用于水果保鲜的羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维的静电纺丝

背景

食品保护膜和涂层的发展从物理或机械处理转向化学保护。人们关注蛋白质、脂类和多糖等最具可食用性的生物材料，而不是塑料、纸和石蜡等传统保护膜[1, 2]。随着环保意识的增强，食用涂层和薄膜可广泛应用于食品中，尤其是需要高效保鲜的水果和蔬菜。简单地涂上一层薄薄的具有某些特定特征的膜也可以达到更好的效果[3]。壳聚糖具有可生物降解、生物相容性、抗菌活性、无毒、多功能的化学和物理特性 [4, 5] 以及其独特的抗菌性、抗腐性和成膜性，是一种极好的天然食品，它已广泛应用于医药、纺织和食品领域 [6,7,8,9]。特别是壳聚糖可以从自然界中分布广泛且丰富的蚕、虾、蟹壳等原料中提取[10]。

静电纺丝可以连续制造柔软的纳米纤维膜 [11, 12]，可以为水果提供温和的保护。这可能有助于解决草莓、樱桃番茄、金橘等部分水果的储运问题。有了一层柔软的纳米纤维，可以保护水果表面免受外界入侵，如细菌的引入和划痕。在几项研究中，使用浓乙酸溶液作为静电纺丝壳聚糖纳米纤维的溶剂，并使用去离子水作为溶剂制备羧甲基壳聚糖 (CMCS) 电纺纳米纤维 [13,14,15]。水溶性聚氧乙烯 (PEO) 也加入到 CMCS 溶液中作为优化静电纺丝工艺的辅助剂 [16]，被公认为无毒聚合物 [17,18,19]。

最近，报道了一种基于壳聚糖的水果保鲜策略，通过将壳聚糖溶液涂在水果表面形成湿膜，但存在几种基于静电纺丝的纤维膜评估方法 [20,21,22]。然而，湿涂层膜使果皮与空气中的水分接触，从而为细菌生长和水分流失提供了机会。此外，这种包衣方法需要在整个过程中进行干燥，这进一步对水果造成了潜在的损害。在这项工作中，我们利用一种新型手持式静电纺丝装置制备无毒且可食用的 CMCS/PEO 纳米纤维薄膜（图 1）[5, 23]。本研究旨在评估壳聚糖纳米纤维薄膜在水果保鲜中的潜在应用，提高传统涂层的质量，延长草莓的保质期。

草莓保鲜用CMCS/PEO纳米纤维膜的制备方法示意图

方法/实验

材料

有机种植的食用草莓在崂山区（中国青岛）收获，并尽快带到实验室；涂层前去除残留物。选择的草莓是那些没有机械危害划痕且大小、形状和成熟度相似的草莓。具有 95% N-脱乙酰作用的 CMCS（Mw 80,000 ~ 250,000）购自奥多福尼（中国南京）。 PEO (Mw ~ 5,000,000)购自阿拉丁。

纺丝液的制备

表 1 显示了包含 CMCS、PEO 和去离子水的混合溶液的不同比例的详细信息。简而言之，将 3.0 g CMCS 分别与 0.16 g、0.20 g 和 0.25 g PEO 混合。然后，将它们放入一瓶 100 毫升的 40.0 克去离子水中。室温下磁力搅拌约 4 小时，直至溶液变得透明均匀。

纳米纤维膜的制备

复合纤维膜的制备如下：40% 的相对湿度，注射器针头到收集器的距离为 20 厘米，施加的纺丝电压为 20 kV。在这项工作中，由青岛君达科技有限公司设计的手持式静电纺丝装置用于制备CMCS/PEO纳米纤维膜。图1为制备工艺及静电纺丝过程示意图。

电纺膜的特性

通过扫描电子显微镜（SEM；Phenom Pro）表征纳米纤维的形态和直径。聚合物分子间结构由傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪 (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham) 确定。透气性通过气体透过率测试仪（FX 3300; Zurich）测量。

准备保存过程

将草莓随机分成四组。每组有六个草莓在培养皿中。第一组完全暴露在大气中作为空白对照组。第二组用普通家用聚乙烯塑料薄膜包裹。第三组用静电纺丝溶液（PEO：CMCS =1：20）涂漆，形成一层釉面外的保护层。在这组中，样品被小心地干燥以形成保护膜。此外，电纺 CMCS/PEO 纳米纤维膜用于覆盖最后一组。最后，将这些组置于室温、无阳光下，每天同一时间观察、记录。图2为草莓保鲜示意图。

各组草莓保鲜示意图：a 培养皿空白对照组，b 用塑料薄膜覆盖的培养皿中的组，c 在单个草莓表面涂上 CMCS/PEO 溶液涂层，并且 d 电纺CMCS/PEO纳米纤维膜覆盖培养皿组

结果与讨论

形态分析

虽然纯CMCS溶液粘度高，可达400-800mPa·s，但仍难以通过静电场形成纤维。障碍源于几丁质和壳聚糖的分子结构和溶解性，特别是对于 CMCS。为此，将促进纤维形成的多元醇粘合剂如 PEO 添加到 CMCS 溶液中。在施加电压下，CMCS/PEO 溶液在 2.5-7.5 wt% 的浓度范围内观察到清晰的泰勒锥（图 1）。图 3 显示了不同比例的复合 CMCS/PEO 纤维的 SEM 图像和纤维直径分布。这些复合纤维具有圆柱形形态，纤维直径约为 130-400 nm。

a溶液中静电纺丝的SEM图像和纤维直径分布 PEO：CMCS =1:24，b PEO：CMCS =1:18 和 c PEO：CMCS =1:12

当少量 PEO 与 CMCS 混合时，如图 3a 所示（PEO：CMCS =1:24），纤维更细且不均匀，直径为 130-280 nm。对于含有 PEO 的溶液：CMCS =1:18，平均纤维直径约为 210 nm，在图 3b 中观察到相对粗纤维之间的一些粘合。随着 PEO 的比例增加（PEO:CMCS =1:12），获得了平均直径为 290 nm 的相当均匀的纤维（图 3c）。选用PEO/CMCS比例为1:12的纳米纤维膜作为包装膜，因为1:12的PEO/CMCS溶液粘度更适合静电纺丝，更容易形成完整的纳米纤维膜覆盖SEM图显示，电纺薄膜的微孔大小均匀，呼吸强度更均匀。

红外光谱

图 4 显示了电纺 CMCS 粉末和 CMCS/PEO 复合纳米纤维的 FTIR 光谱。原始 CMCS 的频率和分配如下所示：1320 cm ^-1 处的峰值 , 1137 厘米 ⁻¹ , 和 1050 cm ^{− 1} 分别来自CMCS的C-H弯曲振动、糖苷键C-O-C和C-O伸缩振动。在光谱中，新峰位于 1603 cm ⁻¹ 羧酸盐的特征（-COO-不对称和对称拉伸）出现，而肩峰在1650 cm ^-1 表示氨基。尽管观察到两个数字存在一些差异，但它们都在 3423 cm ^-1 处显示了 CMCS 的基本特征峰 （O–H 拉伸）和 2960–2970 cm ⁻¹ （C-H 拉伸）。可见加入PEO后FTIR光谱没有变化，说明CMCS粉末与CMCS/PEO的结构没有明显变化。

a 的 FTIR 光谱 电纺CMCS粉末和b 电纺CMCS/PEO复合纳米纤维膜

透气性测试

许多研究发现，渗透性是水果保鲜的重要因素。微孔膜可以促进包装内外的气体交换，调节O2和CO2的浓度，使包装好的果蔬有一个良好的储存环境，从而保证其质量或受到的影响较小[24]。保鲜膜具有一定的透气性，可以在密闭空间内保持适当的CO2浓度。贮藏气氛的形成可以抑制蔬菜的呼吸作用，延长保质期。透气性太高，容易使包装含氧量过高，加速水果的呼吸，老化速度加快，褐变、褪色严重[25]。同样，透气性差或气密性差会导致果实厌氧产酒精，最终加剧果实腐烂。 [26]。显然，纳米纤维膜的渗透性随着膜厚度的增加而降低。本实验选用比例为1:12的PEO/CMCS复合纳米纤维膜和塑料薄膜进行渗透性测试。这里使用的设备的基本测试原理如下（图 5a）。控制圆管两端的气压差，本例中为 200 Pa。然后测量出风口的空气流量，这样空气阻力越大，风速越低。在相同情况下，保鲜膜的测量结果为 0 mm s ^-1 .根据文献，我们知道尼龙等面料的透气性在100~300mm s ⁻¹ 平均 [27]。在 200 Pa 和 20 cm ² 的测量中 ，PEO/CMCS复合纳米纤维的实测值均匀分布在40-50 mm s ⁻¹ （图 5），表明 CMCS/PEO 复合膜具有均匀的透气性。在该测试中，平均薄膜厚度为 0.108 毫米。一般来说，这种透气性适合用作具有保鲜功能的包装材料。

a的透气性 实验装置示意图和b 透气度为1:12的PEO/CMCS纳米纤维膜。数据集中在 45 毫米 s ⁻¹ .红线是眼睛的指南

抗菌测试

目前，许多研究集中在壳聚糖的抗菌性能上，而对CMCS的抗菌性能研究较少。壳聚糖对大肠杆菌等多种细菌和真菌有显着抑制作用 和金黄色葡萄球菌 ，两者都是水果腐败的罪魁祸首[28]。据调查，虽然CMCS的抗菌能力与其浓度不成正比，但CMCS在适当的浓度下表现出最强的抗菌能力[29]。特别指出CMCS的氨基在CMCS溶解在溶液中后，可以通过结合阴离子而抑制细菌[30, 31]。从抑菌的角度来看，电纺 CMCS 纳米纤维适合作为抗菌食品包装材料，即使它们的水溶性限制了其应用范围。如图 6 所示，我们使用 大肠杆菌 对滤纸和 CMCS 纤维膜进行了抗菌实验 和金黄色葡萄球菌 ， 分别。结果表明，CMCS/PEO纳米纤维膜对这两种细菌都有明显的抑制作用，经过18小时的训练后形成了广泛的抗菌环。然而，两个对照组在（a）和（b）中没有任何抑菌作用。值得注意的是，由于 CMCS 的水溶性和流动性，图 6c、d 中的抑菌环不均匀。

CMCS/PEO纳米纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制作用 . 一 金黄色葡萄球菌 带滤纸（对照），b 大肠杆菌 带滤纸（对照），c 金黄色葡萄球菌 使用 CMCS/PEO 纳米纤维和 d 大肠杆菌 CMCS/PEO纳米纤维

减肥百分比

失重率可由下式计算：

失重(%) \( =\frac{M_0-M}{M_0}\times 100\% \),

其中 M 0 是草莓的鲜重（草莓存放 0 天），M 是存放不同天数的样品重量。

在不同的储存时间测量不同处理组的重量。如图 7 所示，空白对照组体重减轻加速，这可归因于水果代谢活动的增加。与空白对照组相比，塑料薄膜包裹处理的水果由于塑料薄膜的致密性，其失重很低。显然，我们关注的是失重较严重的CMCS/PEO涂膜组。在这种情况下，尽管形成了 CMCS/PEO 层，但它会导致水分和水果表面之间发生物理和直接接触。两者接触，水分破坏了水果最外层的天然保护层，进而导致内部失水速度加快。对于电纺CMCS/PEO纳米纤维薄膜覆盖的组，与空白对照组相比，表现出较好的保水性，原料水溶性对薄膜的影响不大。

不同组别草莓常温贮藏失重率

水果保鲜测试

在水果保鲜方面，感官特性显然是作为评价标准的一个重要特征。这四个样品的初始（第 0 天）感官特性（颜色、气味和质地）呈现为相同程度的一致性（图 8a）。从图 8 中可以看出，在整个储存过程中，所有处理的颜色都有不同程度的变暗。空白对照组最初饱满有光泽的外观已基本消失，70%的果实已开始腐烂，原因是草莓去皮薄，汁液丰富，极易受机械损伤，尤其是失水。应用实例表明，体积明显缩小到一定程度，质量从 19.59 克下降到 11.10 克（图 8b）。 PE包装纸对预防和控制脱水的管理有一定的意义。在图8c中，草莓已经枯萎了一些，颜色变暗，并且个体出现了霉变。值得注意的是，CMCS/PEO 油漆涂料组主要是变黑和变褐（图 8d）。褐变主要是由于抗坏血酸的氧化降解。如上所述，油漆涂层的那组水果的表皮已经被破坏，水果的覆盖层看起来很糟糕，如表皮不光滑，收缩严重，但没有任何腐烂。结果表明，电纺 CMCS/PEO 纳米纤维膜可有效预防疾病和腐烂，并改善图 8e 中贮藏水果的外观。和其他组一样，这组的草莓也有一点缩水和香味。产生异味的原因一般与微生物增殖和糖分积累有关。

最初的草莓a 以及不同处理对相同大小草莓在常温下储存 6 天后外观的影响：b 空白控件，c 用塑料薄膜保护，d 受 CMCS/PEO 油漆涂层保护，并且 e 电纺CMCS/PEO纳米纤维薄膜保护

结论

总之，我们开发了一种无毒、可食用的 CMCS/PEO 纳米纤维膜，它不仅具有优异的抗菌性能，而且通过手持式静电纺丝装置还具有令人赞叹的透气性。 CMCS/PEO纳米纤维膜对大肠杆菌均表现出抗菌能力 和金黄色葡萄球菌 .测量的气体渗透率为 40-50 毫米 s ^-1 在 200 Pa。这些结果表明 CMCS/PEO 纳米纤维膜可能适合作为水果的包装材料。与典型的常规涂层相比，纳米纤维薄膜可能具有潜在的适用性。这种环保技术可能为水果的种植、运输和销售提供一种替代方法。

缩写

CMCS：

羧甲基壳聚糖

FTIR：

傅里叶变换红外

PEO：

聚氧化乙烯

SEM：

扫描电镜