CN109610094A - 多层静电纺丝食品包装膜及其制备方法 - Google Patents

多层静电纺丝食品包装膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包装材料技术领域，公开了一种多层静电纺丝食品包装膜及其制备方法，制备方法包括以下步骤：(1)将天然高分子物质溶解到溶剂A中，并加入具有抗氧化性的生物活性物质，得到中间层纺丝液；(2)将纤维素衍生物溶解到溶剂B中，得到外层纺丝液；(3)依次静电纺丝外层纺丝液、中间层纺丝液、外层纺丝液，得到三层叠加的多层静电纺丝食品包装膜。该制备方法制得的多层静电纺丝食品包装膜中，外层纺丝层能够保护活性包装中的生物活性物质，使其不易受环境的变化而被氧化，同时空气中的微生物或氧气穿过包装膜的过程中又能被生物活性物质杀死或者阻隔。

Description

多层静电纺丝食品包装膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及包装材料技术领域，尤其涉及一种多层静电纺丝食品包装膜及其制备方法。
背景技术
静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法。其制造成本低廉、制取工艺简单，可快速获得直径分布从几纳米到几微米的超细纤维。这些纤维构成的膜具有三维立体空间结构，它不但具备纳米颗粒尺寸微小、比表面积高等优点，同时还具有机械稳定性好、纤维膜孔径小、孔隙率高、纤维连续性好等特性。
静电纺纳米纤维独特的结构使其表现出许多新的功能特性，这些特性已在食品领域显示出了广阔的应用前景。随着利用食品级原料制备纳米纤维的研究深入，静电纺丝技术在食品包装中的应用将日渐显著。生物活性物质作为活性成分在食品包装材料中的应用正在成为一个日益增长的研究热点。这些生物活性物质往往受到其溶解度低、在食品加工过程中稳定性差(温度、氧、光等)等因素的限制，严重影响其本身的价值。目前最有效的方式是对其进行封装，这种方法可以保护生物活性物质免受不利外界条件影响，提高其中生物利用度。
公开号为CN107385673A的中国专利文献公开了一种将柑橘精油/环状糊精包合物、纺丝原液和葡萄糖化酶混合后经静电纺丝得到的纺丝膜，具有抗氧化效果。但是活性成分在抗氧化同时又易被氧化，活性成分直接暴露外界中影响其活性。
公开号为CN104893090A的中国专利文献公开了一种利用含有抗氧化剂d-生育酚的乙烯/乙烯醇共聚物制备食品抗氧化薄膜，可以从薄膜内向食品中释放出抗氧化剂，起到抑制脂质氧化的效果。但是所用材料为合成高分子，在自然条件不能被环境微生物完全分解。
发明内容
本发明提供了一种多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，利用多层电纺技术构造层层叠加膜结构对其中的生物活性物质进行封装，能够保护食品包装膜中的生物活性物质，并且起到缓释生物活性物质的作用。
具体技术方案如下：
一种多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将天然高分子物质溶解到溶剂A中，并加入具有抗氧化性的生物活性物质，得到中间层纺丝液；
(2)将纤维素衍生物溶解到溶剂B中，得到外层纺丝液；
(3)依次静电纺丝外层纺丝液、中间层纺丝液、外层纺丝液，得到三层叠加的多层静电纺丝食品包装膜。
本发明的制备方法中，在含有抗氧化性的生物活性物质的中间纺丝层外层分别叠加外层纺丝层，对中间纺丝层中的生物活性物质进行封装，使其不易受环境的变化而被氧化，同时空气中的微生物或氧气穿过三层膜的过程中，能够被中间纺丝层中的生物活性物质杀死或者阻隔，防止包装膜内的食品受到污染或变质。
所述的天然高分子物质为壳聚糖、丝素蛋白、明胶、甲壳素、海藻酸钠、胶原蛋白、玉米醇溶蛋白和小麦蛋白中的至少一种。
天然高分子物质具有来源丰富、安全无毒和生物可降解等特点，是食品包装材料良好的选择。
能否成功进行静电纺丝的关键在于溶剂的选择，不同的纺丝物质需要配置合适的溶剂溶解，才能保证静电纺丝的顺利进行。
所述的溶剂A为乙醇和C2-C4短链酸的混合水溶液、C2-C4短链酸水溶液或水。
纺丝液中，纺丝物质的浓度也是影响静电纺丝效果的因素。
所述的中间层纺丝液中，天然高分子物质的质量分数为5～30％。
当天然高分子物质确定，其分子质量固定，溶液浓度对分子链在溶液中的缠结有很大影响。在稀溶液中，分子链相互分离，不能有效抵抗外力而发生断裂，从而不能进行静电纺丝。随着溶液浓度的增加，分子链相互发生缠结，有利于电纺的进行，而当其达到一定临界浓度后，因溶液粘度太大而无法进行静电纺丝。
优选的，所述的天然高分子物质为明胶、玉米醇溶蛋白和小麦蛋白中的至少一种；所述的溶剂A为乙酸水溶液；中间层纺丝液中，天然高分子物质的质量分数为20～30％。该中间层纺丝液能够顺利进行纺丝，并且纺丝效果较优。
进一步优选的，所述的乙酸水溶液的浓度为40～80％。
所述的生物活性物质为黄酮、姜黄素、花青素、茶多酚和人参皂苷中的至少一种。
上述生物活性物质均具有较强的抗氧化性和抗菌性，能杀死穿过包装膜的空气中的微生物，同时防止氧气进入食品包装内氧化食品。
优选的，在中间层纺丝液中，生物活性物质与天然高分子物质的质量比为1∶10～1000。
生物活性物质加入在溶液中，在较低浓度时，可以分散溶剂中，但其生物活性不能有效发挥。浓度过高超过某一临界值后，不能完全溶解在溶液中，从而不利于其进行静电纺丝。
进一步优选的，生物活性物质与天然高分子物质的质量比为1∶10～100。
生物活性物质与天然高分子物质的质量比为1∶10～100时，活性物质可以发挥较优的抗氧化性和抗菌性。
所述的纤维素衍生物为醋酸纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素和羟乙基纤维素中的至少一种。
纤维素是一种生物可降解的天然高分子化合物，但由于其极强的氢键网络，导致不溶于一般溶剂，利用其静电纺丝有一定难度。纤维素衍生物对于溶剂的选择范围广泛，经过改性后的纤维素，其亲水性得到很大的改善并且生物也可以将其降解。相比于其他天然高分子，其来源广泛，成本低和疏水性强。对于食品包装膜，需要一定的疏水性阻隔空气中的水蒸气来延长货架期。
所述的溶剂B为乙醇和/或乙酸的水溶液。
优选的，所述的纤维素衍生物为乙基纤维素；所述的溶剂B为乙醇和乙酸的水溶液；外层纺丝液中，纤维素衍生物的质量分数为20～30％。该外层纺丝液能够顺利进行纺丝，并且纺丝效果较优。
进一步优选的，所述的溶剂B中，乙醇、乙酸与水的体积比为5～10∶1～3∶1；最优选的，乙醇、乙酸与水的体积比为7∶2∶1。
步骤(3)中，静电纺丝的电压为10～25kV，接收距离为10～15cm，纺丝液流速为0.5～1.5ml/h，静电纺丝过程中的环境相对湿度为20％～80％；每层静电纺丝时间为10～360min，每层静电纺丝面积为25～625cm2。
本发明还提供了一种由所述制备方法制得的多层静电纺丝食品包装膜，所述多层静电纺丝食品包装膜的厚度为20～200μm；外层静电纺丝层和中间层静电纺丝层的纳米纤维的直径为100～1000nm。
进一步优选的，外层静电纺丝层的纳米纤维的直径为500～1000nm，中间层静电纺丝层的纳米纤维的直径为150～250nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)所选的纺丝材料均为生物可降解材料，并且原料来源广泛；
(2)通过多层电纺能有效促进生物活性物质的缓慢释放，达到缓释目的；
(3)外层纺丝层能够保护活性包装中的生物活性物质，使其不易受环境的变化而被氧化，同时空气中的微生物或氧气穿过包装膜的过程中又能被生物活性物质杀死或者阻隔。
附图说明
图1是实施例1中乙基纤维素纳米纤维层的扫描电镜图；
图2是实施例1中中间层纳米纤维层的扫描电镜图；
图3是实施例1制得的多层纳米纤维包装膜的截面扫描电镜图；
图4是实施例2中中间层纳米纤维层的扫描电镜图；
图5是实施例3中中间层纳米纤维层的扫描电镜图。
图6是实施例1～3制得的多层纳米纤维包装膜的缓释效果图；
图7是实施例1～3制得的多层纳米纤维包装膜的抗氧化效果图。
具体实施方式
实施例1
将2.5g的乙基纤维素溶于10mL的乙酸∶乙醇∶水＝7∶2∶1(v/v/v)溶液中，磁力搅拌器搅拌至完全溶解后得到外层纺丝液。将2.5g的明胶溶于50％的10ml乙酸溶液中，磁力搅拌器搅拌2h后将4％姜黄素(相对于明胶)加入，搅拌至完全溶解。
利用静电纺丝装置进行纺丝，将外层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，采用转鼓接收；将内层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，直接接收在外层纺丝液的转鼓上，之后再纺一层外层纺丝液，得到具有三层结构的纳米纤维。
图1为外层乙基纤维素纳米纤维的扫描电镜图，纳米纤维直径为500～1000nm；图2为中间层含有4％姜黄素的明胶纳米纤维的扫描电镜图，纳米纤维直径为180～230nm；图3为三层结构的截面图，平均厚度为90～140μm。
实施例2
将2.5g的乙基纤维素溶于10mL的乙酸∶乙醇∶水＝7∶2∶1溶液中，磁力搅拌器搅拌至完全溶解后得到外层纺丝液。将2.5g的玉米醇溶蛋白溶于80％的10ml乙酸溶液中，磁力搅拌器搅拌2h后将4％姜黄素(相对于玉米醇溶蛋白)加入，搅拌至完全溶解。
利用静电纺丝装置进行纺丝，将外层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，采用转鼓接收；将内层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，直接接收在外层纺丝液的转鼓上，之后再纺一层外层纺丝液，得到具有三层结构的纳米纤维。
图4为中间层含有4％姜黄素的玉米醇溶蛋白纳米纤维的扫描电镜图，纳米纤维直径为70～120nm。
实施例3
将2.5g的乙基纤维素溶于10mL的乙酸∶乙醇∶水＝7∶2∶1溶液中，磁力搅拌器搅拌至完全溶解后得到外层纺丝液。将2.5g的小麦蛋白溶于70％的10ml乙醇溶液中，磁力搅拌器搅拌2h后将4％姜黄素(相对于小麦蛋白)加入，搅拌至完全溶解。
利用静电纺丝装置进行纺丝，将外层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，采用转鼓接收；将内层纺丝液注入2.5mL注射器上，接收距离10cm，电压15kV，以1mL/h的流速进行静电纺丝，直接接收在外层纺丝液的转鼓上，之后再纺一层外层纺丝液，得到具有三层结构的纳米纤维。
图5为中间层含有4％姜黄素的小麦蛋白纳米纤维的扫描电镜图，纳米纤维直径为80～130nm。
测试例
分别将实施例1～3制得的10mg三层纳米纤维膜放入15mL试管中，加入5mL PBS(0.01M，pH＝7.4)后，在100r/min的振荡器上振荡，在固定时间取一定量的液体(再加入相同体积的PBS于试管中)在酶标仪OD435测定OD值，记录不同时间姜黄素的释放量。
图6为释放曲线。从图中可知，三层纳米纤维膜具有姜黄素缓释作用。
根据ABTS测试方法，分别对实施例1～3制得的三层纳米纤维膜进行抗氧化测定。图7为抗氧化结果，从图中可知三层纳米纤维膜能够保护活性包装中的有效成分，具有抗氧化活性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将天然高分子物质溶解到溶剂A中，并加入具有抗氧化性的生物活性物质，得到中间层纺丝液；
(2)将纤维素衍生物溶解到溶剂B中，得到外层纺丝液；
(3)依次静电纺丝外层纺丝液、中间层纺丝液、外层纺丝液，得到三层叠加的多层静电纺丝食品包装膜。
2.根据权利要求1所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的天然高分子物质为壳聚糖、丝素蛋白、明胶、甲壳素、海藻酸钠、胶原蛋白、玉米醇溶蛋白和小麦蛋白中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的溶剂A为乙醇和C2-C4短链酸的混合水溶液、C2-C4短链酸水溶液或水。
4.根据权利要求1所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的中间层纺丝液中，天然高分子物质的质量分数为5～30％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的生物活性物质为黄酮、姜黄素、花青素、茶多酚和人参皂苷中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，在中间层纺丝液中，生物活性物质与天然高分子物质的质量比为1∶10～1000。
7.根据权利要求1所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的纤维素衍生物为醋酸纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素和羟乙基纤维素中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，所述的溶剂B为乙醇和/或乙酸的水溶液。
9.根据权利要求1所述的多层静电纺丝食品包装膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，静电纺丝的电压为10～25kV，接收距离为10～15cm，纺丝液流速为0.5～1.5ml/h，静电纺丝过程中的环境相对湿度为20％～80％；每层静电纺丝时间为10～360min，每层静电纺丝面积为25～625cm2。
10.一种多层静电纺丝食品包装膜，其特征在于，由权利要求1～9中任一项所述的制备方法制得。
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