乳液靜電紡絲美藤果油/聚乙烯醇納米纖維膜的制備及性能

劉 媛，張群華，袁文波，范小平,*，杜 冰,，黎 攀，謝藍(lán)華

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.杜冰專(zhuān)家工作站，云南 普洱 665000）

靜電紡絲技術(shù)可以使溶液在靜電力的作用下，拉伸形成納米或微米級(jí)纖維[1]。高孔隙率、大比表面積以及良好的生物相容性等都是靜電紡絲技術(shù)所制得的纖維具有的優(yōu)點(diǎn)[2]，靜電紡絲技術(shù)也可用于制備核殼結(jié)構(gòu)[3]或中空結(jié)構(gòu)[4]纖維等生物材料。目前組織工程[5]、創(chuàng)傷敷料[6]、藥物控制釋放[7]、固定化酶[8]、生物傳感器[9]等多領(lǐng)域都有研究涉及到電紡技術(shù)，靜電紡絲在食品封裝活性成分和食物包裝材料市場(chǎng)具有良好的應(yīng)用前景[10]。目前，食品領(lǐng)域利用靜電紡絲的研究一般是制備聚合物和多糖、蛋白質(zhì)等納米纖維，而很少將其應(yīng)用于封裝生物活性物質(zhì)[11]。

乳液靜電紡絲可將油包水型或水包油型乳液紡絲成膜，把親水或疏水物質(zhì)包裹在纖維中[12]，乳液電紡包埋不會(huì)影響生物活性物質(zhì)活性。Cai Ning等用Pickering乳液實(shí)現(xiàn)了電紡包封鹽酸萬(wàn)古霉素，發(fā)現(xiàn)與共混電紡相比，乳液電紡包封具有更長(zhǎng)的緩釋時(shí)間[13]。Zhang Cen等用乳液電紡法成功包埋玉米油，制得的纖維具有良好的包埋率和貯存穩(wěn)定性[14]。?allio?lu等用乳液電紡法制備了聚乙烯吡咯烷酮/明交/百里香精油纖維，獲得的納米纖維在24 ℃和37 ℃的貯存條件下，在192 h內(nèi)顯示出良好的抗菌活性[15]。

美藤果油為我國(guó)近年來(lái)批準(zhǔn)的新型資源食品，其含有豐富的生育酚、亞麻酸[16]等活性成分，被譽(yù)為“森林深海魚(yú)油”[17]。美藤果油因其含有較高的活性成分和獨(dú)特的感官特征而受到重視[18]，可用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[19]，Li Pan 等研究表明給大鼠灌胃美藤果油可改善大鼠腸道微生物失調(diào)，減輕大鼠肝臟脂質(zhì)代謝失調(diào)[20]。但目前有關(guān)美藤果油的研究大多還停留在分析其成分性質(zhì)，而很少有關(guān)于開(kāi)發(fā)基于美藤果油應(yīng)用的研究。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）具有優(yōu)良的生物相容性、降解性[21]和可紡性，常用于和其他物質(zhì)共混紡絲。本研究首先制備穩(wěn)定的美藤果油/PVA水包油型乳液，然后利用靜電紡絲技術(shù)成功制備了基于上述乳液的納米纖維及纖維膜，成功實(shí)現(xiàn)了美藤果油的纖維封裝，可為美藤果油的高值化利用及封裝脂溶性生物活性物質(zhì)提供思路和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

美藤果油由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院提供。

食品級(jí)吐溫-80 無(wú)限極（中國(guó)）有限公司；正己烷上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；PVA（型號(hào)1788，醇解度87.0%～89.0%） 上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HJ-4A磁力攪拌器 常州崢嶸儀器有限公司；E02-001靜電紡絲機(jī) 佛山輕子精密測(cè)控技術(shù)有限公司；DDS-11A電導(dǎo)率儀 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) 上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；FA2104電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；SDC-100接觸角測(cè)量?jī)x 東莞市晟鼎精密儀器有限公司；Talos F200S透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM） 美國(guó)Thermo公司；Vertex 70傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）儀 德國(guó)Bruker公司；TG209F1熱重分析儀、DSC214差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC） 德國(guó)NETZSCH公司；Verios 460掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）美國(guó)EDAX公司；抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀 上海和晟儀器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紡絲乳液的制備

稱(chēng)取一定量的PVA，用去離子水?dāng)嚢柚镣耆芙猓玫剿?；按比例稱(chēng)量美藤果油和吐溫-80，室溫下混勻，獲得油相。將油相置于磁力攪拌器攪拌（500 r/min），將水相逐滴加至油相，攪拌均勻（3～5 h）得到紡絲乳液[22]。

1.3.2 紡絲液電導(dǎo)率及黏度的測(cè)定

稱(chēng)取PVA，使用去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、10%、12%的純PVA溶液；按照美藤果油、PVA、吐溫80質(zhì)量比為1∶9∶0.5，稱(chēng)取PVA終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、10%、12%的紡絲乳液對(duì)應(yīng)的美藤果油及吐溫-80質(zhì)量，配制紡絲乳液，使用DDS-11A電導(dǎo)率儀，將電極浸沒(méi)到待測(cè)溶液中，室溫（25 ℃）下測(cè)定紡絲液（純PVA溶液和紡絲乳液）的電導(dǎo)率。

使用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，選擇合適的轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子浸沒(méi)入待測(cè)樣品溶液，在室溫（25 ℃）下測(cè)定紡絲液的黏度。

1.3.3 納米纖維的制備

使用E02-001靜電紡絲機(jī)制備納米纖維，紡絲機(jī)由高壓電源、注射泵、注射器、噴絲針頭及滾筒構(gòu)成。將配好的紡絲液按設(shè)定的條件參數(shù)（紡絲電壓、供液速率、噴絲針頭與滾筒之間的接收距離）進(jìn)行紡絲，制備的納米纖維收集在接收滾筒的錫紙上，將纖維膜從鋁箔的表面分離，備用。

1.3.4 樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征

1.3.4.1 SEM觀察

用導(dǎo)電交將納米纖維膜裁剪成小塊的待測(cè)樣品粘貼在樣品臺(tái)上，待纖維膜表面噴金處理后，利用SEM觀察其形貌。纖維的平均直徑和直徑分布圖利用Nanomeasurer軟件測(cè)量獲取。

1.3.4.2 TEM觀察

直接將銅網(wǎng)貼于接收纖維膜的鋁箔紙上，在紡絲的過(guò)程中收集一定量的納米纖維膜，在TEM下觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.4.3 熱特性分析

采用TG209F1熱重分析儀分析美藤果油、PVA顆粒及乳液納米纖維膜的熱穩(wěn)定性，操作條件：N2環(huán)境下以25 ℃/min升溫速率從室溫升至700 ℃。采用DSC214 DSC表征樣品的熱性能，操作條件：熱掃描在10～250 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行，速率為10 ℃/min。

1.3.4.4 FTIR分析

參考Salas等[23]的方法采用FTIR儀分析美藤果油、PVA顆粒及乳液納米纖維膜各組分的分子結(jié)構(gòu)變化情況，設(shè)定參數(shù)：分辨率4 cm-1、掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1。

1.3.5 納米纖維膜的親水性測(cè)定

采用SDC-100接觸角測(cè)量?jī)x拍攝記錄水滴與纖維膜接觸前3 s的接觸角，并以此表征纖維膜表面的親水性能。

1.3.6 納米纖維膜的機(jī)械性能測(cè)定

將纖維膜裁剪成60 mm×10 mm的長(zhǎng)方形試樣條，在纖維膜上隨意取3 個(gè)點(diǎn)，用厚度儀測(cè)定其厚度，取平均值為纖維膜厚度。將納米纖維膜置于抗拉強(qiáng)度測(cè)量?jī)x上，在室溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。采用100 N傳感器，拉伸速率為100 mm/min，有效拉伸長(zhǎng)度為45 mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，結(jié)果以3 次測(cè)定得到的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紡絲液黏度、電導(dǎo)率及純PVA乳液紡絲得到的納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)

納米纖維的形貌和性質(zhì)與紡絲液的黏度和電導(dǎo)率有關(guān)[24-25]，若溶液的黏度過(guò)大，射流不易穩(wěn)定，得到的纖維通常會(huì)很不均勻，若黏度過(guò)小紡絲液無(wú)法形成射流，將很難獲得纖維[26]；若紡絲液的導(dǎo)電性能不好，噴射流在電場(chǎng)力的作用下，將無(wú)法得到充分拉伸形成纖維。由表1可知，隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，純PVA溶液和紡絲乳液中帶電離子數(shù)均增多，電導(dǎo)率升高[27]。適當(dāng)?shù)卦黾尤橐褐蠵VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)將有助于后續(xù)紡絲得到更好纖維形態(tài)的纖維膜。圖1A～C分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、10%、12%純PVA溶液在紡絲條件為電壓18 kV、供液速率0.5 mL/h、接收距離11 cm條件下紡絲得到的納米纖維膜SEM圖，當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，溶液的黏度為177.00 mPa·s，電導(dǎo)率為4.36 μS/cm，紡絲得到的納米纖維會(huì)存在大面積黏連和串珠的情況，這是因?yàn)榧徑z乳液的黏度過(guò)小，導(dǎo)電性不佳，在同樣的紡絲條件下纖維沒(méi)有得到很好的拉伸，且紡絲乳液中的水分沒(méi)有充足的時(shí)間揮發(fā)。當(dāng)PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到12%時(shí)，溶液黏度增加到1 483.33 mPa·s，電導(dǎo)率升高至5.48 μS/cm，溶液的可紡性也大大提升，從而獲得了更好形貌的納米纖維。

表1 紡絲液的黏度和電導(dǎo)率Table 1 Viscosity and conductivity of spinning solutions

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVA溶液制得的納米纖維膜SEM圖Fig.1 SEM images of PVA nanofibers at different concentrations

2.2 紡絲參數(shù)對(duì)紡絲乳液納米纖維膜形貌的影響

2.2.1 紡絲乳液中的PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在制備純PVA溶液紡絲時(shí)，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%可以獲得較好纖維形貌的納米纖維膜，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探究不同乳液配比紡絲的纖維形貌。含不同PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)（12%、14%、16%）的紡絲乳液在紡絲條件為電壓20 kV、供液速率0.5 mL/h、接收距離12 cm條件下得到的納米纖維膜SEM、纖維直徑分布直方圖如圖2所示。隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)從12%增加到16%，納米纖維的平均直徑從230 nm增加到350 nm，與Ago等的研究結(jié)果相似，即紡絲液組分增加使纖維直徑增加[28]，這是由于PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的紡絲乳液，其黏度更大，導(dǎo)致射流的拉伸程度較小，從而得到了直徑更大的纖維[29]。當(dāng)紡絲乳液中PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，纖維有部分黏連現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诖思徑z條件下，其黏度較低，分子鏈間纏結(jié)不夠[30]；當(dāng)紡絲乳液中PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，纖維表面有個(gè)別顆粒狀物體，這可能是紡絲乳液中的PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大，PVA沒(méi)有完全溶解并凝聚在一起所致。考慮到PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的乳液黏度大，容易堵塞針頭，會(huì)對(duì)紡絲順暢程度產(chǎn)生影響，故后期實(shí)驗(yàn)選擇PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的乳液紡絲。

圖2 不同紡絲乳液PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)下紡絲所得納米纖維膜的SEM圖及直徑分布直方圖Fig.2 SEM images and diameter distribution of nanofiber films prepared at different PVA concentration

2.2.2 紡絲電壓

圖3為紡絲乳液在不同電壓（23、25、27 kV）、供液速率1.0 mL/h、紡絲距離16 cm條件下得到的納米纖維膜的SEM圖和直徑分布直方圖。隨著紡絲電壓由23 kV升高到27 kV，納米纖維的平均直徑從510 nm增加至530 nm，平均直徑變化較小。當(dāng)電壓為23 kV時(shí)，纖維較為卷曲，有部分纖維黏連在一起，纖維間有少量液滴狀分布，纖維的直徑分布在300～700 nm之間；隨著電壓升高至27 kV，纖維黏連的情況有所減少，纖維變得更直，纖維表面的液滴分布減少，形貌變得更好，纖維直徑分布更集中，主要集中在425～680 nm之間。這是因?yàn)樵诟唠妷簵l件下，產(chǎn)生了較大的電場(chǎng)力[31]，這使得射流所帶的電荷增加，增大了電荷間的排斥力，從而可以得到更好形貌的纖維。

圖3 不同電壓條件下紡絲得到的納米纖維膜的SEM圖及直徑分布直方圖Fig.3 SEM images and diameter distribution of nanofiber films prepared at different spinning voltages

2.2.3 接收距離

為了成功收集纖維，靜電紡絲時(shí)必須有適當(dāng)?shù)慕邮站嚯x，才能有足夠的時(shí)間使溶劑（去離子水）揮發(fā)。圖4為乳液在不同接收距離（10、14、18 cm）、供液速率1.0 mL/h、紡絲電壓25 kV條件下紡絲納米纖維膜的SEM以及直徑分布直方圖。當(dāng)接收距離為10 cm時(shí)，由于距離過(guò)近，溶劑沒(méi)有揮發(fā)完全就已經(jīng)落在了接收滾筒上，導(dǎo)致纖維發(fā)生黏結(jié)。接收距離為10、14、18 cm時(shí)，纖維的平均直徑分別為430、560、570 nm；接收距離從10 cm增加至18 cm，纖維的平均直徑增加了140 nm。這是由于接收距離增加后，紡絲液溶劑的揮發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，降低了射流所受的電場(chǎng)力，最終使得纖維的直徑增大[32]。

圖4 不同接收距離條件下紡絲得到的納米纖維膜的SEM圖以及直徑分布直方圖Fig.4 SEM images and diameter distribution of nanofiber films prepared at different receiving distances

從SEM圖和直徑分布圖來(lái)看，紡絲乳液靜電紡絲的最佳條件為電壓25 kV、接收距離18 cm、供液速率1.0 mL/h，所制得的納米纖維形貌良好，平均直徑為570 nm。后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用纖維膜均在此條件下紡絲得到。

2.3 紡絲乳液納米纖維膜的TEM觀察結(jié)果

由圖5可以看出，當(dāng)美藤果油、PVA、吐溫-80的質(zhì)量比為5∶14∶1時(shí)，在乳液紡絲的過(guò)程中，形成了以美藤果油為核、PVA為殼的核殼結(jié)構(gòu)纖維，其中深色部分是核層，明亮部分為殼層，美藤果油較為均勻地分布在纖維中。當(dāng)乳液中的油相質(zhì)量占比較低時(shí)（圖5C），紡絲也可得到核殼結(jié)構(gòu)的纖維，但核層很細(xì)，并且很不均勻地隨機(jī)分布在纖維中；隨著乳液中油相占比增大（圖5B），纖維中的核層也相應(yīng)變粗；然而當(dāng)油相的質(zhì)量占比繼續(xù)增加（圖5A），纖維卻無(wú)法形成核殼結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楫?dāng)油相質(zhì)量占比過(guò)大時(shí)，水相無(wú)法將油相完全包裹，形成不了穩(wěn)定的水包油型乳液[33]，故無(wú)法得到核殼結(jié)構(gòu)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將僅討論含14% PVA且美藤果油、PVA、吐溫-80質(zhì)量比為5∶14∶1的紡絲乳液在最佳條件下紡絲制得的納米纖維膜的性質(zhì)。

圖5 紡絲乳液納米纖維膜的TEM圖Fig.5 TEM images of nanofiber films

2.4 美藤果油、PVA顆粒及乳液納米纖維膜熱特性結(jié)果

由圖6A可知，與PVA顆粒和美藤果油相比，納米纖維膜的熱重曲線發(fā)生了變化，說(shuō)明美藤果油被成功包埋進(jìn)納米纖維膜。由圖6B可知，美藤果油的熱性能很穩(wěn)定，在溫度低于439.1 ℃時(shí)不會(huì)分解；制備成納米纖維膜后熱穩(wěn)定性有所降低，乳液納米纖維膜在低于330.3 ℃時(shí)顯示出良好的穩(wěn)定性。乳液納米纖維膜熱重分析一階微分曲線出現(xiàn)了3 個(gè)峰，對(duì)應(yīng)加熱過(guò)程中3 次質(zhì)量損失速率較快時(shí)的溫度，第1次質(zhì)量損失緣自自由水的蒸發(fā)；第2次質(zhì)量損失主要緣自小分子物質(zhì)的分解；第3次質(zhì)量損失發(fā)生在330.3～453.1 ℃，主要緣自納米纖維膜中美藤果油脂質(zhì)的分解。對(duì)比純PVA，加入美藤果油的乳液電紡納米纖維膜的DSC曲線發(fā)生了變化（圖7），乳液納米纖維膜有兩個(gè)特征吸收峰，在73.8 ℃處出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，在190.9 ℃處出現(xiàn)第二個(gè)吸熱峰，為PVA分解的吸熱峰。纖維膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為140.4 ℃，比PVA顆粒的Tg低，這是因?yàn)橹瞥衫w維膜后，纖維膜內(nèi)部具有較大的孔隙率，空腔中的空氣在一定程度上增強(qiáng)了纖維膜的韌性，從而使其Tg降低。

圖6 美藤果油、PVA顆粒及乳液納米纖維膜的熱重分析（A）及其一階微分曲線（B）Fig.6 Thermogravimetric analysis (A) and first-order differential curves (B)of sacha inchi oil, PVA particles and emulsion nanofiber membrane

圖7 PVA顆粒（A）和乳液納米纖維膜（B）的DSC升溫掃描圖Fig.7 Differential scanning calorimetry curves of PVA particles (A)and emulsion nanofiber membrane (B)

2.5 FTIR分析結(jié)果

由圖8可見(jiàn)，PVA的特征吸收峰是3 418 cm-1處的O-H伸縮振動(dòng)峰[34]；美藤果油的特征吸收峰是1 746 cm-1處脂肪酸酯鍵中C＝O伸縮振動(dòng)峰和3 011 cm-1處烯烴雙鍵上＝C—H伸縮振動(dòng)峰[35]。靜電紡絲后，在纖維膜上可以觀測(cè)到美藤果油的兩個(gè)特征吸收峰，但美藤果油1 746 cm-1處脂肪酸酯鍵中C＝O的伸縮振動(dòng)峰和3 011 cm-1處烯烴雙鍵上＝C—H的伸縮振動(dòng)峰分別移動(dòng)到1 745 cm-1處和3 010 cm-1處，并且強(qiáng)度變?nèi)酰欢鳳VA在3 418 cm-1處O—H的伸縮振動(dòng)峰移動(dòng)至3 390 cm-1處，這是由于PVA的羥基發(fā)生了締合作用，這些變化說(shuō)明乳液納米纖維膜不是對(duì)各個(gè)成分進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理混合，而是實(shí)現(xiàn)了對(duì)美藤果油的成功包埋。

圖8 美藤果油、PVA顆粒及乳液納米纖維膜的FTIR圖譜Fig.8 FTIR spectra of emulsion nanofiber membrane, PVA particles and sacha inchi oil

2.6 納米纖維膜的親水性

由圖9可以看出，液滴在與兩組纖維膜接觸的5 s內(nèi)均被纖維膜吸收完全，這是由于PVA表面含有大量羥基基團(tuán)，具有較強(qiáng)的親水性。水滴與純PVA納米纖維膜接觸1 s時(shí)的水接觸角為75.93°，隨著美藤果油的加入，乳液紡絲獲得的纖維膜使得PVA的羥基發(fā)生了締合作用，使接觸角增加至81.54°；純PVA纖維膜在與水滴接觸3 s時(shí)的接觸角為44.14°，而乳液納米纖維膜表面接觸角為76.34°。

圖9 乳液納米纖維膜表面的水接觸角Fig.9 Schematic of water contact angle on emulsion nanofiber membrane surface

2.7 納米纖維膜的機(jī)械性能

由表2可知，純PVA納米纖維膜和乳液納米纖維膜的抗拉強(qiáng)度分別為4.66 MPa和5.51 MPa，彈性模量分別為19.72 MPa 和19.96 MPa。在美藤果油/PVA納米纖維膜中，美藤果油的添加可以提高纖維膜拉伸性能，使纖維膜具有一定的彈性和韌性。

表2 納米纖維膜的機(jī)械性能Table 2 Mechanical properties of nanofiber membranes

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)利用乳液靜電紡法成功制備美藤果油/PVA納米纖維，通過(guò)測(cè)定紡絲乳液的電導(dǎo)率和黏度，并采用SEM和TEM表征納米纖維的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，確定乳液最佳配比為美藤果油、PVA、吐溫-80的質(zhì)量比為5∶14∶1，在紡絲電壓25 kV、接收距離18 cm、供液速率1.0 mL/h紡絲條件下制備的納米纖維表面光滑且直徑分布較為均一。乳液電紡可形成核殼結(jié)構(gòu)，提高美藤果油的質(zhì)量占比可使納米纖維的核層變粗；但當(dāng)油相占比過(guò)大時(shí)無(wú)法形成穩(wěn)定的乳液，從而不利于形成核殼結(jié)構(gòu)。熱特性分析和FTIR分析結(jié)果表明納米纖維膜成功包埋美藤果油并在溫度低于330.3 ℃的條件下顯示出良好的穩(wěn)定性。接觸角測(cè)量結(jié)果表明制得的納米纖維膜具有優(yōu)良的親水性能，加入美藤果油紡絲使納米纖維膜接觸角有所增大。機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明在乳液納米纖維膜中，美藤果油的添加可以提高納米纖維膜拉伸性能。本實(shí)驗(yàn)研究了乳液電紡絲法包埋美藤果油的可能性，為美藤果油的高值化利用及乳液靜電紡絲法包封脂溶性生物活性物質(zhì)提供了參考。