CN103266424A

CN103266424A - 一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜及制备方法和应用

Info

Publication number: CN103266424A
Application number: CN2013101987209A
Authority: CN
Inventors: 吴虹; 温棚; 宗敏华; 娄文勇; 朱定和
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103266424B

Abstract

本发明属于纳米材料和食品包装材料领域，公开了一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜及制备方法和应用，包括如下步骤：（1）制备质量分数为6%～10%的聚乙烯醇溶液；（2）将所得聚乙烯醇溶液冷却至30～50℃，加入1%～3%的β-环糊精，磁力搅拌0.5～1h，然后冷却至室温；（3）向步骤（2）的溶液中加入2%～8%的肉桂精油，在25～40℃下磁力搅拌1～2h，得到纺丝溶液；（4）将所得的纺丝溶液进行静电纺丝，最后真空干燥，得到含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜。本发明对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率≥90%，且纳米纤维复合膜具有良好的韧性、生物相容性及降解性，在食品包装材料领域有广阔的应用前景。

Description

一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜及制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米材料和食品包装材料领域，特别涉及到利用静电纺丝技术将植物源抗菌剂制备成抗菌聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维复合膜的方法及其应用。

背景技术

食品抗菌包装材料是一种通过在包装材料内部或者表面添加抗菌剂，使其能够杀死或抑制常见食品腐败菌和致病菌，延长被包装物货架期的新型功能材料。目前食品包装用抗菌剂的研究主要集中于有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂。有机抗菌剂包括季铵盐类、卤化物类、异噻唑类、二苯醚类、有机金属和有机氮类化合物等，这些抗菌剂杀菌力强、效果迅速且价格便宜，但耐热性能较差，有一定的毒性，这在很大程度上限制了其应用；无机抗菌剂包括金属、金属离子负载于无机载体（如沸石、二氧化钛、硅胶等）制得的金属离子交换型抗菌剂及以TiO₂为代表的光催化型抗菌剂，其抗菌谱广，但存在抗菌力不强和价格昂贵等问题；天然抗菌剂，包括植物源抗菌剂、动物源抗菌剂和微生物源抗菌剂，其来源广泛，且具有抗菌性强、安全性高、不易产生耐药性和环境友好等优点，因此受到人们的青睐。植物精油(Essential Oil)，又称挥发油，是一类存在于植物体中可随水蒸汽蒸出且分子量较小的植物源抗菌剂，其对微生物具有较强的抑菌作用，且抗菌谱广；此外，与化学抑菌剂相比，副作用小，残留毒性低。因此，近年来，植物精油作为天然杀菌剂在食品防腐保鲜方面受到了广泛的关注。

静电纺丝是一种简单且广泛使用的制备聚合物微纳米纤维的技术。聚合物溶液或熔体在高压静电作用下，克服自身的表面张力和粘滞力，以高速螺旋运动落到接收板上，形成类似无纺布状的纤维集合体。利用静电纺丝制得的纳米纤维直径为5-1000nm，由于聚合物纳米纤维具有高的比表面积、大的孔隙率及良好的机械性能，因而在食品、纺织、国防及生物医用材料等领域具有广阔的应用前景。迄今，已有报道利用静电纺丝技术将聚合物（聚乙烯醇、聚乳酸、聚己内酯等）与金属颗粒、蛋白质、壳聚糖和一些无机材料混纺形成纳米材料，但有关聚乙烯醇与肉桂精油混纺制备抗菌纳米纤维膜的研究未见报道。肉桂精油难溶于水，且易挥发。因此，加入β-环糊精使其形成包合物，提高其在纳米纤维复合膜中的稳定性和抗菌活性。本发明即利用静电纺丝技术，将肉桂精油、β-环糊精与聚乙烯醇共纺，得到一种具有广谱抗菌性的纳米纤维膜。该纳米纤维膜可望用于食品包装材料领域。

发明内容

针对现有食品包装材料的需求，本发明的目的在于提供了一种基于静电纺丝法制备的一种含植物精油的抗菌纳米纤维复合膜及制备方法和其在食品包装材料领域的应用。

为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备质量分数为6%～10%的聚乙烯醇溶液；

（2）将步骤（1）所得聚乙烯醇溶液冷却至30～50℃，加入质量分数为1%～3%的β-环糊精，在此温度下磁力搅拌0.5～1h，然后冷却至室温；

（3）向步骤（2）的溶液中加入2%～8%质量分数的肉桂精油，在25～40℃下磁力搅拌1～2h，得到纺丝溶液；

（4）将步骤（3）所得的纺丝溶液吸入注射器中，装上直径0.6～0.8mm针头，调整针头到接收器的距离为10～25cm，电压10～30kV，纺丝溶液流速控制在0.2～0.8mL/h，纺丝3～6h，然后在30～40℃下真空干燥8～12h，得到含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜。

优选地，所述聚乙烯醇溶液的制备方法为：将聚乙烯醇溶于蒸馏水中，在60～80℃下磁力搅拌2～4h即可。

优选地，所述针头到接收器的距离为12～16cm，电压13～25kV，纺丝溶液流速控制在0.2～0.6mL/h。

优选地，所述针头接收器的距离为14cm，电压15kV，纺丝溶液流速控制在0.4mL/h。

上述方法制备的含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜可作为抑菌材料应用，所述纳米纤维复合膜的浓度≥2mg/mL。优选地，所述纳米纤维复合膜的浓度≥4mg/mL。

本发明提出的静电纺丝制备抗菌聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维复合膜作为抑菌材料的应用，具体方法为：

（1）菌悬液制备：将菌种接种在营养肉汤培养基上于37℃培养18～24h，刮取菌苔至营养肉汤培养液中制成1×10⁷～1×10⁸CFU/mL的菌悬液；

（2）抑菌圈法评价抑菌效果：制备好无菌的营养肉汤平板，加入0.1mL菌悬液，涂布均匀，制成带菌平板；另用打孔器打出大小均匀一致的直径6mm的抗菌纳米纤维膜，紫外灯照射杀菌后贴在带菌平板上，对照为大小一致的铝箔。然后，37℃培养24h，记录抑菌圈大小；

（3）取一定量的抗菌纳米纤维膜用溶剂（95%乙醇:蒸馏水=1:1（V/V））溶解，配制成8mg/mL的溶液，37℃下振荡30min；分别取3mL、1.5mL、0.75mL上述溶液与3mL菌悬液混合，另取0mL、1.5mL、2.25mL的营养肉汤液体培养基补足6mL，混匀，37℃培养24h后取0.1mL涂布到营养肉汤平板上，37℃下培养24h，通过菌落数计算其抑菌率和最小抑菌浓度。GB15979-2002溶出性抗（抑）菌产品抑菌性能评价标准为：抑菌率≥50％～90％，产品有抑菌作用；抑菌率≥90％，产品有较强抑菌作用。最小抑菌浓度（MIC）定义为减少90%微生物菌落的复合膜的浓度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明采用静电纺丝技术将聚合物、植物精油和β-环糊精共纺制得天然抗菌纳米纤维膜，拓展了静电纺丝技术的应用范围。

（2）本发明采用的聚合物聚乙烯醇具有高水溶性、低毒和生物相容性好等优点，所加的肉桂精油是天然提取物，绿色安全，且该复合膜最终能够降解，对环境污染小。

（3）本发明工艺简单、条件温和、操作简便，同时，通过添加β-环糊精对肉桂精油进行了包埋，减缓了精油的释放，从而使得其抑菌效应具有持久性；另外，所制备的纳米纤维膜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有抑菌作用，故具有广谱抗菌性。

（4）本发明制备的纳米纤维复合膜具有较好的韧性、低毒性，所以在食品包装材料领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图（a）及其粒径分布图（b）；

图2为实施例2抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图（a）及其粒径分布图（b）；

图3为实施例3抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图（a）及其粒径分布图（b）；

图4为实施例3抗菌纳米纤维复合膜产品示意图；

图5（a）、（b）、（c）分别为实施例4、实施例3、实施例5抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图6（a）、（b）、（c）分别为实施例6、实施例3、实施例7抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图7（a）、（b）、（c）、（d）分别为实施例8、实施例3、实施例9、实施例10抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图8为实施例11抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图9为实施例12抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图10为实施例13抗菌纳米纤维复合膜扫描电镜图；

图11为实施例14抗菌纳米纤维复合膜抑菌圈图，A为金黄色葡萄球菌，B为大肠杆菌；

图12为实施例17红外吸收光谱图；

图13为实施例18热重分析图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

一种纳米纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）6g聚乙烯醇溶于100mL蒸馏水中，于80℃搅拌3h，得到6%聚乙烯醇溶液，冷却至室温；

（2）将（1）中所得纺丝溶液吸入10mL注射器，装上直径0.6mm针头，调整针头到接收器的距离为16cm，调节电压在20kV，温度为27℃，湿度为60%，流速控制在0.6mL/h，纺丝4h，然后在35℃下真空干燥12h，即得到6%聚乙烯醇纳米纤维复合膜。

上述工艺条件下制备的纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图1。

实施例2

一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）6g聚乙烯醇溶于100mL蒸馏水中，于80℃搅拌3h，得到6%聚乙烯醇溶液；

（2）待（1）中所得的溶液然后冷却至30℃，向其中加入5mL的肉桂精油，在30℃下搅拌2h，得到所需的纺丝溶液。

（3）将（2）中所得纺丝溶液吸入10mL注射器，装上直径0.6mm针头，调整针头到接收器的距离为15cm，调节电压在20kV，温度为24℃，湿度为58%，流速控制在0.5mL/h，纺丝4h，然后在35℃下真空干燥12h，即得到6%聚乙烯醇+5%肉桂精油抗菌纳米纤维复合膜。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图2。

实施例3

（2）待（1）中所得聚乙烯醇溶液冷却至50℃后，加入2gβ-环糊精，在室温下搅拌1h，得到6%聚乙烯醇+2%β-环糊精纺丝溶液；

（3）待（2）中所得的溶液然后冷却至30℃，向其中加入5g的肉桂精油，在30℃下搅拌2h，得到所需的纺丝溶液。

（4）将（3）中所得纺丝溶液吸入10mL注射器，装上直径0.6mm针头，调整针头到接收器的距离为14cm，调节电压为15kV，温度为27℃，湿度为60%，流速控制在0.4mL/h，纺丝4h，然后在35℃下真空干燥12h，即得到6%聚乙烯醇+5%肉桂精油+2%β-环糊精抗菌纳米纤维复合膜。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图3，图4为该复合膜的示意图。

实施例4

本实施例与实施例3的不同之处在于：纺丝电压为10kV。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图5（a）。

实施例5

本实施例与实施例3的不同之处在于：纺丝电压为20V。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图5（c）。

实施例6

本实施例与实施例3的不同之处在于接收距离为12cm。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图6（a）。

实施例7

本实施例与实施例3的不同之处在于接收距离为16cm。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图6（c）。

实施例8

本实施例与实施例3的不同之处在于纺丝速率为0.2mL/h。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图7（a）。

实施例9

本实施例与实施例3的不同之处在于纺丝速率为0.6mL/h。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图7（c）。

实施例10

本实施例与实施例3的不同之处在于纺丝速率为0.8mL/h。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM见图7（d）。

实施例11

本实施例与实施例3的不同之处在于（1）配制8%聚乙烯醇溶液。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图8。

实施例12

本实施例与实施例3的不同之处在于（2）配制3%β-环糊精溶液。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图9。

实施例13

本实施例与实施例3的不同之处在于（3）加入8%肉桂精油。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图10。

实施例14

（1）按照实施例3中的方法制备抗菌纳米纤维薄膜。

（2）斜面制备：分别将金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichiacoli）菌种接种在营养肉汤斜面上，37°C培养24h。

（3）传代培养：从（2）中S.aureu和E.coli斜面上各取一环菌，分别划线接种于营养肉汤平板，37℃培养24h，挑取生长状态良好的单菌落进行传代培养，传代2次。

（4）菌悬液制备：取传代2次后S.aureu和E.coli菌种分别接种于营养肉汤培养液中，37℃培养18h，然后用无菌营养肉汤培养液进行梯度稀释，平板涂布法进行活菌计数，制成浓度为1×10⁷～1×10⁸CFU/mL的菌悬液。

（5）抑菌圈法评价抑菌效果：制备好无菌的营养肉汤平板，分别加入上述制备的两种菌悬液0.1mL，涂布均匀，得到含菌平板。再将所得的抗菌纳米纤维复合膜用打孔器打出大小均匀一致的直径6mm的圆片，放在紫外灯下灭菌3h，然后贴于上述含菌平板上，对照为大小一致的铝箔，倒置培养24h，观察抑菌圈（见图11，A为S.aureu、B为E.coli）。实施例15

（1）按照实施例3中的方法制备抗菌纳米纤维膜。

（2）按照实施例14中的方法制备1×10⁷～1×10⁸CFU/mL的S.aureus菌悬液。

（3）称取一定量上述（1）中的抗菌纳米纤维膜，用100ml溶剂（95%乙醇:蒸馏水=1:1（V/V））溶解，配制成8mg/mL的溶液，37℃下振荡30min；然后再分别取3mL、1.5mL、0.75mL上述溶液与3mL S.aureus菌悬液混合，另取0mL、1.5mL、2.25mL无菌营养肉汤液体培养液补足6mL，混匀，37℃培养24h后取0.1mL涂布到无菌营养肉汤平板上，37℃下培养24h。

（4）根据GB15979-2002溶出性抗（抑）菌产品抑菌性能评价标准，抗菌纳米纤维复合膜浓度为4mg/mL时，对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到90.5%；浓度为2mg/mL时，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为64.3%，仍有抑菌作用。

实施例16

（1）按照实施例3中的方法制备抗菌纳米纤维膜。

（2）按照实施例14中的方法制备1×10⁷～1×10⁸CFU/mL的E.coli菌悬液。

（3）称取一定量上述（1）中的抗菌纳米纤维膜，用100ml溶剂（95%乙醇:蒸馏水=1:1（V/V））溶解，配制成8mg/mL的溶液，37℃下振荡30min；然后再分别取3mL、1.5mL、0.75mL上述溶液与3mL E.coli菌悬液混合，另取0mL、1.5mL、2.25mL无菌营养肉汤液体培养液补足6mL，混匀，37℃培养24h后取0.1mL涂布到无菌营养肉汤平板上，37℃下培养24h。

（4）根据GB15979-2002溶出性抗（抑）菌产品抑菌性能评价标准，抗菌纳米纤维复合膜浓度为4mg/mL时，对大肠杆菌的抑菌率达到90.2%；浓度为2mg/mL时，抑菌率为61.5%，仍有抑菌作用。

实施例17

（1）按照实施例1中方法制备6%聚乙烯醇纳米纤维复合膜；

（2）按照实施例2中方法制备6%聚乙烯醇+5%肉桂精油纳米纤维复合膜；

（3）按照实施例3中方法制备6%聚乙烯醇+5%肉桂精油+2%β-环糊精纳米纤维复合膜；

（4）将（1）、（2）、（3）所得的纳米纤维复合膜及β-环糊精粉末进行红外光谱扫描，扫描范围4000～400cm^-1，前者采用ATR，后者采用KRr压片（见图12）。

肉桂精油的特征吸收峰是1689cm^-1C=O伸缩振动峰以及1625cm^-1苯环骨架振动峰，另外还有1130、971、748、687cm^-1特征吸收峰。由图12可以看出，在未加β-环糊精的复合膜中，精油的特征吸收峰未发生显著变化，说明聚乙烯醇与肉桂精油未发生化学键的变化，二者只是单纯的物理混合；在添加了β-环糊精的复合膜中，肉桂精油的特征吸收峰发生显著改变，说明其已被β-环糊精包埋。

实施例18

（1）按照实施例1中方法制备6%聚乙烯醇纳米纤维复合膜；

（4）按照实施例3中方法制备6%聚乙烯醇+5%肉桂精油+2%β-环糊精纺丝溶液；

（5）将（1）、（2）、（3）所得的纳米纤维复合膜及（4）中的纺丝溶液进行热重分析，温度范围为室温至700℃，所得数据转化为DTG图（见图13）。

在初始阶段内的失重是由薄膜的吸附水引起的，由图13可知，聚乙烯醇膜的分解温度为249.75℃，当加入肉桂精油与其纺成纳米纤维复合膜后，其分解温度提高到262.32℃，其主要原因是呈纳米分散的片层结构阻碍了聚合物分子的热运动，同时也阻碍了氧气向内部的扩散，从而延缓分解过程；加入了β-环糊精的聚乙烯醇/β-环糊精/肉桂精油纳米纤维复合膜的分解温度为322.54℃，大大提高了其热稳定性。另外，聚乙烯醇/β-环糊精/肉桂精油纳米纤维复合膜的DTG图谱与其混合物的图谱有较大差别，说明肉桂精油与β-环糊精之间存在包合效应。

Claims

1.一种含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备质量浓度为6%～10%的聚乙烯醇溶液；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液的制备方法为：将聚乙烯醇溶于蒸馏水中，在60～80℃下磁力搅拌2～4h即可。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述针头到接收器的距离为12～16cm，电压13～25kV，纺丝溶液流速控制在0.2～0.6mL/h。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述针头接收器的距离为14cm，电压15kV，纺丝溶液流速控制在0.4mL/h。

5.权利要求1或2或3或4所述方法制备的含植物源抗菌剂的纳米纤维复合膜。

6.权利要求5所述的纳米纤维复合膜作为抑菌材料的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述纳米纤维复合膜的浓度≥2mg/mL。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述纳米纤维复合膜的浓度≥4mg/mL。