《食品科学》：静电纺丝技术包埋生物活性物质用于食品活性包装的研究进展

静电纺丝技术是利用高压静电场作用实现将纺丝液制备为纳米纤维的一项技术。随着静电纺丝技术的不断推广与发展，可用作静电纺丝的原料日益增多，主要包括天然生物聚合物和合成聚合物。静电纺丝技术在一些领域的应用普及已十分成熟，如在纳米过滤材料、电池制备以及组织工程等众多领域。然而，目前静电纺丝技术在食品领域的开发利用还远远不够。

针对当前研究热点，福建农林大学食品科学学院的孙继帅、段孟霞、吴春华*等人对近年来有关静电纺丝技术包埋生物活性物质用于食品活性包装的研究进行了归纳总结，最后对静电纺丝技术的应用进行了分析与展望，以期为静电纺丝技术在食品活性包装领域的应用普及提供一定的参考。

1、静电纺丝技术概述

传统静电纺丝装置及工作过程如图1所示，主要由高压电源、注射器/泵和接收板3 个部分组成。静电纺丝工作的原理为，当静电纺丝装置接通电源后，随着注射器/泵匀速推注，金属针头末端出现呈半球状液滴的纺丝液，液滴在高压静电场的静电斥力作用下表面产生电荷，当电压达到临界值时，表面斥力大于其自身表面张力，液滴被拉成圆锥形，形成泰勒锥结构。当液滴从泰勒锥末端喷射出来，纺丝液进一步拉伸、细化和劈裂，溶剂快速挥发，纺丝液会快速地固化在接收板上形成均匀纳米纤维膜。

静电纺丝的分类

根据接收装置、针头类型、生物活性物质包埋方式等可将静电纺丝技术分为多种类型。根据接收装置可分为平板静电纺丝、滚筒静电纺丝和多电极式静电纺丝；根据针头类型可分为单轴静电纺丝、同轴静电纺丝、三轴静电纺丝和多针头静电纺丝；根据包埋生物活性物质的方式可分为单轴共混静电纺丝、同轴静电纺丝和乳液静电纺丝（电纺丝纳米纤维如图2所示）。近年来，利用单轴共混静电纺丝、同轴静电纺丝和乳液静电纺丝制备负载生物活性物质的纳米纤维研究日益增多。表1总结并比较了上述3 种包埋生物活性物质的静电纺丝方法。

静电纺丝成形影响因素

静电纺丝液性质：静电纺丝液中，所选用纺丝材料的种类不同，其相对分子质量也不相同，相对分子质量高的材料比相对分子质量低的材料更易发生缠结，纺丝液的黏度也会受到影响。所用溶剂挥发性好，纤维易产生多孔结构；反之挥发性不好，则易得到扁平纤维，且纤维易黏连。若溶剂导电性好，易得到连续纤维。值得注意的是，并不是纺丝液的黏度越高纺丝效果越好。静电纺丝过程中，若纺丝液浓度过高，高黏度的纺丝液极易堵塞纺丝针头而形不成连续的射流。若纺丝液的电导率比较高，一般通过加盐改善纺丝液的导电能力。此外，降低纺丝液的表面张力有利于连续均匀的纳米纤维的形成。

静电纺丝工艺参数：静电纺丝过程中，施加电压、纺丝液流速、接收距离等静电纺丝工艺参数对纺丝效果影响比较大。施加电压的改变会影响静电纺丝机内部的电场力，电场力的变化与所得到的纳米纤维直径直接相关。一般地，电场力增大，纳米纤维的直径会变小，但在过高的电场力作用下极易形成串珠状纤维且使纤维直径增大。在静电纺丝喷头尺寸和其他因素一定的条件下，纺丝液流速增加和接收距离减小，所得纳米纤维的直径会增加，同时易形成串珠状纤维。在静电纺丝过程中，保持合适的纺丝液流速和接收距离，有助于连续均匀纳米纤维的形成

静电纺丝环境参数：环境温湿度也会对静电纺丝的成纤效果有一定影响。温度的升高一方面有助于降低纳米纤维的直径；另一方面可以加快纺丝液溶剂的挥发。研究表明，环境湿度对纳米纤维直径的影响也十分明显，环境湿度增加，纤维表面易形成多孔结构。另外，空气的流动速率增加，溶剂挥发加快，纤维直径会增大且易形成多孔结构。

2、基于静电纺丝技术的食品活性包装分类

静电纺丝技术作为一种非热加工技术，可制得比表面积大、孔径小和孔隙率高的功能化纳米纤维，能显著提高活性物质的功能稳定性和利用度。目前，基于静电纺丝技术制备的食品活性包装，可分为抗氧化活性包装和抗菌活性包装。通过静电纺丝技术制备的功能化纳米纤维膜具有较强的功能活性，适用于食品活性包装，抗氧化和抗菌静电纺纳米纤维用于食品活性包装的示意图如图4所示。

抗氧化活性包装

利用静电纺丝技术制备的抗氧化活性包装通常将具有抗氧化功能的生物活性物质包埋于纳米纤维膜中，通过生物活性物质从膜中释放起到对食品的保护作用。Li Linlin等将丁基羟基茴香醚包埋于明胶纳米纤维膜中并将其应用于草莓的包装，结果表明该纳米纤维膜可有效延长草莓的货架期。Nilsuwan等构建了单层或双层明胶纳米纤维膜并将表没食子儿茶素没食子酸酯包埋于其中，结果表明负载表没食子儿茶素没食子酸酯的单层或双层明胶纳米纤维膜适用于易发生脂质氧化的油的活性包装。

抗菌活性包装

利用静电纺丝技术制得的抗菌活性包装通常是将抗菌活性物质包埋于纳米纤维膜中或利用具有抗菌的纺丝物质直接进行纤维膜制备，以达到抗菌保鲜的作用。常见的生物聚合物壳聚糖本身就具有抗菌性能，静电纺丝得到的壳聚糖纳米纤维膜具有一定的抗菌活性，可用于食品活性包装。为提高壳聚糖纳米纤维的抗菌性能，有研究者将抗菌活性物质包埋于复合纳米纤维中，所制得的复合纳米纤维膜具有较好的抗菌性能。

3、负载生物活性物质的天然生物聚合物或合成聚合物基静电纺丝纳米纤维膜在食品活性包装中的应用

负载生物活性物质的天然生物聚合物基静电纺丝纳米纤维膜在食品活性包装中的应用

近年来，生物聚合物倍受关注，这与其资源丰富、价格低廉、获取容易、安全无毒性、良好的生物复合性和可生物降解性等优点有关。常见的天然生物聚合物可分为蛋白质类和多糖类，如明胶、玉米醇溶蛋白、壳聚糖、果胶、纤维素及其衍生物等。利用天然生物聚合物对生物活性物质进行包埋有助于提高其稳定性。由于蛋白质类天然聚合物是由若干氨基酸通过化学键自由组合成的多肽类化合物，其分子结构具有多个结合位点以及存在静电相互作用、氢键相互作用等作用机制，有助于提高复合体系的稳定性。多糖类聚合物具有良好的生物相容性以及可降解性，其结构携带的官能团可与物质进行相互作用，同样有益于提高复合物体系的稳定性。因此，作为一项新兴的包埋技术，以天然生物聚合物为基质利用静电纺丝技术包埋生物活性物质的研究日益增多。

负载生物活性物质的合成聚合物基静电纺丝纳米纤维膜在食品活性包装中的应用

与天然生物聚合物相比，合成聚合物化学性质稳定、聚合度高，更易纺丝。目前，用于静电纺丝制备活性包装材料的合成聚合物是无毒无害且可生物降解的。常用来静电纺丝的合成聚合物有聚环氧乙烷（PEO）、PVA、聚己内酯（PCL）和聚乳酸（PLA）等。目前以合成聚合物为基质包埋生物活性物质的静电纺丝纳米纤维膜在食品活性包装中应用的相关研究如表3所示。

结语

静电纺丝技术作为一种非热加工技术，可制备纳米级材料，在今后的食品加工领域具有较大的发展潜力。利用静电纺丝技术包埋生物活性物质，加工过程对其活性影响较小，可最大化保护其活性。所制备的负载生物活性物质纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、功能特性强、缓释性好以及负载量高等优点，可应用于食品活性包装。本文针对目前基于静电纺丝技术包埋活性物质用于食品活性包装领域的研究现状进行综述，发现目前研究制备包埋活性物质的纳米纤维膜的方式以单轴共混静电纺丝为主，所制纤维膜功能特性表现良好，而将静电纺丝技术制备的食品活性包装材料真正应用于生产实践中还需要一段时间。

本文《静电纺丝技术包埋生物活性物质用于食品活性包装的研究进展》来源于《食品科学》2021年42卷19期299-306页，作者：孙继帅，段孟霞，姜海鑫，童彩玲，庞杰，吴春华。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200826-353。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

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