《International Journal of Food Properties》：Fabrication of cellulose nanofibers from Rosa roxburghii pomace via ultrasonic-assisted extraction
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为促进刺梨果渣（RRP）这一典型木质纤维素农业废弃物的高值化利用，研究人员通过一种环保的超声辅助低共熔溶剂（DES）策略制备了含木质素纤维素纳米纤维（LCNFs）。氯化胆碱-甲酸（ChCl-FA）被筛选为最优DES，并通过单因素实验和Box–Behnken响应
为促进刺梨果渣（RRP）这一典型木质纤维素农业废弃物的高值化利用，研究人员通过一种环保的超声辅助低共熔溶剂（DES）策略制备了含木质素纤维素纳米纤维（LCNFs）。氯化胆碱-甲酸（ChCl-FA）被筛选为最优DES，并通过单因素实验和Box–Behnken响应面法对提取参数进行了优化。在最优条件下（液固比9 mL/g、温度42°C、DES含水量35%），纤维素保留率达到91.87 ± 0.14%，并实现了半纤维素的高效去除。对比分析证实，超声辅助ChCl-FA处理改善了纤维素富集固体的微观结构，所制得的LCNFs具有最小粒径（150.47 ± 2.68 nm）、最高绝对Zeta电位（?25.13 ± 0.60 mV）以及优异的乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）。表征结果显示，所得LCNFs具有三维多孔网络结构、适中的结晶度、增强的疏水性以及典型的剪切变稀行为。稳定性测试表明，LCNFs稳定的乳液在pH 4–9范围内、高达90°C的热处理、NaCl浓度≤50 mM以及4°C条件下储存16 d均表现出良好的稳定性。此外，LCNFs展现出显著的浓度依赖性抗氧化能力以及对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的良好抗菌效果。该研究实现了RRP的高效回收利用。具有优异乳化、抗氧化、抗菌及稳定性能的多功能LCNFs是有前景的绿色可生物降解添加剂，为木质纤维素废弃物的高值化利用和功能性食品开发提供了可持续途径。
论文解读文章
一、研究背景与意义
随着环境问题的日益突出和化石资源的日益枯竭，木质纤维素生物质因其可再生性、成本效益和可持续性而受到广泛关注。刺梨（Rosa roxburghii）主要分布于中国西南地区，富含维生素C、多酚和黄酮类生物活性化合物。2022年，48家大型加工企业加工了16万吨鲜果，加工过程产生了8.8万吨刺梨果渣（RRP）。传统上，这一副产物被丢弃或用作低价值动物饲料，不仅浪费了丰富的纤维资源，还造成了严重的环境污染。目前关于RRP木质纤维素高值化利用的研究十分有限。木质纤维素生物质固有的结构顽抗性是高效分离和各组分高值化利用的主要障碍。现有的木质纤维素分馏方法主要分为物理预处理、有机溶剂法和水热技术三类，但这些方法往往需要高能量输入、高生产成本或存在环境危害，且部分传统技术分馏效率低，可能导致半纤维素或木质素的过度降解。此外，当前关于含木质素纤维素纳米纤维（LCNFs）的研究主要集中在木材、秸秆和叶片生物质上，而关于刺梨果渣来源LCNFs的制备、结构特征及多功能应用的系统研究仍显不足。果渣中独特的木质素结构和天然生物活性残留物可能赋予LCNFs独特的功能特性，这一课题在现有文献中尚未得到充分探讨。因此，开展利用绿色低共熔溶剂（DES）从刺梨果渣中高效提取并制备多功能LCNFs的研究，对于实现农业废弃物资源化利用和功能性食品开发具有重要意义。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员开展了一项系统研究，旨在通过超声辅助DES策略从刺梨果渣中制备含木质素纤维素纳米纤维（LCNFs），并对其理化性质、乳化性能、抗氧化活性、抗菌活性及稳定性进行综合评价。研究首先筛选了六种不同的DES体系，确定氯化胆碱-甲酸（ChCl-FA）为最优溶剂；随后通过单因素实验和Box–Behnken响应面法（RSM）优化了提取参数；最后对最优条件下制备的LCNFs进行了系统的表征和功能评价。
研究采用的主要关键技术方法包括：低共熔溶剂制备与筛选、超声辅助提取、响应面法优化、激光粒度分析仪测定粒径和Zeta电位、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）形貌表征、接触角测量、流变学测量、乳化性能评价（EAI和ESI）、DPPH和ABTS自由基清除实验、以及平板计数法和微量肉汤稀释法评价抗菌活性。样本来源为贵州省黔南州龙里县采集的刺梨果实。
三、研究结果
DES筛选结果：六种DES均为均一透明液体。原始RRP含有26.30 ± 0.98%纤维素、20.16 ± 0.35%半纤维素和14.80 ± 0.91%木质素。酸性DES对半纤维素和木质素的去除效率高于中性或弱碱性DES，因为酸性环境促进木质素-碳水化合物复合物的断裂以及酯键和醚键的断裂。其中，ChCl-FA DES使纤维素含量提高至36.46 ± 0.64%，且对纤维素降解可忽略不计，适合制备高木质素含量的LCNFs。
单因素实验结果：DES含水量从20%增加至40%时纤维素保留率显著上升，但进一步增加至40–50%时纤维素保留率明显下降。提取温度约40°C时为最优。液固比为12 mL/g时纤维素得率最高，进一步增加则降低提取效率。
响应面优化结果：通过Box–Behnken设计建立的二次多项式模型具有极高的显著性（p < .001），R2 = 0.9829，调整R2 = 0.9609，失拟项不显著。最优工艺参数为：液固比9 mL/g、温度41.89°C、含水量36.32%，预测纤维素保留率92.23%。实际修正条件（液固比9 mL/g、温度42°C、含水量35%）下实测纤维素保留率为91.87 ± 0.14%，与预测值高度一致。
不同提取方法对比结果：通过SEM观察发现，水提取的纤维素形成致密不规则聚集体，乙醇提取呈现局部表面皱缩，ChCl-FA处理使致密团块开始解离为分散的絮状和片状碎片，而超声辅助ChCl-FA（US-ChCl-FA）处理产生最广泛的微结构解离，聚集体完全碎裂为絮状和微小颗粒，形成松散网状分布。US-ChCl-FA制备的LCNFs具有最小水合粒径（150.47 ± 2.68 nm）和最高绝对Zeta电位（?25.13 ± 0.60 mV），表明其分散稳定性最佳。在乳化性能方面，EAI和ESI从Water到US-ChCl-FA处理依次递增，US-ChCl-FA产生最大效果。LCNFs的接触角为60.95 ± 2.56°，处于O/W Pickering乳液稳定剂的适宜范围（15–90°）。
LCNFs表征结果：SEM和TEM分析显示LCNFs形成清晰的三维网络聚集体形态，纤维束相互交织形成连续絮状层状结构，平均纤维直径为17.53 ± 2.45 nm。FTIR光谱显示3413.6 cm?1处的宽吸收带归因于纳米纤维素的纳米尺寸效应以及木质素与纤维素之间的氢键相互作用。XRD图谱显示纤维素I型典型衍射峰，结晶度指数（CrI）为60%，属于中等结晶度。流变学测量表明LCNFs乳液呈现典型剪切变稀行为。
稳定性测试结果：pH稳定性测试表明，LCNFs在pH 4–9范围内粒径、PDI和Zeta电位变化较小，但在pH 3时Zeta电位急剧下降至?15.56 mV，出现明显聚集和沉降。热稳定性测试表明，随着温度升高粒径增大，但在90°C范围内仍保持稳定。离子强度测试表明，在0–25 mM NaCl浓度下LCNFs表现出良好的分散稳定性，但超过50 mM时出现明显聚集。储存稳定性测试表明，4°C储存16 d期间粒径和PDI仅轻微增加，无明显沉降或相分离。
抗菌活性结果：LCNFs的抗菌活性随浓度增加而增强。在1 wt%浓度下，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑制率分别达到85.48%和62.29%。最低抑菌浓度（MIC）对E. coli为2 mg/mL，对S. aureus为1.4 mg/mL；最低杀菌浓度（MBC）分别为7.5 mg/mL和5 mg/mL。LCNFs对S. aureus的抗菌效果优于E. coli，这可能与革兰氏阴性菌外层脂多糖膜阻碍纳米纤维渗透有关。
四、讨论与结论
讨论总结：LCNFs优异的乳化性能归因于其纳米级尺寸、高长径比、适中的表面润湿性和三维网络结构。木质素引入的芳香基和烷基使纤维素表面从亲水性向中等疏水性转变，赋予两亲性从而有利于油水界面吸附。木质素通过氢键、疏水相互作用和π-π堆叠与纤维素纤丝结合，促进形成致密且机械强度高的界面膜。LCNFs的抗氧化活性源于残留木质素表面的酚羟基有效清除自由基，同时纳米纤维网络形成物理屏障限制氧扩散并螯合金属离子。抗菌活性可能源于木质素中酚羟基破坏细菌细胞膜、抑制关键酶活性以及共轭结构增强自由基和活性氧（ROS）的产生。LCNFs在强酸（pH 3）和高盐（>50 mM NaCl）条件下的稳定性限制需要在实际应用中加以考虑。
研究结论翻译：本研究报道了利用绿色超声辅助DES从刺梨果渣中制备含木质素纤维素纳米纤维作为天然乳化剂。在温和条件下，纤维素保留率达到91.87 ± 0.14%，并实现了半纤维素的高效去除。所得LCNFs形成三维网状多孔结构，具有中等结晶度和增强的疏水性，表现出小粒径、高绝对Zeta电位和典型的剪切变稀流变特性。LCNFs展现出强大的乳化能力，所制备的乳液在pH 4–9、高达90°C温度、NaCl浓度≤50 mM以及4°C冷藏16 d条件下均保持稳定。此外，LCNFs在体外实验条件下表现出浓度依赖性的抗氧化和抗菌特性。然而，在实际应用前仍需在复杂食品基质中进行进一步验证。所开发的LCNFs有望作为多功能环保型天然Pickering乳化剂应用于功能性食品、饮料和活性食品的包装领域。该研究存在一定局限性：LCNFs的明显亲水性限制了其在高脂食品体系中的性能，且需要改进DES的回收和再利用以降低生产成本。将木质纤维素LCNFs纳入生物技术领域可拓宽其应用范围。同时，通过生命周期评估优化DES回收过程，以实现经济高效且环境友好的生产。总体而言，该工作推进了生物质来源食品科学与技术发展，并为其他木质纤维素农业废弃物的高值化利用提供了技术参考。
