靜電紡核殼納米包裝膜的制備及其抗菌性能

魏 娜， 康衛(wèi)民， 孫 誠， 程博聞

(1. 天津職業(yè)大學(xué) 包裝與印刷工程學(xué)院， 天津 300410； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

傳統(tǒng)靜電紡絲是將功能材料和聚合物混合溶解在溶劑中制成高聚物靜電紡絲液進(jìn)行紡絲，其中功能材料、聚合物、溶劑三者之間的相容性和穩(wěn)定性是靜電紡絲過程中的重點(diǎn)，特別是在一些特殊領(lǐng)域如藥物包埋等，需要制備出具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維。目前主要有3種靜電紡絲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)藥物包埋，分別為同軸靜電紡絲、懸浮液靜電紡絲和乳液靜電紡絲，3種形式均可制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的靜電紡纖維[1-2]。同軸靜電紡絲工藝不僅需要特殊噴絲頭，且紡絲過程參數(shù)難控制，而乳液靜電紡絲操作簡單，不需要額外的裝置即可完成，因此，越來越受到研究者的關(guān)注[3-4]。目前主要使用以水相藥物作為核材料，疏水性高聚物作為殼材料，制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維[5-6]，達(dá)到延長釋放和降低突釋率目的[7-8]，而采用乳液靜電紡絲技術(shù)解決植物精油包埋問題鮮有報(bào)道。

植物精油具有防腐、保鮮和藥用特性，雖然近幾年作為抑菌劑在果蔬保鮮包裝方面有所研究，但由于其存在易揮發(fā)、性質(zhì)不穩(wěn)定等問題，限制了其應(yīng)用。百里香(thymus monoglious romm) 又名地姜、地椒、麝香草等，百里香精油的抑菌活性主要取決于其精油成分中的百里香酚和香芹酚，具有毒性低、刺激性小的特點(diǎn)，可安全應(yīng)用在食品藥品等行業(yè)中[9-10]。

本文以羧甲基殼聚糖和聚氧化乙烯水溶液為水相，以百里香精油為油相，吐溫80為乳化劑，在一定攪拌速度和攪拌時(shí)間內(nèi)，將水相和油相乳化制成乳液，借助靜電紡絲技術(shù)制得納米纖維膜，通過調(diào)節(jié)乳液體積比，使百里香精油被包裹進(jìn)纖維的芯部，制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維膜，以期為解決植物精油的包埋問題提供新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：羧甲基殼聚糖(CMCS，羧化度為83.58%，相對(duì)分子質(zhì)量為2.5×105，當(dāng)其在水溶液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，溶液黏度為21 mPa·s)，江澳興生物科技有限公司；聚氧化乙烯(PEO)，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；百里香精油，吉安盛大香料油有限公司；葡萄糖，天津市元立化工有限公司；瓊脂，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；灰霉、青霉、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌，天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院；牛肉膏、蛋白胨，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司。

儀器：JDFSS-1型靜電紡絲實(shí)驗(yàn)機(jī)，自行研發(fā)；S3400N 型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本Hitachi公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；DDS-307型電導(dǎo)率測試儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；SW-CJ-IB型超凈工作臺(tái)，蘇州凈化設(shè)備有限公司；HWS-0158型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，寧波江南儀器廠；LS230/VSM型激光粒徑測試儀，貝克曼公司；JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)，日本JEOL公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1乳液的制備

首先選擇乳化劑。根據(jù)文獻(xiàn)[11]顯示，分子親水親油性相對(duì)指標(biāo)HLB(hydrophile and lipophile balance)值能決定是否形成水包油還是油包水乳液，其中乳化劑HLB值越大，親水性越強(qiáng)，越易形成水包油型乳液，因此，本文選擇HLB值為15的吐溫80作為CMCS/PEO的乳化劑。

精確稱取一定質(zhì)量的羧甲基殼聚糖和聚氧化乙烯，按照二者質(zhì)量比為9∶1溶于去離子水中至完全溶解，通過前期紡絲實(shí)驗(yàn)探索，選擇羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、4%，配置甲基殼聚糖/聚氧化乙烯溶液作為水相，然后以百里香精油作為油相，吐溫80為乳化劑，按照水相、油相和乳化劑體積比為36.7∶4∶1、22.8∶4∶1和15.8∶4∶1，在轉(zhuǎn)速為400 r/min下攪拌30 min，得到穩(wěn)定的乳液。

1.2.2靜電紡CMCS/百里香精油薄膜制備

將乳液吸取至注射針筒中，設(shè)置紡絲電壓分別為16、18、20、22、24 kV，紡絲速度為0.5 mL/h，接收距離為11 cm，通過靜電紡絲制備納米纖維膜。

1.3 測試與表征

1.3.1乳液基本性能測試

黏度：在恒溫(25 ℃)水浴中，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試乳液的旋轉(zhuǎn)黏度。該黏度計(jì)有4種轉(zhuǎn)子(1#、2#、3#、4#)和4種轉(zhuǎn)速(6、12、30、60 r/min)，測量范圍為10～1×105mPa·s，溶液黏度較小時(shí)選擇1#、2#轉(zhuǎn)子，黏度大時(shí)選擇3#、4#轉(zhuǎn)子；測量時(shí)將轉(zhuǎn)子浸入待測液體中，并使轉(zhuǎn)子液面標(biāo)志和待測液面相平，轉(zhuǎn)子在待測液體中旋轉(zhuǎn)1 min，待指針穩(wěn)定后讀數(shù)，根據(jù)選取的轉(zhuǎn)子乘以相應(yīng)的系數(shù)，得到乳液黏度值。

電導(dǎo)率：在室溫下，采用電導(dǎo)率測試儀進(jìn)行測試。其中電導(dǎo)電極為鉑黑電極，電極常數(shù)為0.99。

粒徑：在室溫下，使用激光粒徑測試儀進(jìn)行測量。取1 mL待測乳液置于加有蒸餾水的水槽中稀釋500倍，測量得到粒徑分布圖。

1.3.2纖維膜形貌測試

纖維膜樣品真空干燥12 h后，剪成小塊，用導(dǎo)電膠固定于載物臺(tái)上，放入表面處理機(jī)中進(jìn)行噴金處理，然后采用掃描電子顯微鏡觀察其形貌。

1.3.3核-殼纖維的結(jié)構(gòu)測試

將靜電紡絲纖維紡制在孔徑為38 μm的銅網(wǎng)上，將銅網(wǎng)正面朝上置于桿尖部的凹槽中固定樣品，然后將桿放入透射電鏡中觀察單個(gè)纖維的核-殼結(jié)構(gòu)。

1.3.4抗菌性能測試

在潔凈工作臺(tái)上，將滅菌后的培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中，待其凝固后將菌懸液加入到培養(yǎng)基上。然后用鑷子將纖維膜放入含菌培養(yǎng)基中央，使膜與菌種直接接觸。最后封口將霉菌培養(yǎng)基(灰霉、青霉)倒置于 28 ℃ 培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，細(xì)菌培養(yǎng)基(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌)倒置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 24 h，掃描拍照并使用ImagePro-Plus分析抑菌圈直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜電紡乳液黏度分析

表1示出不同配比乳液的黏度。乳液中分散相含量直接影響乳液的性質(zhì)，由表1可知，隨著乳液中分散相百里香精油(油相)體積分?jǐn)?shù)的增加，其黏度逐漸增加，說明乳狀液的黏滯阻力增加，使羧甲基殼聚糖分子、乳化劑(Tween 80)及百里香精油分子間的相互作用增強(qiáng)。

表1 不同配比乳液的旋轉(zhuǎn)黏度和電導(dǎo)率Tab.1 Viscosity and conductivity of emulsion with different proportions

圖2 不同電壓條件下纖維掃描電鏡照片(×5 000)Fig.2 SEM images of electrospun fibers at different voltage(×5 000)

由表1還可以看出，無論羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%還是4%，隨著油相的加入，乳液的黏度值呈增大趨勢。當(dāng)羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，隨著油相比例的增加，乳液黏度急劇增加，這是因?yàn)橛拖嗟脑黾邮谷橐褐行纬闪烁嗟哪z束，由于羧甲基殼聚糖和大量吐溫80及百里香精油間的相互作用，使得乳液黏度急劇增加。

2.2 靜電紡乳液電導(dǎo)率的分析

由表1不同配比乳液的電導(dǎo)率可知，無論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%還是4%的羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯溶液，隨著乳液中油相體積分?jǐn)?shù)增加，乳液的電導(dǎo)率呈逐漸下降的趨勢，可從一定程度上反映溶液內(nèi)部已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的乳液體系[12]。

2.3 靜電紡乳液粒徑分析

圖1示出不同配比乳液的粒徑分布。可知， 3種乳液的平均粒徑分別為53.99、75.27和 85.40 μm，整體上乳液粒徑隨百里香精油含量的增加而增大。這是因?yàn)橛拖嘈∫旱我苿?dòng)速度較快，隨著油相含量增大，小液滴逐漸聚集重新融合為較大粒徑的液滴，從而表現(xiàn)出粒徑增大。

圖1 羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)不同配比乳液的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of emulsion with CMCS/PEO mass fraction of 3%

2.4 纖維膜形貌的分析

當(dāng)水相、油相、乳化劑體積比為22.8∶4∶1，乳液在電壓為16、18、20、22、24 kV時(shí)的靜電紡纖維形貌如圖2所示。

由圖2可以看出，由于百里香精油的加入導(dǎo)致乳液沸點(diǎn)升高，同時(shí)溶液的黏度也升高，在紡絲距離一定的情況下，射流中的溶劑在有限的空間內(nèi)不能完全揮發(fā)，因此，纖維之間產(chǎn)生了黏結(jié)現(xiàn)象，且當(dāng)電壓較小時(shí)，射流中的黏應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，使得纖維直徑較粗，隨著電壓的提升，在紡絲距離一定的情況下，此時(shí)電場強(qiáng)度增大，射流中的電場力占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)纖維的拉伸作用加強(qiáng)，因此，纖維黏結(jié)現(xiàn)象減弱，纖維直徑減小。

2.5 靜電紡纖維核-殼結(jié)構(gòu)分析

圖3示出不同乳液配比纖維膜的透射電鏡照片。

圖3 不同配比溶液的靜電紡絲纖維透射電鏡照片F(xiàn)ig.3 TEM images of electrospinning fibers with different proportions

由圖3(a)可以看出，當(dāng)油相體積含量較低時(shí)，油相在纖維內(nèi)部形成較細(xì)的核層，并且核層的粗細(xì)不均勻，殼纖維直徑為180 nm，而核直徑介于4～87 nm 之間。原因是由于油相加入后，靜電紡絲液形成乳液狀態(tài)，乳液中的液滴會(huì)受到靜電場力、乳液黏應(yīng)力和乳液滴與水相溶液的相互相用，較小的水包油液滴可在纖維核層形成較細(xì)的核層，而由于乳液中的水包油液滴在高黏度溶液中并不是穩(wěn)定存在的，會(huì)由小液滴聚集成大液滴，雖然沒有形成破乳，但是纖維核層變粗。

由圖3(b)可以看出，當(dāng)油相體積比增大時(shí)，納米纖維中的核層變粗，并且粗細(xì)較為均勻，表明乳液中水包油液滴處于相對(duì)平衡狀態(tài)，沒有發(fā)生液滴大量聚集情況，因此，靜電紡絲過程中在纖維內(nèi)部就可形成粗細(xì)較為均勻的芯層，其中殼纖維直徑為 188 nm，核直徑為91 nm。

當(dāng)乳液中的油相體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，此時(shí)纖維內(nèi)部的芯層變得更大，幾乎占據(jù)了纖維內(nèi)壁，且不再是較為光滑的纖維狀態(tài)，而是發(fā)生破損，如圖3(c)所示。分析其原因可能是由于當(dāng)油相體積分?jǐn)?shù)增加后，溶液的黏度增大，當(dāng)受到靜電場力、乳液黏應(yīng)力共同作用時(shí)，對(duì)乳液液滴的拉伸作用加大，小的液滴在纖維內(nèi)部會(huì)發(fā)生破乳的現(xiàn)象，而大的液滴如果超出了水相纖維的承載能力，就會(huì)使部分油相游離于纖維之外，隨著靜電紡過程中溶劑的揮發(fā)，這部分油相就會(huì)固化在纖維之外。

2.6 纖維膜抗菌性能分析

利用抑菌圈法測定羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯纖維膜(水相、油相、乳化劑體積比為100∶0∶0)和羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油(水相、油相、乳化劑體積比為22.8∶4∶1, 羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)靜電紡纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、灰霉、青霉的抑菌能力，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌有顯著的抗菌性，抑菌圈直徑約為20.2、12.1 mm，而對(duì)灰霉和青霉沒有明顯的抑菌圈出現(xiàn)，因此可以判定，羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯纖維膜對(duì)灰霉和青霉沒有抗菌性。而羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油靜電紡纖維膜不僅對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌有抗菌作用，且對(duì)灰霉和青霉也有抗菌作用，抑菌圈直徑約為18.2、11.0、32.5、29.2 mm，由此可見，羧甲基殼聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油靜電紡纖維膜具有強(qiáng)的抗菌性，為纖維膜的應(yīng)用拓展了空間。

表2 2種纖維膜對(duì)細(xì)菌和霉菌的抑菌圈直徑Tab.2 Bacteria and mold inhibition zone diameter of two spinning fiber membranes mm

結(jié) 論

1)乳液中隨著油相體積分?jǐn)?shù)的增加，其黏度和粒徑均增大，電導(dǎo)率減小，當(dāng)水相、油相、乳化劑體積比為36.7∶4∶1或22.8∶4∶1時(shí)均可形成穩(wěn)定的乳化液。

2)靜電紡絲過程中，隨著電壓升高，纖維黏連現(xiàn)象減弱，當(dāng)流量為0.5 mL/h、電壓為16～24 kV、紡絲距離為11 cm時(shí)，可形成核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜。

3)核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜不僅對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有抗菌性，且對(duì)青霉和灰霉也具有抗菌性。

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