靜電紡絲食品級(jí)天然高分子研究進(jìn)展

鄧伶俐 李 陽 張 輝*

（1 湖北民族大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超輕彈性體材料綠色制造國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北恩施445000 2 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江省食品加工技術(shù)與裝備工程中心 杭州310058）

1 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲技術(shù)是指聚合物熔體或者溶液在高壓靜電場作用下形成纖維的過程。與電噴技術(shù)形成的是單分散微米或者納米聚合物球不同，靜電紡絲技術(shù)是使帶有電荷的高分子熔體或者溶液在高壓靜電場中噴射、拉伸、劈裂、固化或者溶劑揮發(fā)，最終形成纖維狀物質(zhì)的過程。早在1882年，Rayleigh[1]在研究帶電液體微滴產(chǎn)生的不穩(wěn)定問題時(shí)就指出當(dāng)靜電力克服表面張力時(shí)即可產(chǎn)生液體射流。直至1934年Formhals Anton 申請(qǐng)專利-一種人造紗的生產(chǎn)工藝及裝置[2]。直到1990年左右納米科技的興起才讓大家關(guān)注靜電紡絲在工業(yè)上的應(yīng)用。電紡得到的纖維尺度通常在幾十納米到幾微米之間[3]，納米級(jí)纖維能夠賦予其所制備材料很多特殊的性質(zhì)。

靜電紡絲成形所用時(shí)間極短，整個(gè)過程原理涉及多交叉學(xué)科，包括流變學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、靜電學(xué)等。常規(guī)紡絲裝置如圖1和圖2所示，紡絲溶液被放入注射器中，金屬電極連接溶液或者金屬噴頭，接受裝置直接接地或者接通與金屬電極相反的電極。噴頭處的液滴在無電場的情況下受重力和表面張力平衡，隨著電場的施加，液滴還收到電場力的作用形成錐體。隨著電場強(qiáng)度的增加，錐體上的電荷密度增加，錐體角度增加。當(dāng)超過臨界電壓時(shí)，表面張力與電場力的平衡被打破，此時(shí)產(chǎn)生錐形及泰勒錐（Taylor cone），泰勒錐處帶電液滴噴射成纖維束，沿電場力的方向被拉伸，其間伴隨著纖維束的劈裂細(xì)化和彎曲移動(dòng)。在纖維束的噴射過程中，溶劑揮發(fā)和熔體冷卻使纖維束逐漸固化，沉積于收集板上。

2 靜電紡絲蛋白

2.1 膠原蛋白

膠原蛋白主要分布于動(dòng)物的皮膚、骨、腱等連接組織中，是構(gòu)成動(dòng)物體最廣泛的蛋白質(zhì)。膠原蛋白具有優(yōu)良的生物相容性和可降解性，對(duì)大部分細(xì)胞的粘附力強(qiáng)，在體內(nèi)可由膠原酶的水解使其發(fā)生降解，在組織工程支架和傷口包覆方面具有廣泛的應(yīng)用。膠原蛋白在水中不溶，其電紡溶劑選擇多集中在有機(jī)溶劑，如四氫呋喃[4-5]。Buttafoco等[6]首次嘗試用10 mmol/L 鹽酸作為溶劑，通過加入5wt% PEO 以及42.5 mmol/L 的NaCl 實(shí)現(xiàn)了膠原蛋白納米纖維的制備。天然膠原蛋白需要有機(jī)溶劑或者添加鹽來打破其氫鍵結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)電紡，而變形后的膠原蛋白能夠在乙酸溶液中成功電紡[7]。膠原蛋白單獨(dú)電紡的溶劑具有局限性，而且單組分膠原蛋白纖維的機(jī)械性能較弱，研究中一般采用交聯(lián)或者與其它高分子共紡的方式提高溶液的可紡性和纖維的綜合性能。膠原蛋白已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與彈性蛋白、殼聚糖、透明質(zhì)酸鈉、蠶絲蛋白、玉米醇溶蛋白等天然高分子的共紡[6，8-11]。通過與PCL、PEO、PLGA 等合成高分子進(jìn)行共紡能夠顯著提高纖維的機(jī)械性能[12-14]。膠原蛋白纖維交聯(lián)初期一般采用戊二醛熏蒸的方式，然而該方法得到的纖維會(huì)有戊二醛殘留，具有一定的細(xì)胞毒性。Torres-Giner 等[15]比較了TG 酶交聯(lián)、EDC 交聯(lián)、京尼平交聯(lián)以及紫外交聯(lián)發(fā)現(xiàn)TG 酶交聯(lián)的膠原蛋白纖維生物相容性最好（圖3）。

圖1 靜電紡絲的基本原理示意圖Fig.1 The schematic illustration of electrospinning setup

圖2 噴射液滴的作用力剖析圖Fig.2 Forces acting on the charged droplet during the electrospinning

圖3 EDS/NHS（a）、京尼平（b）、TG 酶（c）交聯(lián)后膠原蛋白對(duì)成骨細(xì)胞增殖性的影響Fig.3 Typical optical images of osteoblasts cultured in a cell medium during the first week （top） and last week （bottom） on collagen nanofibers cross-linked by （a） EDC/NHS （b） GP，and （c） TG

2.2 明膠

明膠是膠原蛋白經(jīng)過酸法或堿法水解得到的一種衍生蛋白質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量約為幾千到10 萬左右。雖然明膠是一種水溶性蛋白，但是由于其凝膠化性質(zhì)很難在純水溶液中電紡。早期電紡明膠選用三氟乙醇作為溶劑，在質(zhì)量濃度0.05～0.15 g/mL 進(jìn)行靜電紡絲，能夠得到形態(tài)良好的納米纖維[16]。在研究過程中對(duì)溶劑毒性的考慮，Ki 等[17]采用甲酸作為明膠溶劑，在明膠質(zhì)量濃度大于0.08 g/mL 后形成無串珠纖維，發(fā)現(xiàn)明膠甲酸溶液的黏度隨著放置時(shí)間的延長而降低，說明明膠在甲酸溶液中會(huì)進(jìn)行降解。由于明膠在低溫條件下凝膠，Li 等[18]選用提高電紡溫度的方式將明膠溶解在水溶液（V水∶V乙醇=9∶1）中，當(dāng)明膠質(zhì)量濃度達(dá)到0.15 g/mL，40 ℃時(shí)能夠得到無串珠纖維，并且該體系中加入透明質(zhì)酸能夠提高電紡性。Song 等[19]發(fā)現(xiàn)明膠質(zhì)量濃度在0.08～0.11 g/mL 之間，70%乙酸水溶液條件下可以成功電紡。近期明膠靜電紡絲的研究多采用水/乙酸體系在常溫下進(jìn)行電紡，明膠質(zhì)量濃度可以高達(dá)0.4 g/mL[20-21]，并且表面活性劑SDS 的添加能夠顯著增加明膠纖維的直徑（圖4）。由于電紡明膠納米纖維膜在水溶劑體系中極易快速瓦解，所以一般采用交聯(lián)的方式提高明膠電紡膜的水溶穩(wěn)定性。至今為止大部分研究采用戊二醛熏蒸的方式進(jìn)行交聯(lián)[22-23]，也有研究者采用京平尼進(jìn)行交聯(lián)[24]。然而，化學(xué)交聯(lián)劑的殘留對(duì)于電紡膜在食品行業(yè)的應(yīng)用有不利影響。Siimon 等[25]通過在明膠溶液中添加葡萄糖，通過美拉德反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)，獲得了水不溶電紡膜。Tavassoli-Kafrani等[26]采用氧化多酚的方式進(jìn)行明膠納米纖維的交聯(lián)。為了提高明膠電紡膜的性能，研究者們將明膠和其它高分子進(jìn)行共紡。Meng 等[27]將明膠和PLGA 進(jìn)行共紡得到了強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于單一組分的電紡膜。

圖4 明膠納米纖維（a）以及添加1%（b），2%（c），3%（d），4%（e），5%（f） SDS 明膠納米纖維形態(tài)及直徑分布Fig.4 The SEM morphology and diameter distribution of gelatin nanofibers （a） and those added with 1% （b），2% （c），3% （d），4% （e），and 5% （f） SDS

2.3 玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是一類能溶于乙醇溶液，提取于玉米中的蛋白質(zhì)，富含谷氨酸和脯氨酸。由于玉米醇溶蛋白中含有大量的疏水性殘基，其在水中溶解性差，由于其中還含有一些極性基團(tuán)，如谷氨酰胺、天冬酰胺，因此玉米醇溶蛋白也不能溶解在無水乙醇中，易溶于乙醇水溶液中。靜電紡絲玉米醇溶蛋白可以選用乙醇水溶液、甲醇水溶液、異丙醇水溶液以及乙酸水溶液等。通過乙醇水溶液電紡得到的玉米醇溶蛋白納米纖維多呈緞帶狀，其形成的原因可能是溶劑揮發(fā)十分迅速，纖維瞬間形成了中空結(jié)構(gòu)，隨著纖維的拉伸中空結(jié)構(gòu)坍塌即得到了緞帶狀的纖維。Selling 等[28]比較了不同溶劑對(duì)玉米醇溶蛋白纖維形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)乙酸水溶液能夠電紡出柱狀的纖維形態(tài)，其直徑分布也小于醇溶液電紡得到的纖維（圖5）。玉米醇溶蛋白納米纖維膜的機(jī)械性能無法滿足食品工業(yè)的需要，Yao 等[29]通過己二異氰酸酯交聯(lián)，將玉米醇溶蛋白納米纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度增加了一倍。戊二醛也常用于玉米醇溶蛋白纖維交聯(lián)從而提高其機(jī)械性能和溶劑穩(wěn)定性[30]。不同于動(dòng)物源蛋白，玉米醇溶蛋白常被應(yīng)用于生物活性物質(zhì)包埋以及活性包裝[31]。Wang 等[32]將原花青素包埋于玉米醇溶蛋白納米纖維中得到了具有抗氧化以及緩釋功能的纖維膜。Wang 等[33]將姜黃素包埋后得到了具有抑菌功能的玉米醇溶蛋白納米纖維膜。姜黃素-玉米醇溶蛋白納米纖維膜還被應(yīng)用于微量Fe3+的檢測[34]。槲皮素、多酚、銀離子等都曾被包埋于玉米醇溶蛋白納米纖維[35-36]。

圖5 柱狀（a）和緞帶狀（b）形態(tài)玉米醇溶蛋白纖維Fig.5 The round morphology （a） and ribbon morphology （b） of zein nanofibers

2.4 乳清蛋白

乳清蛋白是一種球蛋白，含有β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、免疫球蛋白和血清白蛋白，在食品行業(yè)通常用于包埋。由于乳清蛋白的球狀結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)形成足夠的分子纏聯(lián)從而形成納米纖維。López-Rubio 和Lagaron[37]將40%的WPI 水溶液進(jìn)行電噴得到了直徑100～2 000 nm 的微球，并且能夠通過調(diào)節(jié)pH 改變其直徑分布，以甘油作為助溶劑將β-胡蘿卜素包埋其中起到了延緩其氧化的作用。向WPI 溶液（10%）中添加0.4%的PEO，在酸性條件下（pH 1）能夠電紡得到直徑700 nm左右的納米纖維[38]。Sullivan 等[39]發(fā)現(xiàn)通過熱處理能夠提高WPI/PEO 納米纖維膜在水溶液中的穩(wěn)定性。Pérez-Masiá 等[40]對(duì)比了電噴與普通噴霧干燥對(duì)葉酸包埋效果的影響，發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)在包封率上沒有顯著差異，而電噴的過程不會(huì)讓活性物質(zhì)發(fā)生熱變形，并且也不需要揮發(fā)性有機(jī)溶劑，對(duì)活性物質(zhì)能夠起到更好的保護(hù)作用。該課題組同樣發(fā)現(xiàn)電噴得到的WPI 微球?qū)Ζ?亞麻酸有顯著地保護(hù)效果，而普通噴霧干燥造成了脂肪酸氧化[41]。

表1 常見蛋白電紡所用溶劑Table 1 The lists of some common solvents for protein electrospinning

3 靜電紡絲多糖

3.1 殼聚糖

殼聚糖是一種氨基多糖，來源于去乙?；募讱に?。由于殼聚糖具有抑菌性和良好的生物相容性、降解性，殼聚糖電紡膜一直備受關(guān)注。殼聚糖在極少數(shù)的溶劑中能夠?qū)崿F(xiàn)單組分電紡，Ohkawa 等[43]將8%殼聚糖溶于三氟乙酸中能夠形成幾乎沒有串珠的纖維，并且通過向溶劑中加入二氯甲烷能夠顯著改善纖維形態(tài)形成完全無串珠結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)7%的殼聚糖溶于高濃度（90%）乙酸中能夠?qū)崿F(xiàn)殼聚糖單組分電紡，然而只有中等分子質(zhì)量的殼聚糖能夠成功電紡，而且電場電壓要高于4 kV/cm[44]。由于酸溶液電紡得到的殼聚糖電紡膜在中性以及弱堿性環(huán)境中易溶解，通常采用飽和Na2CO3溶液中和[45]以及戊二醛、京平尼、ECH等交聯(lián)的方法[46-47]。殼聚糖單組分電紡受制于殼聚糖分子質(zhì)量、電壓、溶劑等的限制，大部分研究都將殼聚糖與合成高分子，如PEO，PCL，PVA 等進(jìn)行共紡，從而提高殼聚糖溶液的可紡性[48-50]。也有大量研究將殼聚糖與其它天然高分子，如明膠、玉米醇溶蛋白、絲素蛋白等進(jìn)行共紡，從而得到綜合性能更優(yōu)良的電紡膜[51-53]。殼聚糖納米纖維膜具有一定的抑菌性所以能夠被用于促進(jìn)愈傷修復(fù)[53]。也有很多研究將抑菌物質(zhì)包埋于殼聚糖納米纖維中得到抑菌性能良好的包裝材料[54]。殼聚糖/PLA納米纖維膜還被用于脂肪酶固定從而提高脂肪酶的回收效率和利用次數(shù)[55]。Mendes 等[56]將殼聚糖與磷脂共紡得到納米纖維用于藥物緩釋，將維生素B12、姜黃素、雙氯芬酸作為模式藥物發(fā)現(xiàn)該體系可用于經(jīng)皮給藥[56]。本課題組研究發(fā)現(xiàn)將LAE添加到殼聚糖納米纖維中能夠有效提升殼聚糖的抑菌效果（圖6）。

圖6 不同LAE 含量的殼聚糖納米纖維膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用Fig.6 The inhibition effect of LAE encapsulated chitosan nanofibers against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

3.2 纖維素

纖維素是自然界含量最豐富的多糖，由幾百至幾千個(gè)β（1→4）連接的D-葡萄糖單元的線性鏈（糖苷鍵）組成。用于直接電紡纖維素的溶劑有LiCl/DMAc，NMMO/水體系，乙二胺/硫氰酸鉀體系[57-58]。已有研究表明電紡纖維素溶劑選擇十分嚴(yán)苛，以及非揮發(fā)性溶劑殘留的問題，因此很多研究者通過電紡乙基纖維素得到納米纖維后再用堿溶液進(jìn)行處理后得到纖維素納米纖維[59]。研究了丙酮、DMAc、乙酸三元體系對(duì)乙基纖維素電紡的影響，發(fā)現(xiàn)3 種溶劑單獨(dú)都難以形成良好的乙基纖維素納米纖維，乙酸/DMAc 體系形成了帶串珠的纖維，丙酮/DMAc 體系能夠形成形態(tài)良好的纖維[60]。Ma 等[59]采用了丙酮/DMF/三氟乙烯（3∶1∶1，體積比）體系作為溶劑，電紡得到的納米纖維膜呈“棉絮狀”，表現(xiàn)為纖維之間粘連不夠，膜很蓬松，機(jī)械性能差。Han 等[61]研究了水/乙酸體系作為溶劑對(duì)乙基纖維素電紡的影響，發(fā)現(xiàn)形態(tài)良好的納米纖維在乙酸體積分?jǐn)?shù)大于70%的溶劑體系得以形成，隨著乙酸體積分?jǐn)?shù)的增加纖維直徑也相應(yīng)增加。在本課題組近期的研究中采用水/乙醇/乙酸（2∶2∶6，體積比）體系作為乙基纖維素的溶劑并且得到了直徑600 nm 左右形態(tài)良好的納米纖維[62]。

由于纖維素分子中含有大量的羥基，具備良好的親水性、生物相容性和反應(yīng)性，纖維素納米纖維素被應(yīng)用于制備親和膜[59]，乙基纖維素纖維膜被應(yīng)用于水處理中重金屬離子的吸附[63]。通過電紡乙基纖維素納米纖維，中和后得到纖維素納米纖維膜被用于脂肪酶固定化[64]。也有大量研究將乙基纖維素應(yīng)用于活性物質(zhì)包埋及緩釋，起到藥物傳遞、抑菌、傷口修復(fù)的作用[65-67]。

3.3 海藻酸鈉

海藻酸鈉是一種從天然褐藻中提取的線性聚糖醛酸，其分子主鏈由甘露糖醛酸單元和古羅糖醛酸單元不規(guī)則連接組成。海藻酸鈉是水溶性聚合物，早期研究集中在海藻酸鈉與其它合成多聚物，如PVA 或PEO 的混合水溶液體系的電紡[68-69]。Nie 等[70]認(rèn)為海藻酸鈉水溶液難以單獨(dú)電紡是由于其分子間形成的氫鍵使得其分子鏈形成了剛性的“蠕蟲狀”，從而難以提供足夠的纏聯(lián)從而成功電紡。該研究團(tuán)隊(duì)通過向海藻酸鈉水溶液中添加甘油來破壞海藻酸鈉分子間的氫鍵作用從而實(shí)現(xiàn)海藻酸鈉在水/甘油溶液中的單獨(dú)電紡（圖7），甘油/水比例≥1 時(shí)，0.02 g/mL 海藻酸鈉可電紡得到形態(tài)良好的納米纖維。Moon 和Farris[71]通過提高電紡溫度的方式成功電紡了明膠/海藻酸鈉水溶液。Fang 等[72]發(fā)現(xiàn)以水/乙醇/DMF（75∶15∶10，體積比） 為溶劑的海藻酸鈉溶液中添加少量CaCl2能夠提高溶液的可紡性。近期研究發(fā)現(xiàn)在普魯士多糖/海藻酸鈉水溶液無針共紡體系中加入少量的CaCl2能夠顯著降低纖維直徑并且提高纖維的熱穩(wěn)定性[73]。由于海藻酸鈉與鈣離子能夠形成凝膠，可以利用這一性質(zhì)對(duì)海藻酸鈉纖維膜進(jìn)行鈣離子處理從而加強(qiáng)海藻酸鈉纖維膜的水溶液穩(wěn)定性[74]。海藻酸鈉納米纖維膜被應(yīng)用于組織工程、活性包裝、酶固定化以及重金屬吸附等[75-78]。

圖7 海藻酸鈉中加入甘油后分子作用機(jī)理示意圖Fig.7 Schematic illustration of the interaction between sodium alginate and water or glycerol

3.4 葡聚糖

葡聚糖是一種細(xì)菌多糖，由α-1，6-鍵連接D-吡喃葡萄糖，側(cè)鏈由α-1，2-，α-1，3-或者α-1，4-連接。葡聚糖（1 g/mL）溶解在DMSO/水和DMSO/DMF 溶劑體系中能夠得到形態(tài)良好的納米纖維[79]。Ritcharoen 等[80]以純水為溶劑，分子質(zhì)量64～76 ku 的葡聚糖為原料，質(zhì)量濃度為0.9～1.3 g/mL時(shí)能夠成功電紡得到納米纖維，通過戊二醛交聯(lián)以及氯化鎂添加能夠提高葡聚糖納米纖維膜的水溶液穩(wěn)定性。葡聚糖通常與一些合成高分子共紡后被應(yīng)用于組織工程[81-82]。

4 總結(jié)

天然高分子由于其安全性、生物相容性、生物可降解性受到越來越多靜電紡絲研究者的關(guān)注。然而，天然高分子在靜電紡絲過程中由于其分子質(zhì)量分布廣，生產(chǎn)批次不同造成分子質(zhì)量分布差異，對(duì)天然高分子電紡膜產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。過去幾十年的研究表明已經(jīng)可以通過原料的分子質(zhì)量、濃度、流變性質(zhì)等預(yù)測以及精準(zhǔn)控制溶液的可紡性。天然高分子電紡膜也已經(jīng)在活性包裝、酶固定化、組織工程、藥物緩釋、膜處理等方面表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價(jià)值。

表2 常見多糖電紡所用溶劑Table 2 The lists of some common solvents for polysaccharide electrospinning