综述：农业和食品废弃物提取的纤维素纳米纤维稳定的皮克林乳液

这篇综述系统阐述了农业和食品废弃物（AFW）衍生的纤维素纳米纤维（CNFs）和纤维素纳米晶体（CNCs）作为皮克林乳液（PEs）稳定剂的研究进展，重点分析了其结构特性、乳化机制（如接触角θ和脱附能ΔGd）及在食品/化妆品领域的应用潜力，为废弃物高值化利用提供了绿色解决方案。

　　

引言

纤维素纳米纤维（CNF）作为植物细胞壁的主要成分，通过机械粉碎、TEMPO氧化等方法从木材中提取，具有高长径比和两亲性，能稳定油包水（o/w）型皮克林乳液（PEs）。近年来，农业和食品废弃物（AFW）因其快速再生性和丰富性成为CNF的新兴来源，其结构与木材CNF相似，但纤维素含量（10-60 wt%）和半纤维素组成差异显著，为废弃物升级回收提供了新思路。

农业和食品废弃物：纤维素纳米纤维的来源

AFW包括作物加工副产物如果皮、果壳等，其处理是全球性挑战（联合国SDG 12.3目标）。与木材相比，AFW生长周期短且产量大，例如芒果果壳纤维素含量达68%。尽管AFW中纤维素含量较低，但其微纤维晶体结构（纤维素I型）与木材一致，因此乳化性能相当。研究团队率先利用咖啡渣和啤酒花茎秆提取CNF，其中啤酒花茎秆衍生的TEMPO氧化CNF（TCNF）宽度仅1.7 nm，乳化效果优异。

纳米纤维素稳定的皮克林乳液机制

润湿性

PEs类型由颗粒的亲疏水平衡决定，接触角θ=90°时颗粒在油水界面吸附最强（Young方程）。CNF因亲水性（θ<90°）主要形成o/w乳液，其边缘疏水晶面（200）β/(220)α赋予两亲性。

CNF与CNC：长径比对稳定的影响

短棒状CNCs（长142-519 nm）通过侧向排列覆盖液滴表面（覆盖率84%），而高长径比CNF（长>1 μm）通过形成3D网络限制液滴运动（覆盖率44%）。理论计算表明，各向异性纳米纤维的脱附能ΔG_d高于球形颗粒，且长径比越高，锚定作用越强。

AFW衍生的CNF/CNC稳定皮克林乳液研究

研究趋势

2013年首次从芒果果壳提取CNF稳定大豆油PEs（液滴尺寸24 μm，稳定80天）。目前已有30种AFW被开发，包括：

• CNC来源：玉米芯（酸水解得率50%）、银杏种壳（结晶度72%）、柠檬籽（APS氧化改性）；
• CNF来源：香蕉皮（酶解后宽度3.5 nm）、海带（TEMPO氧化后结晶度67%）、啤酒花茎秆（TCNF乳化浓度0.5%）。

稳定性提升策略

• 表面改性：TEMPO氧化引入羧基（如啤酒花TCNF），使乳液静电斥力增强；甘蔗渣CNC经三甲基烷基链修饰后形成乳液凝胶；
• 复合使用：柠檬籽CNC与CNF协同作用，1% CNF使液滴分布更均匀；
• 木质素残留：菠萝皮木质素CNC（LCNC）提升热稳定性，玉米秸秆LCNF封装槲皮素后抗紫外线能力增强。

表征技术突破

• 磁共振成像（MRI）：100 μm分辨率追踪啤酒花TCNF乳液分层过程，T₁弛豫图谱显示絮凝动态；
• 脉冲梯度自旋回波核磁共振（PGSE NMR）：非稀释测定液滴尺寸分布，证实烷烃碳链长度与液滴半径呈指数关系；
• 分子动力学模拟：双C6烷基链修饰的TCNF与油分子结合能比羧基化CNF高3倍。

应用与挑战

功能性PEs已用于：

• 食品包装：酸枣仁CNC负载肉桂精油，抑制牛肉脂肪氧化；
• 营养递送：柚子皮CNF/CNC缓释番茄红素，生物利用度提高；
• 果蔬保鲜：大豆残渣CNF涂层延缓蓝莓腐败。

工业化仍面临三大挑战：AFW原料质量控制、专用生产线建设及毒理学评估（目前CNF/CNC毒性较低但缺乏FDA认证）。未来需建立标准化废弃物收集体系，并探索更多元的AFW来源（如藻类、菌丝体），以推动绿色乳化技术的实际应用。