CN109688834A - 用于挥发性化合物的控制释放的组合物 - Google Patents

用于挥发性化合物的控制释放的组合物 Download PDF

Info

Publication number
CN109688834A
CN109688834A CN201780040322.0A CN201780040322A CN109688834A CN 109688834 A CN109688834 A CN 109688834A CN 201780040322 A CN201780040322 A CN 201780040322A CN 109688834 A CN109688834 A CN 109688834A
Authority
CN
China
Prior art keywords
peo
aitc
diacetyl
composition according
pla
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780040322.0A
Other languages
English (en)
Inventor
龙-德·林
王文静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Guelph
Original Assignee
University of Guelph
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Guelph filed Critical University of Guelph
Publication of CN109688834A publication Critical patent/CN109688834A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/34—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals
    • A23L3/3454—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals in the form of liquids or solids
    • A23L3/3463—Organic compounds; Microorganisms; Enzymes
    • A23L3/34635—Antibiotics
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N25/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
    • A01N25/08—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests containing solids as carriers or diluents
    • A01N25/10—Macromolecular compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N25/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators, characterised by their forms, or by their non-active ingredients or by their methods of application, e.g. seed treatment or sequential application; Substances for reducing the noxious effect of the active ingredients to organisms other than pests
    • A01N25/34—Shaped forms, e.g. sheets, not provided for in any other sub-group of this main group
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N31/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic oxygen or sulfur compounds
    • A01N31/08—Oxygen or sulfur directly attached to an aromatic ring system
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N35/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic compounds containing a carbon atom having two bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. aldehyde radical
    • A01N35/02—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic compounds containing a carbon atom having two bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. aldehyde radical containing aliphatically bound aldehyde or keto groups, or thio analogues thereof; Derivatives thereof, e.g. acetals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N47/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic compounds containing a carbon atom not being member of a ring and having no bond to a carbon or hydrogen atom, e.g. derivatives of carbonic acid
    • A01N47/40—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic compounds containing a carbon atom not being member of a ring and having no bond to a carbon or hydrogen atom, e.g. derivatives of carbonic acid the carbon atom having a double or triple bond to nitrogen, e.g. cyanates, cyanamides
    • A01N47/46—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing organic compounds containing a carbon atom not being member of a ring and having no bond to a carbon or hydrogen atom, e.g. derivatives of carbonic acid the carbon atom having a double or triple bond to nitrogen, e.g. cyanates, cyanamides containing —N=C=S groups
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/34—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals
    • A23L3/3454—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals in the form of liquids or solids
    • A23L3/3463—Organic compounds; Microorganisms; Enzymes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/34—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals
    • A23L3/3454—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals in the form of liquids or solids
    • A23L3/3463—Organic compounds; Microorganisms; Enzymes
    • A23L3/3481—Organic compounds containing oxygen
    • A23L3/349—Organic compounds containing oxygen with singly-bound oxygen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/34—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals
    • A23L3/3454—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals in the form of liquids or solids
    • A23L3/3463—Organic compounds; Microorganisms; Enzymes
    • A23L3/3481—Organic compounds containing oxygen
    • A23L3/3499—Organic compounds containing oxygen with doubly-bound oxygen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/34—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals
    • A23L3/3454—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by treatment with chemicals in the form of liquids or solids
    • A23L3/3463—Organic compounds; Microorganisms; Enzymes
    • A23L3/3535—Organic compounds containing sulfur
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D81/00—Containers, packaging elements, or packages, for contents presenting particular transport or storage problems, or adapted to be used for non-packaging purposes after removal of contents
    • B65D81/24—Adaptations for preventing deterioration or decay of contents; Applications to the container or packaging material of food preservatives, fungicides, pesticides or animal repellants
    • B65D81/28—Applications of food preservatives, fungicides, pesticides or animal repellants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23V—INDEXING SCHEME RELATING TO FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES AND LACTIC OR PROPIONIC ACID BACTERIA USED IN FOODSTUFFS OR FOOD PREPARATION
    • A23V2002/00—Food compositions, function of food ingredients or processes for food or foodstuffs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/90—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in food processing or handling, e.g. food conservation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02W90/10—Bio-packaging, e.g. packing containers made from renewable resources or bio-plastics

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nutrition Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Agricultural Chemicals And Associated Chemicals (AREA)
  • Food Preservation Except Freezing, Refrigeration, And Drying (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于挥发性化合物的控制释放的组合物，该组合物包含至少一种聚(乙二醇)(PEG)聚合物和一种或多种挥发性化合物，该组合物用于在并入食品包装中时保存食品。该挥发性化合物是抗微生物化合物，例如异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰、肉桂醛、百里香酚、香芹酚及它们的组合。该组合物可包含两种或更多种不同分子量的PEG聚合物的共混物和/或聚(乳酸)(PLA)与聚(环氧乙烷)(PEO)的混合物。

Description

用于挥发性化合物的控制释放的组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月13日提交的第62/335,964号美国临时申请的权益，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及用于挥发性化合物的控制释放的组合物及其使用方法。
背景技术
活性包装系统与食物和/或环境(内部/外部)相互作用，其反过来实现期望的作用以增强包装的保护功能，以达到延长产品的保质期、维持/提高产品质量和确保安全的目的。抗微生物活性包装依赖于控释机制来递送抗微生物化合物以抑制微生物的生长。可以将抗微生物物质通过直接扩散到食物接触表面来递送，或者通过首先蒸发到顶部空间中然后溶解到食物表面上而间接地递送，这取决于它们的挥发性。由于抗微生物物质被引导到易于发生腐败的表面，所以抗微生物活性包装可以使用较少量的防腐剂有效地抑制食物表面上的腐败微生物和病原微生物的生长。
挥发性抗微生物化合物已广泛用于抗微生物活性包装。异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰和肉桂醛是经过充分研究的挥发性抗微生物化合物，可有效抑制食品中腐败微生物和病原微生物的生长。然而，将这些抗微生物化合物直接添加到食品和/或包装结构中可能是有问题的，因为它们会快速释放到顶部空间，影响食品的感官属性和质量属性。例如，当AITC用作抗微生物剂时，观察到鸡胸中的变色。已经报道了经AITC处理后米饭和奶酪的风味发生变化，这是由于存在高于感官检测阈值的残留。其他研究表明，当用AITC处理浆果时会发生生理损害，导致酚类物质和花青素含量降低。为了在最小化对感官/质量属性的影响的同时实现最大的抗微生物功效，通常将挥发性抗微生物剂包封在配制的聚合物基质中以控制它们的释放曲线。
使用单一抗微生物化合物进行食品保存存在许多缺点。由于它们的强烈的香气特征，在达到最小抑制浓度之前，某些食品中可能会出现不希望的感官特性。
为了减少这些风险，一种解决方案是利用组合的抗微生物化合物的协同或累加效应，以最小化由单一抗微生物剂引发的不希望的感官变化，并提供更宽广的抗微生物谱。使用组合的抗微生物化合物进行食品保存仍存在不确定性。可能观察到的协同效应可能会受植物组织中存在的植物化学物质、微生物类型和食物基质的组成的影响。此外，如果抗微生物剂与消费者预期的固有感官特性不相容，则不期望的异味仍可能是一个问题。在一些情况下，组合抗微生物剂，例如乳链菌肽和二乙酰，可能导致拮抗作用。
用于活性包装目的的抗微生物化合物在储存期间通常是不稳定的(例如降解、蒸发损失)，因此必须加以保护。此外，为了便于液体抗微生物剂的处理和分配，通常将这些化合物固定在固态基质中。为此，已经研究了各种微囊化方法，不仅用于保持抗微生物剂的活性，而且还根据环境条件的变化控制这些化合物的释放以使其功效最大化。
微胶囊化允许掺入的活性化合物从载体迁移并释放到顶部空间或产品中。这是一种将活性成分(也称为芯材料或填料)结合到载体材料(也称为壁材料或壳)内部形成储存封装的过程。或者，活性化合物与其他添加剂一起分散在整个载体材料中，形成基质封装。基质封装可进一步构造成包括壁材料。
二乙酰和肉桂醛是有望用于食品保存的有效的天然存在的抗微生物剂。这些化合物可用于气调包装应用，特别是当它们同时用作抗微生物蒸气以实现协同抗微生物功效时。由于AITC和二乙酰是挥发性的(在20℃时分别为0.49kPa和6.9kPa)，因此必须控制这些抗微生物化合物的蒸发，以便在包装内获得所需的顶部空间浓度。此外，必须保护这些化合物以增加它们在储存期间的稳定性，以及促进它们在食品包装中的最终用途处理/分配。
因此，仍然需要提供控制食品包装中挥发性化合物的释放的方法。
发明内容
本发明提供一种用于挥发性化合物的控制释放的组合物，该组合物包含至少一种聚(乙二醇)(PEG)聚合物和一种或多种挥发性化合物。
在一个实施方案中，所述一种或多种挥发性化合物是抗微生物化合物。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物还包含聚(乳酸)(PLA)。
在另一个实施方案中，该组合物包含两种或更多种不同分子量的PEG聚合物的共混物。
在另一个实施方案中，所述两种或更多种PEG聚合物的分子量为约100Da至约50000Da。
在另一个实施方案中，所述两种或更多种PEG聚合物选自分子量为400Da的PEG聚合物(PEG400)和分子量为10000Da的PEG聚合物(PEG10K)。
在一个实施方案中，所述两种或更多种PEG聚合物是PEG400和PEG10K，PEG400和PEG10K的重量比为约1:4至约4:1。
在一个实施方案中，PEG400和PEG10K的重量比为4:1。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含约0.01％(w/w)至约50％(w/w)的挥发性化合物。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含约0.05％(w/w)至约5％(w/w)的挥发性化合物。
在另一个实施方案中，所述一种或多种挥发性化合物以约20％(w/w)至约50％(w/w)的量存在。
在另一个实施方案中，所述一种或多种挥发性化合物以约30％(w/w)至约35％(w/w)的量存在。
在另一个实施方案中，抗微生物化合物选自异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰、肉桂醛、百里香酚、香芹酚及它们的组合。
在另一个实施方案中，抗微生物化合物选自异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰及它们的组合。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含二乙酰和AITC的混合物。
在另一个实施方案中，二乙酰与AITC的比为10:1至1:1。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含二乙酰与AITC的混合物，二乙酰与AITC的比为1:1。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含二乙酰、AITC和肉桂醛的混合物。
在一个实施方案中，本文所述的组合物包含AITC、二乙酰和肉桂醛的混合物，AITC与二乙酰和肉桂醛的比为1:4:60。
在一个实施方案中，所述一种或多种挥发性化合物分散在载体中。
在另一个实施方案中，载体是电纺丝纤维。
在另一个实施方案中，电纺丝纤维通过电纺丝生产。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含聚(乳酸)(PLA)和聚(环氧乙烷)(PEO)的混合物。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物包含PLA与PEO的混合物，PLA与PEO的比为7:3。
在另一个实施方案中，本文所述的组合物还包含纤维素。
在一个实施方案中，纤维素是乙基纤维素或醋酸纤维素。
还提供一种保存食物的方法，其包括在如本文所述的组合物的存在下储存食物。
在一个实施方案中，食物选自水果、蔬菜、烘焙食品、生面制品和鲜肉。
还提供用于保存食物的包装材料，其包含如本文所述的组合物。
附图说明
现在将对附图进行描述。
图1示出PEG400、PEG10K和它们的共混物的加热随后冷却的循环的热谱图，冷却和加热速率：10℃/min。
图2示出PEG混合比对在25℃下从1克PEG共混物释放到1升顶部空间中的二乙酰的量(mg)的影响，其中符号代表的是一式三份的实验数据，实线/虚线是拟合模型，所有样品厚度相同(1mm)，其中一个表面暴露在顶部空间的空气中。
图3示出PEG混合比对在25℃下从1克PEG共混物释放到1升顶部空间中的AITC的量(mg)的影响，其中符号代表的是一式三份的实验数据，实线/虚线是拟合模型，所有样品厚度相同(1mm)，其中一个表面暴露在顶部空间的空气中。
图4示出冷却至室温(～22℃)后的PEG共混物的光学显微照片，其中(a)PEG400:PEG10K为4:1；(b)PEG400:PEG10K为3:2；(c)PEG400:PEG10K为2:3；(d)PEG400:PEG10K为1:4，显微照片下的数字是平均晶粒尺寸(n＝40)。
图5示出在冷却至室温期间PEG400:PEG10K为3:2的共混物的光学显微照片，其中负载有10％的二乙酰/AITC。
图6示出负载有10％的二乙酰/AITC的PEG400:PEG10K为3:2的共混物的SEM显微照片，显示出破裂表面的横截面。
图7示出不同的PEG共混物随时间的重量增加(100％相对湿度(RH))。
图8示出在25℃下，在0、10、100或1000μL的水的存在下，从1克PEG400:PEG10K为4:1的PEG共混物释放到一升玻璃瓶的顶部空间中的二乙酰的量。
图9示出在25℃下，在0、10、100或1000μL的水的存在下，从1克PEG400:PEG10K为4:1的PEG共混物释放到一升玻璃瓶的顶部空间中的AITC的量。
图10示出在5℃下，在0、10、100或1000μL的水的存在下，从1克PEG400:PEG10K为4:1的PEG共混物释放到一升玻璃瓶的顶部空间中的二乙酰的量。
图11示出在5℃下，在0、10、100或1000μL的水的存在下，从1克PEG400:PEG10K为4:1的PEG共混物释放到一升玻璃瓶的顶部空间中的AITC的量。
图12示出CA在具有33％(w/w)的CA负载量的PLA-PEO纤维中的包封效率，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)，其中误差条代表6次测量的标准偏差，使用单因素方差分析(one-way ANOVA)和图基事后检验法(Tukey’s post-hoc test)进行统计分析。
图13示出具有33％(w/w)的CA负载量的PLA-PEO纤维的扫描电子显微照片，其中数值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)，使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
图14示出具有不同CA负载量的PLA:PEO为7:3的纤维的包封效率，其中具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)，使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
图15示出负载有不同浓度的CA的PLA:PEO为7:3的纤维的SEM显微照片，其中数值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)，使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
图16示出在10℃/min的第一次加热扫描期间PEO粉末、PLA树脂和PLA:PEO为7:3(0％CA)的纤维的热谱图。
图17示出负载有不同浓度的CA的PLA:PEO为7:3的非织造物的DSC热谱图。
图18示出具有不同的CA负载量的PLA:PEO为7:3的非织造物样品的FTIR光谱：(a)非织造物和CA的全光谱；(b)PLA的C＝O伸展区域附近的光谱；(c)C-O-C区域附近的光谱。
图19示出在25℃下在不同RH条件下从PLA-PEO-CA非织造物释放的CA的量。
图20示出在4℃下储存的绿豆芽的顶部空间中的氧/二氧化碳浓度：(a)和(c)用AITC处理过；(b)和(d)用二乙酰处理过。
图21示出在有或没有抗微生物化合物存在的情况下，储存7天后绿豆芽的重量损失。
图22示出在有或没有抗微生物化合物存在的情况下，储存7天后绿豆芽的微生物负载。
图23示出在10℃下9天储存期间绿豆芽的外观变化，其中对照样品未用抗微生物化合物处理；处理1是用液体抗微生物剂组合物处理过的样品；处理2是用负载有抗微生物剂的载体处理过的样品。
图24示出在10℃储存期间各组的绿豆芽的重量损失，其中对照样品未用抗微生物化合物处理；处理1是用液体抗微生物剂组合物处理过的样品；处理2是用负载有抗微生物剂的载体处理过的样品。
图25示出在10℃储存期间各组的绿豆芽的硬度，其中对照样品未用抗微生物化合物处理；处理1是用液体抗微生物剂组合物处理过的样品；处理2是用负载有抗微生物剂的载体处理过的样品。
图26示出在10℃储存期间各组的绿豆芽的微生物负载，其中对照样品未用抗微生物化合物处理；处理1是用液体抗微生物剂组合物处理过的样品；处理2是用负载有抗微生物剂的载体处理过的样品。
图27示出在10℃储存期间各组的绿豆芽的总可滴定酸，其中对照样品未用抗微生物化合物处理；处理1是用液体抗微生物剂组合物处理过的样品；处理2是用负载有抗微生物剂的载体处理过的样品。
图28示出由10％(w/w)的EC溶液电纺丝得到的非织造物的扫描电子显微照片，所述EC溶液与不同浓度和分子量的PEO共混：(a)0％(w/w)的PEO；(b)1％(w/w)的PEO300；(c)1％(w/w)的PEO900；(d)2％(w/w)的PEO300，其中直方图显示不同直径间隔(x轴；μm)的纤维分布(y轴；频率(％))，纤维直径值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。
图29示出由具有不同百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的EC-1％PEO300非织造物的扫描电子显微照片：(a)0％(w/w)的百里香酚；(b)1％(w/w)的百里香酚；(c)5％(w/w)的百里香酚，其中直方图显示不同直径间隔(x轴；μm)的纤维分布(y轴；频率(％))，纤维直径值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。
图30示出(a)具有不同PEO含量和分子量的10％(w/w)的EC溶液和(b)具有不同百里香酚负载量的EC-1％PEO300溶液的粘度值，其为剪切速率的函数。
图31示出电纺丝EC-PEO非织造物、EC和PEO粉末的ATR-FTIR光谱。
图32示出电纺丝EC-PEO-百里香酚非织造物的ATR-FTIR光谱：(a)由具有不同百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的百里香酚和EC-PEO非织造物的全光谱；(b)C-O伸缩区域附近的光谱。
图33示出EC-PEO非织造物的负载容量(LC)和包封效率(EE)：(a)由具有不同百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的EC-1％PEO300非织造物；(b)由具有5％(w/w)的百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的EC-1％PEO300、EC-2％PEO300、EC-1％PEO900非织造物，其中具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。
图34示出在25℃下暴露于不同RH条件下11天的负载有百里香酚的EC-PEO非织造物的释放曲线：(a)RH的影响，(b)PEO分子量的影响。
图35示出由具有5％(w/w)的百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的EC-1％PEO300非织造物，在将样品暴露于33％、53％、75％和93％的RH条件11天之前和之后的扫描电子显微照片(对照品：新制备的非织造物)。
图36示出分别由在醋酸与丙酮的重量比为1:0、3:1和1:1的混合物中制备的溶液电纺丝得到的醋酸纤维素(CA)和醋酸纤维素-PEO非织造物的扫描电子显微照片，其中直方图显示不同直径间隔(x轴；μm)的纤维分布(y轴；频率(％))，纤维直径值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。
图37示出以下不同溶剂中的醋酸纤维素(CA)溶液和CA-PEO溶液的作为剪切速率的函数的粘度值：(a)醋酸:丙酮为1:0；(b)醋酸:丙酮为3:1；(c)醋酸:丙酮为1:1。
图38示出在不同溶剂中制备的醋酸纤维素(CA)溶液和CA-PEO溶液的电导率(a)和表面张力(b)值。
图39示出分别由具有1％、5％和10％(w/w)的香芹酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的醋酸纤维素(CA)-PEO非织造物的扫描电子显微照片，其中直方图显示不同直径间隔(x轴；μm)的纤维分布(y轴；频率(％))，纤维直径值是平均值±标准偏差，具有不同上标字母的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。
图40示出由(a)具有5％(w/w)的香芹酚负载量的在不同溶剂中制备的纺丝原液，以及由(b)具有不同的香芹酚负载量的在醋酸:丙酮为3:1的溶剂混合物中制备的纺丝原液电纺丝得到的掺有香芹酚的醋酸纤维素(CA)-PEO非织造物的EE值，其中具有不同上标字母的平均值表示各个图中的统计学显著性差异(p<0.05)。
图41示出电纺丝醋酸纤维素(CA)非织造物的ATR-FTIR光谱：(a)CA粉末和CA非织造物的全光谱；(b)C-O伸缩区域附近的光谱；(c)骨架振动区域附近的光谱。
图42示出掺加或不掺加香芹酚的电纺丝醋酸纤维素(CA)-PEO非织造物的ATR-FTIR光谱：(a)PEO粉末、电纺丝CA和CA-PEO非织造物的全光谱；(b)由具有不同的香芹酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的香芹酚和CA-PEO非织造物的全光谱。
图43示出在25℃下，在不同的RH条件(33％、53％、75％和93％RH)下从醋酸纤维素(CA)-PEO非织造物释放达12天的香芹酚的释放曲线。
具体实施方式
根据本说明书，提供一种用于挥发性化合物的控制释放的组合物，该组合物包含两种或更多种具有不同分子量的聚(乙二醇)(PEG)聚合物和一种或多种挥发性化合物的共混物。
本申请还涉及用于挥发性化合物的控制释放的组合物，该组合物包含聚(乳酸)(PLA)和聚(环氧乙烷)(PEO)聚合物非织造纤维和一种或多种挥发性化合物的共混物。
本申请还涉及一种组合物产品，其包含本申请的PEG聚合物组合物和本申请的PLA-PEO组合物。
本申请涉及一种保存食物的方法，其包括在本申请的PEG组合物或本申请的PEO-PLA组合物或它们的组合的存在下储存食物。
最近消费者对新鲜的最低限度加工的食品的偏好已经提出了相当大的挑战，因为这些产品易受微生物生长的影响。过早的产品腐败不仅缩短了对配送和销售至关重要的保质期，而且还会造成食品浪费。为了解决产品稳定性问题并实现足够长的产品保质期，已经出现了许多包装创新，例如使用具有抗微生物特性的包装结构。这种包装系统的变型通过抗微生物化合物的控制释放来延迟/防止不希望的微生物活动，所述抗微生物化合物直接释放到食物表面上或者将抗微生物挥发物释放到包装的顶部空间中。由于抗微生物活性包装主要在食物基质的表面上(大多数食物腐败发生在食物基质的表面上)提供防腐效果，所需的抗微生物化合物的剂量往往比将防腐剂添加到食物基质中的传统方法的剂量低。抗微生物剂的非接触递送在具有较大顶部空间体积的包装中是有益的，这种包装中抗微生物剂从包装结构直接扩散到食物表面上是不可行的。这种活性包装模式可以被认为是气调包装的一种变型，其中顶部空间的空气组成被改变以实现抗微生物效果。挥发性抗微生物剂的功效取决于许多参数，特别重要的是挥发物进入顶部空间的释放速率和挥发物在食物表面上的溶解。
二乙酰(2,3-丁二酮)是许多微生物例如乳酸菌(LAB；例如乳球菌(Lactococcus)、明串珠菌(Leuconostoc)、乳杆菌(Lactobacillus)和片球菌(Pediococcus))的代谢副产物。它天然存在于乳制品、葡萄酒、咖啡和发酵食品中。二乙酰具有广泛的抗微生物谱，包括酵母菌、革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌。研究表明，二乙酰对真菌和革兰氏阴性细菌的抑制效果高于对革兰氏阳性非乳酸菌的抑制效果，但对产生二乙酰的乳酸菌(LAB)没有效果。
AITC是天然存在的化合物，其是十字花科(Brassicaceae)的芥菜籽和其他蔬菜的特征风味物质。它的抗腐败和抗病原微生物的效力已在文献中有详细记载。通常，AITC对革兰氏阴性细菌的抗菌效果比对革兰氏阳性细菌的抗菌效果更好。该化合物在其气相中比在其液相中更有效。此外，AITC对严格需氧细菌的抗菌效果比对兼性厌氧细菌的抗菌效果更好。
二乙酰和AITC具有强烈的风味属性。因此，当将它们用在活性包装中时，必须考虑它们对产品的感官属性的潜在影响。随着温度从5℃升高到45℃，AITC和二乙酰的饱和蒸气压分别从～140Pa增加到1500Pa，从～2400Pa增加到20100Pa。由于快速蒸发，直接添加液体二乙酰和AITC不是最佳的，这可能引起感官问题。此外，难以持续释放挥发物以产生连续的抗微生物作用。
基于二乙酰和AITC的强抑菌特性，这些化合物有望用于活性抗微生物包装。因此，本文证明PEG共混物可作为控制二乙酰和AITC蒸气释放的载体以抑制食品中微生物的生长。
本文描述了将二乙酰和AITC共分散在半结晶聚合物载体中的方法，所述半结晶聚合物载体通过熔融共混两种不同分子量的PEG聚合物制备。在各种湿度条件下评估从PEG共混物释放的二乙酰蒸气和AITC蒸气的释放行为。为了阐明PEG载体的释放行为，评估熔融PEG共混物的热性质和结晶形态。在两种模型腐败微生物荧光假单胞菌(PseudomonasFluorescens)和瓜果腐霉(Pythium aphanidermatum)上测试抗微生物性能，这些微生物与水果和蔬菜的腐败有关。
如本文所述，凝固形成二乙酰/AITC浸渍的PEG片材，并通过使用自动顶部空间取样系统测定从PEG基质释放的二乙酰蒸气和AITC蒸气的释放性质。
使用差示扫描量热计研究含有和不含有抗微生物化合物的PEG共混物的热性质，并使用光学显微镜检查PEG共混物的微观结构。用扫描电子显微镜(SEM)进一步观察PEG晶体之间的晶界。通过重量分析评估PEG共混物的水吸附容量。
聚乙二醇(PEG)是聚醚化合物。PEG也称为聚环氧乙烷(PEO)或聚氧乙烯(POE)，这取决于其分子量。
PEG400、PEG10K及它们的共混物在加热随后冷却的循环期间的热谱图如图1所示。如图所示，PEG400的熔点(Tm)和结晶温度(Tc)分别为6.2℃和-10.9℃。相比之下，PEG10K具有更高的Tm和Tc，分别为65.8℃和42.3℃。PEG的结晶度(Xc)随分子量增加(PEG400的结晶度为52.9％，PEG10K的结晶度为96.8％)。随着分子量的增加结晶度增加可归因于较长聚合物链的链节运动性降低，有利于微晶的链堆砌。图1还显示，与各自的原始聚合物相比，共混PEG聚合物导致PEG10K级分的Tm明显向较低的值偏移，但PEG400级分的Tm变化可忽略不计。该观察结果表明PEG10K的存在不会干扰PEG400微晶的链堆砌，但较小的PEG400聚合物确实干扰PEG10K级分的层间堆砌，导致在较低温度下熔化的微晶中的缺陷。另一方面，与纯聚合物相比，共混PEG聚合物导致PEG400和PEG10K的Tc分别偏移至明显更高的值和更低的值。该观察结果表明，PEG400的存在在冷却过程中干扰PEG10K的结晶，而PEG10K似乎充当成核剂，在冷却过程中促进PEG400在较高温度下的结晶。
二乙酰和AITC的加入降低了Tm和Tc，以及各自的焓值(表1)，表明负载的挥发性化合物阻碍了PEG聚合物链的成核和/或层状堆砌。虽然将抗微生物剂加入共混物中时PEG10K级分减少(即，降低ω值)导致熔融焓明显降低(p<0.05)，但是PEG10K级分的结晶度值也不会明显受到二乙酰/AITC负载量的影响(p>0.05)。该结果表明，当PEG10K结晶时，二乙酰和AITC都没有掺入球晶结构的片晶中，这些化合物可能仍然溶解在PEG基质的非晶区域中。
表1
具有不同的二乙酰/AITC负载量的PEG400:PEG10K为3:2的熔融和结晶温度/焓
数值为平均值±标准偏差(n＝3)。具有不同上标字母的列内的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
在二乙酰和AITC(1％负载量)的存在下，表2总结了各种PEG共混物中PEG10K级分的Tc和Tm值。随着PEG400的含量从0％增加至80％，PEG10K级分的Tm和Tc分别从63℃降至53℃和从41℃降至24℃。温度变化遵循图1中所示的类似趋势。随PEG400含量的变化，PEG10K级分的结晶度没有明显变化(p>0.05)，表明PEG400的存在没有明显改变结晶PEG10K的热容量。随着PEG10K级分减少，熔融焓和结晶焓降低表明，由于用非晶PEG400代替结晶PEG10K，PEG共混物中的总微晶含量总体降低。
表2
具有1％的二乙酰/AITC负载量的PEG10K级分的熔融和结晶温度以及焓
数值为平均值±标准偏差(n＝4)。具有不同上标字母的列内的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
图3和图4总结了从PEG共混物释放的二乙酰和AITC的同时释放曲线。如图所示，PEG10K的比例越高，挥发物的释放量越大。该观察结果可归因于随着更多PEG10K级分结晶，PEG400相(室温下的液体)中二乙酰和AITC的浓度增加，产生更大的浓度梯度，导致更快的蒸发速率。图2和图3还表明AITC和二乙酰显示出两种不同的释放机制，即在实验时间范围内描述质量转移的初始阶段的特征的快速释放，以及显示近似线性趋势的缓慢释放。快速释放可能归因于PEG基质表面上或表面附近的物质的快速蒸发。如下所述，第二种较慢的释放机制可能是由PEG10K球晶之间的晶界释放AITC和二乙酰引起的。
表3总结了在25℃下二乙酰和AITC释放动力学的拟合模型，受PEG10K含量的影响。如表中所示，R2值大于0.98，表明模型很好地描述了释放曲线。通常，PEG10K级分含量越高，k值越低，原因是PEG共混物中的总微晶含量增加，从而降低了挥发性分子的扩散性。在PEG400:PEG10K混合比为2:3时，晶界缺陷在显微照片上开始显示为暗特征。在PEG400:PEG10K混合比为1:4时，可以看到相当多的晶体缺陷，在显微照片上显示为暗线、裂缝和破裂面(图4(d))。这些缺陷可能增加了PEG基质的总表面积，导致二乙酰和AITC蒸气的释放速率增加。
表3
受PEG10K含量影响的25℃下二乙酰和AITC释放动力学的拟合模型参数
数值为平均值±标准偏差(n＝3)。具有不同上标字母的列内的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
图4中所示的晶界缺陷可以是当PEG10K级分结晶时二乙酰和AITC被浓缩的位置。该假设由负载有10％的二乙酰/AITC的PEG400:PEG10K为3:2的共混物的时间推移光学显微照片支持(图5)。如图所示，单个晶体的生长始于其球晶核(图5；10秒和20秒)。随着球晶变大，与另一个球晶的边界接触。当接触边界处的生长停止时，晶体继续沿晶界沿其他方向生长，直到球晶与其他球晶完全接触。同时，PEG共混物的不可结晶部分，即二乙酰、AITC和PEG400，被浓缩并在普拉特奥边界被捕获(图5；55秒及以上)，在明视场最佳显微照片上显示为不透明的暗点。为了研究这些暗点的性质，进行了SEM分析(图6)。如图所示，在高放大倍数下，普拉特奥边界处的典型暗点表现为空腔，其可能先前被在SEM分析期间在真空下蒸发的AITC和二乙酰占据。球晶间普拉特奥边界可以被认为是抗微生物化合物的储库。在释放实验的时间范围内观察到的零级释放动力学可能是由于来自普拉特奥边界的二乙酰和AITC分子的质量传递。在42小时内，从PEG400:PEG10K为1:4、2:3、3:2、4:1的共混物释放的二乙酰的量为4.5mg、3.5mg、3.1mg和2.6mg，AITC的量为0.29mg、0.19mg、0.15mg和0.12mg。在二乙酰和AITC的初始负载量分别为0.91％和0.09％的基础上，在42小时内从PEG共混物中释放出初始负载量的大约28.7-49.4％的二乙酰和13.4-32.3％的AITC。
由于PEG是水溶性聚合物，环境中的水分含量将影响负载的二乙酰和AITC的释放行为。如图7所示，在所有被测试的PEG共混物中，PEG400:PEG10K为4:1的共混物表现出最快的水吸附速率。可以基于分子量较低的PEG400具有比PEG10K更多数量的羟基端基来解释观察结果。因此，与PEG10K相比，PEG400具有更大的与水形成氢键的倾向。具有较大比例PEG10K的PEG共混物的较慢的水吸附速率可能是由于其较高的总微晶含量阻碍了水的扩散。为了检测水分含量对释放行为的影响，在不同的水分条件下测试了具有最快水吸附速率的PEG400:PEG10K为4:1的共混物。
就PEG400:PEG10K为4:1的共混物而言，当向玻璃瓶中加入0μL、10μL、100μL和1000μL水时，25℃下由载体基质释放的二乙酰的释放曲线是相近似的(图8)。该观察结果可能是由于二乙酰在水中的高溶解度(在20℃下为200g/L)。当将水加入瓶中时，一方面它使PEG基质部分地溶解，从而使二乙酰更快地从基质释放；另一方面，由水诱导的PEG基质的亲水性的增加阻止了二乙酰的蒸发。在这种情况下，瓶的顶部空间中的二乙酰浓度在加入不同量的水时没有显示出明显变化。相比之下，水分对AITC的共同释放(co-release)具有更明显的影响(图9)。随着水分从0μL增加到1000μL，AITC的k值从0.016h-1降低到0.009h-1，而α值从1.94×10-5增加到2.9×10-4h-1(表4)。与二乙酰(200g/L，20℃)相比，AITC释放的更高的湿度敏感性可归因于AITC在水中的溶解度(2g/L，20℃)明显更低。在高水分含量下，除了引起PEG的大量塑化和部分溶解之外，可以想象，载体基质的增加的亲水性也降低了AITC在基质中的溶解度，使其分配到气相中。此外，观察到当向瓶中加入1000μL水时，PEG基质完全被水溶解，使载体基质变成液相。当加入1000μL水时，可能导致AITC的大量释放，在约1300分钟时达到平衡(图9)。
在5℃下，二乙酰和AITC的释放减慢；k值和α值均明显低于在25℃下观察到的值(表4)。在5℃下42小时后释放的二乙酰的最大量为1.98mg(图10)，而在25℃下为2.85mg，在5℃下释放的AITC的最大量为0.14mg(图11)，而在25℃下为0.47mg。与在25℃下观察到的不同，在5℃下样品之间的二乙酰的释放行为显示出显著性差异。较低温度下二乙酰的较低蒸气压将减缓蒸发，使水分含量对释放行为的影响明显。对于较高的RH(10μL水)，由于PEG载体的塑化和部分溶解，二乙酰从PEG基质释放的速度比用0μL水的快。当存在过量的水(100μL或1000μL)时，二乙酰倾向于溶解在水中而不是分配到顶部空间中，导致顶部空间中的二乙酰浓度降低。然而，α值随着水分含量的增加而增加(表4)，表明由水诱导的PEG的部分溶解可以增加二乙酰从载体基质释放的速率。
在5℃下受水分含量影响的AITC的释放行为显示出类似的趋势，在25℃下，K值降低，而α值随着水分含量的增加而增加。对于AITC，无论温度如何，其释放量与水的添加量成正比。例如，在25℃，42小时内，当暴露于10μL、100μL和1000μL水时，AITC的最大释放量从干燥条件下的0.13mg分别增加至0.15mg、0.18mg和0.48mg。这种相互作用的行为对于高水分产品的水分触发的抗微生物活性包装可能是有用的。
表4
受水分含量影响的5℃和25℃下二乙酰/AITC释放动力学的拟合模型参数
数值为平均值±标准偏差(n＝3)。具有不同上标字母的列内的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
针对通常与新鲜水果和蔬菜的腐败相关的两种模型微生物荧光假单胞菌(P.Fluorescens)和瓜果腐霉(P.aphanidermatum)评估具有不同的二乙酰与AITC比的PEG400:PEG10K为4:1的共混物的抗微生物功效。表5显示，荧光假单胞菌菌落形成被0.5％的负载量的二乙酰与AITC的比为10:1、5:1和1:1的混合物完全抑制。在0.1％的负载量水平下，虽然荧光假单胞菌没有被完全抑制，但当使用更高的AITC含量(二乙酰:AITC＝1:1)时观察到抑制效果，这意味着AITC对抗菌作用做出主要贡献。类似地，二乙酰/AITC混合物抑制瓜果腐霉菌落的生长，并且当使用更高的AITC浓度(二乙酰:AITC＝1:1)时观察到更强的抑制作用。在所有被测试的制剂中，仅1％负载量的二乙酰:AITC为1:1的提供了对荧光假单胞菌和瓜果腐霉的完全抑制。尽管AITC具有更强的抑制作用，但由于高剂量AITC诱导的对植物组织的潜在损害和食物中的异味，使用二乙酰有利于降低AITC水平。
表5
二乙酰/AITC浸渍的PEG400:PEG10K为4:1的共混物对荧光假单胞菌和瓜果腐霉的抑制作用
*瓜果腐霉的测量基于菌落直径(mm)；荧光假单胞菌的测量基于可视菌落数：“-”没有生长；“+”小于15；“++”15-50；“+++”50-150；“++++”大于150。
已经证明，可以通过调节不同的PEG级分和顶部空间中的水分条件来控制从不同分子量的PEG共混物中释放的二乙酰和AITC。增加PEG10K的比例增加了PEG共混物的微晶含量并降低了载体基质中二乙酰和AITC的扩散速率。然而，高比例的PEG10K也诱导PEG晶体中的缺陷，导致二乙酰和AITC的释放增加。通常，PEG共混物中PEG10K的高比例促进了二乙酰和AITC向顶部空间中的释放。此外，顶部空间中的高水分含量导致PEG载体的溶解并增加抗微生物化合物的释放。微生物测试结果表明，通过适度的释放，负载有1％的二乙酰和AITC(1:1比例)的PEG共混物可成功抑制瓜果腐霉和荧光假单胞菌的菌落形成4天。将所有证据结合在一起，PEG共混物是二乙酰和AITC的可行载体，可控制这些抗微生物挥发物的释放。
肉桂醛(CA)是从肉桂(Cinnamonum zeylanicum)的树皮中提取的淡黄色粘性液体。它是肉桂皮精油中的主要挥发性成分(97.7％)，是影响肉桂特殊风味的主要化合物。CA是经研究的许多精油中最有效的抗微生物化合物之一。CA或肉桂精油的抗微生物活性已经在许多致病微生物(例如蜡状芽孢杆菌(B.cereus)、大肠杆菌(E.coli)和单核细胞增生李斯特菌(L.monocytogenes))上广泛测试。已经在各种食品上研究了其对微生物的抑制作用。
与一些其他的挥发性抗微生物化合物(例如异硫氰酸烯丙酯(AITC)和二乙酰)相比，在抗微生物活性包装中应用CA的技术挑战之一是其极低的蒸气压。由于其蒸气压低，顶部空间中CA蒸汽浓度快速累积到抑制水平往往是有问题的，特别是对于具有大顶部空间的包装和具有较高CA溶解度的产品。为了提高CA的蒸发速率，一种可能的解决方案是将抗微生物剂分散在具有大表面积的载体中，例如由具有所需材料性质的聚合物制成的电纺丝纤维。
聚(乳酸)PLA是可生物降解的、生物可吸收的和食品相容的聚酯，其衍生自可再生原料，例如淀粉和纤维素加工残余物。该聚合物可以被合成为不同等级，用于许多应用，包括食品包装、消费性商品、组织工程、一次性餐具等。已经探索了不同基质的PLA聚合物(流延薄膜、电纺丝纤维、模塑制品)作为抗微生物剂的控释载体。以前，研究了使用电纺丝PLA纤维包封芥菜籽粉以活化释放AITC。如本文所示，添加PEO以辅助电纺丝过程以及改变非织造物的亲水性。
仅用PEO的电纺丝纤维导致43.6％的包封效率(EE)。然而，随着聚合物共混物中PLA比例增加至PLA:PEO为7:3，EE值显著增加至76.4％，但是用纯PLA聚合物的EE值降低至65.3％(图12)。EE的变化可能与总聚合物浓度诱导的电纺丝材料的形貌有关(图13)。纯PEO溶液产生最小直径的纤维。随着PLA含量的增加，纤维直径明显增加。可以基于PLA原液具有比PEO原溶液浓度(3％w/w)更高的浓度(9％w/w)来对观察结果进行解释。因此，在纺丝溶液中增加PLA的比例将导致更高的总聚合物含量并因此导致更大的纤维厚度。观察到EE增加的原因可能是随着PLA含量的增加，可用于包封的聚合物的量的增加，尽管PEO的存在对于实现CA的包埋也是必需的。如图所示，纯PLA溶液在电纺丝过程中不产生连续纤维，而是类似于塌陷胶囊的不规则喷溅材料(图13(e))。PEO的添加使得能够形成直径在2-5μm之间的连续纤维(图13(b)-(d))。
由于7:3的PLA:PEO提供最高的EE，因此在该混合比例下进行进一步的实验以评估CA负载量对PLA-PEO纤维的影响。如图14所示，在被测试的CA浓度下，CA负载量对EE的作用不明显(p>0.05)。然而，CA的加入导致所得非织造物的结构更柔软，这可能是由于CA的增塑作用造成的。
SEM显微照片(图15)表明具有不同CA负载量的纤维具有相似的形貌，尽管在更高的放大倍数下，具有更高的CA负载水平(33和42％w/w)的纤维具有更粗糙的表面纹理。在42％(w/w)的CA浓度下，一些纤维似乎融合在一起。由于CA的蒸气压(20℃下为0.02mmHg)与THF溶剂的蒸气压(20℃下为127mmHg)比相对较低，因此CA的加入将降低THF的蒸气压。在电纺丝过程中产生的延迟溶剂蒸发可能导致倾向于融合在一起的“粘性”纤维(图15(d))。在CA负载量高于50％时，由于溶剂蒸发的过度抑制以及CA泄漏，所收集的纤维是“湿的”。考虑到与CA浓度较低的纤维相比，负载有42％的CA的纤维显现出基本上更粗糙的表面形貌，由具有33％CA的7:3的PLA:PEO制备的非织造物被认为是最佳的配方。
在不存在CA的情况下，原始PEO和PLA的Tm分别为69℃和168℃(图16)。纯PLA树脂的Tg为55℃，当将PEO加入PLA中时，Tg转变为39℃，表明PEO对PLA有增塑作用。在原始PLA中未检测到冷结晶，表明商购树脂是预结晶的。相反，对于PLA:PEO为7:3的非织造物，观察到大的冷结晶峰，表明电纺丝纤维在DSC分析中的加热过程中基本上重结晶，这意味着电纺丝材料具有相对低的结晶度水平。在电纺丝过程中，溶剂的快速蒸发可能妨碍聚合物链组织成晶体结构。类似地，由于溶剂的快速蒸发或强烈的PEO-PLA相互作用阻止PEO聚合物的结晶，在电纺丝纤维中未检测到PEO级分的熔融峰。
具有不同CA负载量的PLA:PEO为7:3的非织造物的DSC热谱图总结于图17中。如图所示，以20％的水平向纤维中加入CA基本上抑制了PLA聚合物的冷结晶。在此，与CA为0％的相比，PLA的放热结晶峰相当小并且转移到较低温度。可能由于Tg和Tc热事件的紧密相邻而未检测到PLA的Tg。随着CA增加至33％和42％的负载量，PLA的Tg和Tm都转移到较低的温度。在这些观察的基础上，可以得出结论，除了用作PLA的增塑剂之外，添加的CA还在再加热期间干扰PLA的结晶。然而，在电纺丝过程中，CA的存在并未完全抑制PLA的结晶。如图17所示，电纺丝PLA中熔融峰的存在表明在电纺丝过程中某些PLA级分确实形成了结晶。在此，当CA浓度增加时，Tm和PLA结晶度(表6)的降低表明CA的存在降低了PLA的晶体完整性，为CA和PLA之间存在强烈相互作用且该作用干扰聚合物链的堆砌提供了证据。已经报道了在其他聚合物体系中在通过溶剂浇铸制备的膜中的CA的增塑效果。
表6
在具有不同CA负载量的PLA:PEO为7:3的电纺丝非织造物中，PLA级分的熔融温度、焓和结晶度
数值为平均值±标准偏差(n＝3)。具有不同上标字母的列内的平均值表示统计学显著性差异(p<0.05)。使用单因素方差分析和图基事后检验法进行统计分析。
有趣的是，在空气中暴露具有33％CA负载量的PLA:PEO为7:3的非织造物两周后，材料中的PLA级分在DSC分析期间的后续加热过程中重新获得其冷结晶峰，同时Tg和Tm转移至更高的温度(图17；虚线的热谱图)。定性地讲，非织造物也变得更坚韧但在处理期间保持柔韧性。这些观察结果表明，CA从聚合物的蒸发部分地减轻了CA对PLA链-链相互作用的干扰，允许重结晶进行。或者，观察到的结果可归因于PLA非织造物的电纺丝后缓慢结晶，这可能迫使CA从纤维基质中排出，加速了抗微生物剂的释放。
为了评估CA与电纺丝PLA-PEO纤维之间相互作用的本质，使用ATR-FTIR分析新制备的具有不同CA负载量的PLA:PEO为7:3的非织造物。如图18(a)所示，PLA的C＝O伸缩带可以与CA的C＝O醛基清楚地区分开，每个具有分别在1749cm-1和1670cm-1波数处的吸光度。对于0％、20％、33％和42％的CA负载量，1670cm-1(CA)处的峰高与1749cm-1(PLA)处的峰高之比分别为0、0.43、0.86和1.04，表明CA已被包封在聚合物基质中。此外，随着PLA-PEO纤维中CA含量的增加，PLA的C＝O基团和PEO或PLA的C-O-C基团明显转移至更高的波数(图19(b)&(c))，表明CA的存在增强了这些共价键的振动频率，原因可能是CA打开了聚合物链之间存在的自由体积。参考图18(b)，值得注意的是，增加CA含量不仅导致C＝O带的最大峰值位移到更高的频率，而且还形成随着CA含量的增加而变得更突出的肩峰。该观察结果表明PLA骨架中存在两种C＝O基团：(1)纯PLA中存在的以较低频率振动的原有C＝O基团；(2)由于CA的掺入断开了最初存在于纯聚合物中的氢键而形成的以更高的频率振动的新的C＝O基团。
为了评估水分对CA的释放动力学的影响，将不同量的水(0μL、18μL和30μL)注入25℃的氮气吹扫过的1L测试瓶中以提供RH为0％、80％和100％的初始顶部空间。通过GC检测瓶中CA的量。如图19所示，在饱和RH下，与干燥条件相比，从负载有33％CA的PLA:PEO为7:3的非织造物释放的CA的释放速率明显更快。在100％RH下的释放速率比在80％RH下高约2倍，比在干燥条件下快4.4倍。该结果表明非织造物对RH是敏感的，可以通过水分增强CA从非织造物的释放。非织造物载体的水分敏感性可归因于添加的PEO，与PLA(不溶于水)相比PEO是相对亲水的(水溶性的)。当PEO级分吸收水分时，水分子和/或分子团可能已经将在纤维基质内其吸附位置处的CA取代，从而增强CA向空气中的蒸发。通过调节纤维的PEO含量，可以进一步控制非织造物的水分敏感性。
为了评估CA的抗微生物功效，针对荧光假单胞菌和瓜果腐霉，测试了PLA-PEO-CA非织造物和CA液体。结果总结在表7中。如表7所示，含有2mg当量CA的PLA-PEO-CA非织造物，具有与5mg液体CA相同的抑制功效；而含有5mg当量CA的非织造物表现出比30mg液体CA更好的抑制功效。值得注意的是，注入瓶中的液体CA的量均超过饱和度。试验温度为25℃时的饱和CA蒸气压为0.02mmHg。假设理想的气体定律行为，计算出的相应浓度为约0.188mg/L。当考虑CA蒸气用于抗微生物用途时，该结果是重要的。由于CA的蒸气压相对较低，瓶中加入的CA的量并不像CA的蒸发速率那样重要，CA的蒸发速率起主导作用，即CA蒸发进入顶部空间中的速度越快，抗微生物效果越强。对于纯CA，CA蒸发的速率受到注入测试瓶中的液滴的表面积的限制。另一方面，分散在电纺丝非织造物载体中的一当量的CA，由于可用于蒸发的表面积极度扩大而以更快的速率释放，从而提高抗微生物功效。
表7
纯CA和CA负载量为33％的PLA:PEO为7:3的非织造物的抗微生物功效
*瓜果腐霉的测量基于菌落直径(mm)；荧光假单胞菌的测量基于可视菌落数：“-”没有生长；“+”小于15；“++”15-50；“+++”50-150；“++++”大于150。
当暴露于空气时，已知CA易于氧化，形成作为主要产物的肉桂酸。如本文所述，观察到肉桂酸晶体沉积在注入液体CA的测试瓶的侧壁上。但是，在应用电纺丝非织造物的测试瓶中未观察到晶体肉桂酸。这种现象可归因于CA上PLA纤维的保护作用，防止其氧化降解。由于肉桂酸的蒸气压(在25℃时为0.0047mmHg)比CA低约4倍，因此电纺丝PLA-PEO纤维提供的保护作用可能是观察到CA的增强的抗微生物作用的促成因素。
如本文进一步所述，将CA包封在具有优化配方的PLA-PEO非织造物中并评价其抗微生物效果。选择PLA:PEO比为7:3以实现最高的包封效力，其中33％的CA被负载到纤维中并以非常高的通量(17mL/h)产生均匀的电纺丝纤维。发现PEO和CA均使PLA增塑。此外，CA的加入降低了PLA的结晶度并减少了冷结晶现象，表明CA干扰了PLA的链堆砌。FTIR数据还提供了CA和PLA之间相互作用的证据，表明当引入CA时聚合物链之间的自由体积增加。PLA-PEO-CA非织造物对水分敏感，将其暴露于升高的湿度下增强了CA向空气中的释放。抗微生物研究表明，非织造物通过扩大表面积来增强蒸发，从而提高了CA蒸气的抗微生物功效。因此PLA-PEO-CA非织造物可用作抗微生物包装以用于食品保存目的。
因此，如本文所述，三种挥发性抗微生物化合物被包封在两种不同的载体中。AITC和二乙酰成功地掺入PEG共混物中，而肉桂醛通过电纺丝被PLA-PEO非织造物包封。为了实现AITC和二乙酰的适度释放，选择PEG400:PEG10K为4:1的共混物作为AITC和二乙酰的载体，而PLA:PEO为7:3已被确定为基于最大化包封效率的用于包封肉桂醛的电纺丝纤维的配方。为了在典型的储存条件下验证这些抗微生物化合物在它们各自的载体中对真实食品的防腐效果，已选择绿豆芽作为模型系统来测试抗微生物载体的功效。
绿豆(Vigna radiate)芽作为健康的低卡路里食物在加拿大获得消费者认可。绿豆芽天然携带微生物聚集体和生物膜，为细菌细胞提供保护。这些天然存在的生物膜可能在清洁过程中在消除病原体方面提出挑战。这使得生绿豆芽或未煮熟的绿豆芽的消费风险更大，特别是对于易感消费者群体。
已经从绿豆芽中分离出人类病原体和腐败微生物，包括大肠杆菌、沙门氏菌、大肠型细菌、蜡样芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌和各种霉菌。这些微生物可能藏匿在来自田地的绿豆中，或者在发芽、包装、运输和不卫生的处理过程中被引入豆芽。由于豆芽本身具有较短的保质期，因此可以很容易地分析微生物增殖引起的感官特性的变化，使其成为保质期研究的理想模型系统。
本文公开了三种抗微生物化合物的抑制作用(表8)。总体而言，AITC是最有效的，其次是二乙酰和肉桂醛。例如，0.1mg/L的AITC抑制长达3天的霉菌生长，而要达到相同的抑制效果，则需要2mg/L的二乙酰和30mg/L的肉桂醛。在荧光假单胞菌和酵母菌上发现了相同的趋势。此外，抗微生物化合物对不同的微生物显示出不同的抑制作用。AITC对霉菌(0.1mg/L)的抑制比对荧光假单胞菌(1mg/L)和酵母菌(0.5mg/L)更有效。二乙酰对荧光假单胞菌(2mg/L)和霉菌(2mg/L)更有效，但对酵母菌的效果较差(4mg/L)。另一方面，肉桂醛对霉菌、酵母菌和荧光假单胞菌(30mg/L)表现出相似的效力。基于它们对不同微生物的不同效力，AITC、二乙酰和肉桂醛的组合提供比单独的单一化合物更宽的抗微生物谱。
表8
AITC、二乙酰和肉桂醛对酵母菌、霉菌和荧光假单胞菌的抑制作用
测量基于可视菌落数：“-”没有生长；“+”小于15；“++”15-50；“+++”50-150；“++++”大于150。
基于为表8中的各个化合物建立的对酵母菌、霉菌和荧光假单胞菌的最小抑制浓度(MIC)值(对于AITC、二乙酰和肉桂醛分别为0.5、4和30mg/L)，进一步通过系统地降低MIC值来进行实验以研究这些抗微生物剂的组合效果。表9总结了三种抗微生物化合物的不同组合的抑制作用。处理25、26和27基于单组分配方，证实了它们对霉菌和酵母菌的抑制特性。将每种化合物的MIC降低至五分之一导致其浓度不能抑制霉菌和酵母菌的生长(处理22、23和24)。然而，与单组分处理(处理22、23和24)相比，当将相同量的抗微生物化合物组合在一起时(处理1)，所得制剂在第1天抑制霉菌和酵母菌，并且在第2天和第3天抑制生长速率。在组合制剂中将浓度进一步降低至MIC值的十分之一(处理13)也比单一化合物处理(处理22、23和24)的MIC的五分之一更有效。这些结果表明，低于单个化合物的MIC值的三种抗微生物剂的组合，在增强抗微生物的抗微生物效力方面具有协同效应。
表9
AITC、二乙酰和肉桂醛(CA)的不同组合对生长培养基上的霉菌和酵母菌的抗微生物特性
霉菌的测量基于菌落直径(mm)；酵母菌的测量基于可视菌落数：“-”没有生长；“+”小于15；“++”15-50；“+++”50-150；“++++”大于150。
在所测试的处理中，AITC:二乙酰:肉桂醛重量比为1:4:60的处理4表现出最高的抑制作用。因此，选择该浓度用于绿豆芽的保质期测试。
基于抗微生物研究的结果，在绿豆芽上进一步测试AITC(0.5-2.5mg/L)和二乙酰(2-10mg/L)。由于绿豆芽被气密性地密封在1L的玻璃瓶中，因此O2/CO2浓度显示豆芽的呼吸活动。图20示出用不同浓度的AITC(图20(a)和(c))或二乙酰(图20(b)和(d))处理过的绿豆芽的O2和CO2浓度。结果表明，抗微生物化合物的浓度影响了豆芽的呼吸速率。使用低浓度的AITC(<1.5mg/L)或二乙酰(<8mg/L)，豆芽的呼吸速率比未处理过的对照品的更高。然而，当抗微生物化合物的浓度增加时，豆芽的呼吸受到抑制，可能是由于对植物组织的生理损害。此外，从图20可以看出，绿豆芽的呼吸对AITC浓度的变化比对二乙酰浓度的变化更敏感。尽管AITC对微生物更有效，但它也可以对豆芽产生更大的生理损害，尤其在浓度升高的情况下(图21)。
储存7天后绿豆芽的微生物负荷如图22中所示。正如预期的，用较高浓度的抗微生物化合物处理过的豆芽显示出较低的微生物负荷。在已知三种抗微生物化合物的组合显示出增强的抗微生物效果的情况下，用抗微生物剂的组合测试了处理过的绿豆芽的保质期。
因此，抗微生物剂抑制霉菌和酵母菌的最佳比例是AITC:二乙酰:肉桂醛为1:4:60。基于这些结果，在实验中使用的抗微生物化合物为在250mL的PLA碗中，固定使用量分别为0.1mL、0.4mg和6mg的AITC、二乙酰和肉桂醛。图23示出包装的绿豆芽在储存期间的外观。在第5天，豆芽的子叶和胚根开始变成褐色。在第7天，豆芽的外观不再可接受。相比之下，一直到第9天，处理组显示出比对照品更少的褐变，证明抗微生物化合物抑制豆芽中的褐变。
在9天的储存期间，每组豆芽的重量损失随时间线性增加(图24)。对照组的重量损失与处理2没有显著性差异(p>0.05)，而处理1的重量损失在第9天明显高于其他组(p<0.05)。由于处理1中添加的抗微生物化合物没有被包封，这些化合物快速释放到顶部空间中可能导致高蒸汽浓度，从而引起豆芽组织损伤。相反，对于处理2，载体聚合物提供的抗微生物挥发性化合物的逐渐释放，防止顶部空间浓度达到破坏水平，特别是对于AITC。
豆芽的水分损失也反映在豆芽的硬度上(图25)。如图所示，所有组的豆芽的硬度在前三天保持不变，但在接下来的几天内下降。虽然处理1的平均硬度值(n＝60)随着时间的推移呈现出比处理2更快的下降趋势，样品之间的变化是相当大的。
每组豆芽的微生物负荷如图26所示。绿豆芽的初始微生物负荷为7.8log CFU/g，这对于发芽产品而言是典型的。如图所示，前5天没有观察到CFU的明显变化，但此后有增加。处理1和处理2均显示出比对照组更低的微生物数量，表明引入的挥发性化合物有抗微生物特性。与处理2相比，处理1的微生物负荷较大可能是由于高浓度抗微生物化合物诱导的组织损伤，导致支持微生物生长的营养物质泄漏。此外，挥发性化合物的快速初始释放还导致由渗透损失和吸附损失造成的挥发物的快速消耗，降低了储存后期的顶部空间中的抗微生物剂的浓度。另一方面，处理2提供了挥发性化合物的持续释放，以在储存期间持续发挥抗微生物剂的抗微生物功效。
豆芽的总可滴定酸可能与微生物的活性，尤其是乳酸菌的活性相关。如图27所示，所有处理的总酸在储存的前7天内基本上保持不变，但在第9天明显增加，表明乳酸菌的潜在增殖。尽管对于处理过的样品观察到较低的可滴定酸度值，但由于不希望的酸性气味，所有产品在第9天被认为不再可接受。
肉桂醛、二乙酰和AITC是针对多种微生物(包括霉菌、酵母菌和细菌)的有效抗微生物化合物。基于抑制特定微生物所需的最小抑制浓度，AITC被认为是测试的三种化合物中最有效的，其次是二乙酰和肉桂醛。由于达到相同的功效所需要的每种化合物的浓度较低，三种抗微生物化合物的组合显示出增强的针对霉菌和酵母菌的抗微生物特性。结果显示，在所有测试的配方中，AITC:二乙酰:肉桂醛的比值为1:4:60是最有效的。
百里香酚是从百里香草(thyme herb)精油(EO)中提取的天然化合物。它是一种经过批准的公认安全的食品添加剂。已经证明它对腐败细菌(例如荧光假单胞菌(P.fluorescens)和肠杆菌(Enterobacter sp.))以及真菌(例如曲霉菌(Aspergillusspp.)和白色念珠菌(C.albicans))具有抗微生物作用。
研究表明，百里香酚蒸气对细菌和真菌表现出较强的抗微生物功效。对于抗微生物活性包装应用，由于大多数食品的表面容易发生微生物污染，百里香酚不溶于水，用百里香酚蒸汽处理产品(尤其是水分含量相对较高的产品)比直接添加到食品基质中更有效，从而减少所需的剂量。然而，百里香酚具有低挥发性。比较而言，在25℃下，百里香酚的蒸气压为0.0054kPa，而水的蒸气压为3.1579kPa。由于包装顶部空间中的浓度增加至抑制水平的速度缓慢，百里香酚的相对低的挥发性可能限制它在抗微生物活性包装中的应用。
电纺丝非织造物是通过电纺丝法制备的纤维膜，其使用高压电场将聚合物拉制为数十纳米到数百纳米的连续纤维。电纺丝非织造物的高的表面积与体积比使得这些材料比具有连续表面形貌的其他聚合物载体(例如光滑膜)对环境变化(例如，水分和温度)更敏感。电纺丝非织造物的相互作用的行为可以作为激活负载的抗微生物化合物释放的触发因素。通过将低挥发性化合物例如百里香酚分散在相容的电纺丝非织造物中，可以增加抗微生物剂的蒸发速率以增强它的抗微生物功效。
乙基纤维素(EC)是纤维素的衍生物，其中重复葡萄糖单元上的一些羟基被乙醚基团取代。如本文所述，将PEO(可生物降解的亲水性聚合物)与EC共混以促进电纺丝过程，并且使用乙醇水溶液来降低溶剂的蒸气压并使PEO溶解。
通过将不同分子量的亲水性PEO掺入相对疏水的EC中，可以控制所得非织造物的水分敏感性以实现所需的控制释放行为。
图28总结了PEO分子量和含量对使用自由表面线电极电纺丝机生产的电纺丝EC非织造物的形貌和尺寸分布的影响。纯电纺丝EC具有超细但不连续的纤维，其随机沉积在非织造聚丙烯基底上(图28a)。当纺丝原液沉积在线电极上时，纺丝原液暴露在空气中可能导致部分溶剂蒸发和聚合物固化，从而阻碍连续EC纤维的形成。然而，将PEO添加到纺丝原液中有助于形成类似薄带的光滑且连续的EC纤维(图28b-d)。带状形貌与观察到的这些纤维的宽的表观厚度分布一致，这归因于由SEM显微照片进行的二维测量不能解释纤维的横截面纵横比。PEO的积极作用通常归因于PEO的高分子量，其增加聚合物链缠结，在电纺丝过程中稳定聚合物射流。此外，通过在螺旋PEO链的每个醚氧原子上的两个位点处建立氢键，由此PEO可溶于水，导致在PEO链周围形成一圈水分子。因此，PEO对水的高亲和力可降低溶剂蒸发速率，防止聚合物过早凝固。
将PEO300含量从1％增加至2％(w/w)并未明显改变所得电纺丝纤维的直径(分别为1.94±0.92μm和2.04±0.88μm)。然而，在1％(w/w)PEO浓度下，分子量从300kDa增加到900kDa明显地将纤维直径从1.94±0.92增加到2.35±1.05μm(p<0.05)。分子量的增加增强了链缠结，从而增加了沿着射流的粘弹性力，这稳定了带电射流，限制了拉伸程度并形成了具有更大直径的纤维。
如图29所示，当1％(w/w)的百里香酚负载到纺丝原液中时，纤维直径从1.94±0.92μm明显降低至1.62±0.58μm(p<0.05)。当纺丝原液中的百里香酚负载量增加至5％(w/w)时，观察到纤维直径进一步减小至1.22±0.23μm。此外，纤维从带状形态变为更圆的圆柱形线，这与纤维的厚度分布减小一致。添加百里香酚可能会降低溶剂的蒸气压并减缓聚合物射流的凝固，延长其飞行时间，从而允许纤维的进一步鞭动和拉伸，减小纤维直径。
带状纤维的形成可能是由于溶剂从表面快速蒸发导致形成管状鞘层，该管状鞘层塌陷形成扁平带状物。由于乙醇比水更易挥发，所以与水相比，乙醇倾向于从聚合物表面更快地蒸发。这种乙醇的优先蒸发形成了富含水的亚表面层，其导致百里香酚从聚合物溶液的相分离并向纤维的芯分配。随着纺丝原液中百里香酚负载量的增加，预期分配到聚合物管芯中的百里香酚的量充满管芯，从而将纤维形貌从扁平带改变为圆柱形线。
粘度是影响聚合物溶液的电纺丝过程的关键参数，并且与聚合物浓度和分子量有关。评估的所有电纺丝溶液具有小于1的流动行为指数n，表明它们都表现出非牛顿剪切稀化行为(表10)。将PEO加入EC溶液中导致溶液粘度明显增加(图30a)。将PEO300含量从1％增加到2％(w/w)明显增加了聚合物溶液的粘度，同时伴随着纤维直径的增加。这种相关性意味着PEO可能增加了EC和PEO之间的聚合物链缠结，从而降低了纤维拉伸的程度。另一方面，将百里香酚掺入到聚合物溶液中不会导致粘度发生明显变化(图30b)，表明在测试浓度(百里香酚负载量为1％和5％w/w)下，百里香酚对聚合物链-链缠结的影响有限。
表10
不同聚合物溶液在21±2℃下的流动行为指数
电导率测量电荷迁移到纺丝原液表面的能力，这对于建立库仑斥力以引发喷射现象是必要的。如表10所示，当将1％(w/w)和2％(w/w)的PEO300分别掺入EC溶液中时，EC溶液的电导率从61.07±0.35μs cm-1降至53.25±0.31μs cm-1和52.17±0.62μs cm-1。结果表明，PEO在纺丝原液中具有电荷抵消作用，这与先前报道的一致。PEO分子量从300kDa增加到900kDa使电导率从53.25±0.31μs cm-1略微增加到55.56±0.32μs cm-1，表明在测试范围内具有不同分子量的PEO之间的电荷抵消作用的差异是最小的。向聚合物溶液中添加1％(w/w)的百里香酚不会明显改变电导率。然而，随着百里香酚含量增加至5％(w/w)，电导率从53.25±0.31μs cm-1降至46.91±0.26μs cm-1。电导率的降低减少了沿聚合物射流的电荷滑移，允许静电排斥力有效地拉伸纤维并减小直径。
如表11所示，当分别将1％(w/w)PEO300、1％(w/w)PEO900和2％(w/w)PEO300与EC溶液共混时，EC溶液的表面张力从52.0±0.4mNm-1增加到55.1±0.4mN m-1、68.2±1.0mN m-1和90.6±4.3mN m-1。该结果意味着将PEO添加到EC溶液中增加了聚合物溶液的内聚能，其可以通过EC-PEO链缠结的增强来加强。向EC-PEO溶液中掺入1％(w/w)和5％(w/w)的百里香酚也使表面张力分别从55.1±0.4mNm-1增加到64.6±1.2mN m-1和64.8±0.6mNm-1。尽管添加PEO和百里香酚增加了聚合物溶液的表面张力，这在大多数电纺丝过程中是不合需要的，但是SEM图像表明PEO和百里香酚可以促进EC溶液的电纺丝，表明表面张力可能不是主要因素，特别是当溶液粘度足够高并且粘弹性力占优势时。
表11
不同聚合物溶液在21±2℃下的平均电导率和表面张力值
图31示出了电纺丝EC-PEO非织造物、EC和PEO粉末的ATR-FTIR光谱。3470cm-1处的宽带被确定为氢键结合的OH伸缩。C-H伸缩和弯曲振动分别位于3000-2850cm-1和1500-1250cm-1。特征C-O-C伸缩带出现在1053cm-1处。对于PEO光谱，观察到位于1094cm-1处的特征吸收带，其被确定为C-O-C伸缩。电纺丝EC-PEO非织造物的ATR-FTIR光谱显示的峰为用纯PEO和纯EC获得的特征峰的总和。当EC和PEO掺合在一起时，没有观察到峰的明显波数位移。因此，ATR-FTIR分析未揭示EC聚合物和PEO聚合物之间的任何特定相互作用。图32(a)示出了由具有不同百里香酚负载量的原液电纺丝得到的百里香酚和EC-PEO非织造物的ATR-FTIR光谱。804cm-1处的峰是由百里香酚的面外芳香C-H摇摆振动引起的。在百里香酚光谱中由苯酚中的C-O伸缩引起的位于1242cm-1处的峰位移到1232cm-1(图32(b))，意味着百里香酚与聚合物之间可能存在相互作用。
图33总结了受PEO和百里香酚影响的电纺丝EC-PEO非织造物的负载容量(LC)和包封效率(EE)。增加百里香酚负载量导致LC增加，但EE值降低(图33(a))。这一发现可归因于包封百里香酚的聚合物的可用性降低，这与随着PEO含量增加LC和EE均增加的观察结果一致(图33(b))。随着PEO分子量的增加，LC和EE的明显增加可能与更强的阻隔性能有关，因此PEO900的百里香酚包封率比PEO300的高。该观察结果同以下发现一致，即与PEO300相比，在任何给定时间和RH条件下PEO900释放的百里香酚的量更低(图34)。
表12总结了从具有5％(w/w)的百里香酚负载量的纺丝原液电纺丝得到的EC-1％PEO非织造物释放的百里香酚的释放速率常数(k)和平衡百分比(Ce)。当非织造物暴露于33-75％RH条件下时，释放大约20％(w/w)的百里香酚，而当RH升高至93％时释放大约50％(w/w)的百里香酚，同时扩散速率常数增加(图34(a))。RH依赖性行为是由水分子对EC聚合物和PEO聚合物的增塑作用引起的，该增塑作用增加了引发百里香酚释放的纤维基质中的分子运动。从SEM分析可以看出水分的增塑作用。在暴露于不同的RH条件11天后，非织造物表现出不同的形貌(图35)。在33％RH下，与对照品(在暴露于不同的RH条件之前新制备的非织造样品)相比，在纤维中未观察到可检测的变化。然而，当RH增加至53％水平时，在0和33％RH下观察到的紧绷的纤维转变成具有波状形貌的纤维，上部纤维似乎垂在下面的纤维上，表明材料的广泛塑化。当RH进一步增加至75％时，观察到纤维表面粗糙度增加，伴随着纤维相互接触处的材料的熔合。在93％RH下，纤维之间的接触点倾向于熔合在一起，形成网状网络。这些结果表明非织造物对水分敏感。尽管EC不溶于水，但已知在90％RH下，该纤维素衍生物能够吸收4-5％/d.b.水分。预期将PEO掺入EC纤维中可增强非织造物的亲水性。在更高的放大倍数下，在暴露于93％RH的纤维的表面上检测到孔，在较低RH条件下未检测到孔。当PEO吸收大量的水时，孔的形成可能与亲水性PEO与相对更疏水的EC的相分离有关。
表12
方程式4.12的Ce和k的平均值由求解函数(Solver function)估算，用于拟合百里香酚在不同RH条件下的释放曲线
PEO分子量对释放速率的影响有限(表13)。然而，其他研究发现，PEO分子量的增加可能会增加链缠结程度，从而阻碍百里香酚的扩散并减缓药物的释放。可能的解释是电纺丝非织造物中PEO的含量与文献中的5％-70％(w/w)相比较低(1％w/w)，因此PEO分子量的变化可能对扩散速率的影响有限。然而，增加PEO分子量降低了释放的百里香酚的平衡百分比。具有较长链长度的聚合物可具有更多的与百里香酚结合的相互作用位点，因此限制了从非织造物扩散出的百里香酚的量。
表13
溶剂和聚合物的HSP值及聚合物在溶剂中的溶解度、聚合物之间的相容性以及百里香酚对聚合物和溶剂的亲和力
a数值来自汉森(Hansen)(2007，汉森溶解度参数：用户手册，CRC出版社)。
可以使用源自汉森溶解度参数(HSP)的Ra值来解释百里香酚在EC-PEO非织造物中的包封和释放行为(表13)。低Ra值表示两种组分之间的亲和力高，反之亦然。在电纺丝过程中，由于乙醇比水更易挥发，因此乙醇会迁移到表面并比水更快地蒸发。这导致富含乙醇的表面和富含水的亚表面区域。EC不溶于水(38.6MPa1/2)，而PEO是水溶性的(32.4MPa1/2)。因此，EC倾向于在乙醇区域的表面上形成表层，但是PEO倾向于在表面以下富含水的区域中分配。由于聚合物射流的飞行时间非常短，考虑到PEO和EC之间的Ra值非常小(9.5-9.6MPa1 /2)，一些PEO链将依然被物理包封在EC表皮基质中。乙醇中的百里香酚的Ra(11.6MPa1/2)比在80％(v/v)的乙醇水溶液中的Ra(15.8MPa1/2)低。因此，一部分百里香酚将仍然溶解在富含乙醇的表面中并与溶剂一起蒸发，导致包封损失。然而，由于百里香酚在水中的溶解性差(34.3MPa1/2)，因为存在富含水的阻挡层，在富含水的层之下被包封的百里香酚的部分将倾向于被包封在芯中。当大部分乙醇和水蒸发时，EC和PEO对百里香酚的Ra值都较低，即对百里香酚的亲和力都较高，这意味着聚合物不是百里香酚的良好屏障，在这种情况下，壁材料不会适当地将百里香酚包封。然而，在干燥条件下，由于EC处于玻璃态(EC的Tg值为～130℃)，百里香酚在聚合物基质中的移动性受到限制，有效地将百里香酚包封在纤维基质中。当非织造物暴露于升高的RH时，发生纤维的大量塑化，如SEM分析的显微照片所示，从而促进百里香酚通过纤维扩散并释放到空气中。随着水分吸附的进行，预计水分子会从EC-PEO非织造物中取代百里香酚分子。由于EC对百里香酚的亲和力(5.9MPa1/2)高于对PEO的亲和力(9.6MPa1/2)，因此与PEO结合的百里香酚可能首先被水分子取代，然后是EC。然而，EC和百里香酚之间的疏水相互作用可以防止后者被水取代。这种推理可以解释为什么在93％RH环境下仅释放50％(w/w)的百里香酚。
醋酸纤维素是乙酰基酯纤维素，其在纤维、涂层和膜的制造工业中具有广泛的应用。它是通过酸催化的纤维素与酸酐的酯化合成，然后部分水解，以达到不同的取代度(DS)。醋酸纤维素不溶于水，但可溶于各种有机溶剂，例如丙酮、醋酸、二噁烷和DMAc。
香芹酚(5-异丙基-2-甲基苯酚)是酚类单萜类化合物。它是一种经批准的公认安全状态的食品添加剂。香芹酚是针对几种腐败微生物(例如荧光假单胞菌、解淀粉欧文氏菌(E.amylovora)和白色念珠菌)的有效抗微生物剂。此外，以往的研究表明，香芹酚蒸气不仅可以通过控制引起灰霉病的灰霉病菌(B.cinerea)的生长来有效地防止鲜食葡萄腐烂，而且还有助于减少乙烯生成和降低呼吸速率。
香芹酚在水中具有低溶解度。结果，用香芹酚蒸气处理食品比将抗微生物剂直接掺入产品(特别是那些具有相对高的水分含量的产品)中更有效。此外，使用香芹酚蒸气可以使香芹酚更均匀地暴露于易于发生微生物污染的食品表面上的微生物，因此减少了所需的剂量。然而，香芹酚的挥发性有限。比较而言，在25℃下，香芹酚和水的蒸气压分别为0.0087kPa和3.1579kPa。包装顶部空间中浓度的缓慢增加可能达不到足以抑制微生物的水平。
如本文所提供的，电纺丝醋酸纤维素-PEO非织造物用作载体以在不同RH条件下使用自由表面电纺丝法包封和控制香芹酚的释放。调节溶剂混合物(醋酸:丙酮)和PEO以调整所得电纺丝纤维的特性。
图36示出了由醋酸与丙酮的比为1:0、3:1和1:1的溶剂制备的溶液电纺丝得到的醋酸纤维素和醋酸纤维素-PEO非织造物的SEM图像。单独在冰醋酸中配制的醋酸纤维素溶液(醋酸纤维素-醋酸溶液)不能进行电纺丝，即在线电极上观察到很少的喷射。然而，将醋酸与丙酮混合确实增强了纺丝原液的电纺丝性。如图36(c)所示，使用醋酸:丙酮为3:1的溶剂制备的纺丝原液产生具有珠粒的超细纤维(0.29±0.15μm)。随着醋酸与丙酮之比降至1:1，产生的无珠纤维具有与由醋酸:丙酮为3:1的溶剂制备的纤维相似的平均直径(0.29μm±0.14μm)，尽管在前者中观察到的纤维尺寸分布更均匀(图36(f))。类似地，随着用于醋酸纤维素-PEO100(图36(a)、(d)和(g))和CA-PEO300(图36(b)、(e)和(h))的丙酮含量增加，观察到厚度均匀性的总体改善。
PEO对纤维形貌的影响在图36中也是明显的。添加PEO(100kDa或300kDa)使得单独溶解在冰醋酸中的醋酸纤维素能够电纺丝，这可归因于纺丝原液的弹性的增加。此外，PEO分子量从100kDa增加到300kDa，增大了总纤维直径但降低了纤维均匀性。
计算HSP值以阐明醋酸纤维素和PEO对所测试的不同溶剂的亲和力(表14)。醋酸纤维素与醋酸和丙酮溶剂的Ra值分别为2.7MPa1/2和5.4MPa1/2，意味着醋酸纤维素在热力学上与醋酸的相容性比与丙酮的相容性更高。相反，PEO与醋酸的Ra值(10.1MPa1/2)高于与丙酮的Ra值(3.6MPa1/2)，表明PEO与后者的亲和力更高。因此，理论上，通过改变醋酸与丙酮之比调节醋酸纤维素和PEO在共混溶剂中的溶解度，可以控制电纺丝醋酸纤维素纤维和醋酸纤维素-PEO纤维的特性。观察到的醋酸纤维素纤维和醋酸纤维素-PEO纤维的电纺丝行为可以基于聚合物-溶剂和聚合物-聚合物相容性以及溶剂和纺丝原液的性质来解释，如下所述。
表14
醋酸:丙酮溶剂与醋酸纤维素(CA)和聚(环氧乙烷)(PEO)的HSP值和Ra值
a数值来自汉森(Hansen)(2007，汉森溶解度参数：用户手册，CRC出版社)。
丙酮的蒸气压明显高于醋酸(表15)，意味着前者更易挥发。因此，在电纺丝过程中，丙酮会比醋酸更快地从聚合物射流表面蒸发。从上面的HSP分析(表15)，由于PEO对丙酮的亲和力大于与醋酸纤维素的亲和力，所以PEO倾向于与丙酮迁移到表面，而醋酸纤维素倾向于分配到芯，形成醋酸纤维素芯和PEO壳结构。
表15
20℃下溶剂的蒸气压和介电常数值
a数值来自Dean(1999，Lange’s handbook of chemistry.纽约：McGraw-Hill)。
为了防止湿纤维的熔合，当聚合物射流被拉向目标时，必须蒸发大部分溶剂。但是，应避免使用具有高蒸气压和低沸点的溶剂，因为线电极上聚合物的快速凝固会阻止喷射。由于溶剂的高蒸气压(在22℃下分别为27.0kPa和20.9kPa)(表15)，在纯丙酮和醋酸:丙酮为1:3的混合物中配制的纺丝原液不能进行电纺丝。溶剂的快速蒸发导致线电极上的聚合物凝固，阻碍了喷射过程。由于醋酸与丙酮相比具有较低的蒸气压(在22℃时为1.7kPa)，所以醋酸与丙酮的混合物将溶剂混合物的蒸气压分别降低至14.6kPa(醋酸:丙酮为1:1)和8.2kPa(醋酸:丙酮为3:1)，允许醋酸纤维素的电纺丝。如图5.1b、5.1e和5.1h所示，由于溶剂中醋酸含量增加(醋酸:丙酮混合比从1:1增至1:0)，电纺丝醋酸纤维素-PEO300纤维的直径从0.810μm降至0.654μm。随醋酸含量的增加，蒸气压的降低减慢了溶剂的蒸发和聚合物的凝固，增强了电纺丝过程中聚合物射流的拉伸，从而产生了更细的纤维。
聚合物溶液以及溶剂的粘度值总结在图37中，表明随着醋酸含量降低，纺丝原液的粘度总体降低。相比之下，由于随着醋酸含量的降低，溶剂的粘度降低程度在量级上实质上更低，所以在纺丝原液中观察到的粘度变化不能仅归因于溶剂的流变性，而在于聚合物-溶剂亲和力。由于醋酸纤维素在热力学上与醋酸比与丙酮更易混溶，所以聚合物倾向于采用更扩展的链结构，并且当溶解在醋酸中时表现出比在醋酸与丙酮的混合物中更高的链缠结，导致比在醋酸与丙酮混合溶剂中更高的粘度。除溶剂混合物比例外，将醋酸纤维素与PEO混合也增加了纺丝原液的粘度。毫不奇怪，由于增强的链缠结，随着PEO分子量从100kDa增加到300kDa，纺丝原液的粘度进一步增加。由此产生的聚合物射流的粘弹性增加减小了拉伸程度，产生了更厚的纤维，如图36所示。
所有聚合物溶液具有小于1的n值，这意味着它们都表现出非牛顿剪切稀化行为(表16)。增加溶剂中的醋酸含量导致醋酸纤维素纺丝原液和醋酸纤维素-PEO纺丝原液的n值降低，表明与在醋酸和丙酮二元溶剂中配制的溶液相比，在醋酸溶剂中配制的聚合物溶液对剪切更敏感。这种现象可以在HSP值的基础上解释。由于醋酸纤维素对醋酸的亲和力高于对丙酮的亲和力，醋酸纤维素和醋酸之间的聚合物-溶剂相互作用预计比醋酸纤维素和丙酮之间的更强，导致醋酸纤维素-醋酸溶液中聚合物-聚合物相互作用较弱。因此，随着醋酸含量的增加，聚合物溶液可能变得对剪切更敏感。将PEO掺入醋酸纤维素中导致n值降低，随着PEO分子量从100kDa增加至300kDa，其进一步降低。该结果表明，与醋酸纤维素溶液相比，随着剪切速率的增加，醋酸纤维素-PEO溶液表现出更多的剪切稀化行为和更大的粘度下降。这种剪切敏感行为可能是由弱的醋酸纤维素-PEO链-链相互作用引起的，如上面讨论的ATR-FTIR分析所揭示的。
表16
在22±2℃下醋酸纤维素(CA)和聚(环氧乙烷)(PEO)混合溶液的流动行为指数
随着丙酮含量增加，聚合物溶液和溶剂的电导率增加(图38(a))，这与丙酮的电导率(在25℃下为0.06μscm-1)比醋酸的电导率(在25℃下，醋酸电导率为0.01μscm-1)更高的事实一致。电导率的增加将促进电荷转移到纺丝原液的表面以引发喷射。然而，增加电导率也会削弱作用在聚合物上的库仑力，导致弯曲失稳，由于射流表面上过量电荷的移动而拉伸纤维。射流的拉伸减少会导致较粗的纤维。电导率从0.81μscm-1增加到7.08μscm-1导致CA-PEO300纤维的纤维直径从0.65μm增加到0.81μm(图39(b)，(e)和(h))。没有在CA-PEO100中观察到这种趋势，可能是由于与CA-PEO300相比CA-PEO100具有较低的粘弹性。
介电常数反映介质储存电能的能力(即保持电荷的能力)，因此，具有高介电常数的溶剂可改善纺丝原液的电纺丝性并产生细纤维。醋酸具有6.2(20℃)的低介电常数，而丙酮具有更高的介电常数(21.0，20℃)(表15)。醋酸的低介电常数表明醋酸储存电能的能力低，导致电荷泄漏。这种现象可以解释为什么由醋酸纤维素-醋酸溶液不会产生纤维，即使基于HSP值醋酸纤维素与醋酸相容并且在样品制备过程中形成清澈透明的聚合物溶液。电荷泄漏导致射流剧烈振动，阻碍了连续的纤维形成。以醋酸:丙酮混合比为3:1向醋酸中加入丙酮，使所得溶剂的介电常数增加到10.8(表15)，这可能提高了醋酸纤维素溶液的电纺丝性并允许产生超细带珠粒的纤维。随着醋酸:丙酮比进一步降低至1:1，溶剂混合物的介电常数增加至14.7，纤维形貌变得光滑均匀。将二噁烷(介电常数2.2)加入DMF(介电常数38.3)降低了溶剂混合物的介电常数并减小了电拉伸力，导致醋酸纤维素纤维的直径增加。
在纺丝原液表面上建立的静电力必须克服表面张力，以便引发喷射现象，以及防止珠粒的形成。因此，低表面张力在电纺丝过程中是有利的。图38(b)显示溶剂的表面张力没有明显变化，而聚合物溶液的表面张力随着丙酮含量的增加而降低。由于醋酸纤维素在热力学上与醋酸的相容性比与丙酮的相容性更高，聚合物链可以表现出更开放的形貌，在醋酸(而不是醋酸与丙酮的混合物)中的气泡表面吸附和缠结。这种现象会强化气泡表面，导致与醋酸和丙酮的混合物相比，在纯醋酸中制备的聚合物溶液的表面张力更高。随着醋酸含量从50％(w/w)增加到75％(w/w)，表面张力增加可以解释为什么由醋酸:丙酮为1:1的溶剂配制的溶液产生光滑的醋酸纤维素纤维，而在由醋酸:丙酮为3:1的溶剂配制的溶液电纺丝得到的醋酸纤维素中观察到珠粒。
图39示出了由具有不同的香芹酚负载量(分别为1％、5％和10％(w/w))的原液电纺丝得到的CA-PEO100纤维和CA-PEO300纤维的形貌。随着纺丝原液中香芹酚的负载量从1％(w/w)增加至10％(w/w)，CA-PEO100纤维的直径从0.40μm降至0.35μm，CA-PEO300纤维的直径从0.89μm降至0.56μm。由于香芹酚的蒸气压低(22℃时为0.0042kPa)，将香芹酚掺加到纺丝原液中可降低溶剂混合物的蒸气压，减缓溶剂蒸发和聚合物凝固速度，从而增加聚合物射流的拉伸，生产更细的纤维。
掺入香芹酚的电纺丝CA-PEO非织造物的包封效率(EE)随着丙酮含量的增加而降低(图40a)，这可以通过HSP值来解释。随着醋酸与丙酮的混合物比从1:0变为1:1，香芹酚对溶剂的Ra值从10.0MPa1/2降至9.3MPa1/2，表明香芹酚与溶剂之间的亲和力增加。因此，当丙酮含量增加时，预计当溶剂蒸发时电纺丝过程中香芹酚的损失程度增加，导致电纺丝非织造物的EE降低。然而，由于香芹酚对醋酸纤维素和PEO的Ra值分别为8.6MPa1/2和8.9MPa1/2，低于醋酸纤维素对溶剂的Ra值，因此大多数香芹酚倾向于包封在醋酸纤维素-PEO基质中而不是分配到溶剂中。图40(b)总结了电纺丝醋酸纤维素-PEO非织造物的EE受纺丝原液中香芹酚负载量的影响。纺丝原液中香芹酚含量从1％(w/w)增加到10％(w/w)导致醋酸纤维素-PEO非织造物的EE降低，这可归因于用于包封负载的香芹酚的聚合物的可用性降低。
图41(a)示出了醋酸纤维素粉末和由在醋酸:丙酮为1:1和3:1的溶剂中配制的溶液电纺丝得到的醋酸纤维素非织造物的ATR-FTIR光谱。醋酸纤维素粉末的特征峰位于1738cm-1、1368cm-1、1219cm-1和1034cm-1附近，这分别是由酯C＝O伸缩、-OOC-CH3中的CH伸缩、乙酰基的C-O伸缩和C-O-C吡喃糖环的骨架振动引起的。电纺丝过程影响醋酸纤维素的分子结构，导致骨架振动从1034cm-1位移到1038cm-1，C-O伸缩从1219cm-1位移到1229cm-1(图41(b)和(c))。比较由不同溶剂配制的溶液纺丝得到的醋酸纤维素非织造物，没有观察到明显的峰位移，表明醋酸:丙酮比的改变对醋酸纤维素的结构几乎没有影响或没有影响。
图42(a)总结了PEO粉末、醋酸纤维素非织造物和醋酸纤维素-PEO非织造物的ATR-FTIR光谱。PEO具有位于1094cm-1处的特征峰，这是由C-O-C伸缩引起的。由在不同溶剂中配制的溶液电纺丝得到的醋酸纤维素-PEO的光谱均显示醋酸纤维素和PEO的特征峰的总和，未观察到明显的峰位移，这表明ATR-FTIR分析未显示醋酸纤维素与PEO之间的任何相互作用。PEO和醋酸纤维素之间的相互作用弱或不存在可能是由于羟基被醋酸纤维素上的醋酸酯基团取代引起的，这可能阻碍了醋酸纤维素和PEO之间的分子间氢键的形成。综合考虑这些结果，由于溶剂蒸发，在电纺丝过程中可能发生两种聚合物之间的相分离。
香芹酚在2959cm-1、1420cm-1、864cm-1和812cm-1处显示出特征峰(图42(b))，其分别被确定为CH伸缩、CH变形和环振动。掺入香芹酚的醋酸纤维素-PEO电纺丝非织造物的光谱显示醋酸纤维素-PEO非织造物和香芹酚的特征峰的总和。在掺入香芹酚的醋酸纤维素-PEO非织造物的光谱中，在812cm-1和864cm-1处出现峰，表明在非织造物中存在香芹酚。然而，当将醋酸纤维素-PEO非织造物与掺入香芹酚的醋酸纤维素-PEO非织造物进行比较时，未观察到明显的峰位移。因此，ATR-FTIR分析未揭示香芹酚和醋酸纤维素-PEO非织造物之间的任何相互作用。
由于在醋酸:丙酮为3:1的溶剂中配制的纺丝原液与在纯醋酸中配制的原液相比表现出更为稳定和连续的电纺丝行为，所得到的掺入香芹酚的非织造物与由在醋酸:丙酮为1:1的溶剂中配制的溶液纺丝得到的非织造物相比具有更高的EE，使用由在醋酸:丙酮为3:1的溶剂中制备的含有5％(w/w)的香芹酚的纺丝原液电纺丝得到的CA-PEO100非织造物进行释放研究。图43总结了在25℃下，在不同的RH条件(33％、53％、75％和93％RH)下从电纺丝醋酸纤维素-PEO非织造物释放达12天的香芹酚的释放行为。相应的释放速率和平衡浓度数据列于表17中。如表17所示，随着RH从33％增加到93％，香芹酚的释放速率从0.0278±0.0011h-1增加到0.0309±0.0003h-1，平衡浓度从17.30±0.24％(w/w)增加到57.75±0.20％(w/w)。RH活化的释放行为可归因于醋酸纤维素吸收的水分使纤维增塑，增加聚合物链的移动性并增强香芹酚在纤维基质中的扩散。此外，将亲水性PEO掺入相对更疏水的醋酸纤维素中进一步增强了水分吸收。
表17
由求解函数(Solver function)估算的Ce和k的平均值
图43示出从醋酸纤维素-PEO非织造物释放的香芹酚的最大量随着RH的增加而增加。该观察结果表明，香芹酚的释放不受扩散的严格控制，在这种情况下，在不同RH条件下香芹酚释放的最大量应该收敛到相似的值。当然，需要水分的吸附来从纤维载体中取代香芹酚分子，从而触发它们的释放。在ATR-FTIR光谱上未检测到峰位移的基础上，香芹酚与聚合物之间的相互作用更多地归因于物理包封而不是化学吸附。
实施例1
AITC蒸气和二乙酰蒸气从PEG混合物的控制释放
分子量为～400Da的PEG(PEG400，购自Fisher Scientific Company(渥太华，安大略省，加拿大)。分子量为～10000Da的PEG(PEG10K)、AITC(≥93％)和二乙酰(≥97％)均购自Sigma-Aldrich(奥克维尔，安大略省，加拿大)。
PEG400和PEG10K以1:4、2:3、3:2和4:1(w/w)的比例混合。将所有PEG共混物(20±1g)在20mL玻璃瓶中加热至90℃，持续加热20分钟以确保聚合物熔化并借助磁力搅拌棒充分混合。将以10:1(w/w)预混合的二乙酰和AITC以PEG共混物的1％(w/w)的量加入到熔融的PEG共混物中。将小瓶加盖，保存在75℃烘箱中，并用磁力搅拌棒连续搅拌15分钟。将熔融混合物注入由玻璃制成的模具(2cm×1.5cm×0.1cm)中并使其凝固。模具的一面衬有铝带(粘合剂侧背离PEG)，其充当固化的PEG的烘焙材料。凝固后，形成二乙酰/AITC浸渍的PEG片材。
通过使用相应于Vega-Lugo&Lim(2009，Food Research International，42：933-940)和Dai&Lim(2015，Food Research International，77：467-475)的自动顶部空间取样系统研究从PEG基质释放的二乙酰蒸气和AITC蒸气的释放性质。简言之，将二乙酰/AITC浸渍的PEG样品封入被气密性地密封的玻璃瓶(965mL)中并保存在25℃或5℃的环境室中(型号MLR-350H，Sanyo Corp.，日本)。借助于控制器(SRI Instruments Inc.，拉斯维加斯，内华达州，美国)，通过真空泵和两个流选择阀(Model EMTCA-CE，VICI Valco InstrumentsCo.Inc.，休斯顿，得克萨斯州，美国)对玻璃瓶中的顶部空间空气进行自动取样，并注入配备有火焰离子化检测器的气相色谱仪中(GC 6890，Agilent Technologies Inc.，圣克拉拉，加利福尼亚州，美国)。检测器和烘箱温度均设定在150℃。载气(N2)、压缩空气和氢气的流速分别为30mL/min、200mL/min和30mL/min。通过使用色谱软件(Peak Simple 393-32bit，SRIInstruments，托伦斯，加利福尼亚州，美国)分析保留时间和峰面积。每次取样后，将等量的干燥空气注入瓶中，以将内部压力保持在一个大气压。通过将二乙酰和AITC标准物注入瓶中进行火焰离子化检测器的校准，以提供0.1mg/L至5.0mg/L的顶部空间浓度。
通过将在任何给定采样点处记录的质量与直到前一个采样点释放的累积质量相加来计算释放到瓶的顶部空间中的二乙酰和AITC的量(方程式1)：
其中Mn(mg)是本次采样释放的二乙酰或AITC的总量，Cn(mg/L)是本次采样的二乙酰或AITC的浓度，Ci(mg/L)是在采样时刻i的二乙酰或AITC的浓度，Ve(mL)是取样期间提取的体积，Vb(mL)是瓶子的体积。通过对Mn与时间绘图得到二乙酰或AITC的释放曲线。
使用差示扫描量热计(DSC Q2000，TA Inc.New Castle，DE，美国)研究包含和不包含抗微生物化合物的PEG共混物的热性质。将制备的PEG样品转移到铬酸阳极化处理过的铝盘中，精确称重至10±1mg，并用盖子密封。用干燥氮气以18mL/min的流速吹扫铝盘。将样品以10℃/min的加热速率加热至90℃，平衡3分钟，然后以10℃/min的冷却速率冷却至25℃。使用铟进行校准。收集熔融数据和结晶数据，并使用TA Universal Analysis软件(TAInc.New Castle，DE，美国)进行分析。
使用光学显微镜(BX60，Olympus America Inc.，Center Valley，宾夕法尼亚州，美国)检验PEG共混物的微观结构。将PEG共混物熔化并施加在玻璃载片上，并在进行显微镜观察前使其冷却至室温。通过使用ImagePro Plus 6.0软件包(Media Cybernetics Inc.，Rockville，MD，美国)测量两个临近晶核之间的距离来分析晶体的平均尺寸(n＝40)。
使用扫描电子显微镜(SEM)(Model S-570，Hitachi High Technologies Corp.，东京，日本)进一步观察PEG晶体之间的晶界。将二乙酰/AITC浸渍的PEG片材弯曲破裂，将样品的横截面用双面胶碳带粘附在金属底座上，并使用溅射涂布机(型号K550，Emitech，阿什福德，肯特，英国)涂覆超薄(20nm)金层。在分析期间施加10kV的加速电压。
通过重量分析评估PEG共混物的水吸附容量。将一薄层熔融PEG共混物(0.5±0.1g)加到小烧杯(直径为2.1cm)的底部并使其冷却至室温。使烧杯在盛有过量水(>10mL)的密封的250mL玻璃瓶中进行平衡。进行7天的小烧杯重量变化的定期监测。
评估PEG共混物对两种腐败微生物(购自ATCC的荧光假单胞菌P33和从绿豆芽中分离的瓜果腐霉)的抗微生物活性。将荧光假单胞菌原种在胰酪胨大豆肉汤(TSB)中于30℃下培养24小时，并用无菌盐水溶液(NaCl，8.5g/L水)稀释至106CFU/L。将制备的悬浮液的50μL的等分试样涂布在直径为5cm的培养皿(Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)中的胰酪胨大豆琼脂(TSA)上。将瓜果腐霉的菌丝体点接种在马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)的中心。将取下盖子的新制备的荧光假单胞菌和瓜果腐霉培养皿置于1升的玻璃瓶中。将一片测试PEG置于瓶的中部，立即将瓶密封。将瓶在25℃下孵育，每24小时对病原体的生长进行监测，持续4天。
通过方程式(方程式2)计算PEG10K级分的结晶度(Xc)：
其中为100％结晶PEG的熔化热，(Melnyk等，2015)；ΔHm是DSC分析测定的PEG10K级分的熔化热；ω是共混物中PEG10K的重量分数。
将抗微生物化合物的释放曲线拟合在结合一级动力学和零级动力学的模型中：
C＝Ce×(1-e-kt)+αt (方程式3)
其中C为时间t时的化合物浓度；Ce是扩散的平衡浓度；k是扩散速率；α是零级动力学的速率。在达到平衡之前将模型拟合到数据上。
结果表示为平均值±标准偏差。用统计软件R版本3.2.2，使用方差分析法(单因素方差分析及图基事后检验法)分析处理样品之间的显著性差异。检验统计量(p)的概率设定为0.05。
实施例2
用PLA-PEO非织造物包封肉桂醛
PLA(6201D)由NatureWorks LLC(Minnetonka，MN，美国)捐赠。PEO(Mn～300kDa)和肉桂醛(>99％)购自Sigma Aldrich(奥克维尔，安大略省，加拿大)。四氢呋喃(THF)购自Fisher Scientific Company(渥太华，安大略省，加拿大)。
将PLA树脂和PEO粉末溶解在THF中以分别制备9％(w/w)和3％(w/w)的储备溶液。用最小顶部空间制备所有的储备溶液，并使用磁力搅拌器在65℃下搅拌2小时。将PLA储备溶液和PEO储备溶液以10:0、7:3、5:5、3:7和0:10的重量比(w/w)混合，然后加入33％(w/w)浓度的CA。用磁力搅拌器搅拌溶液10分钟以确保均匀性。为了评估CA负载量的影响，PLA:PEO为7:3的溶液中CA的浓度在0％、20％或33％至42％(w/w)之间变化。所有溶液在制备后立即进行电纺丝。
使用倒置装置对制备的溶液进行电纺丝。将溶液吸入5mL的塑料注射器(FisherScientific，渥太华，安大略省，加拿大)中，并通过使用注射泵(Orion M361，ThermoScientific，奥克维尔，安大略省，加拿大)组装的活塞以17mL/h泵送。将18号钝头不锈钢针喷丝头连接到注射器上。喷丝头连接到直流电源(DC型号ES50P-50W/DAM，Gamma HighVoltage，奥蒙德比奇，佛罗里达州，美国)的正极，在9kV的恒定电压下操作。将覆盖有一层平滑铝箔的电接地圆形不锈钢集电板定位在离喷丝头尖端21cm处以收集纤维。使电纺丝过程持续30分钟以在收集器上形成非织造毡。电纺丝在保持在25±0.5℃和20±1％RH的环境室(型号MLR-350H，Sanyo Corp.，日本)中进行。
将非织造物样品(10±1mg)在室温下在3mL的甲醇中浸没2小时，以从纤维中提取CA。稀释溶液直至液体的吸光度落在0.2-0.9的范围内。使用RvolutionTM 60s紫外可见分光光度计(Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)在285.5nm下测量液体的吸光度。溶液中CA的量由使用已知的CA在甲醇中的标准溶液制备的校准曲线(R2＝0.98)确定。使用方程式(方程式4)计算包封效率(EE)：
其中Wc是非织造样品中CA的量，Wf是样品的重量，L是CA的理论负载量。
使用扫描电子显微镜(SEM)(型号S-570，Hitachi High Technologies Corp.，东京，日本)评估非织造物的微观结构。将电纺丝样品用双面胶碳带粘附在金属底座上，并使用溅射涂布机(型号K550，Emitech，阿什福德，肯特，英国)涂覆超薄(20nm)金层。在分析期间施加10kV的加速电压。从每个非织造样品中随机选择三个点用于分析。用图像处理软件(Image Pro-Plus 6.0，Media Cybernetics Inc.，贝塞斯达，马里兰州，美国)分析纤维直径。
通过差示扫描量热计(DSC Q2000，TA Inc.New Castle，DE，美国)分析非织造物的热性质。将样品(10±1mg)切成小块并密封在铬酸阳极化处理过的铝盘中。将样品以10℃/min的升温速率从10℃加热至210℃，用干燥氮气以18mL/min的流速吹扫。使用铟进行校准。使用TA Universal Analysis软件(TA Inc.New Castle，DE，美国)分析数据。由热谱图确定熔化温度(Tm)和熔化热(ΔH)。Tm和ΔH是三次测定的平均值。PLA的结晶度(Xc)通过方程式(方程式5)计算：
其中为100％结晶PLA的熔化热，其为93.1J/g；ΔHm是从PLA级分观察到的熔化热；ω是纤维中PLA的重量分数，通过方程式(方程式6)计算：
其中a为9％PLA储备溶液的混合比；b是3％PEO储备溶液的混合比；L是CA的理论负载量；EE是特定混合比下的包封效率。
使用配备有ATR池(Pike Technologies，菲奇堡，威斯康星州，美国)的FTIR光谱仪(IRPrestige21，Shimadzu Corp.，京都，日本)分析电纺丝非织造样品的FTIR光谱。通过对每个样品以4cm-1的分辨率平均扫描40次来拍摄光谱。将样品压在ATR蓝宝石晶体上并从700cm-1至3900cm-1进行扫描。使用IRsolution软件(Shimadzu Corp.，京都，日本)分析光谱。
通过使用先前描述的自动顶部空间采样系统研究CA的释放性质。通过将CA标准物注入到用氮气预吹扫过的瓶中以提供0.05mg/L至0.2mg/L的顶部空间浓度进行火焰离子化检测器的校准。
通过将在任何给定采样点处记录的质量与直到前一个采样点释放的累积质量相加来计算释放到瓶的顶部空间中的CA的量(方程式7)：
其中Mn(mg)是本次采样释放的CA的总量，Cn(mg/L)是本次采样的CA的浓度，Ci(mg/L)是在采样时刻i的CA的浓度，Ve(mL)是取样期间提取的体积，Vb(mL)是瓶子的体积。通过对Mn与时间绘图生成CA的释放曲线。
测试PLA-PEO-CA非织造物对两种腐败微生物(荧光假单胞菌和瓜果腐霉)的抗微生物活性。将去除了盖子的新接种的荧光假单胞菌培养皿和瓜果腐霉培养皿中的每一个置于1升的玻璃瓶中。将一片PLA-PEO-CA非织造物或一定量的液体CA放置在瓶的中部而不接触培养皿，并立即关闭盖子。将瓶在25℃下孵育。每24小时对微生物的生长进行监测，持续4天。
结果表示为平均值±标准偏差。用统计软件R版本3.2.2，使用方差分析法(单因素方差分析及图基事后检验法)分析处理样品之间的显著性差异。检验统计量(p)的概率设定为0.05。
实施例3
PEG共混物中的AITC/二乙酰和电纺丝PLA-PEO非织造载体中的肉桂醛的抗微生物性能
AITC(≥93％)、二乙酰(≥97％)和肉桂醛(>99％)均购自Sigma-Aldrich(奥克维尔，安大略省，加拿大)。荧光假单胞菌P33购自ATCC。从实验室培养的绿豆芽中分离霉菌和酵母菌。
测试AITC、二乙酰和肉桂醛对细菌、霉菌和酵母菌的抑制作用。选择荧光假单胞菌作为模型腐败细菌，同时从变质的绿豆芽中分离霉菌和酵母菌并通过在pH5.6±0.2下在马铃薯葡萄糖肉汤(PDB)(Sigma，奥克维尔，安大略省，加拿大)中培养除去细菌。将酵母菌原种和荧光假单胞菌原种分别在30℃下在PDB和胰酪胨大豆肉汤(TSB)(Bacto，BD，斯帕克斯，美国)中培养24小时，并用无菌盐水溶液(NaCl，8.5g/L水)稀释至浓度为106CFU/mL。将一份50μL的制备的酵母菌或细菌悬浮液分别涂布在直径为5cm的培养皿(Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)中的马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)(Difco，BD，斯帕克斯，美国)或胰酪胨大豆琼脂(TSA)(Bacto，BD，斯帕克斯，美国)上。将霉菌的菌丝体点接种在PDA培养皿的中心。将两个新接种了相同微生物的培养皿(移除它们的盖子)置于一升的玻璃瓶中。将预定量的抗微生物化合物注入瓶中而不与培养皿接触，以达到计算的顶部空间浓度：(1)AITC0.1-5.0mg/L；(2)二乙酰，1-10mg/L；(3)肉桂醛，2-100mg/L。立即将瓶封闭，并在25℃下孵育。通过菌落形成对微生物的生长监测3天。
使用与前述相同的方法测试抗微生物化合物的组合对酵母菌和霉菌的作用。将抗微生物化合物以预定比例混合(表18)并注入其中放置有接种的培养皿的瓶中。将瓶封闭，并在25℃下孵育3天。
表18
抗微生物化合物阵列的实验设计
干绿豆种子购自Bulk Barn store(Guelph，安大略省，加拿大)。在发芽前将种子在蒸馏水中浸泡12小时。然后将预浸泡过的种子用蒸馏水洗涤并置于平坦有孔的容器中。用湿纸巾覆盖种子以提供100％RH条件并用铝箔覆盖以保护种子免受光照。整个装置保存在25℃的环境室(型号MLR-350H，Sanyo Corp.，日本)。每隔8小时用蒸馏水喷洒种子，过量的水通过容器排出。使绿豆种子发芽5天。然后，用蒸馏水洗涤豆芽，并在保质期实验前在4℃下保存。
将约100g新制备的绿豆芽在4℃下密封在包含或不包含抗微生物化合物的1L的玻璃瓶中(表19)。在该实验中，由于在初步实验期间未发现用肉桂醛(0.1至50mg/L)处理过的豆芽有明显变化，仅测试了AITC和二乙酰。
使用顶部空间气体分析仪(型号GS3M，Gaspace Advance，Illinois InstrumentsInc.，Johnsburg，IL，美国)分析顶部空间中氧气和二氧化碳的浓度。将传感器探针连接到20号针头(Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)并插入装有隔膜的1L瓶中。气体分析仪提取少于1mL的顶部空间气体，并分别使用电化学传感器和红外传感器检测氧气和二氧化碳的浓度。瓶中氧气和二氧化碳含量的百分比可以直接在分析仪的数字显示面板上读取。
表19
用不同浓度的抗微生物化合物处理过的绿豆芽的实验设计
作为绿豆芽的关键品质属性，测量储存期间的重量损失。在储存期的开始和结束时，用分析度盘(Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)仔细测量豆芽样品的重量，精确至小数点后两位。重量损失百分比(W1)如方程式(方程式8)所示计算：
其中Wf是豆芽样品的最终重量；Wi是样品的初始重量。
储存7天后，将10±0.1g豆芽样品用20mL无菌盐水溶液在均质袋(FisherScientific，渥太华，安大略省，加拿大)中捣碎5分钟。用无菌盐水溶液将悬浮液稀释至10-5或10-6。然后将0.1mL的每种稀释液涂布在平板计数琼脂(PCA)(Sigma，奥克维尔，安大略省，加拿大)上。从带有30-300个菌落的平板确定CFU。
将新生长的绿豆芽(在4℃下储存不到一天)仔细称重(25±0.50g)并密封在PLA沙拉碗(8盎司，NaturalWorks，明尼唐卡，明尼苏达州，美国)中。将10mL烧杯(FisherScientific，渥太华，安大略省，加拿大)放置在碗的中部，以保持抗微生物化合物(0.1mgAITC、0.4mg二乙酰和6.0mg肉桂醛)的液体混合物或抗微生物载体。按照如前所述，制备抗微生物载体。将PEG和非织造物载体切成不同的尺寸和重量，以提供约0.1mg AITC、0.4mg二乙酰和6.0mg肉桂醛。将没有经抗微生物剂处理的豆芽的包装标记为对照品。将用液体抗微生物化合物处理过的豆芽样品标记为处理1；将用抗微生物载体处理过的那些标记为处理2。为每种处理制备总共18个样品。在第0天、3天、5天、7天和9天抽取每组的三个样品进行测试。所有样品在10℃下储存以进行保质期测试。
在每个储存期结束时，对来自每组的三个样品进行加权。如本文所述测定重量损失的百分比。
在储存时间为0天、3天、5天、7天和9天时，抽取来自每组的豆芽样品(10±0.1g)并用20mL无菌盐水溶液在均质袋中捣碎5分钟。如本文所述，通过总平板计数测量样品的总微生物负荷。
使用所得豆芽悬浮液的5mL的等分试样通过用0.01N NaOH滴定该悬浮液至pH7.0来测定总可滴定酸。将中和所需的NaOH体积(mL)记录为Vc。滴定5mL盐水溶液作为空白对照。空白滴定消耗的NaOH的体积(mL)记录为Vb。按照方程式(方程式9)计算总可滴定酸：
为了测量绿豆芽的硬度，使用Instron万能试验机(型号1122；Instron，Norwood，MA，美国)在室温(22±2℃)下进行三点弯曲试验。将豆芽样品的下胚轴保持在相距0.5mm的两个固定弯曲支撑件上，并且十字头以200mm/min的位移速率在中心轴上行进。从试验中得出豆芽的直径和最大压缩力。通过每组平均60个豆芽样品计算绿豆芽的硬度，数据以N/mm表示。
实施例4
使用乙基纤维素-PEO电纺丝非织造物的百里香酚的包封和释放
百里香酚、氯化镁、硝酸镁、氯化钠和硝酸钾购自Fisher Scientific Company(渥太华，安大略省，加拿大)。PEO(PEO900，Mw＝900kDa；PEO300，Mw＝300kDa)和EC(22cP，46-48％乙氧基含量)购自Sigma Aldrich(奥克维尔，安大略省，加拿大)。无水乙醇由Commercial Alcohols(宾顿市，安大略省，加拿大)提供。
将10％(w/w)EC分别与1％(w/w)PEO300、1％(w/w)PEO900和2％(w/w)PEO300混合并溶解在80％(v/v)的乙醇水溶液中。然后将百里香酚分别以1％(w/w)、3％(w/w)和5％(w/w)的负载水平加入到聚合物溶液中，并使用磁力搅拌器搅拌12小时。所有溶液均在21±2℃下在15mL加盖的小瓶中制备以防止溶剂蒸发。
使用安装在Instron万能试验机(型号1122，Instron，诺伍德，马萨诸塞州，美国)上的剪切毛细管流变仪测定溶液粘度。在21±2℃下以不同的十字头速度(200、400、600、800和1000mm min-1)进行测试。毛细管的长度为150mm，内径为1.5mm。柱塞面积为5.3cm2。考虑到聚合物溶液为非牛顿流体，由压降(与剪切应力相关)和流速(与剪切速率相关)测量粘度。剪切应力σ(Pa)计算如下：
其中F为柱塞上的力(kgF)，Ap是柱塞面积(m2)，Lc是毛细管的长度(m)，Dc是毛细管直径(m)。如下应用Rabinowitsch校正以计算剪切速率γ(s-1)：
其中n为流动行为指数(无量纲)，V是十字头速度(m s-1)，Dp是柱塞直径(m)。log(σ)与log(γ)的斜率用于确定n值。随后，表观粘度μ(cP)计算如下：
使用电导率仪(XL20，Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)测定聚合物溶液的电导率。使用气泡压力张力计(SITA pro line f10，SITAMesstechnik GmbH，德累斯顿，德国)测定聚合物溶液的动态表面张力。张力计配备有毛细管，并以1Hz的固定鼓泡频率将空气连续鼓泡到聚合物溶液中。所有测试均在21±2℃下进行。
使用自由表面线电极电纺丝机(NS LAB，Elmarco，捷克共和国)对上述制备的聚合物溶液进行电纺丝。向线电极施加35kV的恒定电压。将电纺丝溶液装入10mL小车中，该小车沿着线电极来回滑动，将纺丝原液均匀地涂覆到线电极上。小车的移动速度和线电极与基底之间的距离分别设定为100mm s-1和240mm。所有纺丝实验均在25±2℃和45％RH下进行。将电纺丝纤维沉积在纺粘的聚丙烯非织造基底上。
使用扫描电子显微镜(SEM)(型号S-570，Hitachi High Technologies Corp.，东京，日本)，在10kV的加速电压下，评估电纺丝纤维的形貌和直径。使用溅射涂布机(型号K550，Emitech，阿什福德，肯特，英国)将20nm的金层涂覆在纤维上。使用图像分析软件(Image Pro-Premier 9.1，Media Cybernetics Inc.，罗克维尔，马里兰州，美国)通过在每个图像的200个不同点进行测量来确定电纺丝纤维的平均直径。
使用配备有ATR池(Pike Technologies，麦迪逊，威斯康星州，美国)的FTIR光谱仪(IRPrestige21，Shimadzu Corp.，京都，日本)分析电纺丝EC-PEO非织造物。在测试每个样品之前，使用空气作为背景进行测量。然后将样品安装在ATR蓝宝石晶体上，用压机压缩，并以4cm-1的分辨率在600cm-1和4000cm-1之间扫描。每个光谱平均扫描40次。为每个样品随机选择三个斑点用于分析。使用IRsolution软件(Shimadzu Corp.，京都，日本)分析光谱。
将电纺丝非织造物(20±1mg)在室温下在80％(v/v)的乙醇水溶液中浸没24小时以溶解聚合物和百里香酚。使用UV吸收分光光度法(Evolution60s，Thermo FisherScientific，MA，美国)通过测量波长276nm处的吸光度并使用校准曲线(R2＝0.99)量化来确定百里香酚的含量。通过溶解各种量的百里香酚和等量的电纺丝EC-PEO非织造物来制备校准曲线以解释任何基质效应。计算百里香酚的LC和EE：
其中mt为非织造物中测得的百里香酚重量，mf是电纺丝非织造物的重量，ml是用于电纺丝的纺丝原液中的理论百里香酚负载量。
测定汉森溶解度参数(HSP)值以预测百里香酚对溶剂和聚合物的亲和力，聚合物之间的相容性和聚合物在溶剂中的溶解度。HSP是基于蒸发的总能量计算的，δ2等于汉森色散参数(δD)，极性相互作用参数(δP)和氢键粘合参数(δH)的平方和：
溶解度参数的单位是(MPa)1/2，二元混合物的溶解度参数是根据下式计算：
其中，为特定溶剂组分(i)的体积分数。基于它们各自的部分溶解度参数组分计算两种材料之间的汉森空间(Ra)中的溶解度参数“距离”：
Ra的单位是(MPa)1/2。低Ra值表示两种组分之间的高亲和力，而渐进升高的Ra表明亲和力逐渐降低。
在不同的RH条件下评估电纺丝非织造物的百里香酚释放行为。将电纺丝样品(150-200mg)置于密封的玻璃瓶(946mL，Piramal Glass USA Inc.，马尔顿，新泽西州，美国)中，其中RH值分别通过二元饱和盐水溶液(分别为氯化镁、硝酸镁、氯化钠和硝酸钾)调节至33％、53％、75％和93％，然后在25℃下储存11天。在预定的时间间隔，从玻璃瓶中取出15mg的样品，并根据2.8节中描述的方法测量百里香酚残留物。通过从样品中包封的百里香酚的总量中减去百里香酚残留量来计算释放的百里香酚的量：
(mfi+mri)×LC1＝mti+mri (方程式18)
其中mfi、mri和mti是电纺丝非织造物的重量、释放的百里香酚的量和在测试的RH下储存预定时间后在电纺丝样品中测得的百里香酚残留量。LC1是在暴露于不同RH条件之前新制备的掺有百里香酚的EC-PEO非织造物的LC。
所有测定以一式三份进行，结果表示为平均值±标准偏差。使用SPSS17(SPSSInc.，芝加哥，伊利诺伊州，美国)统计软件，通过方差分析(单因素方差分析和图基事后检验法)评估样品之间的显著性差异。检验统计量(p)的概率设定为0.05。将基于准一级动力学的经验数学模型拟合到百里香酚的释放曲线中：
C＝Ce(1-e-kt) (方程式21)
其中C为t时刻释放的百里香酚的百分比；Ce是释放的百里香酚的平衡百分比；k是扩散速率(h-1)。使用电子表格包(Microsoft Office 2010，雷德蒙德，华盛顿州，美国)中的求解函数(Solver function)进行非线性回归分析以估算两个参数Ce和k。选择广义简约梯度(GRG)非线性算法选项以通过改变两个参数Ce和k将确定系数设置为接近1.0(即，小于或等于1.0)，并且不施加任何约束。
实施例5
使用电纺丝醋酸纤维素-聚(环氧乙烷)非织造物的香芹酚的包封和释放
CA(数均分子量(Mn)为～300000，39.8％乙酰基)、PEO(PEO100，Mw＝100kDa；PEO300，Mw＝300kDa)和香芹酚购自Sigma Aldrich(奥克维尔，安大略省，加拿大)。冰醋酸、丙酮、氯化镁、硝酸镁、氯化钠和硝酸钾购自Fisher Scientific Company(渥太华，安大略省，加拿大)。无水乙醇由Commercial Alcohols(宾顿市，安大略省，加拿大)提供。
通过以1:0、3:1、1:1、1:3和0:1的醋酸与丙酮重量比混合冰醋酸和丙酮来制备溶剂。然后以10％(w/w)的浓度加入CA，用于CA纤维的电纺丝。以10:1(w/w)的比加入CA和PEO，得到11％(w/w)的总聚合物浓度用于CA-PEO纤维的电纺丝。使用磁力搅拌器将溶液搅拌12小时，然后以1％、5％和10％(w/w)的负载水平加入香芹酚。然后将溶液搅拌1小时以形成最终的纺丝原液。制备的最终的聚合物溶液都是清澈透明的，意味着聚合物和香芹酚都很好地溶解在溶剂混合物中。所有溶液均在22±2℃下在15mL加盖的小瓶中制备，以防止溶剂蒸发。
根据先前所述计算HSP值。
基于Antoine方程式计算纯溶剂的蒸气压：
其中P是蒸气压(kPa)，T是温度(℃)。A、B和C是组分特异性常数。对于醋酸，A、B和C值分别为7.38782、1533.313和222.309，对于丙酮，A、B和C值分别为7.11714、1210.595和229.664。根据拉乌尔定律计算溶剂混合物的蒸气压：
Pmix＝∑iPixi (方程式23)
其中Pmix为溶剂混合物的蒸气压，i是溶剂组分指数，Pi是在特定温度下纯溶剂的蒸气压，xi是摩尔分数。
根据本文所述测定溶液粘度。
使用电导率仪(XL20，Fisher Scientific，渥太华，安大略省，加拿大)测定聚合物溶液的电导率。使用气泡压力张力计(SITA pro line f10，SITA MesstechnikGmbH，德累斯顿，德国)测定聚合物溶液的动态表面张力。张力计配备有毛细管，并以1Hz的固定鼓泡频率将空气连续鼓泡到聚合物溶液中。
基于单独纯溶剂在20℃下的介电常数计算溶剂混合物的介电常数。溶剂的每单位体积的极化强度(p)与介电常数(ε)有关：
使用Oster规则，n组分的混合物的极化强度可表示为：
其中pm为溶剂混合物的每单位体积的极化强度，i是溶剂组分指数。xi、vi和pi分别是每种纯溶剂的摩尔分数、摩尔体积和每单位体积的极化强度。在计算pm之后获得溶剂混合物的介电常数。
使用自由表面线电极电纺丝机(NS LAB，Elmarco，捷克共和国)对制备的纺丝原液进行电纺丝。向纺丝电极施加35kV的恒定电压。将电纺丝溶液装入10mL小车中，该小车沿着线电极来回移动，将纺丝原液涂覆到线电极上。小车的移动速度和纺丝电极与基底之间的距离分别设定为100mm s-1和240mm。将经电纺丝的非织造物沉积在纺粘的聚丙烯非织造基底上。所有纺丝实验均在25℃和45％RH下进行。
使用SEM(型号S-570；Hitachi High Technologies Corp.，东京，日本)，在10kV的加速电压下，评估电纺丝纤维的形貌和直径。使用溅射涂布机(型号K550，Emitech，阿什福德，肯特，英国)将20nm的金层涂覆在这些纤维上。使用图像分析软件(Image Pro-Premier9.1；Media Cybernetics Inc.，罗克维尔，马里兰州，美国)通过在每个图像的200个不同点进行测量来确定电纺丝纤维的平均直径。
使用配备有ATR池(Pike Technologies，麦迪逊，威斯康星州，美国)的FTIR光谱仪(IRPrestige21，Shimadzu Corp.，京都，日本)分析电纺丝非织造物。测量空气并用作背景。然后将样品直接安装在ATR蓝宝石晶体上，用压机压缩，并以4cm-1的分辨率在600cm-1和4000cm-1之间扫描40次。从样品中随机选择三个斑点用于分析。使用IRsolution软件(Shimadzu Corp.，京都，日本)分析光谱。
将电纺丝非织造物(20±1mg)在室温下在无水乙醇中浸没48小时，以从电纺丝CA-PEO非织造物中提取香芹酚。根据先前所述确定香芹酚的含量。
如前所述，在不同的RH条件下在25℃下评估12天的电纺丝CA-PEO非织造物的香芹酚的释放行为。
所有测定以一式三份进行，结果表示为如前所述的平均值±标准偏差。
虽然已经结合本发明的具体实施方案描述了本发明，但是应当理解，能够对本发明进行进一步的修改，并且本申请旨在涵盖任何变化、用途或改变，包括在本领域的已知或惯常实践范围内的、可以应用于上文所述的基本特征的以及在所附权利要求的范围内的与本发明内容的那些偏离在内。

Claims (29)

1.一种用于挥发性化合物的控制释放的组合物，所述组合物包含至少一种聚(乙二醇)(PEG)聚合物和一种或多种挥发性化合物。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种挥发性化合物是抗微生物化合物。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其还包含聚(乳酸)(PLA)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述组合物包含两种或更多种不同分子量的PEG聚合物的共混物。
5.根据权利要求4所述的组合物，其中两种或更多种PEG聚合物的分子量为约100Da至约50000Da。
6.根据权利要求5所述的组合物，其中所述两种或更多种PEG聚合物选自分子量为400Da的PEG聚合物(PEG400)和分子量为10000Da的PEG聚合物(PEG10K)。
7.根据权利要求6所述的组合物，其中所述两种或更多种PEG聚合物是PEG400和PEG10K，PEG400和PEG10K的重量比为约1:4至约4:1。
8.根据权利要求7所述的组合物，其中PEG400和PEG10K的重量比为4:1。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其包含约0.01％w/w至约50％w/w的挥发性化合物。
10.根据权利要求9所述的组合物，其包含约0.05％w/w至约5％w/w的挥发性化合物。
11.根据权利要求9所述的组合物，其中所述一种或多种挥发性化合物以约20％w/w至约50％w/w的量存在。
12.根据权利要求9所述的组合物，其中所述一种或多种挥发性化合物以约30％w/w至约35％w/w的量存在。
13.根据权利要求2所述的组合物，其中所述抗微生物化合物选自异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰、肉桂醛、百里香酚、香芹酚及它们的组合。
14.根据权利要求13所述的组合物，其中所述抗微生物化合物选自异硫氰酸烯丙酯(AITC)、二乙酰及它们的组合。
15.根据权利要求14所述的组合物，其包含二乙酰和AITC的混合物。
16.根据权利要求15所述的组合物，其中二乙酰与AITC的比为10:1至1:1。
17.根据权利要求15所述的组合物，其包含二乙酰与AITC的混合物，二乙酰与AITC的比为1:1。
18.根据权利要求1-13中任一项所述的组合物，其包含二乙酰、AITC和肉桂醛的混合物。
19.根据权利要求18所述的组合物，其包含AITC、二乙酰和肉桂醛的混合物，AITC与二乙酰和肉桂醛的比为1:4:60。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种挥发性化合物分散在载体中。
21.根据权利要求20所述的组合物，其中所述载体是电纺丝纤维。
22.根据权利要求21所述的组合物，其中所述电纺丝纤维通过电纺丝生产。
23.根据权利要求22所述的组合物，其中所述组合物包含聚(乳酸)(PLA)与聚(环氧乙烷)(PEO)的混合物。
24.根据权利要求23所述的组合物，其中所述组合物包含PLA与PEO的混合物，PLA与PEO的比为7:3。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的组合物，其还包含纤维素。
26.根据权利要求25所述的组合物，其中所述纤维素是乙基纤维素或醋酸纤维素。
27.一种保存食物的方法，其包括在权利要求1-26中任一项所述的组合物的存在下储存食物。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述食物选自水果、蔬菜、烘焙食品、生面制品和鲜肉。
29.一种用于保存食物的包装材料，其包含权利要求1-26中任一项所述的组合物。
CN201780040322.0A 2016-05-13 2017-05-12 用于挥发性化合物的控制释放的组合物 Pending CN109688834A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662335964P 2016-05-13 2016-05-13
US62/335,964 2016-05-13
PCT/CA2017/050573 WO2017193221A1 (en) 2016-05-13 2017-05-12 Compositions for controlled release of volatile compounds

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109688834A true CN109688834A (zh) 2019-04-26

Family

ID=60266111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780040322.0A Pending CN109688834A (zh) 2016-05-13 2017-05-12 用于挥发性化合物的控制释放的组合物

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11013249B2 (zh)
EP (1) EP3454669A4 (zh)
CN (1) CN109688834A (zh)
CL (1) CL2018003208A1 (zh)
MX (1) MX2018013905A (zh)
WO (1) WO2017193221A1 (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006000032A1 (en) * 2004-06-29 2006-01-05 Victoria University Antimicrobial packaging material
CN1812773A (zh) * 2003-05-28 2006-08-02 莫诺索尔克斯有限公司 基于聚氧乙烯的薄膜及由其制造的药物传递系统
CN102274177A (zh) * 2011-08-24 2011-12-14 西北农林科技大学 一种复方百里香酚纳米药物及其制备方法
CN104686561A (zh) * 2015-02-11 2015-06-10 武汉轻工大学 含烯丙基异硫氰酸酯的微胶囊制剂及制备方法与应用
CA2935237A1 (en) * 2014-01-15 2015-07-23 University Of Guelph Compositions and methods to encapsulate and control release of volatile organic compounds for increasing shelf-life of perishable products

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1840196A (zh) 2006-01-27 2006-10-04 无锡杰西医药科技有限公司 一种适用于难溶性药物的分散剂
US8753676B2 (en) 2006-02-15 2014-06-17 Botanocap Ltd. Applications of microencapsulated essential oils
WO2014165969A1 (en) 2013-04-12 2014-10-16 Perry Lidster Antimicrobial mixtures of an essential oil derived bactericide and an essential oil derived fungicide which extend the shelf-life of perishable agricultural commodities

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1812773A (zh) * 2003-05-28 2006-08-02 莫诺索尔克斯有限公司 基于聚氧乙烯的薄膜及由其制造的药物传递系统
WO2006000032A1 (en) * 2004-06-29 2006-01-05 Victoria University Antimicrobial packaging material
CN102274177A (zh) * 2011-08-24 2011-12-14 西北农林科技大学 一种复方百里香酚纳米药物及其制备方法
CA2935237A1 (en) * 2014-01-15 2015-07-23 University Of Guelph Compositions and methods to encapsulate and control release of volatile organic compounds for increasing shelf-life of perishable products
CN104686561A (zh) * 2015-02-11 2015-06-10 武汉轻工大学 含烯丙基异硫氰酸酯的微胶囊制剂及制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
US11013249B2 (en) 2021-05-25
EP3454669A4 (en) 2019-11-13
US20190200651A1 (en) 2019-07-04
MX2018013905A (es) 2019-06-24
WO2017193221A1 (en) 2017-11-16
EP3454669A1 (en) 2019-03-20
CL2018003208A1 (es) 2019-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Min et al. Novel antimicrobial packaging film based on porous poly (lactic acid) nanofiber and polymeric coating for humidity-controlled release of thyme essential oil
Pan et al. Development of polyvinyl alcohol/β-cyclodextrin antimicrobial nanofibers for fresh mushroom packaging
Lin et al. Novel electrospun gelatin-glycerin-ε-Poly-lysine nanofibers for controlling Listeria monocytogenes on beef
Altan et al. Carvacrol loaded electrospun fibrous films from zein and poly (lactic acid) for active food packaging
Lian et al. Effect of the added polysaccharide on the release of thyme essential oil and structure properties of chitosan based film
Shao et al. Fabrication and characterization of tea polyphenols loaded pullulan-CMC electrospun nanofiber for fruit preservation
Amalraj et al. Preparation, characterization and antimicrobial activity of polyvinyl alcohol/gum arabic/chitosan composite films incorporated with black pepper essential oil and ginger essential oil
Cui et al. Plasma-treated poly (ethylene oxide) nanofibers containing tea tree oil/beta-cyclodextrin inclusion complex for antibacterial packaging
Ardekani-Zadeh et al. Electrospun essential oil-doped chitosan/poly (ε-caprolactone) hybrid nanofibrous mats for antimicrobial food biopackaging exploits
Jiang et al. Cinnamon essential oil Pickering emulsion stabilized by zein-pectin composite nanoparticles: Characterization, antimicrobial effect and advantages in storage application
Aytac et al. Development of biodegradable and antimicrobial electrospun zein fibers for food packaging
Dai et al. Release of allyl isothiocyanate from mustard seed meal powder entrapped in electrospun PLA–PEO nonwovens
Li et al. Gelatin/zein fiber mats encapsulated with resveratrol: Kinetics, antibacterial activity and application for pork preservation
Jovanović et al. Chitosan and pectin-based films and coatings with active components for application in antimicrobial food packaging
Milovanovic et al. Supercritical impregnation of cellulose acetate with thymol
Ruggeri et al. A multilayered edible coating to extend produce shelf life
Mishra et al. Retention of antibacterial and antioxidant properties of lemongrass oil loaded on cellulose nanofibre-poly ethylene glycol composite
Li et al. Effects of coaxial electrospun eugenol loaded core-sheath PVP/shellac fibrous films on postharvest quality and shelf life of strawberries
CN101636446A (zh) 乙烯阻断剂和/或促进剂的递送
Min et al. Enzyme-responsive food packaging system based on pectin-coated poly (lactic acid) nanofiber films for controlled release of thymol
Qin et al. Electrospun pullulan nanofiber loading zanthoxylum bungeanum essential oil/β-cyclodextrin inclusion complexes for active packaging
Marković et al. Development of material with strong antimicrobial activity by high pressure CO2 impregnation of polyamide nanofibers with thymol
Ullah et al. Eco-friendly bioactive β-caryophyllene/halloysite nanotubes loaded nanofibrous sheets for active food packaging
Shen et al. Chlorogenic acid-loaded sandwich-structured nanofibrous film developed by solution blow spinning: Characterization, release behavior and antimicrobial activity
da Silva Barbosa et al. The influence of PBAT content in the nanocapsules preparation and its effect in essential oils release

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190426