靜電紡絲技術包埋抗菌物質研究進展

于 棟,王 浩,馮旸旸,徐敬欣,孔保華,劉 騫

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

近年來,天然抗菌物質的開發和在食品工業中的利用已經成為研究的熱點問題。天然抗菌物質在自然界中分布較廣,其按來源分可以分為動物提取物、植物提取物、微生物及其代謝產物三大類[1]。動物來源的抗菌物質主要有溶菌酶、抗菌肽、殼聚糖、魚精蛋白、蜂膠[2];植物來源的抗菌物質主要有植物精油、中草藥提取物、果膠提取物[1];微生物來源的抗菌物質主要有乳酸鏈球菌素、曲酸、細菌素[3]。雖然天然抗菌劑具有綠色、高效、安全、無毒等優點[4],但是由于食品常規加工條件(加熱、鹽離子、酸性或堿性等)及外部環境(光照、金屬離子等)的影響,會導致天然抗菌劑表現出使用壽命短、殺菌率較低、以及不能廣譜長效使用等弊端。因此,為了保持天然抗菌劑的長效性能,對其進行包埋處理是一種切實可行的解決方案。

包埋技術經常用于天然抗菌劑的包埋處理,以提高其在食品加工環境下的長效抗菌性能。在包埋過程中,壁材的選擇非常重要,食品加工常用的包埋壁材主要有多糖、蛋白質、表面活性劑和脂質等等。另外,最常見的包埋技術主要包括乳化均質法、噴霧干燥法、脂質體包埋法和凝聚法等[5]。乳液均質法是利用外部機械破壞力,如剪切力、沖擊力和壓縮力等將大分子物質分解成更小的顆粒,從而形成均一的混合體系。但是,這種方法不適用于包埋敏感的天然抗菌劑,主要是包埋過程中的壓力和機械力會導致這些活性物質的降解[6]。噴霧干燥法與乳化均質法相比具有簡單快速、成本低的優點,但是噴霧干燥過程中可能會導致一些熱敏性天然抗菌劑發生降解或者失活[7]。脂質體包埋法是由表面活性劑和卵磷脂等形成液膜從而包埋活性物質的方法,此法的最大特征是活性物質的膜透過性不依賴于膜孔徑的大小,而與活性物質在膜組分中的溶解度有關。此方法包埋的生物活性化合物釋放速度快、包埋率低、儲存穩定性差等缺點限制了其在食品工業中的應用[8]。凝聚法是利用生物大分子的自組裝特性來包埋活性物質的方法,雖然凝聚法能實現較高的包封效率,但是通過凝聚法形成的顆粒不完全是球形,易于聚團,在水溶液中不穩定。與此同時,凝聚過程中整體環境的pH和離子強度的改變也會影響天然抗菌劑的活性[9]。基于以上分析,目前常用的包埋方法仍存在許多不足之處,亟待開發出一種合適的、高效的天然抗菌劑包埋技術。

近年來,隨著納米技術的快速興起,靜電紡絲技術由于其操作方式簡單易行、條件溫和等優點已經成為一種有效的直接連續制備納米纖維的方法[10]。通過靜電紡絲技術制備的納米纖維具有高孔隙率、高比表面積、高氣體滲透性以及纖維孔徑小等諸多優點。在靜電紡絲過程中,無需高溫或者加壓處理,十分適合用于包埋對環境敏感的天然抗菌劑。因此,本文主要介紹了靜電紡絲技術的原理以及紡絲參數對靜電紡絲納米纖維的影響,同時對以多糖和蛋白質為基質利用靜電紡絲技術包埋抗菌物質及其應用的研究進展進行了系統綜述。

1 靜電紡絲技術的工作原理以及紡絲條件對納米纖維的影響

1.1 靜電紡絲技術工作原理

靜電紡絲法是利用聚合物溶液制備納米纖維的一種簡單、廣泛、有前景的方法,此方法制備的納米纖維膜具有較高的比表面積和孔隙率[11-12]。靜電紡絲設備由高壓裝置、噴射裝置、接收裝置三部分構成,如圖1所示[13]。在電紡過程中,聚合物溶液或熔融聚合物被注射泵擠出使其在針尖處形成液滴。液滴在內部靜電排斥力和外部庫侖力的作用下逐漸由半球形表面變為錐形。電場強度越大,液滴受到的拉伸力越大,當電場強度達到靜電斥力可以抵消聚合物液滴表面張力的臨界值時,聚合物溶液從泰勒錐尖端噴出。此時過量的電荷使得射流拉伸并且發生旋轉,射流在飛行過程中溶劑迅速揮發。射流最終固化在接收裝置表面形成一層納米纖維膜[14]。

圖1 靜電紡絲裝置圖Fig.1 Schematic illustration of the basic setup for electrospinning

1.2 紡絲參數對靜電紡絲納米纖維的影響

1.2.1 電壓 電壓是影響靜電紡絲的關鍵環節,電壓的變化控制噴絲頭和收集裝置之間的電場強度,同時也控制對射流拉伸力的強度[15]。射流噴射是一個自加速過程,一旦在噴絲頭尖端的液滴上施加電場,液體的表面就會因離子在液體中的運動而帶電。當電場對射流的拉伸力增加到大于液滴表面張力的臨界值時,射流開始噴射。液滴表面張力和靜電力之間的平衡對于聚合物溶液在針尖處形成的泰勒錐形態至關重要,如果施加的電壓過高,射流噴射速度大大加快,從針尖抽出溶液的體積就會隨之增大,導致形成不穩定的泰勒錐體,這不利于電紡過程的順利進行[16]。通常,超過6 kV的正高壓或負高壓都能使聚合物液滴變形為泰勒錐形,但實際電紡中電壓的設置取決于溶液的進料速率和濃度。另外電場強度還能影響纖維上的珠節形態,如Lee等[17]進行電壓實驗時發現，在0～15 kV電壓范圍內,施加的電壓越大,纖維上的珠節直徑越小。

1.2.2 進樣速率 聚合物從注射器中流出的流速是一個重要的工藝參數,因為它會影響噴射速度和物料轉移速率。較低的進料速度更加可取,這是因為溶劑在低速條件下可以獲得足夠的蒸發時間[18]。許多研究證實了這一觀點,例如Wannatong等[19]研究電紡聚苯乙烯時發現,將進樣速率從286 mL/min提高至1392 mL/min時,纖維中珠節的數量以及每平方微米聚苯乙烯纖維上珠節的面積百分比均急劇增加。這可能是因為進料速率過快使射流中包含的溶劑增多不能充分揮發,導致纖維中珠節數目增加。所以在電紡過程中需要降低流速,為溶劑蒸發提供時間,以此來制備形態均一的納米纖維[20]。另外流量與供給電壓的立方成比例,對于給定的電壓需要根據聚合物溶液的性質設置相應的進樣速率以形成穩定的泰勒錐[15]。

1.2.3 針頭直徑 金屬針頭和吸管孔的內徑會對電紡過程產生影響。針頭直徑會直接影響納米纖維的直徑,Zhao等[21]分別選用直徑0.7、0.9、1.0 mm的針頭進行電紡,結果顯示直徑為0.7 mm的針頭制備出的纖維平均直徑最小。這可能是液滴的表面張力效應所導致,液滴直徑越小表面張力越大,當靜電場強度恒定時,聚合物表面張力增大會導致射流的初始加速度減小,從而使射流平均速度減小,這為射流中溶劑蒸發和射流分裂提供了更加充裕的時間,所以最終制備的納米纖維直徑小。另外,Mo等[22]研究發現隨著針頭直徑的增加,納米纖維中的結節數量會有所增加。綜上所述,在電紡過程中需要根據聚合物溶液的性質來選擇合適的針頭直徑以保證電紡過程順利進行。

1.2.4 接收距離 在靜電紡絲過程中,接收距離對膜的多孔性和纖維直徑有直接影響。這是因為如果接收距離過小,射流中溶劑揮發不徹底會使纖維濕度過大,從而導致納米纖維膜孔隙變小甚至消失[23]。另外,Lin等[24]研究了接收距離對聚醚砜納米纖維形態的影響,接收距離在10～20 cm范圍內,納米纖維的平均直徑隨接收距離的增大而減小,這可能是溶劑揮發時間和射流分裂時間增加所導致。但是當接收距離大于20 cm后,納米纖維的直徑會逐漸增加,這是因為接收距離過大會降低針頭與接收裝置之間的電場強度,影響射流分裂。

2 以多糖為基質利用靜電紡絲技術包埋抗菌活性物質及其應用

天然多糖和改性多糖具有良好的生物相容性和生物可降解性。與脂類或蛋白質類包埋基質相比,多糖修飾可以通過多糖官能團與抗菌物質相互作用來達到所需的性質,并且它們的纖維結構在高溫下具有更好的穩定性,可以提高天然抗菌物質的穩定性和利用率。多糖的另一個重要優勢是可以掩蓋不良氣味以增加產品的可接受性,多糖的這些性質在研發新型功能食品以及制備新型包裝材料方面具有廣泛的應用前景[25]。但是有些多糖在配制電紡液時對多糖濃度和溶劑組成有嚴格的要求,比如殼聚糖的多陽離子特性會導致溶液的表面張力極度增加,另外殼聚糖還具有剛性D-氨基葡萄糖重復單元、結晶度高、氫鍵能力強、在普通有機溶劑中溶解性差等特點,這使得殼聚糖紡絲溶液不能以水作為溶劑。電紡殼聚糖時通常選擇三氟乙酸、二氯甲烷等有機溶劑作為電紡液溶劑來制備殼聚糖納米纖維膜[25-26]。用于靜電紡絲常用的多糖基包埋材料主要有殼聚糖、纖維素、普魯蘭多糖、葡聚糖、淀粉、海藻酸鹽和果膠等,以下主要闡述以殼聚糖、纖維素、普魯蘭、海藻酸、環糊精為基質包埋抗菌物質的應用。

2.1 殼聚糖

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素,由幾丁質經過脫乙酰得到,是一種安全無毒、可生物降解、具有抗菌性的多糖,被認為是生產功能性納米纖維非常有前景的聚合物[26]。但是殼聚糖的高粘度限制了其可紡性,Homayoni等[27]優化了電紡殼聚糖納米纖維的工藝,采用堿處理來水解殼聚糖解決其高粘度的問題,發現經堿處理后的殼聚糖溶解在70%～90%的醋酸水溶液中可以生產出質量優異,具有顯著抗菌性的納米纖維,其納米纖維的平均直徑隨乙酸濃度的降低而增加,殼聚糖水解48 h得到的納米纖維質量最佳,并且堿處理和靜電紡絲過程都不會改變聚合物的化學性質。

除了電紡純殼聚糖外,在溶液中添加其他抗菌物質可以起到協同抗菌的作用,如單寧酸等,目前在這方面已經有了一些研究。Zhan等[28]采用靜電紡絲技術將單寧酸/殼聚糖/三聚磷酸鹽納米粒子包埋在聚乙烯醇/聚丙烯酸靜電紡絲薄膜中,為了優化制備條件,利用動態光散射和透射電鏡對納米顆粒的性質和形貌進行了表征,發現單寧、殼聚糖和三聚磷酸鹽溶液的最佳初始濃度分別為1、1、0.5 mg/mL,添加比例為5∶5∶1,此時制備的單寧酸/殼聚糖/三聚磷酸鈉納米纖維的平均直徑為80 nm,由于單寧酸具有抗氧化性和抗菌性,這使得靜電紡絲膜具有這些性質的同時還具有優異的耐水性。Wang等[29]為了提高靜電紡絲的抗菌活性，以聚乙烯醇和殼聚糖為載體與納米氧化鋅復合,得到了復合納米纖維。在本次試驗中大腸桿菌和白色念珠菌被用來測試新合成殼聚糖纖維的抗菌效果,結果顯示其抑菌效果明顯增強,并且得出殼聚糖/納米氧化鋅對白色念珠菌的最低抑菌濃度為160 μg/mL。

雖然殼聚糖及其復合納米纖維的抑菌效果顯著,但殼聚糖納米纖維膜的機械強度較低,這限制了殼聚糖納米纖維膜在食品包裝上的應用。近年來,Liu等[30]通過將聚乳酸(polylactic acid,PLA)、殼聚糖(chitosan,CS)以及多壁碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)相結合來獲得高性能可降解的復合材料,從而改善了纖維在性能上的不足,考察了不同CS濃度對復合纖維性能的影響,發現隨著CS含量的增加,力學性能、水溶性和溶脹率均呈現出先增大后減小的趨勢;當CS含量為7 wt%時,復合纖維對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、灰霉菌和根霉菌的抗菌活性最強;此時,PLA/CNT/CS復合纖維包裝的草莓最長保鮮8 d。這表明,PLA/CNTs/CS復合纖維在果蔬保鮮中具有重要的作用。

2.2 纖維素及其衍生物

纖維素是地球上最豐富的可再生資源,由于其良好的耐化學性、熱穩定性和生物降解能力使其被廣泛應用于制備纖維、薄膜、復合材料和紡織品等許多重要領域[31-32]。纖維素及纖維素衍生物制備的纖維具有成本低、重量輕、易于加工、良好的機械性能和阻隔性能以及可循環利用等優點,這使得纖維素及其衍生物在制備食品抗菌膜方面發揮了很大的作用。Tsekova等[33]分別利用單軸靜電紡絲和同軸靜電紡絲技術電紡含有姜黃素的醋酸纖維素及聚乙烯混合溶液,得到了兩種納米纖維膜。結果顯示這兩種纖維薄膜對金黃色葡萄球菌均有明顯的抑制作用。Huang等[34]利用疊層自組裝技術將帶正電荷的溶菌酶-殼聚糖-有機累托石復合材料與帶負電荷的海藻酸鈉相結合,然后對帶負電荷的醋酸纖維素進行靜電紡絲,進而研究所得纖維膜的形貌和抗菌活性,結果表明溶菌酶和有機累托石可以很好地沉積在醋酸纖維素紡絲上,添加有機累托石的纖維膜可增強對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制程度,延長豬肉保質期約3 d。

2.3 普魯蘭

普魯蘭是出芽短梗霉在淀粉和糖培養基中產生的一種食品級水溶性微生物多糖,其主要由麥芽三糖單元組成,它們通過α-(1,6)糖苷鍵相互連接[35]。普魯蘭是一種可食用的多糖,具有優異的成膜性能,其膜對油和氧具有很高的阻隔性[36]。在靜電紡絲研究中,普魯蘭多糖通常與另外一種蛋白質或者多糖復合在一起作為包埋生物活性化合物的基質,以達到增強生物活性物質的穩定性以及提高其活性的作用。例如,為了提高Nisin抗菌活性,將其包埋在莧菜紅分離蛋白/普魯蘭納米纖維中。實驗觀察到納米纖維的平均直徑隨Nisin含量的增加而減小,當莧菜紅分離蛋白/普魯蘭納米纖維中含有20 mg/mL Nisin時,包埋效率最高可以達到95%,此時對腸道細菌具有良好的抗菌活性[37]。Shao等[38]制備了以普魯蘭/羧甲基纖維素為壁材包埋茶多酚的納米級抗菌膜,通過紅外光譜分析和DSC(Differential Scanning Calorimeter)分析表明,茶多酚可以穩定地與普魯蘭/羧甲基纖維素納米纖維結合,在后續的草莓品質評價實驗中得到包埋茶多酚的普魯蘭/羧甲基纖維素納米纖維膜可以有效的延長草莓貯藏期,這表明普魯蘭多糖在食品包裝中具有潛在的應用前景。

2.4 海藻酸

海藻酸是一種存在于褐藻中的陰離子線性多糖,其在自然狀態下存在于細胞質中,起著強化細胞壁的作用[25]。海藻酸易與海水中的陽離子結合成為海藻酸鹽,從海藻中得到的提取物通常是海藻酸鈉。海藻酸鈉具有增稠、乳化、穩定、形成凝膠、形成薄膜和紡制纖維的特性,在食品、造紙及化妝等工業中具有廣泛的應用前景。Mokhena等[39]制備了負載納米銀粒子的海藻酸鈉纖維,并研究了此纖維的形態和抗菌性能。實驗結果表明以殼聚糖作為穩定劑和還原劑,通過熱處理的方式可以成功地合成納米銀顆粒。海藻酸鈉納米纖維對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均具有很高的抗菌活性,但遺憾的是沒有達到緩慢釋放的效果。此實驗證明了將納米銀負載在納米纖維中具有可行性,為后續的研究提供了寶貴經驗。

2.5 環糊精

除了以上述聚合物為基質制備納米纖維外,還可以利用靜電紡絲技術電紡非聚合物,如環糊精(Cyclodextrin,CD)。CD是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產生的環糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成的一系列環狀低聚糖的總稱,CD經常被用來形成包埋生物活性化合物的包合體。事實上,在靜電紡絲工藝發展應用之前,利用環糊精包埋生物活性化合物成為研究熱點,因為它能提高生物活性化合物的穩定性并且達到持續釋放的效果[25]。與聚乙烯醇/姜黃素纖維相比,含有姜黃素-環糊精復合物的聚乙烯醇納米纖維的熱穩定性和環食效果更好[40]。γ-CD在保持薄荷醇、香蘭素、丁香酚等香料化合物的生物活性和控制釋放方面比α-CD和β-CD更為有效,Wen等[41]成功將肉桂精油包埋到聚乙烯醇和β-環糊精中,所制備的納米薄膜相比鑄膜具有更好的抗菌活性,有效地延長了草莓的貨架期。這些功能性的靜電紡纖維在食品工業特別是在食品包裝材料設計中具有實際應用前景。

3 以蛋白質為基質利用靜電紡絲技術包埋抗菌活性物質及其應用

營養角度蛋白質優于合成聚合物,因為蛋白質是構成人體的主要成分,其本身就是有價值的膳食補充劑和功能性食品增強劑。另外蛋白質分子中含有多個結合位點以及靜電吸引、疏水相互作用、氫鍵和共價鍵在內的許多結合機制,這使得其對于天然抗菌物質具有較高負載能力。但是電紡蛋白質的過程是非常困難的,主要是因為它們復雜的二級和三級結構,例如由于純酪蛋白酸鹽在水溶液中分子發生聚集,使得其在水溶液中不能被電紡成納米纖維[42-43]。所以溶劑的選擇、熱處理時間、添加的蛋白質變性劑等對于電紡蛋白質至關重要。另外,親水性蛋白質使蛋白質基納米纖維膜在水溶性介質中不穩定,一般通過化學交聯或物理處理的方法來解決這類問題,例如使用二價鈣離子作為化學交聯劑促進由羧酸和芳香基團組成的小肽之間的交聯來改善纖維結構的穩定性[44-45]。用于靜電紡絲常用的蛋白基包埋材料主要有玉米醇溶蛋白、明膠、大豆分離蛋白、莧菜分離蛋白、絲素蛋白、乳清蛋白分離物等。以下主要介紹以玉米醇溶蛋白、明膠、大豆分離蛋白、莧菜分離蛋白、絲素蛋白為基質包埋抗菌物質的應用。

3.1 玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是利用乙醇作為溶劑從玉米中提取的一種疏水性蛋白質,具有可再生性和可生物降解性[46]。以玉米醇溶蛋白為基質的納米纖維膜具有較好的耐水性和耐熱性,其可以作為糖果、大米、干果和堅果的涂層材料,另外玉米醇溶蛋白也被用于制藥工業,起到控制釋放和掩蓋風味的作用[47]。玉米醇溶蛋白本身并沒有抗菌性,但是可以與具有抗菌性的化合物共混電紡或者利用玉米醇溶蛋白包埋抗菌物質使所制備的納米纖維膜具有抗菌性。例如,Torres-Giner等[48]將玉米醇溶蛋白和殼聚糖共混,利用靜電紡絲技術制備了玉米醇溶蛋白/殼聚糖納米纖維。結果顯示,10 mg的殼聚糖就能夠提供有效的殺菌效果。姜黃素是存在于草本植物根莖中的一種多酚類化合物,它具有良好的抗菌性能和抗氧化能力,這使其可以作為天然食品防腐劑和活性食品包裝的涂料[49-50]。Alehosseini等[51]研究通過靜電紡絲技術制備了負載姜黃素的纖維膜,實驗發現游離的姜黃素在pH為7.4的磷酸緩沖溶液中迅速降解,而玉米醇溶蛋白對姜黃素的保護作用可以長達24 h,在食品模擬物中,玉米醇溶蛋白起到保護姜黃素,實現緩釋的效果,玉米醇溶蛋白纖維在水中的穩定性較高,且在極性食品模擬物中的釋放性能較好,表明玉米醇溶蛋白基纖維膜適合與含水量高的食品接觸。

3.2 明膠

明膠是一種變性蛋白質,其制備方式主要有兩種,一種是可以通過動物膠原蛋白在酸性或者堿性的條件下部分水解得到,另一種采用酶解或熱降解的方式使其結構發生改變而獲得,現今明膠廣泛應用于食品、攝影和制藥行業[52-53]。明膠在生物相容性、生物降解性、溶解性、保水性、成膜性等方面具有優異的功能特性,是良好的包埋材料,可以利用明膠在水中迅速溶解的這一特性,提高疏水性抗菌物質在水溶液中的溶解度[54]。Gómez-Estaca等[50]成功地將姜黃素包埋在明膠中,經計算此方法對姜黃素的包埋率高達97%左右,姜黃素與明膠之間的相互作用使得姜黃素的水溶性大大提高,此外利用明膠包埋的姜黃素對革蘭氏陰性菌及革蘭氏陽性菌均有明顯的抑制效果。Li等[55]采用靜電紡絲技術制備了明膠包埋丁羥基茴香醚的納米纖維,并應用于草莓的保鮮,發現丁羥基茴香醚的加入增強了明膠纖維的穩定性,促使明膠的結構由無規則卷曲和β-轉角轉變為α-螺旋和β-折疊,也保護了丁羥基茴香醚的抗氧化活性;在抗菌試驗中得出,該纖維膜對金黃色葡萄球菌顯示出良好的抗菌活性,通過對菌株進行定性篩選,進一步得出纖維膜對四種霉菌屬(根霉屬、毛霉屬、曲霉屬和青霉屬)具有廣譜抗菌效果。以上實驗說明利用明膠包埋植物化學成分的納米纖維膜在食品抗菌包裝中具有很大的應用潛力。

3.3 大豆蛋白

蛋白質等天然衍生材料在生物、醫學、食品等領域中被廣泛研究。在這方面,大豆蛋白(soy protein isolate,SPI)與其他蛋白質相比具有一定的優勢,例如儲存量高、非動物源蛋白質和價格低廉等等[56]。但是電紡純大豆蛋白比較困難,需要與其他聚合物共混以此來增強分子之間的纏結度。靜電紡大豆分離蛋白/聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)納米纖維在食品工業中得到了廣泛的應用,例如從SPI/PEO和PLA中制備的靜電紡纖維用于控制異硫氰酸烯丙酯的釋放,結果表明環境濕度可以影響靜電紡納米纖維中異硫氰酸烯丙酯的釋放速度,相對濕度較高的環境可以促進異硫氰酸烯丙酯的釋放,這表明其在活性包裝中有潛在的應用前景[57]。在另一項研究中,Wang等[58]將富含花青素的紅樹莓提取物分別加入到變性前后的大豆分離蛋白中。通過電子顯微鏡觀察到這兩種情況都產生了珠串狀納米纖維,但制備的納米纖維均具有良好的抗菌和抗氧化性能。經過進一步研究表明,在變性的SPI溶液中加入紅樹莓提取物可提高花青素的保留率和抗菌活性。

3.4 莧菜紅分離蛋白

莧菜是一種高營養價值的作物。該種子中的蛋白質含量高達17%,并且其氨基酸組成接近人類飲食所需的最佳氨基酸組成,可以作為生物活性物質的包埋基質[59]。例如,Blanco-Padilla等[60]以莧菜紅分離蛋白/普魯蘭為基質的靜電紡絲纖維對姜黃素進行了保護和控釋,使得被包埋的姜黃素在pH=7.4的緩沖溶液和體外消化液中均可以達到持續釋放的效果,纖維中姜黃素的含量對姜黃素的釋放速度有影響,即纖維中包埋姜黃素的比例越大,姜黃素的擴散速度越小;被包埋的姜黃素經過體外消化過程之后仍可以發揮抗氧化和抗菌活性的作用,并且包埋在納米纖維中的姜黃素的生物活性優于游離姜黃素。這種以莧菜紅分離蛋白/普魯蘭為基質的靜電紡納米纖維在食品包裝和生物醫藥等方面具有潛在的應用價值。

3.5 絲素蛋白

蠶絲是一種天然的蛋白質纖維,其蛋白質結構中含有許多氫鍵,使得蠶絲具有優異的機械性能。蠶絲蛋白中含有反平行的β-折疊結構,使蠶絲纖維的韌性優于聚乳酸、膠原等生物聚合物。絲素蛋白(SF)對氧氣和水的滲透性較好,主要用于酶固定、細胞培養、藥物釋放、骨組織工程和傷口敷料等方面。Elakkiya等[61]利用絲素蛋白作為藥物遞送載體,用于體外釋放姜黃素,通過電子顯微鏡觀察到用11 wt%絲素蛋白包埋姜黃素的納米纖維形態最好;在體外釋放實驗中,姜黃素與絲素蛋白發生共價交聯作用,使得姜黃素可以達到緩慢釋放的效果;并且,以絲素蛋白為包埋壁材的緩釋效果優于聚乳酸、聚乙烯醇等其他聚合物,體外釋放實驗證明了其作為藥物釋放載體的巨大潛力。

4 展望

靜電紡絲技術是一種新興的包埋技術,與其它包埋方式相比,其不涉及任何苛刻的條件,而且,通過靜電紡絲技術制備的納米抗菌膜,其水汽透過率好、比表面積大、安全性和生物兼容性好,在食品包裝行業具有廣泛的應用前景。目前,有一些研究已經成功地以蛋白質和多糖為基質,制備出靜電紡絲納米抗菌纖維。在未來可以將靜電紡絲技術與3D打印技術相結合,充分發揮納米纖維膜緩釋的優勢,制備出具有理想形狀的活性包裝膜,此外還可以利用靜電紡絲技術包埋對pH敏感的活性物質例如花青素來制備pH敏感型指示膜用來監測食品的新鮮程度。但是在靜電紡絲過程中還有許多難點需要攻克,比如紡絲參數的調控(電壓、進樣速度、針頭直徑等)、溶劑的選擇、高壓電場對抗菌物質結構和活性的影響等。另外,這種靜電紡絲納米抗菌纖維在實際食品加工過程中的效果和可控釋放都是本領域研究中亟待解決的問題。