靜電紡絲技術在食品領域的應用

鄧伶俐，張 輝*

（1.湖北民族大學生物科學與技術學院，生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，超輕彈性體材料綠色制造國家民委重點實驗室，湖北 恩施 445000；2.浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058；3.浙江大學寧波研究院，浙江 寧波 315100）

靜電紡絲是一種利用高壓靜電場，將高聚物溶液或者熔融高聚物牽伸為納米纖維的技術。隨著靜電紡絲技術的發展，上百種合成高聚物和天然高聚物被成功靜電紡絲，其中研究較為廣泛的天然高聚物有膠原蛋白、殼聚糖、纖維素等。靜電紡絲的過程受多種因素的影響，如分子質量、黏度、電導率、溶劑種類等溶液性質以及電壓、流速、接收距離等靜電紡絲過程參數。針對靜電紡絲技術的研究在組織工程、空氣過濾以及紡織行業較多，并且已有一定程度的商業化應用。靜電紡絲技術在食品領域的研究近些年才逐漸興起，在食品行業的應用也還處于初步探究的階段。靜電紡絲技術應用于食品領域主要有以下幾方面優點：1）裝置簡單、紡絲成本低；2）生物活性物質易被包埋于納米纖維中；3）納米纖維膜比表面積大；4）靜電紡絲的過程是非熱加工的過程，有利于保持生物活性物質的功能性。本文將從以下幾個方面進行靜電紡絲技術在食品行業應用的綜述：1）通過靜電紡絲技術包埋生物活性物質于納米纖維中，起到保護及緩釋的作用；2）利用納米纖維所包埋或者結合的具有抑菌或者/及抗氧化功能的生物活性物質，制備具有抑菌抗氧化功能的食品活性包裝；3）通過將益生菌包埋于納米纖維中提高其儲存穩定性以及利用納米纖維膜作為菌載體進行生物發酵；4）利用多種結構的納米纖維，如核殼結構，包埋多不飽和脂肪酸/脂肪起到抑制其氧化的作用；5）將納米纖維膜作為固定化酶的載體，提高酶的活力以及重復利用率。

1 靜電紡絲技術概述

靜電紡絲技術，最早由Formhals[1]于1934年提出，是指利用靜電作用力將高分子聚合物轉變成微納米級超細纖維的一種技術。如圖1所示，當高聚物溶液以一定流速被擠出注射器針頭于直流高壓靜電場下時，針尖液滴會向最近的低電勢點方向伸展，從而形成泰勒錐結構。當電場產生的靜電作用力克服泰勒錐尖端液滴的表面張力時，就會噴射出一股帶電高聚物的細流。受靜電作用力、庫倫斥力、表面張力、流體黏彈力等影響，帶電射流進一步加速拉伸并呈螺旋擺動，使得溶劑快速揮發，高分子聚合物從而形成連續超細纖維形態，被收集于接收端上。直到1990年左右納米科技的興起才讓大家關注到靜電紡絲在工業上的應用。靜電紡絲得到的纖維尺度在納米級到微米級之間，多尺度的纖維能夠賦予其所制備材料很多特殊的性質。納米纖維形成所用時間極短，整個過程原理涉及多個交叉學科，有流變學、流體力學、空氣動力學、靜電學等。經過幾十年的發展，目前靜電紡絲技術制備的納米纖維廣泛應用于生物材料制備及組織工程應用、藥物載運、生物活性物質包埋、酶固定化、高效過濾、油-水分離、生物傳感器、電池、電容器和膜等領域[2]。根據Scopus數據庫統計（圖2），從2010年以來有關靜電紡絲（Title: electrospinning or electrospun or nanofiber or nanofibrous）的研究性論文共計30 000多篇，來自于中國的文獻占36.3%，居于首位。由此可見，靜電紡絲技術吸引著越來越多的研究團隊進行深入探究。

圖1 靜電紡絲的基本原理示意圖[3]Fig. 1 Schematic diagram of the principle of electrospinning[3]

圖2 靜電紡絲研究論文統計（2010—2020年）Fig. 2 Number of published papers about electrospinning from 2010 to 2020

1.1 靜電紡絲溶液參數

1.1.1 相對分子質量

高分子的相對分子質量可反映高分子鏈段在溶液中的纏結狀態，相對分子質量高的分子鏈比相對分子質量低的分子鏈更容易發生纏結，由此影響溶液的黏度。一般相對分子質量高的高分子聚合物更適合于靜電紡絲，因為它們能夠提供適當的黏度利于纖維形成[4]。相對分子質量較低的聚合物溶液一般只能得到微球，而相對分子質量過高的聚合物溶液獲得的纖維直徑一般較大。

1.1.2 高分子濃度及黏度

靜電紡絲過程中射流的牽伸受溶液濃度及黏度的影響。如果高分子聚合物溶液濃度低，則在電場力和表面張力的作用下，纖維在還未到達接收端就會被牽伸成片段狀，從而形成單獨的微球或者串珠狀結構（圖3）。當高分子聚合物溶液濃度增加，超過臨界值后，分子間的纏聯程度增加，溶液張力松弛的時間比較長。纏結的高分子在電場力作用下，被牽伸取向而在微球間形成纖維，抑制了靜電紡絲過程中溶液射流的斷裂，由此可得連續的纖維。如果溶液黏度進一步提高又會很難得到連續的纖維，因為高黏度溶液很難從噴絲口噴出形成連續的射流[5]。

圖3 納米纖維形態隨黏度變化的示意圖[5]Fig. 3 Illustration of changes in nanofiber morphology with viscosity of polymer[5]

1.1.3 溶液導電能力

改變溶液的電導率對靜電紡絲的影響是兩方面的：一方面是改變了庫侖力，另一方面改變了靜電作用力?？梢酝ㄟ^添加鹽的形式改變溶液的導電能力，鹽的加入也以兩種方式影響靜電紡絲過程：1）增加了高分子溶液中的離子數量，因此增加了射流中表面電荷的密度和電場中的靜電作用力；2）同時也導致射流表面切向電場減弱[5]。許多研究表明通過添加鹽使得納米纖維的形態得到改善，而且纖維直徑也有所降低[6-7]。

1.1.4 溶劑種類

不同溶劑的組合能夠改變聚合物分子鏈溶脹和纏結狀態，從而對納米纖維形貌產生影響。在良溶劑中，聚合物分子鏈溶脹充分，流體力學體積較大，因此發生分子鏈纏結的濃度要低于用不良溶劑配制的聚合物溶液，故在不同溶劑中聚合物適合于靜電紡絲的濃度范圍是不同的。高分子聚合物也可以通過無溶劑體系進行靜電紡絲，如熔融靜電紡絲、熱交聯靜電紡絲、紫外交聯靜電紡絲、超臨界二氧化碳靜電紡絲等[8]。近年也有研究者利用低共融溶劑進行靜電紡絲[9-10]。

1.2 靜電紡絲工藝參數

1.2.1 電壓

通常針對某一特定高分子溶液，隨著施加電壓的增加，針尖的液體會逐漸從球形液滴轉變成泰勒錐，將轉變為泰勒錐的電壓稱為臨界電壓。通常隨著電壓的增加，纖維直徑會由于電荷斥力的增加而降低。但是過高的電壓會導致泰勒錐減小，射流不穩定，從而導致串珠的形成[11]。也有報道隨著電壓升高，纖維直徑增加的研究，可能是由于電壓升高，射流長度增加，從而引起纖維直徑的增加[12]。

1.2.2 流速

靜電紡絲過程中，高分子溶液超過某個特定的流速時，能夠形成泰勒錐，此時的流速為臨界流速。Taylor早在1969年就指出，溶液在針管中流速太小，不足以補償射流噴出所帶走的量時，是無法維持泰勒錐形狀的，會導致射流不穩定，得不到理想的纖維形貌[13]。多數研究表明隨著流速的增加，纖維的直徑增加[14]。但是流速過高會引起串珠的形成。當流速過小時，容易形成內置射流（圖4A），也就是在針尖外部觀察不到泰勒錐，在針尖內部由于流速較低，溶液補充的速率小于納米纖維形成的速率，因此不斷有新的射流形成。此時射流是不穩定的，容易形成直徑分布寬的納米纖維[14]。當流速過大時，在針尖能夠觀察到由于液滴的重力作用導致液滴從針尖分離開，此時在接收到的納米纖維中也能觀察到大的聚集體（圖4B、C）。

圖4 尼龍6靜電紡絲過程中不同流速時針尖液滴形狀示意圖[14]Fig. 4 Schematic illustration of charged jet modes of nylon 6 nanofibers with different flow rates[14]

1.2.3 噴絲頭與接收端距離

噴絲頭與接收端的距離對于靜電紡絲穩定性的調節也是十分重要的。噴絲頭與接收端距離減小，電壓不變的情況下，單位電場強度增加，但同時溶劑揮發的距離減小，射流不能充分干燥和牽伸，容易導致串珠的形成。噴絲頭與接收端距離太遠會引起接收端纖維沉降面積增加，而且纖維會尋找更近的低電勢點沉降。

1.2.4 溫度和濕度

溫度的升高對靜電紡絲過程最直接的影響是降低了高分子溶液的黏度，加速分子的運動，有利于降低納米纖維的直徑，這一點對于實現天然高分子水溶液的靜電紡絲十分有利。越來越多的研究發現濕度對于控制納米纖維形成也十分重要。Pelipenko等[15]研究了相對濕度對聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）、聚氧乙烯（polyethylene oxide，PEO）以及PVA/透明質酸，PEO/殼聚糖納米纖維直徑的影響，發現相對濕度從4%提高到60%后，PVA的直徑從667 nm降低到161 nm，而PEO的直徑從252 nm降低到75 nm。Bak等[16]比較了30%和60%相對濕度下靜電紡絲得到的膠原蛋白納米纖維，發現濕度更高的條件下纖維直徑更低。

2 靜電紡絲在食品領域的應用

2.1 活性包裝

包裝作為食品加工的下游工作，對食品的保護起到了至關重要的作用。活性包裝是指在傳統包裝中添加抗氧化劑、抑菌劑、指示劑等，使得包裝具有抑菌抗氧化、吸濕、緩釋香氣、吸收異味等功能特性。靜電紡絲是一種極具前景的制備活性包裝技術。納米纖維能夠為包裝提供納米級的反應空間，巨大的比表面積能夠大幅提高感應物質的精度和速率。

2.1.1 抑菌活性包裝

具有抑菌功能的靜電紡絲纖維膜的制備通常分為兩大類：一類是利用高分子材料本身的抑菌性能，如殼聚糖；另一類是將具有抑菌功能的生物活性物質（如銀納米粒子、金屬氧化物、多酚類等）包埋于納米纖維中。由于殼聚糖本身具有抑菌的功能，靜電紡絲得到的殼聚糖納米纖維膜可直接用作抑菌活性包裝。Gudjónsdóttir等[17]研究發現，殼聚糖納米纖維膜包裝的牛肉在熟化的過程中能夠抑制微生物的繁殖并且提升肉品質。很多研究者通過向殼聚糖納米纖維膜中添加銀納米粒子來賦予纖維膜更好的抑菌功能[18-19]。通過添加氧化鋅也增強了聚氨酯納米纖維膜的抑菌性，并且具有應用于肉制品保鮮的潛力[20]。植物精油也常被包埋于納米纖維中，Wen Peng等[21]將肉桂精油包埋于PVA/β-環狀糊精納米纖維膜中后應用于草莓保鮮，發現該法能夠顯著延長草莓的保質期。蕁麻提取物和山竹提取物也被包埋于殼聚糖和聚己內酯納米纖維膜中并表現出良好的抑菌效果[22-23]。通過包埋葡萄糖氧化酶、溶菌酶等也能夠顯著提升殼聚糖納米纖維膜的抑菌性能[24-25]。本課題組研究發現向殼聚糖/PEO納米纖維膜中添加月桂酰精氨酸乙酯能夠顯著提升殼聚糖納米纖維膜的抑菌性能（圖5）[26]。

2.1.2 抗氧化活性包裝

制備具有抗氧化功能的納米纖維膜通常通過包埋具有抗氧化功能的生物活性物質實現，可包埋天然抗氧化劑、合成抗氧化劑和具有抗氧化功能的酶。Ge Ling等[27]制備了PVA/殼聚糖/茶葉提取物/葡萄糖氧化酶復合納米纖維膜，對奶油蛋糕的除氧效率達73%。Fabra等[28]構建了多種雙層納米纖維膜并將水溶性VE包埋于其中，發現不同結構的納米纖維膜對水溶性VE的緩釋效率不同。Aytac等[29]構建了聚乳酸/γ-環狀糊精/α-生育酚納米纖維膜并應用于豬肉保鮮，發現其能夠延長豬肉的貨架期。Li Linlin等[30]將丁基羥基茴香醚包埋于明膠納米纖維中并應用于草莓保鮮，能夠顯著延長草莓的貨架期。

2.2 生物活性物質包埋釋放

2.2.1 生物活性物質保護

通常具有強抗氧化功能的生物活性物質也容易被氧化，因此如何有效地包埋并保護這類易氧化物質也是食品行業的研究熱點。利用靜電紡絲技術可以將生物活性物質包埋于納米纖維中，避免氧氣和光照的破壞并且起到緩釋的作用。靜電紡絲納米纖維的比表面積優勢能夠顯著提高生物活性物質的包埋效率。Fernandez等[31]將β-胡蘿卜素包埋于玉米醇溶蛋白納米纖維中，顯著提高了β-胡蘿卜素的紫外光穩定性。Aceituno-Medina等[32]構建了籽粒莧蛋白/普魯蘭多糖納米纖維用于包埋葉酸，顯著提高了葉酸的光穩定性。

2.2.2 多不飽和脂肪酸（脂肪）包埋

圖5 殼聚糖/PEO/月桂酰精氨酸乙酯復合納米纖維膜應用于抑菌研究[26]Fig. 5 Applications of antimicrobial chitosan/poly(ethylene oxide)/lauric arginate nanofibrous films in antibacterial studies[26]

研究表明多不飽和脂肪酸能夠有效預防心血管疾病，但是由于多不飽和脂肪酸易氧化，所以通常需要通過包埋的方式保護[33]。傳統的包埋方式得到的顆粒通常是毫米或者微米級的，通過靜電紡絲或者靜電噴霧能夠將多不飽和脂肪酸包埋到納米級別顆粒，大大提高包埋效率，有效防止其氧化。Moomand等[34]研究了玉米醇溶蛋白納米纖維中魚油的氧化穩定性，發現魚油均勻分散在納米纖維中并且納米纖維包埋能夠使魚油在14 d中保持低氧化狀態。他們進而研究了溶劑和負載量對玉米醇溶蛋白/魚油納米纖維的影響，發現體積分數70%乙醇溶液是最佳溶劑，魚油的負載量可達玉米醇溶蛋白質量的30%[35]。對該體系的體外消化模擬研究發現納米纖維包埋使魚油在消化液中得以緩釋[36]。García-Moreno等[37]將乳液靜電紡絲應用于魚油包埋，選取了PVA納米纖維，乳清分離蛋白或者魚蛋白水解物作為乳化劑，魚油負載率最高為11.2%。然而García-Moreno等發現PVA纖維并不能給魚油提供氧化保護作用，反而靜電紡絲得到的納米纖維過氧化值顯著高于對照組。通過對靜電紡絲環境提供氮氣、增加纖維直徑、添加乙二胺四乙酸均無法改善，可能是有由于PVA的促氧化作用使得PVA纖維不能作為魚油的良好載體。Yang Huan等[38]通過同軸靜電紡絲的方式將魚油包埋于聚乙烯聚吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）纖維中，負載率為14.5%，相比于非同軸纖維，將魚油包埋于纖維核中顯著提高了魚油的氧化穩定性。

2.2.3 益生菌包埋

為了使益生菌在加工、貯藏以及腸胃道中具有更高的存活率，越來越多的研究者致力于益生菌包埋的研究，通過將益生菌包埋于一定的載體中，以提高益生菌對環境壓力的抵抗力。多種包埋方法（如微膠囊、乳化、交聯、脂質體等）被應用于益生菌包埋。但是常規的包埋方法需要利用高溫條件或者有機溶劑，從而導致菌量下降或者有毒物質殘留等問題。靜電紡絲技術由于不需要嚴苛的溫度和壓力，也不需要使用有毒的有機溶劑，在益生菌包埋領域越來越受到關注。由于諸多食品級的原料，如多糖、蛋白均可以用于靜電紡絲，益生菌靜電紡絲包埋在食品行業具有良好的應用前景。在已有研究中，利用靜電紡絲技術進行益生菌包埋的文獻見表1。

表1 益生菌靜電紡絲包埋的研究Table 1 Previous studies on electropinning in probiotic encapsulated nanofibers

López-Rubio等[39]首次將雙歧桿菌利用靜電紡絲技術包埋于聚乙烯醇中，并且采用了同軸靜電紡絲技術，將雙歧桿菌包埋于內芯之中。其研究發現靜電紡絲包埋后的益生菌在室溫和冷凍條件下的存活率相比于未包埋的均有明顯提高。Amna等[40]首次將靜電紡絲包埋后的加氏乳桿菌用于動物實驗，將包埋后的加氏乳桿菌定植于無菌鼠中發現，定植后的小鼠比對照組明顯增重。Korehei等[41]通過同軸靜電紡絲得到T4噬菌體核殼包埋結構，并研究了靜電紡絲對T4噬菌體的釋放的影響，發現PEO分子質量越大，釋放速率越慢，而且殼結構中加入二乙酸纖維素有利于控制噬菌體的釋放，達到緩釋的效果。

2.3 酶固定化

食品工業需要大量應用固定化酶進行催化反應，而酶的催化效率以及重復使用率很大程度依賴于固定化酶的載體。越來越多的納米結構材料用于酶固定化，相比于其他納米結構（如納米顆粒），納米纖維具有易制備、比表面積高、連續性好的優點[46]。靜電紡絲固定化酶主要有共紡包埋式固定、物理吸附式固定以及共價鍵結合固定的方式（圖6）。近幾年靜電紡絲固定化酶相關的研究見表2。

圖6 納米纖維酶固定化方式示意圖Fig. 6 Schematic diagram of enzyme immobilization methods by nanofibers

表2 常見固定化酶及相應載體、固定化方式Table 2 List of immobilized enzymes, electrospining materials, and immobilization methods

2.3.1 共紡包埋式固定

通過將高分子和酶共混后靜電紡絲能夠將酶直接包埋固定于納米纖維中。由于大多數酶只能溶于水中，所以要求靜電紡絲的高分子是水溶性的。常見的有PVA、PEO、PVP等。共紡得到的固定化酶具有較高的負載率（高達纖維質量的50%），并且靜電紡絲得到的膜能夠直接應用于電極上用作生物傳感器。雖然使用這種方法固定化酶簡單高效，但是也有一些缺點：1）酶不僅被包埋在纖維內部，同樣也分布在纖維表面。在催化的過程中，表面的酶分子會不斷地被洗脫，從而大幅降低固定化酶的回收率；2）由于大部分的酶分子被限制在纖維內部，無法與反應體系中的底物充分接觸，其催化能力也大大受限；3）該方法對材料和酶的要求較高，需要所選高分子與酶能夠形成均相的體系，即使二者能夠混合均勻也還是可能形成串珠狀結構；4）大部分一步法得到的納米纖維膜都需要交聯來改善其機械性能以及溶劑穩定性，但是這些交聯對于酶的催化效率可能有負面作用。交聯通常也會降低纖維膜的孔隙率，從而影響反應效率。

2.3.2 物理吸附式固定

為了克服靜電紡絲溶劑限制的問題，最簡單的方式就是利用酶的氨基殘端與多聚物形成的氫鍵或者極性相互作用進行物理吸附的結合。Huang Weijuan等[50]以乙基纖維素納米纖維膜為支撐材料，以物理吸附的方式將柚苷酶吸附于纖維膜上，再利用靜電相互作用構建乙基纖維素-柚苷酶-海藻酸鈉層層疊加的結構，其酶活力也隨著疊加層數的增加而增加，最后將其應用于去除葡萄汁中的苦味物質（檸檬苦素和柚苷）。

2.3.3 共價鍵結合式固定

為了克服物理吸附方式酶結合不穩定的缺點，可以利用多聚物的功能基團與酶進行共價鍵結合。這個過程需要活化纖維表面的多聚物分子，使其能夠與酶發生交聯反應。Huang Xiaojun等[55]將脂肪酶共價結合到了纖維素納米纖維上。將纖維素納米纖維膜用NaIO4進行處理，得到活化的醛基，使其與脂肪酶進行交聯。Lee等[51]利用共價結合的方式將脂肪酶固定于甲基纖維素納米纖維上，但是發現二次使用時酶的活力大幅下降，通過引入酶聚集體的方法解決了這一問題，使用7 次后酶活力仍能保持90%以上。Wong等[53]比較了尼龍6,6靜電紡絲膜和涂膜對胰凝乳蛋白酶固定化的效果，發現靜電紡絲膜固定化酶的熱穩定性高于涂膜以及未固定化的酶。Huang Wencan等[54]將胰蛋白酶共價結合到甲殼素納米纖維上，將酶進行交聯后其負載率提高了6.3 倍，利用具有磁性的納米顆粒不僅有利于酶的負載同時也使得酶的回收變得十分便捷。

3 結 語

靜電紡絲納米纖維膜在食品行業進行大規模應用的一大局限是如何實現納米纖維膜的量產。雖然一些合成高分子的納米纖維膜已經實現了量產和商用，但是由于食品領域研究的大多是天然高分子，由于其相對分子質量分布不均以及產品性質隨著批次不同而不穩定的缺點難以做到穩定的量產。天然高分子尤其是多糖，由于靜電紡絲臨界濃度較低，限制了其生產效率，傳統的針頭式靜電紡絲無法滿足其生產效率的需求。因此進行靜電紡絲技術的革新也是推動納米纖維膜產業化應用所必需的一步。通常得到的天然高分子納米纖維膜的機械性能以及溶劑穩定性都較差，需要通過與合成高分子進行混合靜電紡絲或者化學交聯等方式來進行改善。近些年針對天然高分子進行安全無毒的交聯也是一大研究方向，如通過多酚、美拉德反應等進行交聯。另外，研究者大多關注納米纖維膜包裝的功能特性，針對納米纖維可食用包裝的包裝特性也是未來的發展方向之一，通過向納米纖維中添加無機物等調節納米纖維包裝的透氣性和透氧性。

靜電紡絲技術作為一種簡單、低成本的制備納米纖維的方式吸引著越來越多的研究者投身其研究中。高比表面積、孔隙率以及可調控的纖維形態使其能夠作為納米包埋體系的優良載體。具有一定功能特性的生物活性物質包埋于納米纖維中能夠實現保護、緩釋以及抑菌抗氧化等功能特性。納米纖維作為固定化酶的載體提升酶的活力和利用率。納米纖維在食品行業的實際應用還需要大量的理論及應用研究支持。實現靜電紡絲納米纖維膜在食品行業的廣泛應用還需要各領域的研究者和技術人員通力合作。