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静电纺丝技术在食品领域的应用
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静电纺丝技术在食品领域的应用

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  • 日期:2020-06-08 15:31

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静电纺丝技术在食品领域的应用

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静电纺丝技术是一种利用静电作用力将高分子聚合物转变成微纳米级超细纤维的一种技术。随着 静电纺丝技术的不断发展,近年来也受到食品领域越来越多的关注。     

高分子在食品中的应用主要有下面这几个方面:    

1)通过静电纺丝技术包埋生物活性物质于纳米纤维中,起到保护及缓释的作用;    

2)利用纳米纤维所包埋或者结合的具有抑菌或者/及抗氧化功能的生物活性物质,制备具有抑菌抗氧化功能的食品活性包装;    

3)通过将益生菌包埋于纳米纤维中提高其储存稳定性以及利用纳米纤维膜作为菌载体用于生物发酵;    

4)利用多种结构的纳米纤维,如核壳结构,包埋多不饱和脂肪酸/脂肪起到 抑制其氧化的作用;    

5)将纳米纤维膜作为固定化酶的载体,提高酶的活力以及重复利用率。    

“纺丝”是高分子学科的一个重要技术,所以本篇文章重点整理介绍静电纺丝的流程以及相关参数:

 

1.基本原理  

当高聚物溶液以一定流速被挤出注射器针头于直流高压静电场下时,针尖液滴会向最近的低电势点方向伸展,从而形成泰勒锥(Taylor Cone)结构。当电场产生的静电作用力克服泰勒锥尖端液滴的表面张力时,就会喷射出一股带电高聚物的细流。受静电作用力、库伦斥力、表面张力、流体黏弹力等影响,带电射流进一步加速拉伸并呈螺旋摆动,使得溶剂快速挥发,高分子聚合物从而形成连续超细纤维形态,被收集于接收端上。

2.相关参数     

分子量:高分子的相对分子质量可反映高分子链段在溶液中的缠结状态,相对分子质量高的分子链比相对分子质量低的分子链更容易发生缠结,由此影响溶液的粘度。一般来说,相对分子量高的高分子更适合于静电纺丝,因为它们能够提供适当的粘度利于纤维形成。相对分子质量较低的聚合物溶液一般只能得到微球,而相对分子质量过高的聚合物溶液获得的纤维直径一般较大。

浓度及粘度:静电纺丝过程中射流的牵伸受溶液浓度及粘度的影响。如果高分子浓度低,则在电场力和表面张力的作用下,纤维在还未到达接收端就会被牵伸成片段状,从而形成单独的微球或者串珠状结构。当高分子溶液浓度增加,超过一个临界值后,分子间的缠联程度增加,溶液张力松弛的时间比较长。缠结的高分子在电场力作用下,被牵伸取向而在微球间形成纤维,抑制了静电纺丝过程中溶液射流的断裂,由此可得连续的纤维。如果溶液粘度进一步提高又会很难得到连续的纤维,因为高粘度溶液很难从喷丝口喷出形成连续的射流。     

溶液导电能力:改变溶液的电导率对电纺的影响是两方面的,一方面是改变了库仑力,另一方面改变了静电作用力。可以通过添加盐的形式改变溶液的导电能力,盐的加入也以两种方式影响静电纺丝过程:它增加了高分子溶液中的离子数量,因此增加了射流中表面电荷的密度和电场中的静电作用力;同时也导致射流表面切向电场减弱。许多研究表明通过添加盐,纳米纤维的形态得到改善,而且纤维直径也有所降低。      

溶剂种类:不同溶剂的组合能够改变聚合物分子链溶胀和缠结状态,从而对纳米纤维形貌产生影响。在良溶剂中,聚合物分子链溶胀充分,流体力学体积较大,因此发生分子链缠结的浓度要低于用不良溶剂配置的聚合物溶液,因此在不同溶剂中聚合物适合于静电纺丝的浓度范围是不同的。高分子也可以通过无溶剂体系进行电纺,如熔融电纺、热交联电纺、紫外交联电纺、超临界二氧化碳电纺等。近年也有研究者利用低共融溶剂进行静电纺丝。

食品包装中的几个应用:

1. 抑菌活性包装: 具有抑菌功能的静电纺丝纤维膜的制备通常分为两大类,一类是利用高分子材料本身的抑菌性能,如壳聚糖,另一类是将具有抑菌功能的生物活性物质包埋于纳米纤维中,如银纳米粒子、金属氧 化物、多酚类等。由于壳聚糖本身具有抑菌的功能,电纺得到的壳聚糖纳米纤维膜可直接用作抑菌活 性包装。Gudjónsdóttir 等学者研究发现,壳聚糖纳米纤维膜包装的牛肉在熟化的过程中能够抑制微 生物的繁殖并且提升肉品质。很多研究者通过向壳聚糖纳米纤维膜中添加银纳米粒子来赋予纤维膜更好的抑菌功能。通过添加氧化锌也增强了PU纳米纤维膜的抑菌性并且具有应用于肉制品保鲜的潜力。 

2.抗氧化活性包装:制备具有抗氧化功能的纳米纤维膜通常通过包埋具有抗氧化功能的生物活性物质实现,可包埋天 然抗氧化剂、合成抗氧化剂和具有抗氧化功能的酶。Ge 等学者制备了 PVA/壳聚糖/茶叶提取物/葡 萄糖氧化酶复合纳米纤维膜,对山楂糕和奶油蛋糕的除氧效率达 73%。Fabra 等人构建了多种双层 纳米纤维膜并将水溶性维生素 E 包埋于其中,发现不同结构的纳米纤维膜对水溶性维生素 E 的缓释 效率不同。Aytac等人构建了聚乳酸/γ-环状糊精/α-生育酚纳米纤维膜并应用于猪肉保鲜,发现其能够延长猪肉的货架期。Li 等人将 BHA 包埋于明胶纳米纤维中并应用于草莓保鲜,能够显著延长草莓的货架期。

3.酶固定化:食品工业需要大量应用固定化酶进行催化反应,而酶的催化效率以及重复使用率很大程度依赖于固定化酶的载体。越来越多的纳米结构材料用于酶固定化,相比于其他纳米结构(如纳米颗粒),纳米纤维具有易制备、比表面积高、连续性好的优点。静电纺丝固定化酶主要有共纺包埋式固定、物理吸附式固定以及共价键结合固定的方式。

评价与认识:

虽然 一些合成高分子的纳米纤维膜已经实现了量产和商用,但是由于食品领域研究的大多是天然高分子, 由于其分子量不均以及产品性质随着批次不同不稳定的缺点难以做到稳定的量产。天然高分子尤其是多糖,由于电纺临界浓度较低,限制了其生产效率,传统的针头式电纺无法满足其生产效率的需求。因此进行电纺技术的革新也是推动纳米纤维膜产业化应用所必须的一步。通常得到的天然高分子纳米纤维膜的机械性能以及溶剂稳定性都较差,需要通过与合成高分子进行混合电纺或者化学交联等方式来进行改善。

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