基于天然低共熔溶剂与超高压均质联用技术增强微晶纤维素功能特性的研究

本研究针对传统纳米纤维素制备过程中化学试剂苛刻、能耗高的问题，创新性地结合天然低共熔溶剂（NADES）预处理与超高压均质（UHPH）技术，成功将微晶纤维素（MCC）转化为纳米纤丝纤维素（CNF）。结果表明，胆碱氯化物-甘油/尿素体系可显著提升纤维溶胀性，而酸类NADES则促进酸水解生成类纳米晶纤维素（CNC）。该绿色工艺显著改善了CNF的流变增稠性能，为食品、医药等领域提供了可持续的纳米纤维素制备方案。

　　

纤维素作为自然界最丰富的生物聚合物，其纳米化产物（如CNF和CNC）因优异的力学性能、生物相容性及可降解性，在食品包装、药物递送等领域潜力巨大。然而，传统制备方法依赖强酸/碱处理，存在环境污染、能耗高、产物分散性差等瓶颈。如何通过绿色工艺实现纤维素高效纳米化，同时调控其功能特性，成为当前研究的核心挑战。

卢森堡国家研究基金支持的研究团队在《Food Hydrocolloids》发表论文，提出了一种创新解决方案：利用天然低共熔溶剂（NADES）预处理结合超高压均质（UHPH）技术，实现微晶纤维素（MCC）向纳米纤丝纤维素（CNF）的高效转化。研究通过动态光散射（DLS）、原子力显微镜（AFM）等技术系统评估了五种胆碱氯化物（ChCl）基NADES（分别与甘油、尿素、苹果酸、草酸和甲酸配伍）的预处理效果，并采用2500 bar超高压均质20次循环完成纳米化。

材料与方法
研究选用棉短绒衍生的微晶纤维素（Avicel? PH-101），通过90°C加热1小时进行NADES预处理，随后进行UHPH处理。采用DLS、光学显微镜监测粒径变化，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析化学结构与结晶度，流变仪评估悬浮液黏弹性。

研究结果

Size reduction
光学显微镜与DLS数据显示，草酸和苹果酸基NADES预处理后纤维素粒径（D₅₀
）降至22.8-23.6 μm，显著小于原始MCC（p < 0.05）。UHPH处理后，ChCl-甘油/尿素体系产生更细纤维，而酸类NADES则生成类CNC结构，表明酸水解主导了形态演变。

化学结构与结晶度
XRD分析显示NADES预处理后纤维素结晶度提升，但UHPH处理破坏了晶体区域，导致结晶度下降。FTIR证实NADES未引入新化学键，仅通过氢键作用溶胀纤维素网络。

流变行为
ChCl-甘油/尿素/甲酸处理的CNF悬浮液呈现更高黏度，归因于表面电荷降低和纤维缠结增强。相比之下，酸处理样品黏度较低但仍优于纯CNC，表明NADES类型可定向调控流变性能。

Conclusion
该研究证实NADES-UHPH联用是一种高效、绿色的纳米纤维素制备策略。ChCl-甘油/尿素体系通过增强纤维溶胀促进纳米纤丝化，而酸类NADES则通过水解作用生成短棒状CNC。结晶度变化与流变行为的相关性为功能化CNF的设计提供了理论依据。

重要意义
该工作不仅避免了传统方法的强化学试剂使用，还通过NADES的氢键调控能力实现了纤维素纳米化的精准控制。所得CNF兼具优异增稠性能与分散稳定性，在食品乳化剂、医药缓释载体等领域具有广阔应用前景。研究为生物质资源的高值化利用提供了新范式，推动了绿色制造技术的发展。