靜電紡絲技術(shù)包埋抗菌物質(zhì)研究進(jìn)展

于 棟,王 浩,馮旸旸,徐敬欣,孔保華,劉 騫

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

近年來(lái),天然抗菌物質(zhì)的開發(fā)和在食品工業(yè)中的利用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題。天然抗菌物質(zhì)在自然界中分布較廣,其按來(lái)源分可以分為動(dòng)物提取物、植物提取物、微生物及其代謝產(chǎn)物三大類[1]。動(dòng)物來(lái)源的抗菌物質(zhì)主要有溶菌酶、抗菌肽、殼聚糖、魚精蛋白、蜂膠[2];植物來(lái)源的抗菌物質(zhì)主要有植物精油、中草藥提取物、果膠提取物[1];微生物來(lái)源的抗菌物質(zhì)主要有乳酸鏈球菌素、曲酸、細(xì)菌素[3]。雖然天然抗菌劑具有綠色、高效、安全、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)[4],但是由于食品常規(guī)加工條件(加熱、鹽離子、酸性或堿性等)及外部環(huán)境(光照、金屬離子等)的影響,會(huì)導(dǎo)致天然抗菌劑表現(xiàn)出使用壽命短、殺菌率較低、以及不能廣譜長(zhǎng)效使用等弊端。因此,為了保持天然抗菌劑的長(zhǎng)效性能,對(duì)其進(jìn)行包埋處理是一種切實(shí)可行的解決方案。

包埋技術(shù)經(jīng)常用于天然抗菌劑的包埋處理,以提高其在食品加工環(huán)境下的長(zhǎng)效抗菌性能。在包埋過(guò)程中,壁材的選擇非常重要,食品加工常用的包埋壁材主要有多糖、蛋白質(zhì)、表面活性劑和脂質(zhì)等等。另外,最常見的包埋技術(shù)主要包括乳化均質(zhì)法、噴霧干燥法、脂質(zhì)體包埋法和凝聚法等[5]。乳液均質(zhì)法是利用外部機(jī)械破壞力,如剪切力、沖擊力和壓縮力等將大分子物質(zhì)分解成更小的顆粒,從而形成均一的混合體系。但是,這種方法不適用于包埋敏感的天然抗菌劑,主要是包埋過(guò)程中的壓力和機(jī)械力會(huì)導(dǎo)致這些活性物質(zhì)的降解[6]。噴霧干燥法與乳化均質(zhì)法相比具有簡(jiǎn)單快速、成本低的優(yōu)點(diǎn),但是噴霧干燥過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致一些熱敏性天然抗菌劑發(fā)生降解或者失活[7]。脂質(zhì)體包埋法是由表面活性劑和卵磷脂等形成液膜從而包埋活性物質(zhì)的方法,此法的最大特征是活性物質(zhì)的膜透過(guò)性不依賴于膜孔徑的大小,而與活性物質(zhì)在膜組分中的溶解度有關(guān)。此方法包埋的生物活性化合物釋放速度快、包埋率低、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[8]。凝聚法是利用生物大分子的自組裝特性來(lái)包埋活性物質(zhì)的方法,雖然凝聚法能實(shí)現(xiàn)較高的包封效率,但是通過(guò)凝聚法形成的顆粒不完全是球形,易于聚團(tuán),在水溶液中不穩(wěn)定。與此同時(shí),凝聚過(guò)程中整體環(huán)境的pH和離子強(qiáng)度的改變也會(huì)影響天然抗菌劑的活性[9]?；谝陨戏治?目前常用的包埋方法仍存在許多不足之處,亟待開發(fā)出一種合適的、高效的天然抗菌劑包埋技術(shù)。

近年來(lái),隨著納米技術(shù)的快速興起,靜電紡絲技術(shù)由于其操作方式簡(jiǎn)單易行、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為一種有效的直接連續(xù)制備納米纖維的方法[10]。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有高孔隙率、高比表面積、高氣體滲透性以及纖維孔徑小等諸多優(yōu)點(diǎn)。在靜電紡絲過(guò)程中,無(wú)需高溫或者加壓處理,十分適合用于包埋對(duì)環(huán)境敏感的天然抗菌劑。因此,本文主要介紹了靜電紡絲技術(shù)的原理以及紡絲參數(shù)對(duì)靜電紡絲納米纖維的影響,同時(shí)對(duì)以多糖和蛋白質(zhì)為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù)包埋抗菌物質(zhì)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。

1 靜電紡絲技術(shù)的工作原理以及紡絲條件對(duì)納米纖維的影響

1.1 靜電紡絲技術(shù)工作原理

靜電紡絲法是利用聚合物溶液制備納米纖維的一種簡(jiǎn)單、廣泛、有前景的方法,此方法制備的納米纖維膜具有較高的比表面積和孔隙率[11-12]。靜電紡絲設(shè)備由高壓裝置、噴射裝置、接收裝置三部分構(gòu)成,如圖1所示[13]。在電紡過(guò)程中,聚合物溶液或熔融聚合物被注射泵擠出使其在針尖處形成液滴。液滴在內(nèi)部靜電排斥力和外部庫(kù)侖力的作用下逐漸由半球形表面變?yōu)殄F形。電場(chǎng)強(qiáng)度越大,液滴受到的拉伸力越大,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到靜電斥力可以抵消聚合物液滴表面張力的臨界值時(shí),聚合物溶液從泰勒錐尖端噴出。此時(shí)過(guò)量的電荷使得射流拉伸并且發(fā)生旋轉(zhuǎn),射流在飛行過(guò)程中溶劑迅速揮發(fā)。射流最終固化在接收裝置表面形成一層納米纖維膜[14]。

圖1 靜電紡絲裝置圖Fig.1 Schematic illustration of the basic setup for electrospinning

1.2 紡絲參數(shù)對(duì)靜電紡絲納米纖維的影響

1.2.1 電壓 電壓是影響靜電紡絲的關(guān)鍵環(huán)節(jié),電壓的變化控制噴絲頭和收集裝置之間的電場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)也控制對(duì)射流拉伸力的強(qiáng)度[15]。射流噴射是一個(gè)自加速過(guò)程,一旦在噴絲頭尖端的液滴上施加電場(chǎng),液體的表面就會(huì)因離子在液體中的運(yùn)動(dòng)而帶電。當(dāng)電場(chǎng)對(duì)射流的拉伸力增加到大于液滴表面張力的臨界值時(shí),射流開始噴射。液滴表面張力和靜電力之間的平衡對(duì)于聚合物溶液在針尖處形成的泰勒錐形態(tài)至關(guān)重要,如果施加的電壓過(guò)高,射流噴射速度大大加快,從針尖抽出溶液的體積就會(huì)隨之增大,導(dǎo)致形成不穩(wěn)定的泰勒錐體,這不利于電紡過(guò)程的順利進(jìn)行[16]。通常,超過(guò)6 kV的正高壓或負(fù)高壓都能使聚合物液滴變形為泰勒錐形,但實(shí)際電紡中電壓的設(shè)置取決于溶液的進(jìn)料速率和濃度。另外電場(chǎng)強(qiáng)度還能影響纖維上的珠節(jié)形態(tài),如Lee等[17]進(jìn)行電壓實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在0～15 kV電壓范圍內(nèi),施加的電壓越大,纖維上的珠節(jié)直徑越小。

1.2.2 進(jìn)樣速率 聚合物從注射器中流出的流速是一個(gè)重要的工藝參數(shù),因?yàn)樗鼤?huì)影響噴射速度和物料轉(zhuǎn)移速率。較低的進(jìn)料速度更加可取,這是因?yàn)槿軇┰诘退贄l件下可以獲得足夠的蒸發(fā)時(shí)間[18]。許多研究證實(shí)了這一觀點(diǎn),例如Wannatong等[19]研究電紡聚苯乙烯時(shí)發(fā)現(xiàn),將進(jìn)樣速率從286 mL/min提高至1392 mL/min時(shí),纖維中珠節(jié)的數(shù)量以及每平方微米聚苯乙烯纖維上珠節(jié)的面積百分比均急劇增加。這可能是因?yàn)檫M(jìn)料速率過(guò)快使射流中包含的溶劑增多不能充分揮發(fā),導(dǎo)致纖維中珠節(jié)數(shù)目增加。所以在電紡過(guò)程中需要降低流速,為溶劑蒸發(fā)提供時(shí)間,以此來(lái)制備形態(tài)均一的納米纖維[20]。另外流量與供給電壓的立方成比例,對(duì)于給定的電壓需要根據(jù)聚合物溶液的性質(zhì)設(shè)置相應(yīng)的進(jìn)樣速率以形成穩(wěn)定的泰勒錐[15]。

1.2.3 針頭直徑 金屬針頭和吸管孔的內(nèi)徑會(huì)對(duì)電紡過(guò)程產(chǎn)生影響。針頭直徑會(huì)直接影響納米纖維的直徑,Zhao等[21]分別選用直徑0.7、0.9、1.0 mm的針頭進(jìn)行電紡,結(jié)果顯示直徑為0.7 mm的針頭制備出的纖維平均直徑最小。這可能是液滴的表面張力效應(yīng)所導(dǎo)致,液滴直徑越小表面張力越大,當(dāng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度恒定時(shí),聚合物表面張力增大會(huì)導(dǎo)致射流的初始加速度減小,從而使射流平均速度減小,這為射流中溶劑蒸發(fā)和射流分裂提供了更加充裕的時(shí)間,所以最終制備的納米纖維直徑小。另外,Mo等[22]研究發(fā)現(xiàn)隨著針頭直徑的增加,納米纖維中的結(jié)節(jié)數(shù)量會(huì)有所增加。綜上所述,在電紡過(guò)程中需要根據(jù)聚合物溶液的性質(zhì)來(lái)選擇合適的針頭直徑以保證電紡過(guò)程順利進(jìn)行。

1.2.4 接收距離 在靜電紡絲過(guò)程中,接收距離對(duì)膜的多孔性和纖維直徑有直接影響。這是因?yàn)槿绻邮站嚯x過(guò)小,射流中溶劑揮發(fā)不徹底會(huì)使纖維濕度過(guò)大,從而導(dǎo)致納米纖維膜孔隙變小甚至消失[23]。另外,Lin等[24]研究了接收距離對(duì)聚醚砜納米纖維形態(tài)的影響,接收距離在10～20 cm范圍內(nèi),納米纖維的平均直徑隨接收距離的增大而減小,這可能是溶劑揮發(fā)時(shí)間和射流分裂時(shí)間增加所導(dǎo)致。但是當(dāng)接收距離大于20 cm后,納米纖維的直徑會(huì)逐漸增加,這是因?yàn)榻邮站嚯x過(guò)大會(huì)降低針頭與接收裝置之間的電場(chǎng)強(qiáng)度,影響射流分裂。

2 以多糖為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù)包埋抗菌活性物質(zhì)及其應(yīng)用

天然多糖和改性多糖具有良好的生物相容性和生物可降解性。與脂類或蛋白質(zhì)類包埋基質(zhì)相比,多糖修飾可以通過(guò)多糖官能團(tuán)與抗菌物質(zhì)相互作用來(lái)達(dá)到所需的性質(zhì),并且它們的纖維結(jié)構(gòu)在高溫下具有更好的穩(wěn)定性,可以提高天然抗菌物質(zhì)的穩(wěn)定性和利用率。多糖的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以掩蓋不良?xì)馕兑栽黾赢a(chǎn)品的可接受性,多糖的這些性質(zhì)在研發(fā)新型功能食品以及制備新型包裝材料方面具有廣泛的應(yīng)用前景[25]。但是有些多糖在配制電紡液時(shí)對(duì)多糖濃度和溶劑組成有嚴(yán)格的要求,比如殼聚糖的多陽(yáng)離子特性會(huì)導(dǎo)致溶液的表面張力極度增加,另外殼聚糖還具有剛性D-氨基葡萄糖重復(fù)單元、結(jié)晶度高、氫鍵能力強(qiáng)、在普通有機(jī)溶劑中溶解性差等特點(diǎn),這使得殼聚糖紡絲溶液不能以水作為溶劑。電紡殼聚糖時(shí)通常選擇三氟乙酸、二氯甲烷等有機(jī)溶劑作為電紡液溶劑來(lái)制備殼聚糖納米纖維膜[25-26]。用于靜電紡絲常用的多糖基包埋材料主要有殼聚糖、纖維素、普魯蘭多糖、葡聚糖、淀粉、海藻酸鹽和果膠等,以下主要闡述以殼聚糖、纖維素、普魯蘭、海藻酸、環(huán)糊精為基質(zhì)包埋抗菌物質(zhì)的應(yīng)用。

2.1 殼聚糖

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素,由幾丁質(zhì)經(jīng)過(guò)脫乙酰得到,是一種安全無(wú)毒、可生物降解、具有抗菌性的多糖,被認(rèn)為是生產(chǎn)功能性納米纖維非常有前景的聚合物[26]。但是殼聚糖的高粘度限制了其可紡性,Homayoni等[27]優(yōu)化了電紡殼聚糖納米纖維的工藝,采用堿處理來(lái)水解殼聚糖解決其高粘度的問題,發(fā)現(xiàn)經(jīng)堿處理后的殼聚糖溶解在70%～90%的醋酸水溶液中可以生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)異,具有顯著抗菌性的納米纖維,其納米纖維的平均直徑隨乙酸濃度的降低而增加,殼聚糖水解48 h得到的納米纖維質(zhì)量最佳,并且堿處理和靜電紡絲過(guò)程都不會(huì)改變聚合物的化學(xué)性質(zhì)。

除了電紡純殼聚糖外,在溶液中添加其他抗菌物質(zhì)可以起到協(xié)同抗菌的作用,如單寧酸等,目前在這方面已經(jīng)有了一些研究。Zhan等[28]采用靜電紡絲技術(shù)將單寧酸/殼聚糖/三聚磷酸鹽納米粒子包埋在聚乙烯醇/聚丙烯酸靜電紡絲薄膜中,為了優(yōu)化制備條件,利用動(dòng)態(tài)光散射和透射電鏡對(duì)納米顆粒的性質(zhì)和形貌進(jìn)行了表征,發(fā)現(xiàn)單寧、殼聚糖和三聚磷酸鹽溶液的最佳初始濃度分別為1、1、0.5 mg/mL,添加比例為5∶5∶1,此時(shí)制備的單寧酸/殼聚糖/三聚磷酸鈉納米纖維的平均直徑為80 nm,由于單寧酸具有抗氧化性和抗菌性,這使得靜電紡絲膜具有這些性質(zhì)的同時(shí)還具有優(yōu)異的耐水性。Wang等[29]為了提高靜電紡絲的抗菌活性，以聚乙烯醇和殼聚糖為載體與納米氧化鋅復(fù)合,得到了復(fù)合納米纖維。在本次試驗(yàn)中大腸桿菌和白色念珠菌被用來(lái)測(cè)試新合成殼聚糖纖維的抗菌效果,結(jié)果顯示其抑菌效果明顯增強(qiáng),并且得出殼聚糖/納米氧化鋅對(duì)白色念珠菌的最低抑菌濃度為160 μg/mL。

雖然殼聚糖及其復(fù)合納米纖維的抑菌效果顯著,但殼聚糖納米纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度較低,這限制了殼聚糖納米纖維膜在食品包裝上的應(yīng)用。近年來(lái),Liu等[30]通過(guò)將聚乳酸(polylactic acid,PLA)、殼聚糖(chitosan,CS)以及多壁碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)相結(jié)合來(lái)獲得高性能可降解的復(fù)合材料,從而改善了纖維在性能上的不足,考察了不同CS濃度對(duì)復(fù)合纖維性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著CS含量的增加,力學(xué)性能、水溶性和溶脹率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)CS含量為7 wt%時(shí),復(fù)合纖維對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、灰霉菌和根霉菌的抗菌活性最強(qiáng);此時(shí),PLA/CNT/CS復(fù)合纖維包裝的草莓最長(zhǎng)保鮮8 d。這表明,PLA/CNTs/CS復(fù)合纖維在果蔬保鮮中具有重要的作用。

2.2 纖維素及其衍生物

纖維素是地球上最豐富的可再生資源,由于其良好的耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物降解能力使其被廣泛應(yīng)用于制備纖維、薄膜、復(fù)合材料和紡織品等許多重要領(lǐng)域[31-32]。纖維素及纖維素衍生物制備的纖維具有成本低、重量輕、易于加工、良好的機(jī)械性能和阻隔性能以及可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),這使得纖維素及其衍生物在制備食品抗菌膜方面發(fā)揮了很大的作用。Tsekova等[33]分別利用單軸靜電紡絲和同軸靜電紡絲技術(shù)電紡含有姜黃素的醋酸纖維素及聚乙烯混合溶液,得到了兩種納米纖維膜。結(jié)果顯示這兩種纖維薄膜對(duì)金黃色葡萄球菌均有明顯的抑制作用。Huang等[34]利用疊層自組裝技術(shù)將帶正電荷的溶菌酶-殼聚糖-有機(jī)累托石復(fù)合材料與帶負(fù)電荷的海藻酸鈉相結(jié)合,然后對(duì)帶負(fù)電荷的醋酸纖維素進(jìn)行靜電紡絲,進(jìn)而研究所得纖維膜的形貌和抗菌活性,結(jié)果表明溶菌酶和有機(jī)累托石可以很好地沉積在醋酸纖維素紡絲上,添加有機(jī)累托石的纖維膜可增強(qiáng)對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制程度,延長(zhǎng)豬肉保質(zhì)期約3 d。

2.3 普魯蘭

普魯蘭是出芽短梗霉在淀粉和糖培養(yǎng)基中產(chǎn)生的一種食品級(jí)水溶性微生物多糖,其主要由麥芽三糖單元組成,它們通過(guò)α-(1,6)糖苷鍵相互連接[35]。普魯蘭是一種可食用的多糖,具有優(yōu)異的成膜性能,其膜對(duì)油和氧具有很高的阻隔性[36]。在靜電紡絲研究中,普魯蘭多糖通常與另外一種蛋白質(zhì)或者多糖復(fù)合在一起作為包埋生物活性化合物的基質(zhì),以達(dá)到增強(qiáng)生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性以及提高其活性的作用。例如,為了提高Nisin抗菌活性,將其包埋在莧菜紅分離蛋白/普魯蘭納米纖維中。實(shí)驗(yàn)觀察到納米纖維的平均直徑隨Nisin含量的增加而減小,當(dāng)莧菜紅分離蛋白/普魯蘭納米纖維中含有20 mg/mL Nisin時(shí),包埋效率最高可以達(dá)到95%,此時(shí)對(duì)腸道細(xì)菌具有良好的抗菌活性[37]。Shao等[38]制備了以普魯蘭/羧甲基纖維素為壁材包埋茶多酚的納米級(jí)抗菌膜,通過(guò)紅外光譜分析和DSC(Differential Scanning Calorimeter)分析表明,茶多酚可以穩(wěn)定地與普魯蘭/羧甲基纖維素納米纖維結(jié)合,在后續(xù)的草莓品質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中得到包埋茶多酚的普魯蘭/羧甲基纖維素納米纖維膜可以有效的延長(zhǎng)草莓貯藏期,這表明普魯蘭多糖在食品包裝中具有潛在的應(yīng)用前景。

2.4 海藻酸

海藻酸是一種存在于褐藻中的陰離子線性多糖,其在自然狀態(tài)下存在于細(xì)胞質(zhì)中,起著強(qiáng)化細(xì)胞壁的作用[25]。海藻酸易與海水中的陽(yáng)離子結(jié)合成為海藻酸鹽,從海藻中得到的提取物通常是海藻酸鈉。海藻酸鈉具有增稠、乳化、穩(wěn)定、形成凝膠、形成薄膜和紡制纖維的特性,在食品、造紙及化妝等工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。Mokhena等[39]制備了負(fù)載納米銀粒子的海藻酸鈉纖維,并研究了此纖維的形態(tài)和抗菌性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以殼聚糖作為穩(wěn)定劑和還原劑,通過(guò)熱處理的方式可以成功地合成納米銀顆粒。海藻酸鈉納米纖維對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌均具有很高的抗菌活性,但遺憾的是沒有達(dá)到緩慢釋放的效果。此實(shí)驗(yàn)證明了將納米銀負(fù)載在納米纖維中具有可行性,為后續(xù)的研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.5 環(huán)糊精

除了以上述聚合物為基質(zhì)制備納米纖維外,還可以利用靜電紡絲技術(shù)電紡非聚合物,如環(huán)糊精(Cyclodextrin,CD)。CD是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱,CD經(jīng)常被用來(lái)形成包埋生物活性化合物的包合體。事實(shí)上,在靜電紡絲工藝發(fā)展應(yīng)用之前,利用環(huán)糊精包埋生物活性化合物成為研究熱點(diǎn),因?yàn)樗芴岣呱锘钚曰衔锏姆€(wěn)定性并且達(dá)到持續(xù)釋放的效果[25]。與聚乙烯醇/姜黃素纖維相比,含有姜黃素-環(huán)糊精復(fù)合物的聚乙烯醇納米纖維的熱穩(wěn)定性和環(huán)食效果更好[40]。γ-CD在保持薄荷醇、香蘭素、丁香酚等香料化合物的生物活性和控制釋放方面比α-CD和β-CD更為有效,Wen等[41]成功將肉桂精油包埋到聚乙烯醇和β-環(huán)糊精中,所制備的納米薄膜相比鑄膜具有更好的抗菌活性,有效地延長(zhǎng)了草莓的貨架期。這些功能性的靜電紡纖維在食品工業(yè)特別是在食品包裝材料設(shè)計(jì)中具有實(shí)際應(yīng)用前景。

3 以蛋白質(zhì)為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù)包埋抗菌活性物質(zhì)及其應(yīng)用

營(yíng)養(yǎng)角度蛋白質(zhì)優(yōu)于合成聚合物,因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是構(gòu)成人體的主要成分,其本身就是有價(jià)值的膳食補(bǔ)充劑和功能性食品增強(qiáng)劑。另外蛋白質(zhì)分子中含有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)以及靜電吸引、疏水相互作用、氫鍵和共價(jià)鍵在內(nèi)的許多結(jié)合機(jī)制,這使得其對(duì)于天然抗菌物質(zhì)具有較高負(fù)載能力。但是電紡蛋白質(zhì)的過(guò)程是非常困難的,主要是因?yàn)樗鼈儚?fù)雜的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu),例如由于純酪蛋白酸鹽在水溶液中分子發(fā)生聚集,使得其在水溶液中不能被電紡成納米纖維[42-43]。所以溶劑的選擇、熱處理時(shí)間、添加的蛋白質(zhì)變性劑等對(duì)于電紡蛋白質(zhì)至關(guān)重要。另外,親水性蛋白質(zhì)使蛋白質(zhì)基納米纖維膜在水溶性介質(zhì)中不穩(wěn)定,一般通過(guò)化學(xué)交聯(lián)或物理處理的方法來(lái)解決這類問題,例如使用二價(jià)鈣離子作為化學(xué)交聯(lián)劑促進(jìn)由羧酸和芳香基團(tuán)組成的小肽之間的交聯(lián)來(lái)改善纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[44-45]。用于靜電紡絲常用的蛋白基包埋材料主要有玉米醇溶蛋白、明膠、大豆分離蛋白、莧菜分離蛋白、絲素蛋白、乳清蛋白分離物等。以下主要介紹以玉米醇溶蛋白、明膠、大豆分離蛋白、莧菜分離蛋白、絲素蛋白為基質(zhì)包埋抗菌物質(zhì)的應(yīng)用。

3.1 玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是利用乙醇作為溶劑從玉米中提取的一種疏水性蛋白質(zhì),具有可再生性和可生物降解性[46]。以玉米醇溶蛋白為基質(zhì)的納米纖維膜具有較好的耐水性和耐熱性,其可以作為糖果、大米、干果和堅(jiān)果的涂層材料,另外玉米醇溶蛋白也被用于制藥工業(yè),起到控制釋放和掩蓋風(fēng)味的作用[47]。玉米醇溶蛋白本身并沒有抗菌性,但是可以與具有抗菌性的化合物共混電紡或者利用玉米醇溶蛋白包埋抗菌物質(zhì)使所制備的納米纖維膜具有抗菌性。例如,Torres-Giner等[48]將玉米醇溶蛋白和殼聚糖共混,利用靜電紡絲技術(shù)制備了玉米醇溶蛋白/殼聚糖納米纖維。結(jié)果顯示,10 mg的殼聚糖就能夠提供有效的殺菌效果。姜黃素是存在于草本植物根莖中的一種多酚類化合物,它具有良好的抗菌性能和抗氧化能力,這使其可以作為天然食品防腐劑和活性食品包裝的涂料[49-50]。Alehosseini等[51]研究通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了負(fù)載姜黃素的纖維膜,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)游離的姜黃素在pH為7.4的磷酸緩沖溶液中迅速降解,而玉米醇溶蛋白對(duì)姜黃素的保護(hù)作用可以長(zhǎng)達(dá)24 h,在食品模擬物中,玉米醇溶蛋白起到保護(hù)姜黃素,實(shí)現(xiàn)緩釋的效果,玉米醇溶蛋白纖維在水中的穩(wěn)定性較高,且在極性食品模擬物中的釋放性能較好,表明玉米醇溶蛋白基纖維膜適合與含水量高的食品接觸。

3.2 明膠

明膠是一種變性蛋白質(zhì),其制備方式主要有兩種,一種是可以通過(guò)動(dòng)物膠原蛋白在酸性或者堿性的條件下部分水解得到,另一種采用酶解或熱降解的方式使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而獲得,現(xiàn)今明膠廣泛應(yīng)用于食品、攝影和制藥行業(yè)[52-53]。明膠在生物相容性、生物降解性、溶解性、保水性、成膜性等方面具有優(yōu)異的功能特性,是良好的包埋材料,可以利用明膠在水中迅速溶解的這一特性,提高疏水性抗菌物質(zhì)在水溶液中的溶解度[54]。Gómez-Estaca等[50]成功地將姜黃素包埋在明膠中,經(jīng)計(jì)算此方法對(duì)姜黃素的包埋率高達(dá)97%左右,姜黃素與明膠之間的相互作用使得姜黃素的水溶性大大提高,此外利用明膠包埋的姜黃素對(duì)革蘭氏陰性菌及革蘭氏陽(yáng)性菌均有明顯的抑制效果。Li等[55]采用靜電紡絲技術(shù)制備了明膠包埋丁羥基茴香醚的納米纖維,并應(yīng)用于草莓的保鮮,發(fā)現(xiàn)丁羥基茴香醚的加入增強(qiáng)了明膠纖維的穩(wěn)定性,促使明膠的結(jié)構(gòu)由無(wú)規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)棣?螺旋和β-折疊,也保護(hù)了丁羥基茴香醚的抗氧化活性;在抗菌試驗(yàn)中得出,該纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌顯示出良好的抗菌活性,通過(guò)對(duì)菌株進(jìn)行定性篩選,進(jìn)一步得出纖維膜對(duì)四種霉菌屬(根霉屬、毛霉屬、曲霉屬和青霉屬)具有廣譜抗菌效果。以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明利用明膠包埋植物化學(xué)成分的納米纖維膜在食品抗菌包裝中具有很大的應(yīng)用潛力。

3.3 大豆蛋白

蛋白質(zhì)等天然衍生材料在生物、醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域中被廣泛研究。在這方面,大豆蛋白(soy protein isolate,SPI)與其他蛋白質(zhì)相比具有一定的優(yōu)勢(shì),例如儲(chǔ)存量高、非動(dòng)物源蛋白質(zhì)和價(jià)格低廉等等[56]。但是電紡純大豆蛋白比較困難,需要與其他聚合物共混以此來(lái)增強(qiáng)分子之間的纏結(jié)度。靜電紡大豆分離蛋白/聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)納米纖維在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,例如從SPI/PEO和PLA中制備的靜電紡纖維用于控制異硫氰酸烯丙酯的釋放,結(jié)果表明環(huán)境濕度可以影響靜電紡納米纖維中異硫氰酸烯丙酯的釋放速度,相對(duì)濕度較高的環(huán)境可以促進(jìn)異硫氰酸烯丙酯的釋放,這表明其在活性包裝中有潛在的應(yīng)用前景[57]。在另一項(xiàng)研究中,Wang等[58]將富含花青素的紅樹莓提取物分別加入到變性前后的大豆分離蛋白中。通過(guò)電子顯微鏡觀察到這兩種情況都產(chǎn)生了珠串狀納米纖維,但制備的納米纖維均具有良好的抗菌和抗氧化性能。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究表明,在變性的SPI溶液中加入紅樹莓提取物可提高花青素的保留率和抗菌活性。

3.4 莧菜紅分離蛋白

莧菜是一種高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的作物。該種子中的蛋白質(zhì)含量高達(dá)17%,并且其氨基酸組成接近人類飲食所需的最佳氨基酸組成,可以作為生物活性物質(zhì)的包埋基質(zhì)[59]。例如,Blanco-Padilla等[60]以莧菜紅分離蛋白/普魯蘭為基質(zhì)的靜電紡絲纖維對(duì)姜黃素進(jìn)行了保護(hù)和控釋,使得被包埋的姜黃素在pH=7.4的緩沖溶液和體外消化液中均可以達(dá)到持續(xù)釋放的效果,纖維中姜黃素的含量對(duì)姜黃素的釋放速度有影響,即纖維中包埋姜黃素的比例越大,姜黃素的擴(kuò)散速度越小;被包埋的姜黃素經(jīng)過(guò)體外消化過(guò)程之后仍可以發(fā)揮抗氧化和抗菌活性的作用,并且包埋在納米纖維中的姜黃素的生物活性優(yōu)于游離姜黃素。這種以莧菜紅分離蛋白/普魯蘭為基質(zhì)的靜電紡納米纖維在食品包裝和生物醫(yī)藥等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.5 絲素蛋白

蠶絲是一種天然的蛋白質(zhì)纖維,其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有許多氫鍵,使得蠶絲具有優(yōu)異的機(jī)械性能。蠶絲蛋白中含有反平行的β-折疊結(jié)構(gòu),使蠶絲纖維的韌性優(yōu)于聚乳酸、膠原等生物聚合物。絲素蛋白(SF)對(duì)氧氣和水的滲透性較好,主要用于酶固定、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物釋放、骨組織工程和傷口敷料等方面。Elakkiya等[61]利用絲素蛋白作為藥物遞送載體,用于體外釋放姜黃素,通過(guò)電子顯微鏡觀察到用11 wt%絲素蛋白包埋姜黃素的納米纖維形態(tài)最好;在體外釋放實(shí)驗(yàn)中,姜黃素與絲素蛋白發(fā)生共價(jià)交聯(lián)作用,使得姜黃素可以達(dá)到緩慢釋放的效果;并且,以絲素蛋白為包埋壁材的緩釋效果優(yōu)于聚乳酸、聚乙烯醇等其他聚合物,體外釋放實(shí)驗(yàn)證明了其作為藥物釋放載體的巨大潛力。

4 展望

靜電紡絲技術(shù)是一種新興的包埋技術(shù),與其它包埋方式相比,其不涉及任何苛刻的條件,而且,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的納米抗菌膜,其水汽透過(guò)率好、比表面積大、安全性和生物兼容性好,在食品包裝行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,有一些研究已經(jīng)成功地以蛋白質(zhì)和多糖為基質(zhì),制備出靜電紡絲納米抗菌纖維。在未來(lái)可以將靜電紡絲技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合,充分發(fā)揮納米纖維膜緩釋的優(yōu)勢(shì),制備出具有理想形狀的活性包裝膜,此外還可以利用靜電紡絲技術(shù)包埋對(duì)pH敏感的活性物質(zhì)例如花青素來(lái)制備pH敏感型指示膜用來(lái)監(jiān)測(cè)食品的新鮮程度。但是在靜電紡絲過(guò)程中還有許多難點(diǎn)需要攻克,比如紡絲參數(shù)的調(diào)控(電壓、進(jìn)樣速度、針頭直徑等)、溶劑的選擇、高壓電場(chǎng)對(duì)抗菌物質(zhì)結(jié)構(gòu)和活性的影響等。另外,這種靜電紡絲納米抗菌纖維在實(shí)際食品加工過(guò)程中的效果和可控釋放都是本領(lǐng)域研究中亟待解決的問題。