靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)用于食品活性包裝的研究進(jìn)展

孫繼帥，段孟霞，姜海鑫，童彩玲，龐 杰，吳春華

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002）

靜電紡絲技術(shù)是利用高壓靜電場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)將紡絲液制備為納米纖維的一項(xiàng)技術(shù)。隨著靜電紡絲技術(shù)的不斷推廣與發(fā)展，可用作靜電紡絲的原料日益增多，主要包括天然生物聚合物和合成聚合物。靜電紡絲技術(shù)在一些領(lǐng)域的應(yīng)用普及已十分成熟，如在納米過(guò)濾材料、電池制備以及組織工程等眾多領(lǐng)域。然而，目前靜電紡絲技術(shù)在食品領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。食品活性包裝是現(xiàn)階段食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。利用靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)制備功能化納米纖維膜用于食品活性包裝有以下優(yōu)點(diǎn)：1）制備工藝簡(jiǎn)單、原料來(lái)源廣泛、成本低；2）制得的納米纖維膜比表面積大；3）可有效對(duì)生物活性物質(zhì)進(jìn)行包埋；4）生物活性物質(zhì)分布均勻，緩釋效果佳；5）靜電紡絲技術(shù)對(duì)生物活性物質(zhì)的影響較小，能保障生物活性物質(zhì)的功能特性免受損害。針對(duì)當(dāng)前研究熱點(diǎn)，本文對(duì)近年來(lái)有關(guān)靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)用于食品活性包裝的研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后對(duì)靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與展望，以期為靜電紡絲技術(shù)在食品活性包裝領(lǐng)域的應(yīng)用普及提供一定的參考。

1 靜電紡絲技術(shù)概述

靜電紡絲技術(shù)經(jīng)歷了不斷發(fā)展升級(jí)的過(guò)程，F(xiàn)ormhals[1]早在1934年就對(duì)靜電紡絲技術(shù)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利，然而直到20世紀(jì)90年代靜電紡絲技術(shù)才開(kāi)始受到人們的關(guān)注并被應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐[2]。發(fā)展至今，靜電紡絲技術(shù)憑借出色的性能在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如生物材料制備、組織工程應(yīng)用、生物傳感器、電池、電容器和膜生物醫(yī)學(xué)、藥物載運(yùn)、活性物質(zhì)包埋、酶固定化、高效過(guò)濾等[3-4]。傳統(tǒng)靜電紡絲裝置及工作過(guò)程如圖1所示，主要由高壓電源、注射器/泵和接收板3 個(gè)部分組成。靜電紡絲工作的原理為，當(dāng)靜電紡絲裝置接通電源后，隨著注射器/泵勻速推注，金屬針頭末端出現(xiàn)呈半球狀液滴的紡絲液，液滴在高壓靜電場(chǎng)的靜電斥力作用下表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)電壓達(dá)到臨界值時(shí)，表面斥力大于其自身表面張力，液滴被拉成圓錐形，形成泰勒錐結(jié)構(gòu)。當(dāng)液滴從泰勒錐末端噴射出來(lái)，紡絲液進(jìn)一步拉伸、細(xì)化和劈裂，溶劑快速揮發(fā)，紡絲液會(huì)快速地固化在接收板上形成均勻納米纖維膜。

圖1 靜電紡絲裝置及工作過(guò)程示意圖[2,5]Fig. 1 Schematic illustration of the electrospinning device and working process[2,5]

1.1 靜電紡絲的分類(lèi)

根據(jù)接收裝置、針頭類(lèi)型、生物活性物質(zhì)包埋方式等可將靜電紡絲技術(shù)分為多種類(lèi)型。根據(jù)接收裝置可分為平板靜電紡絲、滾筒靜電紡絲和多電極式靜電紡絲[6]；根據(jù)針頭類(lèi)型可分為單軸靜電紡絲、同軸靜電紡絲、三軸靜電紡絲和多針頭靜電紡絲[6]；根據(jù)包埋生物活性物質(zhì)的方式可分為單軸共混靜電紡絲、同軸靜電紡絲和乳液靜電紡絲（電紡絲納米纖維如圖2所示）[7]。近年來(lái)，利用單軸共混靜電紡絲、同軸靜電紡絲和乳液靜電紡絲制備負(fù)載生物活性物質(zhì)的納米纖維研究日益增多，下文對(duì)其進(jìn)行著重介紹。表1總結(jié)并比較了上述3 種包埋生物活性物質(zhì)的靜電紡絲方法。

圖2 3 種不同類(lèi)型靜電紡絲納米纖維示意圖[7]Fig. 2 Schematic diagrams of three different types of electrospun nanofibers[7]

表1 3 種不同類(lèi)型包埋生物活性物質(zhì)的靜電紡絲方法的比較Table1 Comparison of three different types of electrospinning methods for encapsulating bioactives

1.1.1 單軸共混靜電紡絲

單軸共混靜電紡絲包埋活性物質(zhì)就是將生物活性物質(zhì)與用于靜電紡絲的原料復(fù)配成紡絲液以制備成具有生物活性的靜紡納米纖維膜。通過(guò)單軸共混靜電紡絲，生物活性物質(zhì)被固定于納米纖維上，從而對(duì)生物活性物質(zhì)起到保護(hù)作用。為提高生物活性物質(zhì)的活性，國(guó)內(nèi)外研究者利用單軸共混靜電紡絲展開(kāi)了大量研究，諸如對(duì)姜黃素[8]、月桂酸鹽[9]、白藜蘆醇、精油[10]、抗氧化肽類(lèi)[11]等進(jìn)行單軸共混靜電紡絲，從而提高其緩釋效果和活性穩(wěn)定性。Mahmud等[12]將姜黃素包埋于聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）靜紡納米纖維膜中，通過(guò)交聯(lián)處理，姜黃素的緩釋效果和抗菌效果明顯提高，同時(shí)也改善了納米纖維膜的熱穩(wěn)定性等性能。Li Linlin等[13]通過(guò)單軸共混靜電紡絲制備了負(fù)載白藜蘆醇的明膠/玉米醇溶蛋白納米纖維膜，結(jié)果顯示負(fù)載白藜蘆醇的納米纖維膜緩釋效果良好，其抗氧化性能和抗菌性能顯著提高，可用作食品活性包裝材料。

1.1.2 同軸靜電紡絲

同軸靜電紡絲與傳統(tǒng)靜電紡絲的工作原理相同，只不過(guò)同軸靜電紡絲需要借助外接噴頭裝置以制備核殼型結(jié)構(gòu)的納米纖維[7]。常見(jiàn)的同軸靜電紡絲裝置如圖3所示，此裝置需要兩個(gè)注射器/泵，分別裝有用于靜電紡絲的核層紡絲液和殼層紡絲液，兩個(gè)注射器/泵可單獨(dú)控制推注速度，核液和殼層液將在針頭末端處相匯，在靜電場(chǎng)的作用下，核層紡絲液和殼層紡絲液會(huì)從針頭處噴出，在剪切力的作用下，核層紡絲液沿著殼層紡絲液進(jìn)行同軸運(yùn)動(dòng)，在空氣中高速運(yùn)動(dòng)伴隨著紡絲液溶劑的快速揮發(fā)，得到核殼型結(jié)構(gòu)納米纖維。利用同軸靜電紡絲技術(shù)將生物活性物質(zhì)包埋在納米纖維核層，通過(guò)殼層對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，使其免受外界環(huán)境的影響，提高其活性穩(wěn)定性。在食品活性包裝方面，核殼型納米纖維膜通過(guò)控制生物活性物質(zhì)的釋放速率，以達(dá)到長(zhǎng)期有效保持食品品質(zhì)的目的。Yao Zhichao等[14]利用同軸靜電紡絲技術(shù)，以橙子精油為核層溶液、玉米醇溶蛋白溶液為殼層溶液制備核殼型結(jié)構(gòu)納米纖維，結(jié)果顯示橙子精油的包封率達(dá)53%以上，無(wú)細(xì)胞毒害性，且具有良好的抗菌性能。Rojas等[15]研究對(duì)比了包埋姜黃素的單軸混紡和同軸靜電紡絲納米纖維膜的釋放效果，結(jié)果顯示單位時(shí)間內(nèi)同軸靜電紡絲制備的納米纖維膜內(nèi)部姜黃素的釋放量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)單軸混紡納米纖維膜的釋放量，且納米晶纖維素的加入加固了核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜的殼層，顯著提高了姜黃素的活性穩(wěn)定性和緩釋效果。

圖3 常見(jiàn)同軸靜電紡絲裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the common coaxial electrospinning device

1.1.3 乳液靜電紡絲

乳液靜電紡絲是利用乳液基紡絲液（油包水型乳液和水包油型乳液），生物活性物質(zhì)被包于乳液內(nèi)部，然后通過(guò)靜電紡絲拉伸制備成核殼納米纖維，生物活性物質(zhì)被包埋于納米纖維內(nèi)部，其生物活性得到較好的保護(hù)[16]。目前對(duì)利用乳液靜電紡絲包埋生物活性物質(zhì)制備納米纖維膜應(yīng)用于食品活性包裝領(lǐng)域的研究甚少，相關(guān)研究主要集中應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面藥物的包埋緩釋。García-Moreno等[17]采用乳液靜電紡絲將魚(yú)油包埋于PVA納米纖維中，提高了魚(yú)油的物理和氧化穩(wěn)定性，同時(shí)也避免了其他包埋方法中因使用有機(jī)溶劑而對(duì)魚(yú)油品質(zhì)產(chǎn)生的不良影響。魏娜等[18]為解決抗菌活性包裝中精油包埋的問(wèn)題，通過(guò)乳液靜電法制備了外殼為羧甲基殼聚糖，內(nèi)核為百里香精油的納米纖維，結(jié)果顯示，所制備的負(fù)載百里香精油的納米纖維膜中活性成分的緩釋使其對(duì)實(shí)驗(yàn)受試細(xì)菌和真菌均有較好的抗菌效果，適用于食品活性包裝。

綜上可知，雖然以上3 種靜電紡絲都可以作為食品活性包裝用來(lái)包埋生物活性物質(zhì)，但同軸靜電紡絲和乳液靜電紡絲因可實(shí)現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)，對(duì)生物活性物質(zhì)具有更好的包埋和保護(hù)作用，且緩釋效果更好，可顯著地延長(zhǎng)食品的貨架期。盡管同軸靜電紡絲和乳液靜電紡絲具有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，但目前關(guān)于靜電紡絲包埋生物活性物質(zhì)的研究仍以單軸共混紡絲居多，單軸共混靜電紡絲因其操作更簡(jiǎn)單、功能特性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到國(guó)內(nèi)外研究者們的廣泛關(guān)注。

1.2 靜電紡絲成形影響因素

靜電紡絲過(guò)程中，紡絲成形效果與紡絲溶液的性質(zhì)（聚合物性質(zhì)、溶劑性質(zhì)、黏度、電導(dǎo)率、表面張力等）、工藝參數(shù)（施加電壓、接收距離、紡絲液流速等）和環(huán)境參數(shù)（紡絲環(huán)境溫濕度等）等因素有關(guān)[19]，以上因素共同制約著納米纖維的成形效果。

1.2.1 靜電紡絲液性質(zhì)

靜電紡絲液中，所選用紡絲材料的種類(lèi)不同，其相對(duì)分子質(zhì)量也不相同，相對(duì)分子質(zhì)量高的材料比相對(duì)分子質(zhì)量低的材料更易發(fā)生纏結(jié)，紡絲液的黏度也會(huì)受到影響。所用溶劑揮發(fā)性好，纖維易產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)；反之揮發(fā)性不好，則易得到扁平纖維，且纖維易黏連。若溶劑導(dǎo)電性好，易得到連續(xù)纖維。值得注意的是，并不是紡絲液的黏度越高紡絲效果越好[20]。靜電紡絲過(guò)程中，若紡絲液濃度過(guò)高，高黏度的紡絲液極易堵塞紡絲針頭而形不成連續(xù)的射流。若紡絲液的電導(dǎo)率比較高，一般通過(guò)加鹽改善紡絲液的導(dǎo)電能力[19]。此外，降低紡絲液的表面張力有利于連續(xù)均勻的納米纖維的形成。

1.2.2 靜電紡絲工藝參數(shù)

靜電紡絲過(guò)程中，施加電壓、紡絲液流速、接收距離等靜電紡絲工藝參數(shù)對(duì)紡絲效果影響比較大。施加電壓的改變會(huì)影響靜電紡絲機(jī)內(nèi)部的電場(chǎng)力，電場(chǎng)力的變化與所得到的納米纖維直徑直接相關(guān)。一般地，電場(chǎng)力增大，納米纖維的直徑會(huì)變小，但在過(guò)高的電場(chǎng)力作用下極易形成串珠狀纖維且使纖維直徑增大。在靜電紡絲噴頭尺寸和其他因素一定的條件下，紡絲液流速增加和接收距離減小，所得納米纖維的直徑會(huì)增加，同時(shí)易形成串珠狀纖維。在靜電紡絲過(guò)程中，保持合適的紡絲液流速和接收距離，有助于連續(xù)均勻納米纖維的形成[7,20]。1.2.3 靜電紡絲環(huán)境參數(shù)

環(huán)境溫濕度也會(huì)對(duì)靜電紡絲的成纖效果有一定影響。溫度的升高一方面有助于降低納米纖維的直徑；另一方面可以加快紡絲液溶劑的揮發(fā)。研究表明，環(huán)境濕度對(duì)納米纖維直徑的影響也十分明顯，環(huán)境濕度增加，纖維表面易形成多孔結(jié)構(gòu)[21-22]。另外，空氣的流動(dòng)速率增加，溶劑揮發(fā)加快，纖維直徑會(huì)增大且易形成多孔結(jié)構(gòu)。

2 基于靜電紡絲技術(shù)的食品活性包裝分類(lèi)

包裝作為食品加工中的一道工序，起著至關(guān)重要的作用，可為眾多食品提供保護(hù)作用[23]。食品活性包裝是食品包裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其中研究最多的是抗氧化和抗菌這兩種功能性活性包裝。一般而言，傳統(tǒng)的食品包裝材料僅可阻止外界因素對(duì)食品品質(zhì)的破壞，延長(zhǎng)食品的貨架期，包裝材料自身不具有任何功能特性。有研究發(fā)現(xiàn)可向傳統(tǒng)食品包裝中適當(dāng)?shù)靥砑涌咕鷦?、抗氧化劑等活性物質(zhì)，賦予包裝材料一定的功能活性，如抗氧化性、抗菌性等[7]。然而通過(guò)聚合物與活性物質(zhì)共混烘干制得的活性包裝材料，其內(nèi)部的功能活性極容易被破壞，起不到較好的功能效果。靜電紡絲技術(shù)作為一種非熱加工技術(shù)，可制得比表面積大、孔徑小和孔隙率高的功能化納米纖維，能顯著提高活性物質(zhì)的功能穩(wěn)定性和利用度[4]。目前，基于靜電紡絲技術(shù)制備的食品活性包裝，可分為抗氧化活性包裝和抗菌活性包裝[7]。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的功能化納米纖維膜具有較強(qiáng)的功能活性，適用于食品活性包裝，抗氧化和抗菌靜電紡納米纖維用于食品活性包裝的示意圖如圖4所示。

圖4 抗氧化和抗菌靜電紡絲納米纖維用于食品活性包裝示意圖Fig. 4 Schematic diagram of antioxidant and antibacterial electrospun nanofibers for food active packaging

2.1 抗氧化活性包裝

利用靜電紡絲技術(shù)制備的抗氧化活性包裝通常將具有抗氧化功能的生物活性物質(zhì)包埋于納米纖維膜中，通過(guò)生物活性物質(zhì)從膜中釋放起到對(duì)食品的保護(hù)作用。Li Linlin等[24]將丁基羥基茴香醚包埋于明膠納米纖維膜中并將其應(yīng)用于草莓的包裝，結(jié)果表明該納米纖維膜可有效延長(zhǎng)草莓的貨架期。Nilsuwan等[25]構(gòu)建了單層或雙層明膠納米纖維膜并將表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯包埋于其中，結(jié)果表明負(fù)載表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯的單層或雙層明膠納米纖維膜適用于易發(fā)生脂質(zhì)氧化的油的活性包裝。Hosseini等[11]將抗氧化肽包埋殼聚糖/PVA納米纖維中并用于食品活性包裝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米纖維的抗氧化性能明顯提高，包封率高達(dá)94%。Aydogdu等[26]制備了沒(méi)食子酸/羥丙基甲基纖維素/聚環(huán)氧乙烷納米纖維膜，該纖維膜有效地抑制了貯存過(guò)程中核桃的氧化變質(zhì)。

2.2 抗菌活性包裝

利用靜電紡絲技術(shù)制得的抗菌活性包裝通常是將抗菌活性物質(zhì)包埋于納米纖維膜中或利用具有抗菌的紡絲物質(zhì)直接進(jìn)行纖維膜制備，以達(dá)到抗菌保鮮的作用。常見(jiàn)的生物聚合物殼聚糖本身就具有抗菌性能，靜電紡絲得到的殼聚糖納米纖維膜具有一定的抗菌活性，可用于食品活性包裝。為提高殼聚糖納米纖維的抗菌性能，有研究者將抗菌活性物質(zhì)包埋于復(fù)合納米纖維中，所制得的復(fù)合納米纖維膜具有較好的抗菌性能[9,27]。Wang Hualin等[8]將姜黃素包埋于玉米醇溶蛋白納米纖維中，增強(qiáng)了玉米醇溶蛋白納米纖維的抗菌性，具備用于食品活性包裝的潛力。Li Linlin等[13]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(jié)果表明該納米纖維膜可以顯著延長(zhǎng)豬肉的貨架期。

3 負(fù)載生物活性物質(zhì)的天然生物聚合物或合成聚合物基靜電紡絲納米纖維膜在食品活性包裝中的應(yīng)用

3.1 負(fù)載生物活性物質(zhì)的天然生物聚合物基靜電紡絲納米纖維膜在食品活性包裝中的應(yīng)用

近年來(lái)，生物聚合物倍受關(guān)注，這與其資源豐富、價(jià)格低廉、獲取容易、安全無(wú)毒性、良好的生物復(fù)合性和可生物降解性等優(yōu)點(diǎn)有關(guān)[28]。常見(jiàn)的天然生物聚合物可分為蛋白質(zhì)類(lèi)和多糖類(lèi)，如明膠、玉米醇溶蛋白、殼聚糖、果膠、纖維素及其衍生物等[29]。利用天然生物聚合物對(duì)生物活性物質(zhì)進(jìn)行包埋有助于提高其穩(wěn)定性。由于蛋白質(zhì)類(lèi)天然聚合物是由若干氨基酸通過(guò)化學(xué)鍵自由組合成的多肽類(lèi)化合物，其分子結(jié)構(gòu)具有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)以及存在靜電相互作用、氫鍵相互作用等作用機(jī)制，有助于提高復(fù)合體系的穩(wěn)定性。多糖類(lèi)聚合物具有良好的生物相容性以及可降解性，其結(jié)構(gòu)攜帶的官能團(tuán)可與物質(zhì)進(jìn)行相互作用，同樣有益于提高復(fù)合物體系的穩(wěn)定性[30]。因此，作為一項(xiàng)新興的包埋技術(shù)，以天然生物聚合物為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)的研究日益增多。以下主要介紹以明膠、玉米醇溶蛋白、殼聚糖和普魯蘭多糖為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)在食品活性包裝中應(yīng)用的研究進(jìn)展。

3.1.1 明膠

明膠作為一種衍生蛋白質(zhì)，可通過(guò)酸、堿、酶或加熱處理動(dòng)物膠原蛋白制得。明膠具有良好的生物相容性、生物降解性、成膜性等，被廣泛應(yīng)用于食品、制藥等領(lǐng)域，是包埋活性物質(zhì)的理想基材[24,31]。Lin Lin等[32]成功地將百里香精油制備成納米粒子包埋于明膠納米纖維中，并用于雞肉保鮮，結(jié)果表明負(fù)載百里香精油納米粒子的明膠納米纖維在沒(méi)有影響雞肉本身感官品質(zhì)的前提下有較好的抗菌活性，其在肉類(lèi)保鮮方面具有巨大應(yīng)用潛力。Tang Yadong等[5]采用靜電紡絲技術(shù)將抗菌性較好的薄荷精油和抗氧化性較好的甘菊精油以一定比例混合包埋于明膠納米纖維，發(fā)現(xiàn)所制備的包埋復(fù)合精油的納米纖維膜功能活性比包埋單一精油的納米纖維膜強(qiáng)。另外，精油的加入也促使明膠的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所制備的明膠納米纖維膜性能更趨穩(wěn)定。以上研究表明明膠基包埋生物活性物質(zhì)制備的納米纖維膜在食品活性包裝方面具有很大的應(yīng)用潛力。

3.1.2 玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是玉米經(jīng)過(guò)乙醇提取出的一種疏水性蛋白質(zhì)，由于其結(jié)構(gòu)中含有一些極性基團(tuán)，因此不溶于無(wú)水乙醇，易溶于乙醇-水溶液[33]。玉米醇溶蛋白具有可再生性、生物降解性以及良好的成膜、緩釋以及高阻隔性等，逐漸受到人們的重視。一般地，常用來(lái)靜電紡絲玉米醇溶蛋白的溶劑有乙醇-水溶液、乙酸-水溶液及甲醇-水溶液等。玉米醇溶蛋白本身不具有功能活性，在食品活性包裝制備方面，一般將其與具有生物活性的物質(zhì)混紡或?qū)⑸锘钚晕镔|(zhì)包埋于玉米醇溶蛋白基納米纖維中賦予產(chǎn)品功能生物活性。例如，Wang Hualin等[8]將姜黃素包埋到玉米醇溶蛋白納米纖維中，探究姜黃素的緩釋機(jī)制及抗菌效果。結(jié)果顯示，姜黃素的包封率高達(dá)近100%，并且包封后的姜黃素納米纖維仍具有抗氧化能力。由于在食品模擬液中玉米醇溶蛋白具有良好的穩(wěn)定性，將其用來(lái)保護(hù)姜黃素，姜黃素緩釋效果良好，同時(shí)姜黃素對(duì)金黃葡萄球菌和大腸桿菌均有較好的抗菌效果，表明負(fù)載姜黃素的玉米醇溶蛋白在食品活性包裝領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。Altan等[34]分別比較了香芹酚包埋于玉米醇溶蛋白和聚乳酸納米纖維的活性效果。結(jié)果顯示香芹酚包埋于玉米醇溶蛋白納米纖維中抗氧化效果和抗菌效果均優(yōu)于包埋于聚乳酸納米纖維膜，且在食品模擬實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%香芹酚的玉米醇溶蛋白對(duì)霉菌和酵母的抑制率高達(dá)99.6%。這說(shuō)明玉米醇溶蛋白基包埋生物活性物質(zhì)制備的納米纖維膜具有良好的緩釋保護(hù)效果，可延長(zhǎng)食品的貨架期，為食品活性包裝提供了新的途徑。

3.1.3 殼聚糖

殼聚糖是甲殼素經(jīng)脫乙酰制得的，其無(wú)毒無(wú)害、來(lái)源廣泛、可生物降解、具有抗菌作用的堿性多糖[35]。一般地，殼聚糖難溶于水，易溶于少量的無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸稀溶液[36]。殼聚糖本身具有抗菌性，可通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備具有一定抗菌性能的復(fù)合納米纖維膜[37-39]。為了提高殼聚糖納米纖維膜的抗菌性，研究者們利用靜電紡絲技術(shù)將抗菌活性物質(zhì)包埋于殼聚糖復(fù)合納米纖維膜中，所制得的復(fù)合納米纖維膜抗菌效果顯著。Kuntzler等[40]采用靜電紡絲技術(shù)將微藻類(lèi)多酚物質(zhì)包埋于殼聚糖/聚環(huán)氧乙烷復(fù)合納米纖維膜并研究其抗菌效果，結(jié)果顯示該復(fù)合納米纖維膜對(duì)金黃葡萄球菌和大腸桿菌的生長(zhǎng)抑制效果顯著，適用于食品活性包裝。

3.1.4 普魯蘭多糖

普魯蘭多糖是一種由出芽短梗霉發(fā)酵制得的水溶性微生物多糖，具有良好的成膜性、高塑性、可生物降解性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工等行業(yè)。近年來(lái)，在靜電紡絲方面，常將普魯蘭多糖與蛋白質(zhì)或多糖復(fù)合并對(duì)生物活性物質(zhì)進(jìn)行包埋[30]。Blanco-Padilla等[41]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)將姜黃素包埋于莧菜紅分離蛋白/普魯蘭多糖納米纖維中，結(jié)果顯示當(dāng)莧菜紅分離蛋白/普魯蘭多糖的濃度比為1∶1、納米纖維的直徑為224.5～248.6 nm時(shí)，緩沖溶液中納米纖維緩釋效果良好，抗氧化活性明顯得到增強(qiáng)。Soto等[42]將乳酸鏈球菌素通過(guò)靜電紡絲技術(shù)以一定比例包埋于莧菜紅分離蛋白/普魯蘭多糖納米纖維膜中，降低了乳酸鏈球菌素因與食品發(fā)生相互作用而對(duì)其活性產(chǎn)生的影響。在對(duì)蘋(píng)果汁和新鮮奶酪抗菌保鮮的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，所制備的包埋乳酸鏈球菌素的莧菜紅分離蛋白/普魯蘭多糖納米纖維膜可有效發(fā)揮抗菌作用從而延長(zhǎng)蘋(píng)果汁和新鮮奶酪的貯藏期。以上研究均表明普魯蘭多糖在食品活性包裝領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

生物活性物質(zhì)在不同天然聚合物基靜電紡食品活性包裝材料中的應(yīng)用匯總?cè)绫?所示。

表2 生物活性物質(zhì)在不同天然聚合物基靜電紡絲食品活性包裝材料中的應(yīng)用Table2 Applications of different electrospun natural biopolymer nanofiber membranes loaded with bioactives in active food packaging materials

3.2 負(fù)載生物活性物質(zhì)的合成聚合物基靜電紡絲納米纖維膜在食品活性包裝中的應(yīng)用

與天然生物聚合物相比，合成聚合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、聚合度高，更易紡絲。目前，用于靜電紡絲制備活性包裝材料的合成聚合物是無(wú)毒無(wú)害且可生物降解的。常用來(lái)靜電紡絲的合成聚合物有聚環(huán)氧乙烷（polyethylene oxide，PEO）、PVA、聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）和聚乳酸（polylactic acid，PLA）等[4,7,48]。目前以合成聚合物為基質(zhì)包埋生物活性物質(zhì)的靜電紡絲納米纖維膜在食品活性包裝中應(yīng)用的相關(guān)研究如表3所示。Surendhiran等[49]將石榴提取物包埋于殼聚糖/PEO納米纖維膜中，結(jié)果表明石榴提取物的活性穩(wěn)定性提高，納米纖維膜抗菌效果顯著，可用于肉類(lèi)食品保鮮。Deng Lingli等[9]構(gòu)建了殼聚糖/PEO納米纖維用于包埋月桂酸鹽，研究結(jié)果顯示該納米纖維膜顯著提高了月桂酸鹽的穩(wěn)定性，抗菌效果顯著，可用于食品活性包裝。為提高肉桂精油的穩(wěn)定性，Nazari等[50]將其包埋于PVA納米纖維中，用于蝦保鮮，結(jié)果表明該納米纖維膜延長(zhǎng)了蝦肉的保質(zhì)期，有望用于易腐食品的保鮮。Tampau等[51]用PCL包埋白藜蘆醇，結(jié)果顯示，15% PCL/白藜蘆醇納米纖維包埋效果最好，包封率達(dá)80%以上。Aytac等[52]分別將α-生育酚和α-生育酚/環(huán)糊精復(fù)合物包埋PLA納米纖維膜中，結(jié)果表明PLA包埋的α-生育酚/環(huán)糊精復(fù)合物納米纖維膜具有較高的抗氧化活性，能夠延長(zhǎng)肉品的貨架期，可用于食品活性包裝。

表3 負(fù)載生物活性物質(zhì)的不同合成聚合物基靜電紡絲纖維膜在食品活性包裝中的應(yīng)用Table3 Applications of different electrospun synthetic polymer nanofiber membranes loaded with bioactives in active food packaging materials

天然生物聚合物基靜電紡絲納米纖維膜安全性高，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，具有生物降解性，但其機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有待提高。雖然合成聚合物基靜電紡絲納米纖維膜性能優(yōu)于天然生物聚合物基靜電紡絲納米纖維，但是合成聚合物目前對(duì)人體健康是否存在潛在威脅仍無(wú)定論。鑒于此，天然生物聚合物基靜電紡絲納米纖維膜在未來(lái)食品活性包裝領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，雖然靜電紡絲技術(shù)相對(duì)已很成熟，也在組織工程應(yīng)用、藥物載運(yùn)和活性物質(zhì)包埋等領(lǐng)域有了嘗試與應(yīng)用，但其在食品工業(yè)領(lǐng)域還未能商品化應(yīng)用。限制靜電紡絲技術(shù)商品化應(yīng)用的因素主要有：1）加工材料的天然屬性制約著靜電紡絲制品的性能，需尋求良好性能的加工材料；2）關(guān)于靜電紡絲技術(shù)用于食品領(lǐng)域的研究，尤其是用于實(shí)際食品系統(tǒng)中的研究鮮少；3）產(chǎn)學(xué)研聯(lián)系不緊密，未能將研究轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。就靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于食品活性包裝來(lái)說(shuō)，隨著人民生活水平和安全環(huán)保意識(shí)的不斷提高，對(duì)食品包裝的功能化會(huì)提出更高的要求，未來(lái)的食品活性包裝研究可著重于靜電紡絲技術(shù)與其他高新技術(shù)的結(jié)合，開(kāi)發(fā)兼具高生物活性、可循環(huán)利用、自清潔化、智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能化活性的包裝材料。

靜電紡絲技術(shù)作為一種非熱加工技術(shù)，可制備納米級(jí)材料，在今后的食品加工領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿?。利用靜電紡絲技術(shù)包埋生物活性物質(zhì)，加工過(guò)程對(duì)其活性影響較小，可最大化保護(hù)其活性。所制備的負(fù)載生物活性物質(zhì)納米纖維膜具有比表面積大、孔隙率高、功能特性強(qiáng)、緩釋性好以及負(fù)載量高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于食品活性包裝。本文針對(duì)目前基于靜電紡絲技術(shù)包埋活性物質(zhì)用于食品活性包裝領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)目前研究制備包埋活性物質(zhì)的納米纖維膜的方式以單軸共混靜電紡絲為主，所制纖維膜功能特性表現(xiàn)良好，而將靜電紡絲技術(shù)制備的食品活性包裝材料真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中還需要一段時(shí)間。