CN110306290A - 一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物纳米材料技术领域，尤其涉及一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法。本发明提供了一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，将茶多酚、ε‑聚赖氨酸和明胶混合搅拌至完全溶解得到纺丝溶液，然后将纺丝溶液进行静电纺丝，加热交联得到可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜；其中，可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜中各组分比例为：(0.1～0.9)：(0.1～0.9)：(15～18)。本发明提供了一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，解决了现有的天然包装材料无法兼顾抑菌活性和抗氧化活性的技术问题。

Description

一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法
技术领域
本发明涉及生物纳米材料技术领域，尤其涉及一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法。
背景技术
食品包装对于食物的储存和食品安全至关重要，这不仅仅局限于食品自身的问题,还与食品直接接触的包装材料和制品有关。然而传统塑料包装的材料大多来源于石油，在塑料制作过程中,为了改善其力学、光学等性能，常常要加入一些化学添加剂，如增塑剂、荧光增白剂、紫外线吸收剂、阻燃剂等。化学添加剂在某些条件下会从聚合物材料向与其直接接触的食品迁移，从而危害人们的健康。此外，传统塑料包装的不可降解性也是造成环境污染的一个重要因素。而天然来源的新型可降解材料具有良好生物活性，可以减少食品贮存时抗生素和食品添加剂的使用，从而避免因滥用抗生素导致致病菌产生抗药性，并且可提高产品的保鲜效果，延长食品的保鲜期和货架期，增强食品安全性且不影响食品风味和食品的营养价值。
近年来已经有大量制备高分子纳米纤维的方法，如惰性气体冷凝法、高能机械球磨法、纳米金属超分子笼合成法。但是以上方法获得纳米纤维的过程较多耗能较大，且若要获得大小尺寸可控、组成成分可控、形貌可控、表面物理和化学特性可控的纳米材料还需进行进一步研究，也不适合大规模生产一根根的连续的纳米纤维。此外，天然来源高分子包装材料通常不能兼具抑菌和抗氧化等活性，而传统的抑菌物质多为化学–合成抗生素等分子，用于可食用包装的安全性存在隐患，因此如何兼顾天然包装材料的抑菌活性和抗氧化活性成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，解决了现有的天然包装材料无法兼顾抑菌活性和抗氧化活性的技术问题。
本发明提供了一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，将茶多酚、ε-聚赖氨酸和明胶混合搅拌至完全溶解得到纺丝溶液，然后将纺丝溶液进行静电纺丝，加热交联得到可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜；
其中，可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜中各组分比例为：(0.1～0.9)：(0.1～0.9)：(15～18)。
优选的，所述可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜中各组分比例为：(0.5～5)：(0.05～0.5)：(15～18)。
需要说明的是，明胶是由动物皮肤、骨、肌膜等结缔组织中的胶原部分降解而成为白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒，是一种天然的高分子材料,其结构与生物体组织结构相似,因此具有良好的生物相容性。明胶作为一种天然的水溶性的生物可降解高分子材料,其优点就是降解产物易被吸收而不产生炎症反应。在应用明胶的可降解性时,经常对其进行化学修饰,调控其降解速度以适应不同的需要。明胶可提高静电纺丝的效率，明胶基的纳米纤维形貌较好。但是单一的明胶包装没有足够强的生物活性，尤其对于许多食品，如鲜肉，除了将它们与外界细菌隔离外，控制食品表面的微生物生长也是至关重要的。
茶多酚是从茶叶中提取的，是茶叶中多酚类物质的总称，其中儿茶素占60～80％。茶多酚具有较强的抗氧化作用，尤其酯型儿茶素EGCG，其还原性甚至可达L-异坏血酸的100倍。茶多酚除具有抗氧化作用外，还具有抑菌作用，如对葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌等有抑制作用。茶多酚可吸附食品中的异味，因此具有一定的除臭作用。茶多酚食品中的色素具有保护作用，它既可起到天然色素的作用，又可防止食品褪色，茶多酚还具有抑制亚硝酸盐的形成和积累作用。
ε-聚赖氨酸一种天然的生物代谢产品，具有很好的杀菌能力和热稳定性，是具有优良防腐性能和巨大商业潜力的生物防腐剂。在日本，ε-聚赖氨酸已被批准作为防腐剂添加于食品中，用于方便米饭、熟菜和海产品的保鲜防腐中。同时ε-聚赖氨酸和其他天然抑菌剂配合使用，有明显的协同增效作用，可以提高其抑菌能力。ε-聚赖氨酸能在人体内分解为赖氨酸，而赖氨酸是人体必需的8种氨基酸之一，因此ε-聚赖氨酸是一种营养型抑菌剂，安全性高于其他化学防腐剂。
静电纺丝为高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。该技术是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。
通过静电纺丝技术制备的纳米纤维由于具备某些优良的性能，如大比表面积、高孔隙率和高安全性，强稳定性等，且对负载的活性成分具有缓释效果，因而被应用于许多领域，如过滤、伤口敷料、药物输送等，但其在食品包装领域的应用相对较新，因此通过静电纺丝制备得纳米纤维在该领域具有较大的研究价值。
需要说明的是，所述纺丝溶液的溶剂为乙酸和蒸馏水的混合溶液，所述乙酸和所述蒸馏水的体积比为88:12。
优选的，所述静电纺丝的电压为15～18kV。
优选的，所述静电纺丝的距离为10～15cm。
优选的，所述静电纺丝的纺丝速率为0.3～0.45mL/h。
优选的，所述静电纺丝的温度为20℃～30℃。
优选的，所述静电纺丝的湿度为40％～65％。
优选的，所述搅拌的时间为3～5h。
优选的，在得到所述纺丝溶液之后，进行所述静电纺丝之前还包括将所述纺丝溶液静置熟化，所述静置熟化的时间为10～25min。
优选的，所述加热交联的温度为140℃。
优选的，所述加热交联的时间为2～5h。
与现有技术相比，本发明将茶多酚、ε-聚赖氨酸与明胶作为静电纺丝的材料，得到具有优异天然生物活性、可完全降解、满足包装材料物理性能要求的新型可食用抗菌抗氧化型纳米纤维包装膜。本发明解决了ε-聚赖氨酸及茶多酚这类天然生物活性成分过于亲水的问题，拓宽了负载天然生物活性成分的纳米纤维材料的应用范围。与市场食品保鲜材料相比，本发明提供的制备方法过程简单、制备成本低廉；采用天然来源的具有优异生物活性的物质为原料，采用微量(1～9mg/ml)即可对以大肠杆菌为代表的革兰氏阴性菌和以金黄色葡萄球菌为代表的革兰氏阳性菌有较高的抑菌率，并且对人体安全无害；运用静电纺丝技术快速获得微纳米级材料，制得的纳米纤维膜兼具广谱且高效的抑菌性、高抗氧化性、无毒害性、大比表面积、高孔隙率、高安全性等优点；本发明作为新一代绿色环保型材料，在食品保鲜、食品包装及生物材料领域具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1中的可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1的制备方法流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，解决了现有的天然包装材料无法兼顾抑菌活性和抗氧化活性的技术问题。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例只是本发明的部分具有代表性的实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。
以下实施例中所用的试剂均为市售或自制。
实施例1
纺丝溶液的配制如下：
取ε-聚赖氨酸粉末配成浓度为0.1mg/ml的母液，将由ε-聚赖氨酸母液制得1～9mg/ml的聚赖氨酸溶液、质量体积比为0.1％～0.9％的茶多酚、质量体积比为15％～18％的明胶、体积分数为88％的乙酸和体积分数为12％的蒸馏水混合置于玻璃容器中并加入磁性搅拌子，将溶液在室温下置于磁力搅拌器上搅拌3～5h直至完全溶解，搅拌后完成后取下静置10～25min待溶液熟化稳定。
静电纺丝过程如下：
第一步：调节操作室内环境温湿度，确保纺丝环境温度在20℃～30℃，湿度在40％～60％的范围内。
第二步：取铝箔一块，将铝箔粘贴在滚筒收集器上，完全覆盖滚筒收集器。
第三步：取一根0.5mm内径硅胶管，在一端套入0.6mm内径针头，在另一端套上去掉底座的0.6mm内径针头。
第四步：用1mL注射器吸取1mL纺丝溶液，将注射器连接有底座的针头。用手慢慢推动注射器，直到有少许的纺丝液从针头溢出即可。
第五步：将装有纺丝液的注射器安装在推进器上，注意推进器要顶住注射器的末端。
第六步：将滚筒注射器置于注射泵和高压直流电源之间，无底座的针头距离铝箔10～15cm。高压直接电源的正极接无底座的针头，负极接滚筒收集器。
第七步：打开注射泵电源，调节纺丝速度为0.3～0.45ml/h。
第八步：打开高压直流电源，旋转调压旋钮，调节电压15～18kV。
第九步：静电纺丝2h。
第十步：纺丝结束时，先将高压直流电源的电压调到零，然后关闭高压直流电源，接着关闭注射泵，拔下二者电源插头。取下有纳米纤维膜的铝箔。
将得到的纳米纤维置于140℃加热2～5h进行交联。
综上，利用扫描电镜对实施例1中得到的纳米纤维进行分析，得到其扫描电镜图，由图1可知，可观察到得到的纳米纤维尺寸均匀、孔隙率高。
将实施例1制备的一种负载生物活性成分的可食用纳米纤维膜为对象，测定膜的抑菌效果。
抑菌实验步骤如下：
使用动态接触法评估纳米纤维膜对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的抑菌活性。实验组将灭菌后的含有不同浓度活性成分的纳米纤维膜添加到菌液中，对照组则不添加纳米纤维膜，两组一并在37℃的条件下放入摇床中以200r/min的振荡频率温育6小时。然后，将温育后的菌液在盐水中连续稀释10倍，并取其中的20μL稀释剂涂布在固体培养基上。放37℃恒温培养箱中温育过夜后，对每个固体培养基上的细菌进行计数。重复实验三次，并记录CFU的平均值。
使用抑菌圈法评估纳米纤维膜对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的抑菌活性。菌种活化，37℃恒温培养箱中培养一段时间后挑取单菌落接种至液体培养基中，在摇床培养过夜。用灭菌过后的5mm圆形滤纸片蘸取活性物质溶液置于固体培养皿的中央，培养24小时后测量抑菌圈直径大小以评估该物质的抑菌效果。
酶标仪检测：取上述培养12h的溶液，摇匀后用移液枪分别吸取100μL溶液于96孔板中，每种溶液做3个复孔，用酶标仪在620nm波长下检测。
根据DPPH自由基清除活性评估纳米纤维的抗氧化活性。首先制备0.1mmol/l的DPPH溶液，然后在六孔板中加入同样质量的带有不同浓度活性成分的纳米纤维膜，并用制备的DPPH溶液浸泡，在避光环境下反应半小时后，使用紫外可见光谱分析仪在波长为517nm处测量六孔板中溶液的吸光度值，并根据公式计算纳米纤维膜的DPPH清除率。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (10)

1.一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，将茶多酚、ε-聚赖氨酸和明胶混合搅拌至完全溶解得到纺丝溶液，然后将纺丝溶液进行静电纺丝，加热交联得到可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜；
其中，可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜中各组分比例为：(0.1～0.9)：(0.1～0.9)：(15～18)。
2.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的电压为15～18kV。
3.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的距离为10～15cm。
4.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的纺丝速率为0.3～0.45mL/h。
5.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的温度为20℃～30℃。
6.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的湿度为40％～65％。
7.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述搅拌的时间为3～5h。
8.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，在得到所述纺丝溶液之后，进行所述静电纺丝之前还包括将所述纺丝溶液静置熟化，所述静置熟化的时间为10～25min。
9.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述加热交联的温度为140℃。
10.根据权利要求1所述的一种可食用抗菌抗氧化负载型纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述加热交联的时间为2～5h。
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