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中国精品科技期刊2020

溶液气喷纺丝技术在食品领域中的应用进展

宁芊, 郭震, 吴先辉, 庞杰

宁芊,郭震,吴先辉,等. 溶液气喷纺丝技术在食品领域中的应用进展[J]. 食品工业科技,2024,45(12):379−385. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023060183.
引用本文: 宁芊,郭震,吴先辉,等. 溶液气喷纺丝技术在食品领域中的应用进展[J]. 食品工业科技,2024,45(12):379−385. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023060183.
NING Qian, GUO Zhen, WU Xianhui, et al. Application Advances in the Food Field of Solution Blowing Spinning Technology[J]. Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(12): 379−385. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023060183.
Citation: NING Qian, GUO Zhen, WU Xianhui, et al. Application Advances in the Food Field of Solution Blowing Spinning Technology[J]. Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(12): 379−385. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023060183.

溶液气喷纺丝技术在食品领域中的应用进展

基金项目: 福建省星火项目(2022S0063);福建省自然科学基金项目(2022J02021,2020J01132,2023J01253)。
详细信息
    作者简介:

    宁芊(1983−),女,硕士,副教授,研究方向:食品加工与安全,E-mail:qianqian1000@163.com

    通讯作者:

    庞杰(1965−),男,博士,教授,研究方向:食品安全,E-mail:pang3721941@163.com

  • 中图分类号: TS201.2

Application Advances in the Food Field of Solution Blowing Spinning Technology

  • 摘要: 纳米纤维材料不仅在医药、能源和电子等领域得到广泛应用,近年来还在食品相关领域展现出巨大的潜力。在众多的纳米纤维材料制备方法中,溶液喷射纺丝技术以其安全性、低成本和高生产速率等优势逐渐崭露头角,成为研究的焦点。本文深入探讨溶液喷射纺丝技术的工作原理和分类,以及对纤维结构产生显著影响的纺丝工艺参数的选择。重点总结了溶液喷射纺丝在食品包装、缓释系统、过滤材料和酶固定化等多个食品相关领域的研究进展和应用优势,旨在为溶液喷射纺丝技术的优化、拓展应用领域和商业化提供参考。
    Abstract: Nanofiber materials are not only gained extensive utilization in fields such as medicine, energy, and electronics but also demonstrated significant potential for diverse applications in the realm of food-related domains. Among the various methods for nanofiber material preparation, solution blow spinning technology is gradually emerged as a research hotspot due to its inherent advantages in terms of safety, cost-effectiveness, and high production rates. This paper aims to delve into the working principles and classifications of solution blow spinning technology, as well as the selection of spinning process parameters that wield substantial influence over fiber structure. With a particular emphasis on summarizing the research progress and application advantages of solution blow spinning in multiple food-related fields, including food packaging, controlled-release systems, filtration materials, and enzyme immobilization, the objective is to provide a reference for optimizing, expanding application domains, and commercializing solution blow spinning technology.
  • 纳米纤维材料通常指直径尺寸在纳米级别的线状纤维材料。因其比表面积大、孔隙率高、机械性能良好,在食品领域已具有坚实的理论和应用基础[12]。在纳米纤维制备的众多方法中,溶液气喷纺丝(solution blow spinning,SBS),是近年来广泛应用于高聚物纳米复合材料制备领域的一种技术,它借助加压气体,驱动高分子聚合物与挥发性溶剂组成的溶液沿气流方向,喷射成为微/纳米纤维。2009年,SBS技术首次由Medeiros等[3]提出。最初是将静电纺丝技术和熔喷技术的元素进行融合,代替原有工艺,用于生产直径不同的微米和纳米纤维材料。相比目前应用最为广泛的静电纺丝技术,SBS技术无需借助电场作用以及导电性聚合物溶液,具有更高的安全性和对聚合物更低的导电依赖性。虽然将SBS技术应用在食品领域中,依然存在产生不良形态纤维等问题[4],但许多实验表明,该技术能在平面或非平面的基材上沉积保形性纤维,生产速率比传统静电纺丝技术提升了一到两个数量级[57],作为原料的聚合物溶液的选择范围更加广泛[8],且由于属于非热加工的方式,食品的理化性质、营养成分、功能活性成分均易得到保留。

    近几年来,SBS技术在食品领域中的应用成为了关注的热点。本文综述了SBS原理及技术参数,重点介绍了SBS在食品相关领域的研究进展和应用优势,并就SBS技术在食品工业中的不足和未来方向做出评价,以期为SBS加工、应用提供参考。

    SBS主要由注射器泵、高压气体发生装置、喷嘴装置、接收装置、控制系统等组成,如图1所示。聚合物溶液从注射器泵中按一定的速率被挤出,同时高压气体发生装置将压缩的气体以恒定的高速率喷出。喷嘴装置由内部喷嘴和同心外部喷嘴组成,高压气体与聚合物溶液以平行的方向流经喷嘴装置,聚合物溶液通过内部喷嘴泵送,同心外部喷嘴泵送压缩气体。根据伯努利原理,高速流动的气流使得射流中心的压力降低,当达到临界压力状态,气流提供给聚合物的驱动力突破了聚合物溶液的表面张力,溶液与气体界面处发生剪切,聚合物溶液被拉伸,溶剂得到部分或完全蒸发,聚合物形成纤维结构并固定在接收装置上[5]。目前,使用最新的SBS机进行工作时,气体压力、进料速率、喷嘴移动路径及距离、接受装置滚动速率均可以通过智能的控制系统进行操控。

    图  1  SBS技术原理示意图[9]
    Figure  1.  Schematic diagram of the principle of solution blowing spinning[9]

    SBS过程中,纤维的形成及其形态涉及到许多工艺参数的调节,其中SBS机参数(包括喷嘴直径、气体压力、进料速率、工作距离)和聚合物溶液参数(包括聚合物溶液浓度、黏度以及溶剂的选择)起到决定性作用。

    喷嘴直径会显著影响气流场分布和气流速度,最终影响纤维的形态[1011]。使用不同直径的喷嘴是生产不同直径纤维的最直接的方法,但是减小喷嘴直径一方面会降低纤维的生产速率,另一方面会使射流呈不稳定性,甚至出现喷嘴堵塞的情况。增大喷嘴直径使聚合物溶液流量增加,垂下的液滴变大,使纤维的直径变粗[12],但也有研究指出在某些情况下,流量增加减小了溶液与喷嘴内壁之间的摩擦力,液滴变大,为多射流提供了更多基点,产生的纤维因此变细[13]

    气体压力是SBS系统中另一个重要的参数。射流需要一个驱动力来克服表面张力才能形成纤维,气体压力就扮演了这个驱动力的角色。气流压力较低时,纤维直径与气体压力的关系呈非确定性函数关系,随着气流压力增大,两者的关系转化为线性相关 [1416],且在一定的空气压力范围内,随着空气压力增大,纤维的形态也会更加均匀[14]。继续增大气流压力则会导致不良形态的纤维产生,如Lou等[17]研究了不同气压条件下聚丙烯腈的纤维形态,结果表明空气压力超过1.363 atm后,纤维均匀度下降的同时产生了纤维股。

    进行纺丝时,如果进料速率在不合适的区间,会导致喷嘴堵塞和射流不稳定的情况发生,这种情况是由聚集在喷嘴尖端的垂滴固化导致的[18]。在可生产良好形态纤维的进料速率区间内,单一改变进料速率对纤维的直径并没有显著的影响,但当进料速率与其他因素同时改变时,纤维直径受到显著影响。如Lou等[13]研究发现较低的进料速率配合较高的空气压力产出的纤维直径较小,Oliveira等[14]指出聚(DL-丙交酯)纤维直径随进料速率变化的敏感程度取决于聚合物溶液浓度和空气压力,如在0.2 MPa的空气压力,纤维直径对进料速率的变化敏感,但达到0.4 MPa时,进料速率对纤维直径几乎没有影响。影响纤维形成的参数还有工作距离,即射流从喷嘴尖端喷出的位置到纤维聚集在接收器的位置之间的距离。当工作距离过短时,溶剂蒸发不完全无法形成纤维,工作距离过高时,纤维则在到达接收器之前会发生断裂。恰好能分别达到上述两种效果的临界工作距离被称为最小工作距离和最大工作距离,两者之间能够产生纤维的工作距离区间被称为有效工作距离[19-20]。在有效工作距离内,随着工作距离的加长,溶剂的蒸发越完全,形成的纤维直径越小[21]。 选择较短的工作距离有利于生产率的提高[20],选择两种不同的工作距离进行SBS可生产结构不同的双层材料[22]

    产生纤维的决定因素是溶液中的聚合物存在有效的分子缠结。黏度是聚合物溶液中一个至关重要的参数,是由聚合物分子量和聚合物浓度决定的。重叠浓度(c*)表示溶液中的聚合物分子链开始重叠,引起缠结时的临界点。溶液的聚合物浓度必须大于c*,并且聚合物的分子量必须足够高,使聚合物链之间产生纠缠,获得足够的聚合物松弛时间,纤维才能够生产[5,23]。当聚合物浓度大于c*时,随着聚合物浓度的升高,溶液具有更高水平的聚合物分子链缠结,聚合物的黏度升高,纤维的直径和粗糙度也随之增加,同时,由于需要更大驱动力突破因高粘度带来的表面张力增大的情况,纤维的生产难度也随之增加[14,20,2425]

    溶剂的选择在SBS过程中也是一个必须考虑的因素。选择不同的溶剂意味着聚合物在溶液中的溶解度、相互作用力不同,所以溶剂需根据聚合物的类型来进行选择,以确保溶剂可以将聚合物在大于或等于c*的浓度下溶解的同时具有挥发性[26]。除此之外,研究表明选用不同的溶剂体系所生产的纤维的形态和结构是不同的[27]。Dias等[28]分别使用两种不同溶剂溶解聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和肽进行SBS,由于溶剂与聚合物之间的疏水相互作用不同,乙酸作为溶剂时,得到了PVP纤维为主纤维、肽纤维为次纤维的缠结纤维,而使用异丙醇作为溶剂时,得到了PVP和肽共同组成的单根纤维。Kramar等[29]发现在SBS中,通过提高丙酮在其与N,N-二甲基甲酰胺溶剂混合物中的比例,会增大纤维的粗糙程度,同时也让制备的纤维膜实现了疏水性增强。

    以生物相容性聚合物为原料生产的新型食品包装具有更好的生物降解性和可回收性,被认为是纳米纤维食品包装材料的优良原料。近年来,利用SBS生产的纳米纤维食品包装材料具有很好的生物降解性和可回收性,生产的可用于食品包装的纤维膜因其比表面积大、孔隙率高等特点而被广受关注。

    纤维纳米材料常被用于食品内包装,即直接包裹食物并与食物相通的涂层或薄膜[30]。诸多的研究表明,使用SBS技术,以生物聚合物为原料制备的纤维膜,在机械强度、阻隔性能等方面均能达到作为食品包装膜的要求,因此其在食品内包装的生产有巨大的应用潜力。Yang等[31]通过SBS制备了明胶纳米纤维膜,并通过复合尼龙66改善了复合膜的力学性能和抗溶解能力,降低了水蒸气渗透率,以使该复合膜达到用于食品包装的要求。该课题组Shen等[32]采用多流体混合SBS技术制备明胶/普鲁兰多糖复合纳米纤维,经糖化处理后,该膜的水蒸气透过率从12.49 g·mm/(m2·h·kPa)下降到8.97 g·mm/(m2·h·kPa),接触角从0°提升为79.1°,疏水性和阻隔性得到显著增强。Miranda等[33]使用SBS制备了一个包含吸湿性水凝胶和浸渍高锰酸钾的石蜡片的纳米袋,能有效隔离外来环境中的植物激素—乙烯,以达到延缓果蔬变色、延长果蔬保鲜期限的目的。

    近年来利用SBS技术制备抑菌活性食品包装的研究取得了长足进展,相关现有研究见表1。食品包装的抗菌活性通常是将具有抗菌活性的物质包埋在纤维材料中实现的,目前在此方面,使用SBS的研究较多的是将不同来源的精油包埋在聚乳酸基质的纳米纤维中,精油可破坏微生物的细胞结构从而抑制微生物的生长和繁殖,但不稳定的性质限制了其在食品包装中的应用[3436]。Magalhães等[34]通过SBS将精油(EO)包覆到聚乳酸(PLA)纳米纤维中,应用到新鲜葡萄的包装中,可抑制侵袭葡萄的主要真菌:碳曲霉和黑曲霉真菌的生长和和赭曲霉毒素 A 的产生,从而延长新鲜葡萄的保质期。Shen等[37]将从百里香精油中分离得到的天然抑菌物质―百里酚(THY)包覆到共价有机骨架(COFs)中,制备了百里酚@共价有机骨架/聚己内酯(THY@COF/PCL)纳米纤维,该膜具有良好的抗菌活性,在食品包装材料中获得广泛应用;该团队还将THY/2-羟丙基-β-环糊精(HPβCD)包合物与壳聚糖/聚己内酯(CS/PCL)制成纳米纤维膜,能在240 h内持续稳定的释放THY,具有良好的体内外抗真菌活性[38]

    表  1  SBS制备抑菌活性食品包装的现有研究
    Table  1.  Existing research on the preparation of antibacterial active food packaging by solution blowing spinning
    聚合物 抑菌活性物质 参考文献
    聚乳酸 来自O. basilicum
    O. gratissimum的精油
    [34]
    聚乳酸 来自A. speciosaC. flexuosus的精油 [40]
    聚乳酸 来自Sucuk香料的精油 [36]
    聚乳酸/聚乙二醇 薄荷精油 [35]
    鱼皮明胶/卵磷脂 肉桂醛 [41]
    乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 [25]
    共价有机骨架/聚己内酯 百里酚 [37]
    聚二甲基硅氧烷 银纳米粒子 [42]
    聚苯乙烯 橙子油 [43]
    2-羟丙基-β-环糊精/壳聚糖/聚己内酯 百里酚 [38]
    氮化硼纳米片/聚己内酯/壳聚糖 [39]
    聚氨酯/聚乙烯吡咯烷酮/聚氨酯 绿原酸 [44]
    聚己内酯/明胶/聚己内酯 姜黄素 [45]
    明胶/玉米醇溶蛋白/聚氨酯 纳他霉素 [46]
    注:“−”表示未添加抑菌活性物质。
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    上述研究中除由THY提供抗菌活性外,作为高分子聚合物原料之一的CS也具有杀菌活性。这是另外一种使食品包装具有抑菌活性的方式,即不添加外来抑菌活性物质,直接通过聚合物原料生产的纤维达到抑菌效果。上述团队还运用SBS开发了氮化硼纳米片/聚己内酯/壳聚糖(BNNS/PCL/CS)复合包装材料,即使未加入抑菌活性物质,该材料仍具有良好的导热性能和抑菌活性,可用于果蔬冷链包装[39]。部分纤维即使不存在抑菌活性,也可通过物理吸附的方式实现对微生物的清除和抑制,Teno等[25]的研究结果表明,不同浓度的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)聚合物溶液,经SBS后所产生的纤维形态不同,导致其对大肠杆菌细胞的粘附性能也发生改变,进而影响抑菌效果。

    食品的氧化极大缩短了食品的货架期,在对食品的抗氧化对策中,主要考虑两大方向:采用低温、隔绝空气、避光等物理方法;通过添加抗氧化剂的化学方法。纳米纤维的包装材料可通过物理和化学方法相结合达到抗氧化效果,即在隔绝外界氧气与光线的同时,还负载具有抗氧化性能的物质。目前了解到的SBS制备的抗氧化活性食品包装材料都是通过负载活性物质,使包装材料获得抑菌活性的同时兼具抗氧化活性。

    不同来源的精油依然是目前研究最多的活性物质[3436],精油的抗氧化活性由直接清除DPPH、OH等自由基或清除生成自由基的物质,这两种途径来实现。精油在食品包装中应用最大的难题是不稳定,将其负载在纳米纤维中可以有效解决这一问题。Mendes等[35]通过SBS制备的聚乳酸/聚乙二醇/薄荷精油(PLA/PEG/PO)包装材料,对草莓表现出良好的防腐和保鲜效果,研究结果表明尽管该纳米纤维中PO对DPPH自由基的清除率为39%~45%,且随着PO浓度的增加,抗氧化活性也随之增强。非精油的抗氧化物质也可以被负载在SBS生产的纳米纤维中,非精油的物质大部分比较稳定,但在纳米纤维中,其活性作用时间得以延长,如Shen等[44]将绿原酸(CGA)负载到聚氨酯/聚乙烯吡咯烷酮/聚氨酯(PU/PVP/PU)三明治结构的纤维纳米膜中,该膜保留了CGA的抗氧化和抗菌活性,在144 h里,夹心结构使CGA由突发释放转变为长期的缓慢释放。

    构建食品安全追溯体系是保障食品安全的重要途径。食品传感器作为一种智能食品包装,能够通过对外界条件的响应对食品的温度、pH、微生物、农药残留、CO2产生情况等进行实时监测,并将检测到的信息通过转换元件实现可视化。食品产业中应用较多的是化学传感器和生物传感器。Miranda等[47]将溴百里酚蓝(BTB)指示剂加入到聚苯乙烯纳米纤维(PSNF)材料中,制得葡萄酒pH传感器,该包装通过纳米传感区使包装材料的颜色发生改变用作指示食品pH值的变化。Paschoalin等[48]研究出一种非酶式可穿戴农药检测传感器,能检测农作物和食品表面的氨基甲酸酯和双吡啶类农药,该传感器的电极系统采用SBS生产的PLA纤维作为基板,以满足可穿戴传感器生物相容性、生物降解性和柔性的要求。

    缓释是指通过一定的方法使药物、活性成分或营养物质缓慢释放,从而使作用时间延长的过程。在食品工业中,缓释食品技术能延长食物分解周期和人体吸收时间。近年来将SBS用于缓释系统的研究在食品中也愈加广泛。

    大部分食品的腐败和氧化主要发生在食品贮藏的中后期,为了使具有抑菌抗氧化活性的物质的活性能够在包装材料中长时间发挥作用,往往需要合适的纳米纤维将活性物质包埋,以避免活性物质过早的被氧化或挥发,这样的缓释系统通常可以使活性物质在食品贮藏的全过程中发挥作用。使用SBS将活性物质包埋以达到缓释效果的研究目前主要集中在食品包装膜领域,在前一节中已做过部分介绍。Cai等[45]采用SBS研发了以PCL为外层、姜黄素(CUR)/明胶(GL)为夹层的三明治结构膜,该膜能连续释放姜黄素长达312 h,膜的夹层结构并不影响CUR的抗菌性能,其抗菌效果与负载CUR的单层膜相当。Shen等[46]采用SBS技术快速制备了明胶/玉米醇溶蛋白/聚氨酯(PU)复合纳米纤维,该纤维可通过菲克扩散提供持续240 h的纳他霉素的连续释放,缓释系统的建立在延长纳他霉素释放时间的同时也解除了纳他霉素用作食品防腐剂的限制,如水溶性低和光稳定性差等。

    口服药物和外用药物可通过缓释系统能将药物的作用时间延长、提高药物水溶性、减少给药频率、降低毒性。药物递送系统的原料和工艺的选择需充分考虑对药物负载、储存和释放动力学的影响,SBS为药物递送系统的构建提供了更多的可能性。药物递送系统与食品领域的关联主要体现在两方面:保健食品在消化系统中的给药;在外用药物的缓释系统中运用食品基的原料,以提高药物的安全性和生物相容性并降低成本。对前者而言,SBS的纳米纤维可作为载体,为水溶性差的保健食品提供即时或延迟的溶解[49];对后者而言,纳米纤维的应用更加广泛,而食品基原料(如蛋白质、多糖)的纳米纤维可与药物分子之间产生相互作用,加之多孔柔软的结构特性,使其在伤口外敷辅料的应用上具有广阔的前景。Defrates等[50]通过SBS制造了玉米醇溶蛋白纳米纤维网,玉米醇溶蛋白从无规卷曲网络转变为α螺旋结构,药物在纳米纤维网中可以长时间持续释放,释放药物后,蛋白质纤维恢复到其原始的无规卷曲网络,结果显示,该药物在1 d后的释放量不超过50%。

    过滤是食用油、酒类、果蔬汁、乳品等食品加工中的重要工序。在大部分食品,尤其是液态食品的工艺流程中,过滤材料发挥着吸附杂质、除菌、稳定等作用。SBS纳米纤维材料比表面积大、孔隙率高、可排列性强,经常在食品工业中被用作过滤材料。

    水是食品生产中的用途最广泛、使用量最大的原料之一,水的质量直接影响到食品的安全与品质,对水进行过滤已成为一道必要的工序。与离子交换等方法相比,纳米纤维膜无需添加其他化学物质即可实现过滤,若添加外来物质还能实现杀菌效果。SBS可对纳米纤维的孔径进行调节,从而针对不同体积的污染物进行超滤、纳滤处理。Alvarenga等[51]以甘蔗渣粉煤灰(SBFA)为改性剂,通过SBS固定在在聚酰胺6纳米纤维复合膜(PA6)中,经CO2活化后,该膜对亚甲基蓝(MB)的吸附量较未经活化的要高出86%,这种纳米膜可作为高效、低成本的吸附膜,用于除去水中的各种污染物。之后该团队又基于相同的原料,使用水热和焦糖化路线来生产具有高吸附容量的纳米纤维膜,可用于吸附水中的生物和食品残留物[52]

    空气组分是食品生产中需要考虑的一项指标,在发酵食品、无菌包装、烘焙食品等的生产环境中空气质量的控制尤为重要,此外食品生产中产生的废气也需及时处理,以免回流到食品生产区对食品造成污染。近年来利用SBS开发的空气过滤材料比表面积高、孔径小、空气阻力低,提高食品生产区域的空气洁净度提供了借鉴。Dadol等[15]将聚丙烯腈(PAN)和醋酸纤维素(CA)通过SBS成功制成了一种即用膜,这种膜具有作为空气净化、废水处理、生物精炼的过滤器和吸附膜的潜力。食品在熏制、烧烤的过程中有害气体及颗粒物会附着在食品表面从而造成食品安全风险,Jia等[53]借助SBS开发了一种Al2O3-ZrO2(稳定态)亚微米纤维空气滤纸,合成的空气滤纸能够在高达1100 °C的温度保持热稳定性,并且在6 h的过滤测试中,过滤效率保持在99.3%以上,完全可以满足食品热加工过程中对空气的过滤要求。

    由于不同食材与材料之间的非极性的油或脂肪和极性的水之间互不相容,未经分离的油水会导致食品质地和口感变差以及热量的增高,因此油水分离成为许多食品在加工过程中的必要工序。此外,在食品工厂和餐饮店的废料处理过程中,经油水分离后处理将更加简单高效。膜过滤相比较于传统的沉淀、离心、吸附等方法,可在一定程度上避免二次污染的发生,但是也存在所需压力高和流通量低的缺陷。而纳米纤维膜凭借其高孔隙率和比表面积的特点,不仅能分离小油滴还具有较高的流通量。Liu等[54]使用SBS技术构建了表面嵌入聚多巴胺簇的纳米纤维膜,通过多巴胺在膜表面的进一步水解和聚合,获得超亲水、水下超疏油的分级表面结构。分级表面结构增强了膜在空气中的超亲水性(≈0°)和水下疏油性(≈160.2°)。该膜可以有效分离油水乳液,在仅在重力作用下实现高渗透通量(1552L m−2h−1)和高分离效率(最高可达到99.86%)。Bang等[7]使用SBS技术生产超疏水聚丁二酸丁二醇酯(PBS)非织造织物,以实现高效油水分离,PBS纳米纤维对大豆油的吸附值为18.7 g/g,在水包油乳液的分离过程中,分离效率高达98.1%以上。

    作为一种高效、专一的生物催化剂,酶的应用几乎已渗透到食品工业中的各个方面。由于利用纺丝技术使酶固定化通常是通过将酶包埋在微纳米球形结构或负载在不溶性的惰性材料上实现的,固定化酶相较于游离态酶具有稳定性强、可终止催化、可回收并重复利用、可减少食品的蛋白质污染等[55]优点。酶分子与聚合物分子通过共价键结合是实现酶固定化的另一种方式,由于共价键的强作用力,这种方法有利于形成更稳定的构象[55]。使用静电纺丝进行此类研究的报道较多,目前关于使用SBS通过共价键结合的方法制备固定化酶的相关研究却鲜有报道,但因其更高的生产速率,SBS已成为酶固定化领域取代静电纺丝的理想手段。

    目前利用SBS来实现酶固定化的大部分研究是通过包埋手段完成的。Asaduzzaman等[56]使用SBS将蛋白酶包埋在聚(环氧乙烷)(PEO)中,固定化的蛋白酶保留了超过90%的游离酶活性,并具有良好的储存稳定性。固定化酶经常被用于食品检测中,尤其是在便携式生物传感器的制造具有一定优势,El-Newehy等[57]利用SBS将脲酶(U)和三氰基呋喃腙(TCFH)分子探针包埋在海藻酸钙纳米颗粒中,并固定在纤维素纳米纤维(CNF)上,从而制备了一种纤维膜比色传感器,可用于食品中尿素的检测。

    SBS技术作为一种利用高压气体喷射高聚物溶液、生产微纳米纤维的新型纺丝技术,对材料的限制性少,制备的纤维拥有独特的形态结构,所需设备简易,生成速率高,使其在食品包装、缓释系统、过滤材料以及酶的固定化等方面均具有显著的优势和良好的应用前景。但SBS技术要进入规模化生产,其在纤维形态的稳定性和质量预测、使用的聚合物与其他物质复合作用的机理、复合比例、在不同的应用场景如何实现功能成分良好的固定效果等方面,还有待深入研究,以为SBS在食品工业和其他领域在可控制备和大规模生产方面提供理论指导,推动该技术的高值化利用。

  • 图  1   SBS技术原理示意图[9]

    Figure  1.   Schematic diagram of the principle of solution blowing spinning[9]

    表  1   SBS制备抑菌活性食品包装的现有研究

    Table  1   Existing research on the preparation of antibacterial active food packaging by solution blowing spinning

    聚合物 抑菌活性物质 参考文献
    聚乳酸 来自O. basilicum
    O. gratissimum的精油
    [34]
    聚乳酸 来自A. speciosaC. flexuosus的精油 [40]
    聚乳酸 来自Sucuk香料的精油 [36]
    聚乳酸/聚乙二醇 薄荷精油 [35]
    鱼皮明胶/卵磷脂 肉桂醛 [41]
    乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 [25]
    共价有机骨架/聚己内酯 百里酚 [37]
    聚二甲基硅氧烷 银纳米粒子 [42]
    聚苯乙烯 橙子油 [43]
    2-羟丙基-β-环糊精/壳聚糖/聚己内酯 百里酚 [38]
    氮化硼纳米片/聚己内酯/壳聚糖 [39]
    聚氨酯/聚乙烯吡咯烷酮/聚氨酯 绿原酸 [44]
    聚己内酯/明胶/聚己内酯 姜黄素 [45]
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    注:“−”表示未添加抑菌活性物质。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-18
  • 网络出版日期:  2024-04-21
  • 刊出日期:  2024-06-14

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