术成为当前研究的重要方向。低温等离子体技术作为一种非热处理方法，能够在不显著改变材料温度的前提下，通过引入高能活性物种（如自由基、离子、光子等）对材料表面进行改性，从而改变其物理化学性质。

在实验过程中，研究人员采用了针对板的低温等离子体装置，并在特定的频率和占空比条件下进行处理。通过对不同处理条件下的CMC样品进行分析，发现其物理化学性质发生了显著变化。例如，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，经过CP处理后，CMC的羟基带强度有所增加，表明其分子结构发生了一定程度的降解。同时，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，CMC表面出现了裂纹，这可能与其结构的变化有关。此外，表面粗糙度也增加了25–30%，进一步支持了结构变化的假设。

从功能性质来看，处理后的CMC表现出更好的吸水性和持油性。具体而言，水吸收能力（Water Absorption Capacity, WAC）从2.34 g/g提升至4.997 g/g，而油持留能力（Oil Holding Capacity, OHC）从1.5 g/g增加到1.997 g/g。这些变化可能与CMC的结晶度下降有关，因为处理过程中出现了6–13%的结晶度损失。较低的结晶度意味着材料的分子排列更加松散，从而增加了其与水和油的相互作用能力。这种性质的改善对于食品工业中的应用尤为重要，因为更高的吸水性和持油性可以增强CMC在食品加工中的性能，如作为增稠剂或稳定剂。

此外，处理后的CMC在流变学性质上也发生了变化。通过分析其流动特性，发现Hausner指数从1.11增加到1.65，Carr指数从0.21提升至0.42，这表明其流动性能有所下降。这种变化可能与CMC表面的物理结构改变有关，例如表面裂纹的形成和粗糙度的增加，这些都会影响颗粒之间的相互作用，从而改变其流动行为。然而，这种变化是否对实际应用产生负面影响，还需要进一步的实验和分析。

在糖类物质方面，处理后的CMC显示出更高的还原糖含量。还原糖的增加可能与CMC分子链中糖苷键的断裂有关，因为这些断裂会释放出新的还原性末端，从而提高其还原糖的含量。研究发现，当处理电压为170 V且处理时间为5 min时，还原糖含量从0.07 g葡萄糖/g CMC增加至0.11 g/g；而在处理电压为170 V且处理时间为15 min时，还原糖含量进一步增加。这种变化不仅有助于理解CP对CMC结构的破坏机制，也为后续研究提供了新的思路。

值得注意的是，尽管CP处理显著改善了CMC的某些性能，但其对pH值和水分活度的影响并不明显。pH值在6.65–7.11之间波动，水分活度则保持在0.497–0.552的范围内。这表明，CP处理主要影响的是CMC的结构和表面性质，而对其化学稳定性影响较小。这一发现对于需要在特定pH和水分条件下使用的CMC应用具有重要意义，因为这意味着CP处理可以在不破坏其化学稳定性的前提下，有效提升其物理和功能特性。

在实际应用中，CP处理后的CMC表现出更高的亲水性和与其它材料的相容性。这些性质的改善可能使其在生物材料、食品包装和生物复合材料等领域具有更广泛的应用前景。例如，在食品包装中，亲水性较强的CMC可以更好地与食品接触，从而提高其作为包装材料的性能。此外，CMC的结构变化也可能影响其与其他材料的结合能力，使其在复合材料中的应用更加高效。

尽管CP技术在CMC改性方面展现出良好的前景，但目前的研究仍存在一些挑战。例如，如何在大规模生产中保持处理的一致性和可控性，是实现该技术工业化应用的关键问题。此外，不同处理条件对CMC性能的影响机制尚需进一步探讨，以确定最佳的处理参数。因此，未来的研究需要关注这些方面，以推动CP技术在CMC改性中的实际应用。

综上所述，本研究通过系统分析CP处理对CMC物理化学和功能性质的影响，为CMC的改性提供了新的思路和技术手段。结果表明，CP处理能够有效改善CMC的吸水性、持油性以及结构特性，同时保持其化学稳定性。这些变化可能对CMC在食品、制药和包装等领域的应用产生积极影响。然而，要实现该技术的广泛应用，还需要解决一些技术难题，如处理条件的优化和大规模生产的可行性。因此，未来的研究应进一步探索CP技术在CMC改性中的应用潜力，并结合实际需求，开发更高效的处理方法。