負載兒茶素的聚乙烯醇/殼聚糖電紡膜的構建及性能分析

方超逸，肖菲菲，陳宇樺，鄧仕彬,*

（1.莆田學院環境與生物工程學院，福建莆田 351100；2.福建省新型污染物生態毒理效應與控制重點實驗室，福建莆田 351100；3.生態環境及其信息圖譜福建省高等學校重點實驗室，福建莆田 351100）

食品活性包裝是食品工業的研究熱點之一，傳統的食品包裝材料大多以乙烯為原料制備，僅可隔絕外界環境與食品的接觸，減少食品品質的破壞，但本身不具有任何功能特性。隨著科技的不斷發展，食品行業希望食品包裝材料可以提供更好的性能[1-2]，除了提供抵御外界環境的物理屏障，還需具備綠色、安全、抑菌、抗氧化、可生物降解等功能。有研究表明，將抑菌劑、抗氧化劑等活性物質添加到包裝材料中，通過共混流延法可制得具備抗菌、抗氧化等功能的包裝材料[3]。然而通過聚合物與活性物質共混烘干制得的活性包裝材料，要求抑菌生物活性物質具有較高的熱穩定性，并且生物活性物質在聚合物材料中存在聚集、分散不均等問題，這會導致內部功能活性被破壞，起不到良好的抑菌效果[4]。

靜電紡絲是利用高壓靜電場的作用，將聚合物溶液進行拉伸、細化，最終固化為超細納米纖維的一項技術，該技術具備操作簡單、易于控制、可連續制備等優點，可制得孔隙率高、孔徑小、比表面積大的納米材料。已有相關研究表明，將生物活性物質包埋于納米纖維中，能顯著提高活性物質的功能穩定性和利用度[5]。如Hosseini 等[6]將抗氧化肽包埋于殼聚糖/PVA 納米纖維中并用于食品活性包裝，結果表明包封率高達94%，且納米纖維的抗氧化性能顯著提高。Wang 等[7]使用玉米醇溶蛋白納米纖維包埋姜黃素，使得玉米醇溶蛋白納米纖維的抗菌性得到提高，具備食品活性包裝的潛力。Li 等[8]將白藜蘆醇包埋于明膠/玉米醇溶蛋白納米纖維中用于豬肉的抗菌保鮮，結果表明該電紡膜可以顯著延長豬肉的貨架期。Aydogdu 等[9]制備了沒食子酸/羥丙基甲基纖維素/聚環氧乙烷電紡膜，該纖維膜有效抑制了貯存過程中核桃的氧化變質。

殼聚糖（chitosan，CS）為天然多糖甲殼素脫去部分乙酰基后形成的產物，具有生物相容性，不僅可被生物降解，而且還具有許多的生理功能，例如抑菌、降脂和提高免疫力等[10]。采用靜電紡絲技術制備的含CS 的電紡膜抗菌性能更加優良[11]，此外，將殼聚糖與其他大分子物質復合能夠顯著改善殼聚糖的抗氧化性及抑菌性能，因而在食品保鮮領域得到了普遍利用[12]。聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）是聚乙酸乙烯酯的水解產物，由于其生物可降解性，可以用來制成環保、安全的包裝材料。PVA 具有較高的機械強度、良好的柔韌性、可紡性及阻隔性[13]，具有乳化性和黏合性，常被用作食品包裝膜的基材[14]，通過將CS 和PVA 進行復配可以提高共混膜的綜合機械性能和透氣性，使其具備高阻水性抗菌性[15-16]。

兒茶素（Catechins，CT），是一類源于天然植物的活性多酚類化合物，是茶葉中茶多酚的主要成分[17]，經研究發現，CT 的多羥基結構使其擁有抗腫瘤、抗氧化、抑菌以及保護心腦器官等[18]獨特藥理效應，在復合膜上負載CT 可以提高復合膜的抑菌性能、機械性能、抗氧化性能等。例如Nilsuwan 等[19]將CT負載在明膠電紡膜中，結果表明電紡膜的機械性能和抗氧化性明顯提高。Yong 等[20]利用CT 與CS/DAS 偶聯，提高了薄膜的阻隔性能，并且增強其拉伸強度和抗氧化性。但是，目前將CT 作為增強劑，使其與CS/PVA 聚合物共混制備電紡膜包裝材料的研究鮮見報道。因此，本文將CT 作為增強劑，添加到PVA 和CS 的混合膜液中，通過靜電紡絲工藝，制備一種負載CT 的新型電紡膜，研究CT 含量的變化對電紡復合膜微觀結構、機械性能、抗氧化性等的影響，并對其保鮮功能進行初步探討，以期開發出一種在食品包裝領域具有極大應用潛力的電紡膜，為開發新型可生物降解的納米包裝材料提供理論和實踐依據，推動納米抗菌材料在食品包裝領域的應用與發展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 黏度50～800 MPa·s，國藥集團化學試劑有限公司；聚乙烯醇 醇解度87.0mol%～89.0mol%，上海麥克林生化科技股份有限公司；兒茶素 浙江一諾生物科技有限公司；無水乙醇、鹽酸、冰乙酸等試劑 均為國產分析純。

AR124CN 電子天平 奧豪斯儀器（常州）有限公司；DGG-9123A 電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；HWS-150 恒溫恒濕培養箱 上海森信實驗儀器有限公司；SU8010 掃描電子顯微鏡日本株式會社日立制作所（HITACHI）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司；85-2A 數顯恒溫測速磁力攪拌器 常州榮華儀器制造有限公司；SDT650 熱重分析儀 美國沃特斯公司；KSD-G2 高壓靜電紡絲儀 福建科盛達科技有限公司；XRD-6100XX 射線衍射儀 日本島津公司；CT3-4500 質構儀 美國Ametek 公司；TENSOR 27 傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker 公司；TU-1810 紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；WYA（2WAJ）阿貝折射儀 上海儀電物理光學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 CT-PVA/CS 電紡膜的制備 參考李碩[21]的方法并稍作修改，將1 g CS 在室溫下溶于1%的乙酸溶液中，用磁力攪拌器攪拌至CS 完全溶解，配置質量分數為1%的CS 溶液；取10 g 的PVA 溶于水，用磁力攪拌器在85 ℃下攪拌至完全溶解，制備質量分數為10%的PVA 溶液，備用。將兒茶素按復合膜液總量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%分別加入到CS 溶液中攪拌至完全溶解，備用。然后將不同濃度的CS/CT 溶液和PVA 溶液按3:7 的比例混合攪拌4～6 h 制成混合紡絲液，靜置12 h 備用。采用靜電紡絲技術制備電紡膜，紡絲速率為1.5 mL/h，接收距離為14～16 cm，正高壓為20 kV，負高壓為-1.5 kV，選用滾筒接收裝置，表面包一層錫箔紙，針頭到滾筒距離為14 cm，紡絲時間為12 h[22]，將形成的電紡膜放在干燥箱中，50 ℃干燥8 h，以除去殘留的溶劑，再將電紡膜揭下放在密封袋中備用。

1.2.2 電紡膜的性能表征

1.2.2.1 紅外光譜測定 使用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR Spectromete，FTIR）測定各電紡膜及單組分，在400～4000 cm-1范圍內、分辨率為4 cm-1下測量樣品光譜變化。

1.2.2.2 電紡膜的形貌測定 使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對上述制備的電紡膜進行表征，裁取不同濃度梯度的電紡膜并將其分別貼于導電膠上，噴金后在15 kV 加速電壓下觀察，分析不同CT 濃度對PVA/CS 復合膜的結構影響。以掃描電鏡圖為模板，利用Nano Measurer 等相關軟件進行纖維直徑分析。

1.2.2.3 結晶度測定 使用X 射線衍射儀（X-Ray Diffractometer）對共紡電紡膜及單組分進行X 射線衍射分析，觀察并分析其結晶度。掃描范圍為5～70°，掃描速率為4°/min。

1.2.2.4 熱重性能測定 根據梅佳林等[22]的方法并稍作修改，用分析天平稱取10 mg 電紡膜及30 mg單組分樣品，在40～700 ℃的環境下采用熱重分析儀（Thermal Gravimetric Analyzer，TG）進行測定，升溫速率為10℃/min。

1.2.3 電紡膜機械性能測定 根據GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的測定第1 部分：總則》，將制備的復合電紡膜裁剪成20 mm×80 mm 的薄膜條，采用質構儀測定膜的拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB），測試速度為100 mm/min。

1.2.4 電紡膜的抗氧化能力測定 參考黃依然等[23]的方法，將制備的電紡膜裁剪成約20 mg 薄膜樣品，浸入在10 mL 無水乙醇中，并把它們放置在24 h 的黑暗環境。然后，提取1 mL 的薄膜溶液與4 mL DPPH-乙醇溶液（DPPH 濃度為0.1 mmol/L）進行混合。然后，將混合溶液振蕩并放置在黑暗中反應30 min。用紫外-可見分光光度計在517 nm 處測定溶液的吸光度。DPPH 的清除率按公式（1）計算：

式中：A0為空白膜的吸光度，Abs；A 為添加有CT 的復合膜的吸光度，Abs。

1.2.5 電紡膜的水溶性測定 根據彭勇等[24]的研究，稍作調整。將電紡膜裁成20 mm×20 mm 的正方形，并放在50 ℃干燥箱中干燥至恒重，稱量記為m1。將電紡膜分別浸入裝有100 mL 蒸餾水的三角瓶中，并在室溫下溶解48 h，取出后在50 ℃干燥箱中干燥，再次稱量記為m2。水溶性WS（%）按公式（2）計算為：

式中：m1為電紡膜浸泡前干燥后的質量，g；m2為電紡膜浸泡后干燥所得的質量，g。

1.2.6 電紡膜的氣體透過率測定

1.2.6.1 水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）參考崔琢玉等[25]的研究方法并稍作調整，采用杯試法測定。在稱量瓶中稱取3.0 g 無水CaCl2，然后用膜密封瓶口。將樣品放置于恒溫恒濕箱中，溫濕度分別設置為25 ℃和50 ℃，觀察7 d，并于每天同一時間記錄稱量瓶質量變化。WVP 按公式（3）計算：

式中：WVP 為水蒸氣透過系數，g·mm·（m2·h·kPa）-1；Δm 為稱量瓶質量變化，g；L 為膜厚度，mm；A 為薄膜的面積，m2；t 為測試時間，h；Δp 為試樣兩側的蒸氣壓差，1.58 kPa。

1.2.6.2 CO2透過率（CO2permeability，）參考韓笑[26]的方法并稍作修改，采用強堿吸收法測定。在稱量瓶中稱取3.0 g KOH，然后用膜密封瓶口。將樣品置于恒溫恒濕箱中，溫濕度分別設置為25 ℃和50 ℃，觀察7 d，并于每天同一時間記錄稱量瓶質量變化。按公式（4）計算：

1.2.7 CT-CS/PVA 電紡膜中兒茶素的釋放規律研究參考蘇春儒[27]的方法并稍作修改，以100 mL 50%的乙醇作為釋放介質，將不同濃度的電紡膜移入透析袋（MD34，1000），然后將透析袋完全浸泡在釋放介質中。在37 °C，120 r/min 的條件下進行體外模擬釋放，在設定的4、8、12、16、20、24 和28 h 時間下依次取樣0.5 mL，同時添加0.5 mL 新鮮的釋放介質。測定取出的混合液的吸光度。根據劉坤等[28]的方法，在506 nm 處繪制標準曲線，得到線性回歸方程y=0.0013x-0.0527，R2=0.9981，計算電紡膜在不同釋放階段中兒茶素釋放的濃度。計算公式如式（5）和式（6）：

式中：Qn為第n 個采樣點的累積釋放量，μg；M 為兒茶素的總量，μg；Cn為兒茶素的濃度，μg/mL；V0為釋放介質的體積，mL；V 為每次的取樣體積，mL。

1.2.8 CT-PVA/CS 電紡膜對草莓保鮮效果

1.2.8.1 草莓處理 挑取新鮮草莓，將草莓分7 組，每組20 顆，保證每個草莓的新鮮狀態和硬度基本相似，無表皮損傷，無凹凸不平，大小均勻，清洗并晾干水分。然后分別用CT 濃度為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的CT-CS/PVA 復合電紡膜進行包裝處理，置于室溫環境下，以未包裝的一組作為空白對照組，同樣條件下自然放置。在貯藏后的6 d 內進行相關指標的測定，研究不同CT 濃度的電紡膜對草莓保鮮效果的影響。

1.2.8.2 感官評價 參考邢宏杰等[29]的研究，對草莓的色澤、氣味、組織狀態進行感官評價。評價標準如表1 所示，每個指標最高分均為10 分，三項滿分為30 分。

表1 感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria

1.2.8.3 失重率的測定 對草莓采用稱量法，按公式（7）計算：

式中，m0為初始重量，g；mi為第i d 的重量，g。

1.2.8.4 腐爛率的測定 對實驗的草莓果實進行觀察，記錄產生腐爛情況的草莓個數，如草莓表面出現霉菌、破損或塌軟等均屬于腐爛，按照下列公式（8）計算草莓腐爛率：

1.2.8.5 可滴定酸含量的測定 采用NaOH 滴定法，參照劉悅[30]的方法并加以修改。將草莓果實進行搗碎后，用四層紗布進行過濾，收集濾液定容到100 mL，再用濾紙進行第二次過濾。取5 mL 濾液并加入1%的酚酞指示劑1～2 滴，用0.1 mol/L NaOH 標準溶液滴定至微紅色，且30 s 不褪色即為滴定終點，記錄NaOH 的用量，重復滴定三次，取平均值，按下列公式（9）計算：

式中，CNaOH為NaOH 的濃度，mol/L；VNaOH為NaOH 的用量，mL；m樣品為所選草莓的重量，g；K 換算為適當酸系數（漿果類果實K=0.070）。

1.2.8.6 可溶性固形物的測定 用手持式折光儀對每個草莓果實進行測定，記錄數據，試驗三次平行取平均值，即得該果實的可溶性固形物含量。

1.3 數據處理

每個實驗均重復三次，實驗分析結果均表示為平均值±標準差，采用SPSS 18.0 統計分析軟件進行相關性與顯著性分析（P＜0.05），采用Origin 2021 等軟件進行數據處理并繪圖。

2 結果與分析

2.1 CT-CS/PVA 電紡膜表征分析

2.1.1 CT-PVA/CS 電紡膜的紅外分析 采用FTIR分析電紡膜各組分之間的官能團作用及分子間作用力，CT 與成膜基材之間的相互作用是保持電紡膜穩定性的關鍵。圖1 所示為CS、PVA、CS-PVA 及不同濃度的CT-CS/PVA 電紡膜的紅外光譜圖。由圖1可知，2861 cm-1處對應CS 中CH2-的伸縮振動，1585 cm-1處為酰胺Ⅱ彎曲振動吸收峰，在1370 cm-1處為C-N 鍵伸縮振動峰、1156 cm-1處為C-O 鍵伸縮振動峰、此外在1015 cm-1處出現CS 吡喃環中C-O 鍵特征峰[31]。PVA 在3600～3200 cm-1有一個較寬的吸收峰，主要歸因于O-H 的伸縮振動，在2930 cm-1處表現為亞甲基中的-C-H 的伸縮振動峰，在1729 cm-1處為未脫乙酰化的酰胺鍵中的C=O 雙鍵伸縮振動峰，在1091 cm-1處表現為C-O 鍵伸縮振動峰[32]，在842 cm-1處為C-C 鍵特征吸收峰。CT 的活性基團主要是羥基，在3255 cm-1處為-OH伸縮振動峰，1625 cm-1處屬于苯環骨架C=C 伸縮產生的吸收峰。CS 和PVA 復合紡絲后，沒有出現新的特征峰，僅表現出了峰值的增強或減弱，在1091 cm-1處，峰值顯著增加，此處為CS 吡喃環中C-O 鍵特征峰，說明CS 和PVA 共紡取得了良好的效果[32]。加入CT 后，在CT-CS/PVA 共紡膜的紅外譜圖中，3600～3200 cm-1的特征峰得以保留，并且隨著CT 濃度的增大，O-H 特征峰往波數低的方向移動，說明三種物質具有良好的相容性，并且分子間的相互作用增強。隨著CT 質量分數的增大，在2930、1719、1626、1091、842 cm-1處的特征峰越來越明顯，到0.8% CT 時峰值最大，說明隨著CT 含量的增多，各體系之間的氫鍵作用越來越強；然而在1% 時又呈現下降趨勢，表明過量的CT 加入后有少量析出，各體系之間的相互作用減弱。劉松奇等[33]制備負載百里香酚的明膠/玉米醇溶蛋白電紡膜，紅外光譜顯示百里香酚特征峰吸收強度變大，未出現新的特征峰，證明百里香酚與成膜基材發生氫鍵作用且相容性良好，這與本文研究結果相一致。

圖1 單組分及不同CT 濃度電紡膜的紅外圖譜Fig.1 Infrared spectra of electrospun films with single component and different CT concentrations

2.1.2 CT-CS/PVA 電紡膜的形貌分析 不同CT 濃度的電紡膜的形貌結構如圖2 所示。從總體上來看，CS 和PVA 混合膜的纖維直徑光滑均勻，無明顯串珠生成，說明CS 和PVA 交聯性較好。添加了CT 后，電紡膜的纖維直徑變小，并且有串珠粘連，纖維變得有些雜亂，但依舊形成的是致密的電紡膜，從圖3 的橫截面圖中也可以明顯看出其致密的結構，說明CT 加入后和CS/PVA 發生了相互作用，對電紡膜的形貌產生了影響。根據圖4 可以直觀的看出纖維直徑的分布，當CT 未添加到CS/PVA 中時，纖維直徑主要分布在275～475 nm 之間；當CT 濃度為0.8%時，纖維直徑主要分布在175～275 nm 之間，這種變化表明，CT 中存在的極性基團會提高溶液的電導率，并進一步增加噴射流間的靜電斥力，最終使得纖維細化的程度更高，從而收集到直徑更細的纖維[34]；但是電導率增加的同時，會導致紡絲液表面張力下降，可能過度細化某些噴射流，以至于噴射流細化程度不同，最終導致纖維之間的均勻性降低[35]。而當CT 濃度到1%時，從SEM 圖譜中可以看到有少量析出，纖維直徑變粗，過量的CT 加入導致形貌變差。費燕娜等[35]研究溶液性質對聚乳酸/茶多酚電紡膜的影響，結果表明隨著茶多酚質量分數的增加，電紡膜纖維直徑變小，這與本文研究結果相一致。

圖2 不同CT 濃度的電紡膜SEM 圖Fig.2 SEM spectra of electrospun films with different CT concentrations

圖3 CT-CS/PVA 電紡膜的橫截面圖Fig.3 Cross section of CT-CS/PVA electrospun films

圖4 不同CT 濃度的電紡膜纖維直徑圖Fig.4 Fiber diameter map of electrospun films with different CT concentrations

2.1.3 CT-CS/PVA 電紡膜XRD 分析 如圖5 所示，CS 在2θ為19.80°處出現較寬的吸收峰，說明CS 有一定的半結晶性；PVA 在2θ為19.80°出現的吸收峰較弱；CS 和PVA 共紡后，在2θ為19.80°出現的衍射峰較CS 弱，說明加入PVA 后CS 的結晶結構被破壞，導致CS/PVA 膜的結晶度下降。CT 在2θ為12.94°、21.48°、25.64°、38.74°、47.32°、61.18°處均出現明顯高且窄的衍射峰，說明CT 具有結晶性但為無定型結構[36]。CT-CS/PVA 共紡電紡膜的特征峰出現在19.80°處左右，CT 的特征峰均未體現出來，說明CT 在電紡膜中不是以結晶態分布，而是包埋在膜中，表明共紡電紡膜不僅僅是非晶態的無定形物，而且結構中還有一定的有序性。當CT 添加量為1%時，其特征峰反而變小，可能是因為CT 的添加量過多導致，與紅外的分析結果一致。在共紡電紡膜的XRD 圖中，CT 和CS 的各衍射峰均在一定程度上被削弱或消失，證明反應體系中各組分之間存在強烈的相互作用，從而導致單一組分的結晶特性發生變化[22]。劉松奇等[33]制備負載百里香酚的明膠/玉米醇溶蛋白電紡膜，XRD 測定結果顯示隨著百里香酚的添加未出現新的特征峰，且衍射峰較弱結晶性降低，這與本文研究結果類似。

圖5 單組分及電紡膜的XRD 圖譜Fig.5 XRD patterns of single-component and electrospun films

2.1.4 CT-CS/PVA 電紡膜熱力學分析 通過TG 法對電紡膜的熱力學性能進行測定，可得到TG 圖和微熵熱重分析（Derivative Thermogravimetry，DTG）圖，DTG 圖的物理意義為失重速率與溫度的關系，DTG曲線峰頂點與TG 曲線拐點相對應，為失重速率最大值點。由圖6 可知，CS 第一階段主要是水分的蒸發導致了質量的下降，在250 ℃時，質量損失約為10%；第二階段CS 質量驟減，質量損失約60%，這一部分的主要原因是由于CS 的化學鍵斷裂以及糖環脫水，從DTG 圖中也可看出，此階段失重速率最大時溫度為316 ℃；第三階段CS 質量損失較為平緩，主要是碳化作用，最終是以殘渣的形成存在[33]。PVA 屬于親水材料，第一階段主要是脫水導致質量下降；因為PVA 是多羥基聚合物中含有大量的乙酸基團，所以第二階段主要是分解乙酸基團；第三階段是PVA 鏈裂解的環化反應，逐漸碳化分解；由DTG 圖可知，其在400 ℃時失重速率最快。由TG 圖可知，CT 在較低溫度處就開始分解，同樣DTG 圖也顯示在237 ℃左右即出現第一個峰，說明其熱穩定性較差此時分解速率已達到最大值；CT 分解第一階段以水分蒸發為主，質量損失約為10%；第二階段發生大量熱分解，質量損失約為25%；第三階段較為平緩，最終以殘渣的形式存在。圖7 為不同CT 濃度電紡膜的TG 圖和DTG 圖，由TG 圖可知，不同CT 濃度電紡膜之間的失重趨勢相差不大，但隨著CT 濃度的增加，電紡膜的熱穩定性有略微的下降，其對應的DTG 曲線也顯示峰頂處的溫度呈下降趨勢，這主要是由于酚類物質的熱穩定性較差所導致[37]，與上述CT 單體熱穩定較差的結果相符。電紡膜失重的第一階段主要為脫水階段，質量損失為10%左右；第二階段為化學鍵斷裂分解所致，質量損失為65%左右；第三階段較為緩和，最終都以殘渣形式存在。

圖6 單組分基材的TG 圖和DTG 圖Fig.6 TG diagram and DTG diagram of single component substrate

圖7 不同CT 濃度電紡膜的TG 圖和DTG 圖Fig.7 TG diagram and DTG diagram of electrospun films with different CT concentration

2.2 CT-CS/PVA 電紡膜力學性能分析

拉伸強度反映的是分子間的相互作用力及相容性，斷裂伸長率反映的是膜的柔韌性[38]。如圖8 所示，隨著CT 濃度的增加，TS 及EAB 均呈現先增后減的變化趨勢。當CT 質量分數為0.8%時，其拉伸強度和斷裂伸長率達到最大，這得益于PVA 良好的成膜特性，其結構中含有較多的親水基團，與CS 復合后，其氫鍵與CS 交聯，使復合膜的結構更加緊密。將CT 添加到復合膜中，CT 作為多酚類物質，與CS 形成共價鍵，使得其機械性能有所提高。而當CT 的質量分數為1%時，其機械性能反而下降，其原因可能是由于過量的CT 添加到復合膜中，可能會有少量析出，使得PVA 和CS 之間產生物質分離現象[39]，降低復合膜的拉伸強度及斷裂伸長率。丁艷紅等[40]研究發現，隨著茶多酚含量的增加，電紡膜的抗拉伸強度呈現先增大后減小的趨勢，過量的茶多酚在復合膜中會使得兩相物質分離趨勢增大，與本文的研究結論相一致。

圖8 CT 濃度對電紡膜TS 和EAB 的影響Fig.8 Effects of CT concentrations on TS and EAB of electrospun films

2.3 CT-CS/PVA 復合膜抗氧化性能分析

DPPH 自由基清除率是一個重要的指標，反映了化合物的抗氧化活性[13]。質量分數不同的CT 對電紡膜的DPPH 自由基清除率的影響如圖9 所示。從圖中可以看到，添加了CT 的共紡電紡膜的抗氧化性能呈現先增后減的趨勢。當CT 的質量分數為0.8%時，DPPH 自由基清除率達到最高值為71.02%；而當CT 質量分數大于0.8% 時，過量的CT 會在共紡電紡膜的表面析出，由于酚羥基的存在，會被空氣中的氧所吸附，從而導致DPPH 自由基清除率開始降低。郭梅英等[41]將CT 加入到PVA/CS 復合膜中，隨著CT 質量比例的提升，復合膜的DPPH 自由基清除率也會有所提升，到0.8%時自由基清除率達到最高值，與本文研究結論一致。

圖9 CT 濃度對電紡膜DPPH 自由基清除率的影響Fig.9 Effects of CT concentrations on DPPH free radical clearance of electrospun films

2.4 CT-CS/PVA 電紡膜水溶性分析

CT 質量分數對電紡膜的水溶性有著至關重要的影響，可以反映出材料的親水特性。如圖10 所示，當CT 質量分數增加時，電紡膜的水溶性呈現先降后升的趨勢。隨著CT 質量分數的增大，電紡膜的水溶性最低可達29.51%，這說明當CT 與PVA 及CS 共同作用時，它們之間相互作用形成的共價鍵減少了電紡膜中游離的羥基數目，進而限制了水分子與羥基的結合作用，導致電紡膜的水溶性顯著降低。另外，由于CT 中含有疏水基團苯環，增強了電紡膜的疏水性[42]。但是當CT 的質量分數超過0.8%之后，復合膜的水溶性呈上升趨勢。這說明CT 的添加量過多會阻礙分子間的相互作用[43]，使得游離的羥基基團增多，即電紡膜中的親水基團增多，這加大了電紡膜與水分子的作用，導致其水溶性增加。

圖10 CT 濃度對電紡膜水溶性的影響Fig.10 Effect of CT concentration on water solubility of electrospun films

2.5 CT-CS/PVA 電紡膜氣體透過率的分析

2.5.1 水蒸氣透過率 包裝材料的阻水性能是衡量食品與環境之間水分轉移能力的重要指標[44]。由圖11 可知，隨著CT 含量的增加，水蒸氣透過率逐漸下降，電紡膜的阻水性能加強，當CT 添加量為0.8%時，水蒸氣的透過率最低，為0.1532 g.mm（m2·h·kPa）-1，這表明CT 加入后產生了強烈的相互反應，分子間的相互作用減少了游離的親水基團羥基的數量，使得它們的結構更為緊密，從而降低其對水的吸附能力及滲透性。而當CT 的添加量達到1%時，水蒸氣透過率呈現上升趨勢，這說明當CT 添加量過高時，CT 會從電紡膜中析出，導致羥基數目增多從而結合更多的水分子，導致復合膜的阻水性能下降，水蒸氣透過率上升。此結果和上述水溶性的結果一致，充分說明了當CT 的質量分數為0.8%時，電紡膜的性能最好。

圖11 CT 濃度對電紡膜WVP 的影響Fig.11 Effects of CT concentrations on WVP of electrospun films

2.5.2 CO2透過率 如圖12 可知，CT 的添加量同樣可以影響電紡膜的透氣性，透氣性對于食品保鮮起到十分重要的作用。實驗結果表明，隨著CT 質量分數的增大，電紡膜的CO2透過率會出現先下降后上升的趨勢。當CT 添加量為0.8%時電紡膜的CO2透過率最低，約為5.9 g·（m2·h）-1，說明CT 可以增加電紡膜的阻隔性能。當CT 的添加量為1%時，電紡膜的透過率呈上升趨勢，其原因可能是CT 的酚羥基與二氧化碳結合，增加了它的透過率。

圖12 CT 濃度對電紡膜CO2 透過率的影響Fig.12 Effects of CT concentrations on CO2 transmittance of electrospun films

2.6 CT-CS/PVA 電紡膜兒茶素累積釋放率的分析

圖13 為負載不同CT 濃度的電紡膜的兒茶素的累積釋放曲線。在相同的條件下，隨著CT 質量分數的增大，兒茶素的累積釋放率呈現先增后減的總趨勢。可以明顯看到，CT 濃度為0.8%的電紡膜，其兒茶素累積釋放率最大，最高約為60%左右。這也說明了當CT 的質量分數為0.8%時，電紡膜的抗氧化性能最好，這與上述DPPH 自由基清除率的研究結論一致；而當CT 的濃度為1%時，少量的CT 會從電紡膜表面析出，導致累積釋放率下降。由圖13 可知，所有曲線的釋放特性呈較為平緩的趨勢，并且在經過了28 h 的反應后其累積釋放率仍未達到100%，這說明CT 已負載在PVA/CS 電紡膜上，并且在復合膜中獲得緩釋效果，從而當其用于保鮮時可延長食品的貨架期。

圖13 CT 濃度對電紡膜兒茶素累積釋放率的影響Fig.13 Effects of CT concentrations on the cumulative release rate of catechins in electrospun films

2.7 CT-CS/PVA 電紡膜保鮮效果分析

通過靜電紡絲工藝制備的抗菌電紡膜具有多種應用，可作為食品包裝材料用于食品的保鮮[45]，尤其適合用于果蔬類產品，它能夠有效地防止水分和營養物質的流失，從而使它們能夠長期穩定地儲藏，從而達到更好的營養價值。因此采用抗菌電紡膜作為果蔬食品的包裝材料，來延緩食品的腐爛變質。草莓因其風味獨特，顏色鮮艷且營養價值高受到多數人喜愛。然而由于草莓的水分較多，所以草莓在采摘或者運輸過程中極易受到外界的損傷而引發細菌滋生進而導致腐敗變質，削弱草莓的食用價值。本實驗以草莓作為研究對象，分析電紡膜對果蔬的保鮮效果。

2.7.1 感官評價 感官評價是直接評價水果新鮮度的一個重要指標，可以反映水果的利用價值[46]。圖14和圖15 為不同組草莓的保鮮情況及不同濃度的CT-CS/PVA 電紡膜對草莓感官品質的影響，在觀察過程中，丟棄腐爛不成型的草莓，留下成型的草莓進行拍照記錄。隨著儲藏時間的延長，草莓果實會出現白霉、果實腐爛及水分喪失現象，其色澤、組織狀態等都會降低，營養價值也會越低。由圖14 可知，空白組草莓在第4 d 時就已經全部腐爛，可以明顯看到其果實失水且長有白霉；而用適宜濃度電紡膜包裹的實驗組草莓腐爛得較慢，保鮮效果及感官評價分數整體優于空白組，這是由于電紡膜具有一定的疏水性和較大的孔隙率，草莓呼吸作用產生的水分可及時蒸發而不在表面聚集，并且CT 具有一定的抗氧化性，可降低呼吸作用帶來的氧化和腐爛。由圖15 可知，當CT 濃度為0.8%時，其感官評價的分值最高，保鮮效果最佳，這也與上述電紡膜相關性能研究結果相一致。

圖14 不同電紡膜包裹的草莓的外觀變化Fig.14 Appearance changes of strawberries ackaged with different electrospun films

圖15 不同電紡膜對草莓感官評價的影響Fig.15 Effects of different electrospun membranes on sensory evaluation of strawberries

2.7.2 失重率分析 失重率是反映果實在貯藏前后因水分蒸發而失重的百分率，水分蒸發包括蒸騰作用和呼吸作用，可以反映果實的保鮮情況。從圖16 可以看出，草莓果實的失重率隨著貯藏天數的增加而呈現不斷上升的趨勢，到第6 d 時，空白組的草莓的失重率高達77.48%，這是由于草莓本身的呼吸作用產生了水分。但是用電紡膜包裹的草莓失重率明顯比空白組的草莓要小，這是因為CT 本身具有的抗氧化性延緩了草莓的呼吸作用，降低了草莓果實的失重率；用CT 濃度為0.8%的電紡膜包裹的草莓其失水率最低，在第6 d 時失重率僅為15.86%，說明其能產生較強的抗氧化性及有效降低水蒸氣透過率，這與上述抗氧化性和水蒸氣透過率的研究結果相一致。本部分研究結果也與馮文婕等[46]的研究結論一致。

圖16 不同電紡膜對草莓失重率的影響Fig.16 Effects of different electrospun membranes on the weight loss rate of strawberries

2.7.3 可滴定酸含量分析 有機酸作為水果呼吸作用的基質，可在呼吸作用過程中被分解，因此可滴定酸含量可以作為衡量水果成熟度的一個重要指標，也能反映水果中的營養物質分解消耗的程度[47]。如圖17 所示是草莓中可滴定酸含量的變化曲線。從圖17 中可明顯看出，草莓果實的可滴定酸含量整體呈下降趨勢，其中空白組的草莓中可滴定酸含量最低并且下降的速度最快，主要是由于草莓的呼吸作用使得其營養物質被消耗。相比之下，電紡膜組的草莓中可滴定酸的含量下降較慢，這是因為CS 本身具有一定抗氧化性和抑菌性[47]，延緩了草莓的呼吸作用；添加了CT 后，抗氧化性能得到進一步的增強，抑制了呼吸作用、降低可滴定酸的分解，并且CT 濃度為0.8%組的草莓其可滴定酸含量下降最慢處于較高水平，其效果最佳。這與梁杰等[39]的研究結論相一致。

圖17 不同電紡膜對草莓可滴定酸含量的影響Fig.17 Effects of different electrospun membranes on titrable acid content of strawberries

2.7.4 可溶性固形物含量分析 可溶性固形物是液體或流體食品中所有可溶于水的化合物的總稱。在評價草莓果實的好壞時，可溶性固形物是一個常用的指標。研究表明，草莓的可溶性固形物含量會隨著貯藏天數的延長而降低，如圖18 所示為不同濃度的CT-CS/PVA 電紡膜對草莓的可溶性固形物含量的影響。從圖18 中可以看到，隨著貯藏時間的延長，各組草莓的可溶性固形物含量都呈下降趨勢，這是因為草莓果實進行呼吸作用產生代謝分解[48]，草莓的營養物質受到的損失，其營養成分下降。用電紡膜包裹的草莓其可溶性固形物含量相較于空白組來說含量更高，并且下降的速率更緩，這是由于電紡膜在草莓果實表面形成了一層保護膜，減緩了其腐爛速率。CT 濃度為0.8%的電紡膜其可溶性固形物含量最高，這也與上述研究結果相一致。

圖18 不同電紡膜對草莓可溶性固形物的影響Fig.18 Effects of different electrospun membranes on soluble solids of strawberries

3 結論

本文采用靜電紡絲技術制備負載生物活性物質CT 的CS/PVA 電紡膜，通過對電紡膜進行表征并測定其理化性能，探明CT 對電紡膜綜合性能的影響，并進一步將電紡膜應用于草莓保鮮實驗。結果表明，CT 加入后與CS 之間形成氫鍵，電紡膜形貌良好、結構致密；CT 的添加，使得電紡膜的各項性能在一定程度上都有所提高，當CT 濃度為0.8%時，其理化性能達到最佳；保鮮實驗結果表明，相較于空白對照組，用電紡膜包裹的草莓其腐爛程度明顯降低，對草莓失水率、腐爛率等指標進行測定并結合感官評價可知，0.8% CT 濃度的電紡膜其保鮮效果最佳。綜上所述，0.8% CT 濃度的電紡膜，其綜合性能最佳，具備保鮮效果，可在一定程度上延長草莓的保質期。通過本文的研究，以期為靜電紡絲技術包埋生物活性物質用于食品包裝領域的研究提供一定的參考依據。靜電紡絲技術在食品行業開發特定功能的產品上具有較大的發展潛力，但其研究水平與生產實踐及應用仍存在較大的差距，還需要深入研究。