可抑制微生物增殖的無毒抗菌纖維 沖洗后三天可降解，能將牛油果新鮮度延長百分之四十

有這樣一種材料，給牛油果涂上后，可大幅延長其新鮮度（40%）。需要除去材料時只需3 天就能降解。它的名字叫——無毒型抗菌纖維。

常會賓

相關(guān)論文的共同第一作者叫常會賓，他是華北電力大學校友，目前正在哈佛大學從事博后研究。

其表示：“我們開發(fā)了一種新型抗菌包裝方法——即可生物降解的無毒型抗菌纖維，能直接用于包裝食品。為實現(xiàn)這一點，我們使用水作為唯一溶劑、并使用普魯蘭糖作為纖維骨架。實驗證明，通過抑制微生物增殖和減少水分蒸發(fā)，可以來延長牛油果的保質(zhì)期。實驗結(jié)果表明，利用纖維生產(chǎn)技術(shù)能制備出環(huán)保型抗菌食品包裝，其具備可擴展、低成本等優(yōu)勢?！?/p>

這一成果，可用于任何需要抗菌的場景。目前，課題組主要研究食品的相關(guān)應(yīng)用，此外還可用于皮膚以及其他生物領(lǐng)域的應(yīng)用。在論文發(fā)表后，該團隊也正在探索大規(guī)模應(yīng)用的可行性以及針對其他食物的保鮮性研究。

據(jù)介紹，普魯蘭糖是一種天然存在的細胞外多糖，被美國食品和藥物管理局批準用于食品添加劑和藥品包裝。在普魯蘭糖中加入抗菌劑之后，抗菌普魯蘭纖維可被用于對抗常見的食物病原體，比如大腸桿菌等細菌和真菌種群。

在本研究中，之所以把牛油果選為典型水果，是因為牛油果主要產(chǎn)于南美洲，但卻被銷往全世界，因此經(jīng)常需要長時間運輸，故需要食品包裝來延長其新鮮度。

并且，它們?nèi)菀自诓烧笞冑|(zhì)，這種變質(zhì)主要包括不均勻的成熟和腐爛。因此，牛油果首先被用來測試“直接涂層食品包裝法”的可行性。

概括來說，食物浪費和食品安全激發(fā)了人們對改進食品包裝解決方案的需求。然而，當前用于解決這些問題的薄膜/涂層，通常涉及到需要大量活性成分的低效釋放動力學，因此存在一定局限性。

基于此，他們開發(fā)出基于抗菌普魯蘭纖維的包裝，該包裝是可生物降解的，能包裹食品基材，延長其使用時間并提高其安全性。

當使用名為“聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲”的抗菌普魯蘭纖維時，再以水為唯一溶劑，即可允許摻入天然衍生的抗微生物劑。以牛油果為例，課題組證明抗菌普魯蘭纖維涂層可通過抑制天然微生物群增殖、以及減少水分丟失，來延長食品保質(zhì)期。

全球每年超42萬人因微生物污染去世

在全球范圍內(nèi)，每年微生物污染導致超過6億例食源性疾病和42萬人死亡，且食源性疾病造成的經(jīng)濟損失每年都在增加。可以抑制微生物增殖的智能包裝，比如活性抗菌食品包裝系統(tǒng)，有望同時減少食源性疾病和腐爛，并且減少相關(guān)的經(jīng)濟損失。

盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)有助于減少污染的智能抗菌薄膜/涂層，但由于其表面積比較小，通常會受到釋放量的限制，因此需要加入大量的活性成分。這樣不僅會增加成本，還會影響食品的顏色和氣味等。

與此同時鑒于塑料帶來的環(huán)境污染，在食品包裝上人們依然需要可生物降解的材料和環(huán)保型加工方法。所以，開發(fā)可持續(xù)的食品包裝材料，以用于提高食品安全和質(zhì)量，是一個當務(wù)之急。

相比用于抗菌食品包裝系統(tǒng)的薄膜材料，纖維材料是富有吸引力的潛在替代品。首先，它們能更有效地釋放抗菌劑。當加入較小劑量的活性劑時，纖維材料能最大限度地減少對食品感官特性的負面影響。

塑料帶來的環(huán)境污染

當下，在用于食品包裝的微/納米纖維里，靜電紡絲是最流行的技術(shù)手段之一。然而，由于生產(chǎn)率低和對高壓電場的要求，靜電紡絲尚未在食品包裝中取得實際應(yīng)用。

而相比食品包裝，此次抗菌包裝方法的設(shè)計非常巧妙。與靜電紡絲相比，聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡紗的效率更高、也更安全。研究中，該團隊使用旋轉(zhuǎn)噴射紡紗紡織、以及抗菌化合物普魯蘭纖維，來作為一個可生物降解的平臺。

一位審稿人評價稱，該成果的主要優(yōu)勢在于纖維涂層的生產(chǎn)過程，即此前用于食品包裝的抗菌纖維涂層，主要通過靜電紡絲進行，而這并不利于大規(guī)模應(yīng)用。

相比之下，通過旋轉(zhuǎn)噴射紡紗流程，則能造出相對便宜的裝置。最重要的是，在食品生產(chǎn)現(xiàn)場例如農(nóng)場，這能最大限度地降低生產(chǎn)時間和污染風險。

常會賓擔任共同第一作者，哈佛大學環(huán)境衛(wèi)生系教授菲利普·德莫克里圖以及該校約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學學院教授凱文·基特·帕克擔任共同通訊作者。

產(chǎn)率高達0.2g/min，具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力

研究的第一階段，是紡絲設(shè)備的選擇。課題組選擇了如下兩種：靜電紡絲和聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲。在靜電紡絲的使用上，該團隊曾專門發(fā)過一篇關(guān)于智能食品包裝的論文。

但是，靜電紡絲的缺點比較明顯，產(chǎn)率非常低、且不能直接用于包裝食物。故在此次工作中，他們采用了聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲。

這種新型紡絲設(shè)備包含兩個部分：一是“旋轉(zhuǎn)噴射”：通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以噴射出聚合物溶液。離開噴口后，溶劑蒸發(fā)，聚合物就固化形成纖維。另一個則是“聚焦”：一股垂直于圓盤的聚焦氣流將纖維直接聚集在食品上。

利用這一技術(shù)，課題組打造出具有真實螺旋結(jié)構(gòu)的心臟模型，并且可以格按照心臟中心肌纖維螺旋排列的角度，重建單個甚至是四個心室的復心臟結(jié)構(gòu)。

另外，這項技術(shù)通過創(chuàng)新性設(shè)計，實現(xiàn)了一項重要突破：同時進行噴絲與紡織這兩個過程，而且兩個過程相對獨立，這能極大提升微納米尺度的紡紗效率。

與其他纖維生產(chǎn)方法、例如靜電紡絲大約0.01 g/分鐘的產(chǎn)率相比，使用旋轉(zhuǎn)噴射紡絲一步合成涂層的方法，顯而易見具備更高的產(chǎn)率，可達0.2g/分鐘。

此外，由于旋轉(zhuǎn)噴射紡紗是一種便攜式系統(tǒng)，并能避免使用高壓電場，因此它可直接用于食物生產(chǎn)現(xiàn)場，從而將抗菌包裝沉積到新鮮食品上。

另據(jù)悉，旋轉(zhuǎn)噴射紡紗所具備的便攜性，還可用于從農(nóng)場到餐桌的其他各種關(guān)鍵控制點，從而實現(xiàn)對食品基質(zhì)的包裝，進而提高食品安全和質(zhì)量。

第二階段便是原材料的選擇。該團隊計劃鎖定能自然降解的材料、以及沒有毒性的溶劑。通過大量實驗和溶劑選擇，最終他們分別選擇了普魯蘭糖和水。其研究表明，普魯蘭纖維可在液體環(huán)境中溶解，并能在土壤環(huán)境中可生物降解。

目前，普魯蘭的市售價大約25美元～30美元一公斤，這讓它在食品包裝的商業(yè)用途上受到成本阻礙。而基于微/納米纖維的涂層具有高表面體積比，在僅使用有限的表面處理時，即可實現(xiàn)有效的抗菌活性。

這表明新鮮水果比如牛油果，可以使用廉價的抗菌纖維，包裝每個水果只需幾美分。如果考慮到大規(guī)模制造，還可進一步降低成本。

總的來說，在該方法的制造過程里，對環(huán)境的影響很小。同時，由于分別使用水作為溶劑、可生物降解的無毒型聚合物合成纖維、以及自然生產(chǎn)的抗菌劑。當將食品染料摻入聚合物溶液中，可以產(chǎn)生不同顏色的纖維涂層。

這表明，抗菌普魯蘭纖維不僅能攜帶抗菌劑，同時還能給消費者提供更好的視覺裝飾。而且，這種包裝很容易被去除，在水中沖洗大約20秒，就能讓纖維涂層完全溶解。此外，這類纖維涂層在土壤中也完全降解。

課題組還在土壤中測試了化學交聯(lián)的纖維涂層，與純纖維涂層相比，它們具有較好的機械性能、以及相對較慢的降解速度。

在第三階段，則要證明纖維涂層在食品包裝上的可行性。研究者首先使用直接接觸實驗法，證明了該涂層的抗菌性。其次，使用牛油果作為樣品，證明了它的保鮮性。

另外，真菌腐敗通常被認為是一個更具挑戰(zhàn)性的難題，這也導致很少有人報告有效的抗真菌食品包裝系統(tǒng)，尤其是纖維形式的食品包裝系統(tǒng)。

而本次實驗結(jié)果顯示當面對細菌時，具有抗菌的普魯蘭纖維涂層不僅表現(xiàn)出很強的抗菌功效。此外，其還具有很強的抗真菌效率，在24小時接觸時間后，煙曲霉（發(fā)菌科曲菌屬下的一個種）的數(shù)量顯著減少。此外，這類纖維涂層還可減少運輸過程中的變質(zhì)。

在第四階段，課題組研究了保鮮的機理研究。最終在眾多因素中，他們找到了兩個主要保鮮因素：抗菌性和保水性。隨后，他們把研究整理成論文進行發(fā)表。

據(jù)了解，常會賓來自河北邯鄲。本科畢業(yè)于華北電力大學材料科學與工程專業(yè)，大三開始進入實驗室接受科研訓練，期間主要研究利用熔鹽法去合成陶瓷粉體。

隨后，其在美國密蘇里大學機械與航空專業(yè)取得碩士學位，研究方向為羥基磷灰石纖維的合成以及在牙齒復合材料方面的應(yīng)用。博士則畢業(yè)于佐治亞理工大學材料科學與工程專業(yè)，主攻方向為探索可再生材料在高性能碳纖維制造方面的應(yīng)用。

目前，他在哈佛大學約翰保爾森工程與應(yīng)用科學學院從事博后研究，專注于開發(fā)新一代纖維紡織設(shè)備以及在心臟相關(guān)疾病、皮膚和食品上的應(yīng)用。