以牛至精油為芯材的普魯蘭多糖/熱塑性聚氨酯同軸靜電紡絲膜的制備及對海鱸魚魚片的保鮮性能

黃艷茹，丁 潔，劉亮軍，楊 旭，李秋瑩，葛永紅，勵建榮，孫 彤,*

（1.渤海大學食品科學與工程學院，海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 錦州 121013；2.上海合全藥物研發有限公司，上海 200120；3.青海民澤龍羊峽生態水殖有限公司，青海 海南藏族自治州 811800）

隨著科技的進步和社會的發展，食品安全已成為一個具有挑戰性的問題，特別是對于易腐水產品[1]。海鱸魚味道鮮美、脂肪含量低，富含人體必需的氨基酸、不飽和脂肪酸、蛋白質和微量元素，廣受消費者喜愛[2]。但由于其內源酶和腐敗微生物促進了蛋白質水解和脂肪氧化，極易導致海鱸魚腐敗變質，進而影響其商業價值。因此，提高海鱸魚的鮮度品質、延長其貨架期是一個亟待解決的問題。

為了解決這一問題，本研究采用聚合物包埋抗菌、抗氧化劑，開發生物活性食品包裝材料，以期抑制魚類的腐敗變質。植物精油普遍存在于植物的各個部分，是具有揮發性的芳香化合物，很多植物精油被視為天然防腐劑[3]。牛至是唇形科牛至屬植物，從牛至中提取的牛至精油（oregano essential oil，OEO）富含生物活性物質，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的生長均有抑制作用，同時還具有抗炎作用[4]。OEO的抗菌活性與其主成分百里香酚（thymol，Thy）和香芹酚（carvacrol，Car）有關[4]。Thy和Car是5-甲基-2-異丙基苯酚的同分異構體，它們有相似的抗菌性，可以對細胞膜造成結構和功能性的損傷；此外，Thy和Car還有很強的抗氧化活性[5]。近年來，OEO已被廣泛用于食品、制藥、化妝品和飼料行業[6]。然而，與其他的植物精油一樣，若直接暴露于熱、光或氧氣中，其很容易蒸發或分解[7]。為了提高使用過程中植物精油的穩定性，同時克服其易揮發性，人們開發了微膠囊和納米脂質體等封裝方法[8-9]。同軸靜電紡絲是近年來興起的新技術，可以用于生產具有核/殼結構的纖維，產品具有高比表面積、高孔隙率、高封裝效率等特點，有利于改善化合物的功能特性[10]。普魯蘭多糖（pullulan polysaccharide，Pul）是葡萄糖的線性均聚糖，具有與其他天然聚合物相似的可降解性及優異的成膜性、可塑性和生物相容性，已廣泛應用于食品添加劑和環境修復劑等多個領域[11]。熱塑性聚氨酯（thermo plastic polyurethane，TPU）是一種良好的工程熱塑性彈性體材料，具有良好的拉伸性、熱穩定性、透氣性和生物相容性，被廣泛用于傷口涂敷等生物醫學領域，同時也逐漸應用于食品領域[12-13]。

本研究采用同軸靜電紡絲技術制備OEO-Pul/TPU同軸靜電紡絲膜，并表征其微觀形貌，測定其理化性能和抗菌、抗氧化活性，評價其對海鱸魚魚片的保鮮效果。本研究可為生物保鮮劑及同軸靜電紡絲技術在生鮮水產品保鮮中的應用提供理論參考和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活海鱸魚購于遼寧省錦州市海鮮市場，質量為（1.80±0.10）kg。

TPU（1180A） 德國巴斯夫股份有限公司；Pu l、十六烷基三甲基溴化銨（純度為9 9%，cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）、2-硫代巴比妥酸（2-thiobarbituric acid，TBA）（純度為98%）、溴甲酚綠（pH 3.8～5.4） 上海麥克林生化科技有限公司；平板計數瓊脂培養基 北京奧博星生物技術有限責任公司；溴化鉀（光譜純）北京市津同樂泰化工產品有限公司；其他試劑均為分析純；去離子水（電導率低于15 μS/cm）為自制。

1.2 儀器與設備

7890 N/ 5945 氣相色譜-質譜聯用（gaschromatography-mass spectrometry，GC-MS）儀、Scimitar 2000傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）儀 美國安捷倫公司；MS-105DU電子分析天平 瑞士梅特勒托利多儀器有限公司；DF-II型集熱式磁力攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；ET-LB39H靜電紡絲儀 北京永康樂業科技發展有限公司；DZF-1B真空干燥箱 山東鄄城威瑞科教儀器有限公司；TA-XT-PLUS質構儀 英國Stable Micro Systems公司；S-4800場發射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司；Jeol-1230場發射透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）日本電子株式會社；OCA 25視頻光學接觸角測量儀 德國數據物理儀器有限公司；Q2000 差示掃描量熱儀 上海蔡睿科學儀器有限公司；Pyris Diamond熱重分析儀 美國PE公司；Rigaku-Ultima IV X射線粉末衍射（X-ray powder diffraction，XRD）儀 日本理學公司；LRH-150型生化培養箱 上海一恒科學儀器有限公司；PHS-3C雷磁酸度計 鄭州長城科工貿有限公司；UV-2550紫外-可見分光光度計 日本島津公司；T25數顯型均質機 上海珂淮儀器有限公司；Bagmixer 400W拍擊式均質機 上海智理科學儀器有限公司；K9840凱氏定氮儀 鄭州海能儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 OEO的GC-MS分析

采用GC-MS技術（HP-5MS色譜柱（30 m×250 μm，0.25 μm），載氣為He，電子轟擊（electron impact，EI）離子源）分析OEO的主成分。將OEO用正己烷稀釋10 000 倍，進樣量1 μL，進樣口溫度250 ℃，流速1 mL/min，m/z50～1 000全掃描。

1.3.2 同軸靜電紡絲膜的制備

取TPU 15.00g，在磁力攪拌的條件下溶于100.0 mLN,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide，DMF）和四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）的混合溶液（體積比4∶1）中，再加入0.5 g CTAB，攪拌至完全溶解，得到15.0% TPU溶液。取0.50 g Pul溶于10.0 mL DMF溶液中，再分別加入0.300 0 g Thy、Car或OEO，攪拌至完全溶解，得Thy-Pul溶液、Car-Pul溶液和OEO-Pul溶液，不加生物保鮮劑即得Pul溶液。分別以Thy-Pul溶液、Car-Pul溶液、OEO-Pul溶液和Pul溶液為芯層，以TPU溶液為殼層，在下述條件下進行靜電紡絲，制備同軸靜電紡絲膜。靜電紡絲條件：正電壓17.76 kV、負電壓－1.80 kV、殼層流速0.2 mm/min、芯層流速0.1 mm/min、接收距離24.0 cm、平移速率300 mm/min、溫度（25±1）℃、相對濕度40%～50%。紡絲結束后揭膜，密封保存。

1.3.3 同軸靜電紡絲膜的表征

同軸靜電紡絲復合薄膜在20 kV噴金處理3 min后用場發射SEM觀察其微觀形貌。在SEM圖像中測量同軸靜電紡絲纖維的直徑，采用ImageJ軟件計算纖維的直徑分布[14]。靜電紡絲過程中在銅網上接收同軸靜電紡絲纖維，用TEM觀察其核殼結構[14]。將同軸靜電紡絲膜裁剪成邊長1 cm的正方形薄膜用于XRD分析，測定條件：CuKα輻射為40 kV，50 mA，步長為0.02°，掃描范圍為5°～70°。將適量樣品剪碎后與KBr（1∶100，m/m）混合，充分研磨后壓片，用FTIR儀進行FTIR分析，測定條件：4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1[15]。采用差示掃描量熱儀和熱重分析儀在氮氣條件下測定薄膜的熱穩定性。前者測試溫度范圍為40～240 ℃，后者為30～600 ℃，升溫速率均為10 ℃/min[16]。

1.3.4 同軸靜電紡絲膜理化性能的測定

取長40 mm、寬20 mm的薄膜，采用TA-XT-PLUS質構儀在拉伸速率為2.0 mm/s的條件下測定其拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation break，EB）[17]。采用質量法測定樣品的水蒸氣透過率（water vapor transmission rate，WVTR）[18]，將樣品密封于裝有3.00 g無水氯化鈣的稱量瓶中，稱量后記錄初始質量。將稱量瓶放入底部裝有飽和氯化鈉溶液的干燥器中，48 h后每2 d測定一次質量，為期1 周，WVTR按下式計算。

式中，WVTR為水蒸氣透過率/（g/（m2·d））；Δm為稱量杯質量增加量/g；S為樣品的有效面積/m2；t為測定時間/d。

將靜電紡絲膜裁成1 cm×2 cm的長方形，采用質量法測定膜的含水量（water content，WC）、溶脹度（swelling degree，SD）和水溶性（water-solubility，WS），參考Alizadeh-Sani等[19]的方法計算。采用切線法，用視頻光學接觸角測量儀測量靜電紡絲膜對水的靜態接觸角，每個樣品選取5 個不同位置滴加蒸餾水測定[20]。

1.3.5 同軸靜電紡絲膜中保鮮劑釋放性能的測定

取2 cm×2 cm靜電紡絲膜于100 mL的磷酸鹽緩沖液（50 mmol/L，pH 7.4）中，保存于4 ℃冰箱，一定時間后取1.0 mL溶液，測定274 nm波長處的吸光度，根據標準曲線計算芯材保鮮劑釋放率，并繪制釋放曲線。取樣后再補充等體積磷酸鹽緩沖液。

1.3.6 海鱸魚魚片的保鮮

1.3.6.1 海鱸魚魚片的處理

鮮活海鱸魚用冰猝死后去頭、去皮、去內臟，取兩側魚肉，每片質量（100±5）g。用無菌水清洗魚肉，用無菌紙擦拭干其表面水分備用。

在無菌操作臺中，分別取實驗制備的同軸靜電紡絲膜，于20 W、254 nm波長的紫外燈下0.5 m照射30 min以殺滅其表面微生物。將擦拭干凈的魚片放于10 cm×10 cm的正方形同軸靜電紡絲膜上，并整體放在有少量透氣孔的塑料包裝盒中，4 ℃貯藏，每3 d取樣一次，測定鮮度指標。將無菌紙拭干表面的魚片置于塑料包裝盒中作為對照樣品。

1.3.6.2 同軸靜電紡絲膜抗菌性能的測定

以腐敗希瓦氏菌和熒光假單胞菌為研究對象。用LB肉湯調節新鮮菌液至OD595nm≈0.5，取200 μL菌懸液于10.0 mL新的LB肉湯中，放入裁剪好的2 cm×2 cm靜電紡絲膜，2 8 ℃搖床中培養一定時間后測定菌懸液的OD595nm。

1.3.6.3 魚片新鮮度的測定

選取10 名水產組同學，按照雷志方等[21]的方法，從色澤、氣味、外觀、質地不同方面對魚片進行感官評分。其中10 分為最佳，3 分為可接受最低值。取10.00 g魚肉置于無菌蒸煮袋中，倒入90 mL無菌生理鹽水，用拍打均質機拍打60 s，靜置后進行梯度稀釋，取適當濃度的稀釋液，按照楊華等[22]的方法測定魚肉的菌落總數（total viable count，TVC）。稱取5.00 g攪碎的魚肉，加入45 mL去離子水，均質后靜置30 min，按照王明等[23]的方法測定魚肉的pH值。稱取10.00 g攪碎的魚肉，加入25 mL去離子水，高速均質后加入25.0 mL 50 g/L的三氯乙酸，攪拌均勻后靜置30 min過濾。再取5.00 mL 0.02 mol/L TBA與5.00 mL濾液混合，置于90 ℃恒溫水浴反應30 min，冷水冷卻至室溫，以三氯乙酸為對照，測定樣品在532 nm波長處的吸光度，按照張冉等[24]的方法測定魚片的TBA值。稱取5.00 g攪碎的魚肉，加入40 mL去離子水，均質后過濾，收集濾液，按照王當豐等[25]的方法，采用凱氏定氮儀測定魚片的總揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值。

1.4 數據統計與分析

對薄膜表面水接觸角進行5 次平行測定，其余實驗均進行3 次平行測定，結果以平均值±標準偏差表示。采用SPSS 25.0軟件進行統計學以及顯著性分析（單因素方差分析），采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 OEO-Pul/TPU同軸靜電紡絲膜的表征及性能分析結果

2.1.1 靜電紡絲膜的微觀形態和結構表征

GC-MS檢測結果表明，OEO中含98.48%（質量分數，下同）的Car和0.36%的Thy。靜電紡絲膜的纖維形態及其尺寸會受所用材料、溶液黏度和電導率等因素的影響[26]。如圖1A1、A3所示，Pul/TPU同軸靜電紡絲納米纖維表面光滑、無斷裂，形成三維網絡結構，但粗細不均，平均直徑為（149.50±45.60）nm。如圖1B1～D1、B3～D3所示，加入Thy、Car和OEO后，纖維表面依舊光滑，平均直徑分別增大至（196.52±42.80）、（175.47±39.31）nm 和（156.18±40.94）nm，說明保鮮劑的加入不僅對同軸靜電紡絲纖維的形態無明顯的影響，且可使纖維變粗，并使單個纖維直徑更為均勻。這可能是由于多糖糖苷鍵的氧原子與多酚的羥基相互作用，使分子間氫鍵作用增強[27]；或是由于保鮮劑的加入改變了Pul溶液的特性[28]，使聚合物鏈結的纏結程度增強，進而提高了溶液黏度。如圖1A2～D2所示，纖維均呈現出同軸結構，說明靜電紡絲纖維形成過程中，芯材與殼層脫溶劑后未完全混勻，有明顯的分界面。

圖1 同軸靜電紡絲膜的SEM圖像、TEM圖像和纖維直徑分布Fig.1 SEM and TEM images and fiber diameter distribution of coaxial electrospinning films

由圖2A可以看出，TPU膜在2θ＝20.80°處出現了較寬的非晶態衍射峰，說明其為非晶態結構；Pul顆粒在2θ＝20.36°處也出現較寬的非晶態衍射峰，為非晶態物質；Thy在2θ＝7.96°、16.88°、19.00°和20.86°處均有尖銳的衍射峰，說明Thy為晶體。與TPU單軸靜電紡絲膜相比，圖2B中Pul/TPU同軸靜電紡絲膜的XRD衍射峰左移，說明殼層和芯層的成膜基質形成了氫鍵或共軛結構，進而影響了膜的非晶態結構；芯層中加入Thy、Car和OEO后，Pul/TPU膜衍射峰右移，說明保鮮劑與多糖之間發生了相互作用，影響了膜的非晶態結構；在加入Thy和OEO的Pul/TPU膜中未發現Thy晶體的衍射峰，可能是由于Thy被包埋于纖維內部，且含量較少，因此未檢出[29]。

圖2 原料及同軸靜電紡絲膜的XRD（A、B）和FTIR（C、D）譜圖Fig.2 XRD (A and B) and FTIR (C and D) spectra of raw materials and coaxial electrospinning films

如圖2C、D所示，3 600～3 300 cm－1處的吸收峰是—OH的伸縮振動峰，2 963～2 857 cm－1附近是甲基和次甲基的C—H伸縮振動峰。如圖2C所示，1 708 cm－1處是氨酯羰基伸縮振動峰，1 533 cm－1處為聚氨酯—C—NH—的振動吸收峰；1 076 cm－1處為多糖1,4-糖苷鍵的伸縮振動吸收峰，924 cm－1和851 cm－1附近分別為Pul的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵的吸收峰[30]。與Thy相比，Car位于3 600～3 300 cm－1處的吸收峰變寬，且向高波數方向移動，說明中Car含有更多的游離—OH，即未形成締合狀態的—OH結構。即Thy有序，而Car分子更加無序，從另一個角度印證了Thy為晶體，Car為非晶態。OEO的—OH振動吸收峰介于兩者之間（圖2C），這是由于OEO為Car和Thy的混合物，與Friné等[31]的研究結果相似。保鮮劑在2 961 cm－1附近有特征峰，歸因于飽和C—H的伸縮振動，其余特征峰主要分布在1 700～1 200 cm－1之間[32]。其中1 622 cm－1處是苯環的C＝C骨架振動峰，1 584 cm－1處是芳香族的彎曲振動峰，1 423、1 354 cm－1處是C—H的面內彎曲振動峰，1 246 cm－1處是C—O的伸縮振動峰。與圖2C相比，圖2D中Pul/TPU纖維膜在3 600～3 300 cm－1處的吸收峰變寬且向低波數方向移動，這可能是由于TPU與Pul之間形成了氫鍵所導致的。Pul/TPU膜的譜圖中出現了Pul糖苷鍵的吸收峰，說明Pul已經被包覆在靜電紡絲纖維中。與圖2D中其他樣品相比，Car-Pul/TPU膜譜圖中位于3 334 cm－1處的吸收峰變寬，且向高波數方向移動，說明Car-Pul/TPU膜中含有更多未形成締合狀態的游離—OH結構，這與二者的晶體狀態分析結果一致。OEO-Pul/TPU膜譜圖中的—OH振動吸收峰介于兩者之間，是由于OEO為Car和Thy的混合物，這與Friné等[31]的研究結果相似。與圖2C相比，圖2D中保鮮劑原來位于1 622、1 584 cm－1和1 246 cm－1處的特征吸收峰分別藍移至1 602、1 533 cm－1和1 226 cm－1處，說明保鮮劑已被成功包覆于靜電紡絲膜中，且與Pul和TPU形成了氫鍵等或形成了共軛結構。

差示掃描量熱儀可通過吸收峰消失或移動情況來表征組分之間的相互作用、分解或溶劑揮發情況。如圖3A所示，與Pul/TPU膜相比，加入保鮮劑后，膜的玻璃化轉化溫度（Tg）顯著降低，這可能是多糖與保鮮劑相互作用影響了其結構導致的。其中Thy-Pul/TPU膜的Tg為71.34 ℃，Car-Pul/TPU膜的Tg為79.98 ℃，這可能是由于Thy和Car的晶體結構差異造成的。而OEO-Pul/TPU膜的Tg介于二者之間，是由于OEO具有多組分，這與Luís等[33]的研究結果一致。

圖3 同軸靜電紡絲膜的差示掃描量熱分析（A）、熱重分析（B）和導數熱重分析（C）圖Fig.3 Differential scanning calorimetry (A),thermogravimetric analysis (B) and derivative thermogravimetry analysis (C) of coaxial electrospinning films

不同樣品的熱穩定性可借助熱重分析進行評估。如圖3B、C所示，靜電紡絲膜熱降解主要分為3 個階段。第一階段，低于100 ℃時的質量損失主要歸因于水和溶劑的蒸發以及保鮮劑中易揮發成分的揮發，這一階段質量損失極少，說明膜的WC極少。第二階段開始于250 ℃左右，靜電紡絲膜表現出相同的熱降解趨勢，這主要歸因于聚合物鏈和保鮮劑的熱降解，此時質量損失率在70%～75%之間。與Pul/TPU膜相比，Thy-Pul/TPU膜的分解溫度無變化，Car-Pul/TPU膜的分解溫度略有提高，這可歸因于非晶體的Car中大量游離—OH與聚合物鏈之間的氫鍵作用力增強。OEOPul/TPU膜的分解溫度下降，這可能是因為OEO中的多組分復合阻斷了部分聚合物分子間氫鍵的形成。第三階段為350～450 ℃，主要是由于聚合物的碳化。上述結果表明，保鮮劑的加入對靜電紡絲膜的熱穩定性影響不顯著。

2.1.2 靜電紡絲膜的理化性能分析

由表1可見，Pul/TPU膜的TS較大，EB較小，加入保鮮劑后膜的TS均減小，EB均增大。這主要是由于保鮮劑的添加破壞了聚合物排列的連續性，同時提高了靜電紡絲膜的柔韌性和聚合物鏈的流動性[35]。

表1 同軸靜電紡絲膜的理化性能Table 1 Physicochemical properties of coaxial nanofiber films

WVTR是研究包裝材料的重要參數，WVTR越低表明膜對水蒸氣的阻隔性能越好。如表1所示，加入保鮮劑后，Pul/TPU膜的WVTR不同程度降低，即其對水蒸氣的阻隔性能增強。這是由于疏水性的保鮮劑均勻分散在靜電紡絲膜的芯層中，同時，靜電紡絲膜的空間網絡結構變化，使水分子擴散路徑更加曲折。此外，精油與Pul官能團之間的相互作用削弱了多糖與水分子間的相互作用，有效抑制了水分子的轉移擴散[36]。

由表1可知，Pul/TPU膜具有較高的WC、SD和WS，這是因為Pul本身具有較多的親水基團[37]。加入保鮮劑后，由于精油的疏水性使靜電紡絲膜的WC顯著降低，或是由于保鮮劑與多糖之間的相互作用，減弱了多糖與水分子間的氫鍵作用[38-39]。

如圖4所示，靜電紡絲膜的水接觸角均小于90°，且經60 s潤濕后，其水接觸角大幅降低，說明樣品均呈親水性。這是由于Pul提供了親水基團，提高了水對靜電紡絲膜表面的潤濕性。加入保鮮劑后，靜電紡絲膜的水浸潤速度低于Pul/TPU膜，這是由于Thy、Car和OEO被有效包裹在靜電紡絲纖維中，改變了同軸靜電紡絲膜的水浸潤性[40]。本研究結果表明，OEO-Pul/TPU膜的水接觸角大于Thy-Pul/TPU膜和Car-Pul/TPU膜，說明OEO精油中的多組分復合更有利于薄膜持水性能的提高，這與WC、SD和WS研究結果相印證。

圖4 同軸靜電紡絲膜的水接觸角Fig.4 Water contact angles of coaxial electrospinning films

2.1.3 靜電紡絲纖維中保鮮劑的釋放特性及動力學分析

一般來說，環境溫度、釋放介質、保鮮劑的溶解性以及載體的SD等因素均會影響靜電紡絲膜中保鮮劑的釋放。如圖5所示，同軸靜電紡絲膜內的保鮮劑在20 h內快速釋放，20～100 h內緩慢釋放，而后其釋放速率更低。分析認為，將包埋保鮮劑的靜電紡絲膜置于磷酸鹽緩沖液中后，膜表面殘留和吸附的保鮮劑瞬間快速釋放。此后，依靠膜纖維內外保鮮劑的濃度差推動其進一步釋放。隨著時間的延長，薄膜的聚合物殼層溶脹、水分滲透率增加、保鮮劑濃度下降，驅動力降低，進而導致其釋放速率逐漸變平緩[41]。說明同軸靜電紡絲膜的核殼結構有效控制了生物保鮮劑的釋放。

圖5 保鮮劑在同軸靜電紡絲膜中的釋放性能Fig.5 Release properties of preservatives in coaxial electrospinning films

表2 為釋放曲線的動力學方程擬合結果。其中Logistic模型（R2＝0.992～0.981）和一級反應動力學模型（R2＝0.961～0.979）的擬合效果最好。在Logistic模型中，Thy的初始釋放速率（A1）以及釋放最快點速率（p）最低，其次是OEO，Car最高。這與保鮮劑結構差異及其在磷酸鹽緩沖液中的溶解性有關，且纖維直徑越大，保鮮劑釋放越緩慢。OEO的最終釋放率（A2）最高，其次是Thy，Car最低。在Car-Pul/TPU膜中，Car的非晶態結構使其與膜基質間的連接自由度更高，Car分子表面大量的游離—OH有利于保鮮劑與膜基質形成高于分子間作用力的氫鍵，在釋放過程中，其所需的濃度推動力更大，故其總釋放率最低。在Thy-Pul/TPU膜中，Thy為晶體物質，分子表面的—OH為締合狀態，故其總釋放率較高。在OEO-Pul/TPU膜中，OEO為Thy和Car等組成的多組分混合物，多組分物質的加入破壞了聚合物排列的連續性，同時提高了膜的柔韌性和聚合物鏈的流動性，OEO與膜基質的結合力較弱，故其總釋放率最高。綜上所述，保鮮劑的釋放行為是崩解與溶出機制的復雜耦合結果，且受纖維基質的控制。

表2 保鮮劑的釋放動力學模型分析Table 2 Release kinetics models of preservatives from coaxial electrospinning films

2.1.4 同軸靜電紡絲膜的抗菌性能

如圖6所示，各同軸靜電紡絲膜對腐敗希瓦氏菌和熒光假單胞菌的抑菌性能相似。未處理和經Pul/TPU膜處理樣品的細菌生長速度較快，在實驗后期，經Pul/TPU膜處理的菌落生長速度更快，這是由于膜材料本身無抗菌性，而其多糖組分為細菌生長繁殖提供了營養。Pul/TPU膜中加入保鮮劑后，抑菌性能顯著增強，其中Car-Pul/TPU膜的抑菌性能優于Thy-Pul/TPU膜，而OEO-Pul/TPU膜的抑菌性能最優。Thy和Car具有較強的抗菌、抗氧化性，可以通過破壞細菌細胞壁和脂質雙分子層改變細胞膜的通透性，打破細胞質中的離子平衡和pH穩態，最終導致細菌死亡[42]。雖然Thy和Car是5-甲基-2-異丙基苯酚的同分異構體，但Thy是晶體物質，而Car呈現非晶態結構，在同等濃度且相同量的條件下，Car的活性基團數量更多，故其抗菌性能更優。OEO中的主成分Thy和Car具有協同增效作用，故其抗菌性能最優。

圖6 同軸靜電紡絲膜對腐敗希瓦氏菌（A）和熒光假單胞菌（B）生長曲線的影響Fig.6 Effect of coaxial electrospinning films on the growth curves of Shewanella putrefaciens (A) and Pseudomonas fluorescens (B)

2.1.5 同軸靜電紡絲膜對海鱸魚魚片的保鮮性能

新鮮魚片呈白色、無異味且具有光澤。如圖7A所示，隨著貯藏時間的延長，所有樣品的感官評分均呈下降趨勢。經Pul/TPU同軸靜電紡絲膜處理的魚片在第9天率先達到不可接受值，未處理魚片在第10天達到不可接受值，而經加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的感官評分下降減緩，在貯藏時間達到12 d時仍大于4 分，其中，經OEO-Pul/TPU膜處理的樣品感官評分最高。由于Pul/TPU膜無抗菌性能，且其多糖組分可為微生物的生長繁殖提供營養物質，故經Pul/TPU膜處理后，魚片的感官評分下降速度高于未處理樣品。當Pul/TPU膜中加入保鮮劑后，保鮮劑作用于魚片，起到抗菌、抗氧化作用，有效延緩了魚片品質的劣變。OEO中的主成分Thy和Car具有協同增效作用，使OEO-Pul/TPU膜處理樣品的感官評分優于同期其他樣品。

圖7 冷藏過程中海鱸魚魚片的品質變化Fig.7 Quality changes of Lateolabrax japonicus fillets treated with coaxial electrospinning films during cold storage

水產品在貯藏期間容易滋生腐敗菌等微生物，其是導致魚類腐敗的主要原因之一。如圖7B所示，隨著貯藏時間的延長，所有樣品的TVC均呈上升趨勢。經Pul/TPU膜處理魚片的TVC上升速度最快，在第9天超過可接受限值（6（lg（CFU/g）））。未處理魚片的TVC略低于同期Pul/TPU膜處理樣品。由于Pul為魚片內微生物提供了營養來源，促進了魚片內微生物的生長繁殖，故經Pul/TPU膜處理后，魚片的TVC上升速度略高于未處理樣品。而經加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的TVC上升緩慢，其中，Car-Pul/TPU膜處理魚片的TVC低于同期Thy-Pul/TPU膜處理魚片，其分別在第11天和第10天達到可接受限值；經OEO-Pul/TPU膜處理魚片的TVC在貯藏至12 d時仍在可接受范圍內。這是由于Car的抗菌性能優于Thy，且OEO的各組分具有協同增效作用，與Pul/TPU膜的抗菌性能研究結果[43]一致。

一般來說，魚體死后體內糖原分解為葡萄糖，無氧呼吸產生乳酸，使魚片的pH值下降。而后，蛋白質和非蛋白質含氮化合物分解為堿性化合物，導致魚片的pH值上升。如圖7C所示，隨著貯藏時間的延長，除經Car-Pul/TPU膜處理魚片的pH值略有下降外，其他樣品的pH值均上升。這可能是由于魚片的蛋白質及含氮化合物分解階段在第3天之前開始，與Vatavali等[44]的研究結果一致。其中，未處理魚片的pH值上升速度最快，經Pul/TPU膜處理魚片的pH值上升速度明顯減緩，加入保鮮劑后效果更佳，Car-Pul/TPU膜處理樣品在貯藏初期的pH值最低，OEO-Pul/TPU膜處理樣品在貯藏后期的pH值上升速度最低。由于Pul/TPU膜具有較強的阻隔性能，可有效阻止外界氧化態物質對魚片的入侵，從而抑制魚片內含氮化合物的分解，進而延緩魚片pH值的上升。而加入保鮮劑之后，薄膜內保鮮劑的緩釋起到了長效保鮮的作用，其作用效果優于Pul/TPU膜處理的樣品。由于Car具有強抗菌性能，且膜中Car的初期釋放速度較大，在貯藏初期，Car-Pul/TPU膜中的Car快速釋放并作用于魚片，有效抑制了魚片內微生物的生長繁殖，延緩了魚片中含氮化合物的分解。同時，由于OEO具有協同增效抗菌性能，且OEO-Pul/TPU膜中OEO的總釋放率最高，在貯藏后期的抗菌、抗氧化性能發揮得更好，故經OEO-Pul/TPU膜處理的魚片在貯藏后期pH值上升速度最低。

魚片的脂肪氧化程度可通過測定其中不飽和脂肪酸的主要降解產物丙二醛的含量來間接確定[45]。如圖7D所示，隨著貯藏時間延長，魚片的TBA值呈上升趨勢，在貯藏終點時仍在可接受范圍內。與未處理魚片相比，經Pul/TPU膜處理的魚片TBA值上升速度更快，第12天時接近0.7 mg/kg，這與TVC的研究結果相印證。而經加入保鮮劑的薄膜處理后，魚片的TBA值在第12天時仍低于0.5 mg/kg，且三者并無明顯差異。這是由于Thy和Car作為多酚類物質能清除自由基，可延緩魚片內脂肪氧化反應的快速進行[46]。

TVB-N是魚肉中微生物生長代謝過程中分解蛋白質及非蛋白質含氮化合物產生的各種堿性含氮化合物，是評價魚肉品質的重要指標[47]。如圖7E所示，隨著貯藏時間延長，魚片TVB-N值呈現上升趨勢。未處理魚片的TVB-N值上升速度最快，在第8天達到可接受限值，Pul/TPU膜處理組次之，經加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的TVB-N值上升速度減緩，其中，經Car-Pul/TPU膜和OEO-Pul/TPU膜處理的效果最優。由于Pul/TPU膜具有一定的阻隔性能，可有效阻止外界氧化態物質對魚片的影響，延緩含氮化合物的分解，所以TVB-N值的上升速率比未處理樣品緩慢。而Pul/TPU靜電紡絲膜內緩釋的保鮮劑有效抑制了魚片內微生物的生長，進而延緩蛋白質分解，并降低了細菌對非蛋白質氮化合物的氧化脫氨基能力，抑制TVB-N值的快速上升[48]。此外，由于Car和OEO的抗菌性能更優，可延緩魚片蛋白質的分解，故Car-Pul/TPU膜和OEO-Pul/TPU膜有效抑制了魚片TVB-N值的增加。

3 結論

本研究采用靜電紡絲技術制備了以OEO及其主成分Thy和Car為芯材的Pul/TPU同軸靜電紡絲膜。與純Pul/TPU膜相比，加入保鮮劑后，靜電紡絲纖維變粗，且單個纖維的直徑更均勻。保鮮劑被成功包覆于靜電紡絲膜中，且與芯層基材和殼層物質形成了高于分子間作用力的相互作用，影響了膜的非晶態結構，使靜電紡絲膜的Tg、TS、SD顯著降低，水蒸氣阻隔性能和潤濕性得到改善。Pul/TPU靜電紡絲膜中保鮮劑的釋放行為是崩解與溶出機制的復雜耦合，且其核殼結構可以有效控制保鮮劑的釋放。包埋OEO及其主成分的Pul/TPU靜電紡絲膜可有效抑制魚片微生物的生長繁殖和蛋白質、脂肪的氧化，降低魚片TVC、pH值、TBA值和TVB-N值的上升速度。且OEO中的主成分Car和Thy具有協同增效作用，使魚片的貨架期從8 d延長至12 d。本研究以天然多糖和生物保鮮劑為原料，通過靜電紡絲技術制備食品包裝材料，為解決水產品在貯藏過程中腐敗變質的問題提供了理論支持，該方法在食品包裝貯藏領域具有良好的應用前景。