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，謝藍華

（1.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642；2.杜冰專家工作站，云南 普洱 665000）

靜電紡絲技術可以使溶液在靜電力的作用下，拉伸形成納米或微米級纖維[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所制得的纖維具有的優點[2]，靜電紡絲技術也可用于制備核殼結構[3]或中空結構[4]纖維等生物材料。目前組織工程[5]、創傷敷料[6]、藥物控制釋放[7]、固定化酶[8]、生物傳感器[9]等多領域都有研究涉及到電紡技術，靜電紡絲在食品封裝活性成分和食物包裝材料市場具有良好的應用前景[10]。目前，食品領域利用靜電紡絲的研究一般是制備聚合物和多糖、蛋白質等納米纖維，而很少將其應用于封裝生物活性物質[11]。

乳液靜電紡絲可將油包水型或水包油型乳液紡絲成膜，把親水或疏水物質包裹在纖維中[12]，乳液電紡包埋不會影響生物活性物質活性。Cai Ning等用Pickering乳液實現了電紡包封鹽酸萬古霉素，發現與共混電紡相比，乳液電紡包封具有更長的緩釋時間[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內顯示出良好的抗菌活性[15]。

美藤果油為我國近年來批準的新型資源食品，其含有豐富的生育酚、亞麻酸[16]等活性成分，被譽為“森林深海魚油”[17]。美藤果油因其含有較高的活性成分和獨特的感官特征而受到重視[18]，可用于食品、醫藥等領域[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，減輕大鼠肝臟脂質代謝失調[20]。但目前有關美藤果油的研究大多還停留在分析其成分性質，而很少有關于開發基于美藤果油應用的研究。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）具有優良的生物相容性、降解性[21]和可紡性，常用于和其他物質共混紡絲。本研究首先制備穩定的美藤果油/PVA水包油型乳液，然后利用靜電紡絲技術成功制備了基于上述乳液的納米纖維及纖維膜，成功實現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

美藤果油由華南農業大學食品學院提供。

食品級吐溫-80 無限極（中國）有限公司；正己烷上海潤捷化學試劑有限公司；PVA（型號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 佛山輕子精密測控技術有限公司；DDS-11A電導率儀 上海儀電科學儀器股份有限公司；NDJ-1旋轉黏度計 上海昌吉地質儀器有限公司；FA2104電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；SDC-100接觸角測量儀 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Thermo公司；Vertex 70傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀 德國Bruker公司；TG209F1熱重分析儀、DSC214差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC） 德國NETZSCH公司；Verios 460掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）美國EDAX公司；抗拉強度測試儀 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

稱取一定量的PVA，用去離子水攪拌至完全溶解，得到水相；按比例稱量美藤果油和吐溫-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 紡絲液電導率及黏度的測定

稱取PVA，使用去離子水配制質量分數分別為8%、10%、12%的純PVA溶液；按照美藤果油、PVA、吐溫80質量比為1∶9∶0.5，稱取PVA終質量分數分別為8%、10%、12%的紡絲乳液對應的美藤果油及吐溫-80質量，配制紡絲乳液，使用DDS-11A電導率儀，將電極浸沒到待測溶液中，室溫（25 ℃）下測定紡絲液（純PVA溶液和紡絲乳液）的電導率。

使用NDJ-1旋轉黏度計，選擇合適的轉子，將轉子浸沒入待測樣品溶液，在室溫（25 ℃）下測定紡絲液的黏度。

1.3.3 納米纖維的制備

使用E02-001靜電紡絲機制備納米纖維，紡絲機由高壓電源、注射泵、注射器、噴絲針頭及滾筒構成。將配好的紡絲液按設定的條件參數（紡絲電壓、供液速率、噴絲針頭與滾筒之間的接收距離）進行紡絲，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 樣品的形態結構表征

1.3.4.1 SEM觀察

用導電交將納米纖維膜裁剪成小塊的待測樣品粘貼在樣品臺上，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軟件測量獲取。

1.3.4.2 TEM觀察

直接將銅網貼于接收纖維膜的鋁箔紙上，在紡絲的過程中收集一定量的納米纖維膜，在TEM下觀察其微觀結構。

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定性，操作條件：N2環境下以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 ℃范圍內進行，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構變化情況，設定參數：分辨率4 cm-1、掃描波數范圍4 000～400 cm-1。

1.3.5 納米纖維膜的親水性測定

采用SDC-100接觸角測量儀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 納米纖維膜的機械性能測定

將纖維膜裁剪成60 mm×10 mm的長方形試樣條，在纖維膜上隨意取3 個點，用厚度儀測定其厚度，取平均值為纖維膜厚度。將納米纖維膜置于抗拉強度測量儀上，在室溫下進行拉伸實驗。采用100 N傳感器，拉伸速率為100 mm/min，有效拉伸長度為45 mm。

1.4 數據處理與分析

所有數據采用Excel軟件處理，結果以3 次測定得到的平均值±標準差表示，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 紡絲液黏度、電導率及純PVA乳液紡絲得到的納米纖維膜微觀結構

納米纖維的形貌和性質與紡絲液的黏度和電導率有關[24-25]，若溶液的黏度過大，射流不易穩定，得到的纖維通常會很不均勻，若黏度過小紡絲液無法形成射流，將很難獲得纖維[26]；若紡絲液的導電性能不好，噴射流在電場力的作用下，將無法得到充分拉伸形成纖維。由表1可知，隨著PVA質量分數的增加，純PVA溶液和紡絲乳液中帶電離子數均增多，電導率升高[27]。適當地增加乳液中PVA質量分數將有助于后續紡絲得到更好纖維形態的纖維膜。圖1A～C分別為質量分數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PVA質量分數為8%時，溶液的黏度為177.00 mPa·s，電導率為4.36 μS/cm，紡絲得到的納米纖維會存在大面積黏連和串珠的情況，這是因為紡絲乳液的黏度過小，導電性不佳，在同樣的紡絲條件下纖維沒有得到很好的拉伸，且紡絲乳液中的水分沒有充足的時間揮發。當PVA的質量分數提高到12%時，溶液黏度增加到1 483.33 mPa·s，電導率升高至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率Table 1 Viscosity and conductivity of spinning solutions

圖1 不同質量分數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 紡絲參數對紡絲乳液納米纖維膜形貌的影響

2.2.1 紡絲乳液中的PVA質量分數

在制備純PVA溶液紡絲時，PVA質量分數為12%可以獲得較好纖維形貌的納米纖維膜，在此基礎上繼續探究不同乳液配比紡絲的纖維形貌。含不同PVA質量分數（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質量分數從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質量分數高的紡絲乳液，其黏度更大，導致射流的拉伸程度較小，從而得到了直徑更大的纖維[29]。當紡絲乳液中PVA質量分數為12%時，纖維有部分黏連現象，這是因為在此紡絲條件下，其黏度較低，分子鏈間纏結不夠[30]；當紡絲乳液中PVA質量分數為16%時，纖維表面有個別顆粒狀物體，這可能是紡絲乳液中的PVA質量分數過大，PVA沒有完全溶解并凝聚在一起所致。考慮到PVA質量分數為16%的乳液黏度大，容易堵塞針頭，會對紡絲順暢程度產生影響，故后期實驗選擇PVA質量分數為14%的乳液紡絲。

圖2 不同紡絲乳液PVA質量分數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。當電壓為23 kV時，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。這是因為在高電壓條件下，產生了較大的電場力[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，靜電紡絲時必須有適當的接收距離，才能有足夠的時間使溶劑（去離子水）揮發。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。當接收距離為10 cm時，由于距離過近，溶劑沒有揮發完全就已經落在了接收滾筒上，導致纖維發生黏結。接收距離為10、14、18 cm時，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，紡絲液溶劑的揮發時間延長，降低了射流所受的電場力，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。后續實驗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觀察結果

由圖5可以看出，當美藤果油、PVA、吐溫-80的質量比為5∶14∶1時，在乳液紡絲的過程中，形成了以美藤果油為核、PVA為殼的核殼結構纖維，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。當乳液中的油相質量占比較低時（圖5C），紡絲也可得到核殼結構的纖維，但核層很細，并且很不均勻地隨機分布在纖維中；隨著乳液中油相占比增大（圖5B），纖維中的核層也相應變粗；然而當油相的質量占比繼續增加（圖5A），纖維卻無法形成核殼結構，這是因為當油相質量占比過大時，水相無法將油相完全包裹，形成不了穩定的水包油型乳液[33]，故無法得到核殼結構。后續實驗將僅討論含14% PVA且美藤果油、PVA、吐溫-80質量比為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。

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生了變化，說明美藤果油被成功包埋進納米纖維膜。由圖6B可知，美藤果油的熱性能很穩定，在溫度低于439.1 ℃時不會分解；制備成納米纖維膜后熱穩定性有所降低，乳液納米纖維膜在低于330.3 ℃時顯示出良好的穩定性。乳液納米纖維膜熱重分析一階微分曲線出現了3 個峰，對應加熱過程中3 次質量損失速率較快時的溫度，第1次質量損失緣自自由水的蒸發；第2次質量損失主要緣自小分子物質的分解；第3次質量損失發生在330.3～453.1 ℃，主要緣自納米纖維膜中美藤果油脂質的分解。對比純PVA，加入美藤果油的乳液電紡納米纖維膜的DSC曲線發生了變化（圖7），乳液納米纖維膜有兩個特征吸收峰，在73.8 ℃處出現一個吸熱峰，在190.9 ℃處出現第二個吸熱峰，為PVA分解的吸熱峰。纖維膜的玻璃化轉變溫度Tg為140.4 ℃，比PVA顆粒的Tg低，這是因為制成纖維膜后，纖維膜內部具有較大的孔隙率，空腔中的空氣在一定程度上增強了纖維膜的韌性，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分析結果

由圖8可見，PVA的特征吸收峰是3 418 cm-1處的O-H伸縮振動峰[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伸縮振動峰和3 011 cm-1處烯烴雙鍵上＝C—H伸縮振動峰[35]。靜電紡絲后，在纖維膜上可以觀測到美藤果油的兩個特征吸收峰，但美藤果油1 746 cm-1處脂肪酸酯鍵中C＝O的伸縮振動峰和3 011 cm-1處烯烴雙鍵上＝C—H的伸縮振動峰分別移動到1 745 cm-1處和3 010 cm-1處，并且強度變弱；而PVA在3 418 cm-1處O—H的伸縮振動峰移動至3 390 cm-1處，這是由于PVA的羥基發生了締合作用，這些變化說明乳液納米纖維膜不是對各個成分進行簡單的物理混合，而是實現了對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內均被纖維膜吸收完全，這是由于PVA表面含有大量羥基基團，具有較強的親水性。水滴與純PVA納米纖維膜接觸1 s時的水接觸角為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 納米纖維膜的機械性能Table 2 Mechanical properties of nanofiber membranes

3 結 論

本實驗利用乳液靜電紡法成功制備美藤果油/PVA納米纖維，通過測定紡絲乳液的電導率和黏度，并采用SEM和TEM表征納米纖維的性質和結構，確定乳液最佳配比為美藤果油、PVA、吐溫-80的質量比為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構，提高美藤果油的質量占比可使納米纖維的核層變粗；但當油相占比過大時無法形成穩定的乳液，從而不利于形成核殼結構。熱特性分析和FTIR分析結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定性。接觸角測量結果表明制得的納米纖維膜具有優良的親水性能，加入美藤果油紡絲使納米纖維膜接觸角有所增大。機械性能測試結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。本實驗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提供了參考。