一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于食品防腐保鲜材料技术领域，具体涉及一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜、其制备方法及应用。

背景技术

水产品脂肪含量低、蛋白含量高，是人类优质蛋白的重要来源，在国民膳食和渔业经济中占据主要地位。但是由于冷链运输技术还不成熟，水产品在贮藏、运输、加工和销售过程中腐败损失率高达15％，造成极大经济损失和资源浪费。

荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)是多种冷藏水产品的特定腐败菌。研究表明，荧光假单胞菌的多种与食品腐败相关的特性受到其群体感应系统的调控。因此，干扰其群体感应系统，可能为消除细菌的耐药性，延长水产品的货架期提供可能的途径。

柠檬醛具有极强的群体感应抑制活性，且柠檬醛是一种天然产物，存在于柠檬草油，柠檬油、白柠檬油、柑桔油、山苍子油、马鞭草油中，也是国家规定为允许使用的食用香料，主要用于配制柠檬、柑橘和什锦水果型香精，亦为合成紫罗兰酮的主要原料。但是柠檬醛不溶于甘油和水、易氧化性、不稳定性等属性降低了其生物利用度并限制了其在食品保鲜方面的应用。

静电纺丝是一种利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备纳米纤维材料的新技术。静电纺丝技术过程简单、条件温和，所制备的纺丝纤维尺寸小，直径从几纳米到几微米，且具有功能性多、孔隙率高、比表面积大等优点，可以将活性物质包埋起来，不仅能够保持物质的活性，而且可以实现所包埋的活性物质从包装材料到食品表面的缓慢释放。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜、其制备方法及应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜，制备方法如下：

将聚乳酸壳层纺丝液与柠檬醛芯层纺丝液分别置于注射器中，设置静电纺丝的参数为：聚乳酸流速：0.005～0.01mm/min，柠檬醛流速：0.2～0.4mm/min；正电压为24.58～26.76kV，负电压1.64～1.83kV；用锡箔纸进行接收，接收距离15～20cm，接收时间2～3h，即得聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜。

静电纺丝参数聚乳酸流速、柠檬醛流速、正电压、负电压、接收距离及接收时间影响静电纺丝膜的均一性、厚度及对食品的保鲜能力。通过对静电纺丝过程参数进行实验，发现聚乳酸流速增高，静电纺丝膜的壳层厚度增加，从而导致芯层材料柠檬醛的释放时间增加，因此聚乳酸流速为0.005～0.01mm/min；柠檬醛流速增加，导致芯层材料浓度增加，生成的纤维出现较多的断裂现象，因此柠檬醛流速范围为0.2～0.4mm/min；纺丝过程中，电压、接收距离也会影响纺丝直径，纺丝电压越大，直径越细，纺丝距离越大，纺丝纤维直径越大。纺丝时间直接影响纺丝膜的厚度，时间越长，厚度越大。综合考虑纺丝膜稳定性及保鲜性，确定纺丝参数正电压为24.58～26.76kV，负电压1.64～1.83kV；用锡箔纸进行接收，接收距离15～20cm，接收时间2～3h。

在一个具体的实施例中，所述聚乳酸壳层纺丝液是将聚乳酸加入二氯甲烷和DMF混合溶液中，搅拌溶解后超声制得。

在一个具体的实施例中，所述超声的功率0.1W·cm

在一个具体的实施例中，所述聚乳酸壳层纺丝液的浓度为质量分数9～12％。聚乳酸壳层纺丝液的浓度影响纺丝膜的直径，从而影响对水产品的防腐保鲜效果。对不同浓度聚乳酸溶液进行纺丝，发现随着聚乳酸浓度的增加，纺丝液粘度、纺丝膜的直径增大，纺丝液粘度增大会影响纤维的可纺性。综合考虑纺丝膜的可纺性和保鲜性能，选择聚乳酸壳层纺丝液中聚乳酸的浓度为质量分数9～12％进行纺丝。

上述聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的制备方法，步骤如下：

将聚乳酸加入二氯甲烷和DMF(体积比1:1)混合溶液中，搅拌溶解，得到质量分数为10％的聚乳酸溶液，将溶液磁力搅拌12h，超声2h(超声功率0.1W·cm

上述方法制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜在食品防腐保鲜中的应用；其中，所述的食品为水产品，例如大菱鲆、海参、大黄鱼等。

一种大菱鲆鱼肉的防腐保鲜方法，将上述方法制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜从锡箔纸上揭下后，真空干燥，然后于紫外灯下照射15min，用于包裹大菱鲆鱼肉，置于0℃下储藏。

上述方法制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜在制备具有防腐保鲜效果的食品包装材料中的应用。

一种具有防腐保鲜效果的食品包装材料，含有上述方法制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜。

本发明技术方案的优点：

本发明应用静电纺丝技术提供了一种新型的冷藏水产品包装材料，利用聚乳酸作为壳层材料，包裹群体感应抑制剂柠檬醛，制备了聚乳酸/柠檬醛同轴纺丝纤维膜，对制备的纳米纤维膜进行表征，发现其并测试其对冷藏大菱鲆的保鲜效果。本发明一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜这种新型食品包装材料对提高水产品的品质和货架期具有重要意义，且具有广阔的应用前景。

本发明制备通过静电纺丝技术制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜具有较小的孔径、较高的比表面积和孔隙率，表面光滑，没有串珠等其他缺陷，具有较好的疏水性、热性能及机械性能，还具有缓释的特性。本发明的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜能降低大菱鲆在冷藏过程中挥发性盐基氮值、脂肪氧化值，对大菱鲆的品质及新鲜度起到较好的保持作用。

本发明一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜中，所用聚乳酸是一种生物可降解材料，使用可再生的植物资源提炼出的淀粉原料制成，具有良好的机械性能、物理性能、抗拉强度、透气性、透氧性及透二氧化碳性等特性，且聚乳酸在自然界中能被微生物完全降解，生成二氧化碳和水，不污染环境，是公认的环境友好材料。而柠檬醛是一种天然植物精油，是国家标准规定的可添加至食品的安全成分，具有杀虫、抗炎、抗氧化、抗真菌等作用。因此本发明一种聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜，可以实现柠檬醛从包装材料到水产品表面的缓慢释放，对大菱鲆等水产品起到很好的保鲜作用，具有广阔的应用前景。

总之，本发明对今后开发利用含有天然群体感应抑制剂的新型食品活性包装材料提供参考与借鉴。

附图说明

图1是柠檬醛的群体感应抑制活性图；

图2是静电纺丝纳米纤维膜扫描电子显微镜图(其中，(a)聚乳酸/柠檬醛静电纺丝；(b)聚氧化乙烯/柠檬醛静电纺丝；(c)玉米醇溶蛋白/柠檬醛静电纺丝；(d)聚氧化乙烯+壳聚糖/柠檬醛静电纺丝)；

图3是聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜红外光谱图；

图4是聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜差示量热扫描法(DSC)图；

图5是聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜X-射线衍射图；

图6是聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜机械性能测试图；

图7是聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜缓释行为图；

图8是静电纺丝纳米纤维膜对大菱鲆的保鲜效果图。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中所用材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

以下实施例中，菌株C.violaceum CV026为渤海大学励建荣教授赠送，保藏于青岛农业大学特种食品研究院实验室。

实施例1柠檬醛对细菌群体感应的抑制

1、柠檬醛最小抑菌浓度的测定

柠檬醛对C.violaceum CV026的最小抑菌浓度(Minimal InhibitConcentration,MIC)测定是为了确保柠檬醛的群体感应抑制活性是由于其抑制了细菌的QS系统而不是其抑菌活性。

步骤如下：

柠檬醛用70％甲醇稀释。70％甲醇、无菌水用作空白对照。C.violaceum CV026摇床培养至OD

2、柠檬醛对细菌群体感应的抑制

报告菌株C.violaceum CV026培养至OD

结果发现柠檬醛稀释成1％(v/v)浓度对报告菌株C.violaceum CV026不显示抑菌性。从图1可以看出，C.violaceum CV026平板由于存在C6-HSL致使报告菌株产生紫色杆菌素，平板呈现紫色。当注入柠檬醛时，孔周围紫色减少的物质表明柠檬醛具有QS抑制活性，能抑制短链的信号分子(AHLs)。

实施例2

一种静电纺丝纳米纤维膜，制备方法如下：

聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的制备：将聚乳酸加入二氯甲烷和DMF(体积比1:1)混合溶液中，搅拌溶解，得到质量分数为10％的聚乳酸溶液，将溶液磁力搅拌12h，超声2h(超声功率0.1W·cm

对比例1

一种静电纺丝纳米纤维膜，制备方法如下：

聚氧化乙烯/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的制备：将聚氧化乙烯(MW＝9×10

对比例2

一种静电纺丝纳米纤维膜，制备方法如下：

玉米醇溶蛋白/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的制备：将玉米醇溶蛋白溶解于80％乙醇溶液中，搅拌溶解，配制质量分数为30％的玉米醇溶蛋白溶液，将溶液磁力搅拌12h，超声2h(超声功率0.1W·cm

对比例3

一种静电纺丝纳米纤维膜，制备方法如下：

聚氧化乙烯+壳聚糖/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的制备：将聚氧化乙烯(MW＝9×10

不同壳层材料静电纺丝纳米纤维膜扫描电镜观察

对上述实施例2和对比例1-3所述方法制备的不同壳层材料静电纺丝纳米纤维膜进行扫描电镜观察，将不同壳层材料静电纺丝纳米纤维膜剪成3mm×3mm大小，表面喷金后，用扫描电子显微镜观察纤维的表面结构。

结果如图2所示，通过对聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜进行扫描电镜观察，发现聚乳酸/柠檬醛静电纺丝直径较小，粗细均匀，纤维相互交错成网状，表面光滑，而其他材料包裹柠檬醛制成的纳米纤维膜则有串珠及其他缺陷。

对聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纤维膜进行表征

1、近红外光谱检测：将实施例2制备的聚乳酸/柠檬醛纳米纤维膜剪碎，与KBr充分研磨后用压片机进行压片，400-4000cm

结果如图3所示，其中(a)为单轴聚乳酸静电纺丝，在1734.01cm

2、热性能测试：

将3mg实施例2制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜剪碎，用TG-DSC热分析仪进行测试；结果如图4所示。图4中(a)为单轴聚乳酸静电纺丝，单轴聚乳酸静电纺丝的起始分解温度约为300℃，半分解温度(T

3、X射线衍射检测

用X射线粉末衍射仪对实施例2制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜进行X射线衍射；结果如图5所示。图5中(a)为单轴聚乳酸静电纺丝，(b)为聚乳酸/柠檬醛静电纺丝。聚乳酸单轴静电纺丝在2θ＝21.60°位置出现了较宽的衍射峰，此衍射峰为聚乳酸的特征衍射峰，表现出晶体特征。聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的结晶峰发生明显变化和较大的偏移，表明高压电流对聚乳酸的结晶结构产生了较大影响。聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的衍射峰也较宽，表明其晶体结晶效果不佳，也可能是晶区与非晶区混杂的结果。

4、机械性能测试

将实施例2制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜剪成70mm×25mm大小，用质构仪的拉力探头进行拉伸强度测试，计算纺丝纤维的拉伸强度和断裂伸长率。

拉伸强度：σt＝P/(b×d)。

σt：拉伸强度，MPa；P为试样断裂时的拉力，N；b为试样的宽度，mm；d为试样的厚度，mm。

断裂伸长率：εt＝(L-L

εt为断裂伸长率；L

图6为聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜机械性能测试图，通过计算聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜拉伸强度(σt)和断裂伸长率(εt)分别为(1.348±0.031)MPa和(32.38±0.040)％。聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜具有良好的机械性能和拉伸强度。纤维膜厚度为(0.0260±0.00127)mm，接触角为(126.60±4.31)°，为疏水材料。

5、聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜缓释行为测试

将柠檬醛配制成不同浓度的溶液，用紫外分光光度计对吸光度值进行测定，并对浓度和吸光度值进行线性回归，获得拟合方程。

精密称取实施例2制备的纺丝纤维10mg，加入10mL的PBS磷酸缓冲液(pH＝7.4)，恒温振荡，定期取样并补加同质同量的释放介质，测定吸光度值，计算药物浓度，绘制释放曲线。

结果如图7所示，由图7可以看出，游离的柠檬醛在释放初期释放很快，24h的释放速率达到了94.36％，后期释放缓慢；而聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜具有缓释行为，包裹的柠檬醛随着时间继续释放，且没有突释行为。

实施例3

聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜在大菱鲆的防腐保鲜中的应用

从水产市场购买鲜活的大菱鲆，头部击晕后去皮，取大菱鲆鱼肉切片。分别采用实施例2和对比例1、2、3制备的纳米纤维膜对大菱鲆鱼片进行包裹，用于测定其对大菱鲆的防腐保鲜的作用。将不同的静电纺丝纳米纤维膜从锡箔纸上揭下后，真空干燥，然后于紫外灯下照射15min，用其包裹大菱鲆鱼片，以不包裹纺丝纤维的大菱鲆鱼片做为对照组。将对照组和试验组的鱼片置于0℃下储藏，每3d检测对照组和试验组的挥发性盐基氮值和脂肪氧化值的变化情况。

将精确称量的大菱鲆鱼肉10g、MgO(1g)、dH

挥发性盐基氮(TVB-N)是食品在腐败过程中，由于酶和细菌的作用使蛋白质分解而产生氨以及胺类等碱性含氮物质，是反映水产品鲜度的主要指标。结果发现，包裹与未包裹静电纺丝纳米纤维膜的大菱鲆鱼片中TVB-N都随贮藏时间的延长而增加，但是包裹聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜后，大菱鲆鱼片TVB-N值增长缓慢，且增长速度缓于其他静电纺丝(图8中a)。2-留待巴比妥酸(TBA)是用于描述水产品脂肪氧化程度的一个重要指标。水产品中所含的不饱和脂肪酸与氧气反应，产生一系列醛、酮、脂肪酸等具有不愉快气味的物质，发生酸败因此，TBA值可以用来表征水产品的新鲜程度。从图8中(b)可以看出，包裹聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜的大菱鲆鱼片的脂肪氧化程度显著低于对照组，且其对大菱鲆鱼片的脂肪氧化的延缓效果优于其他静电纺丝。这可能是因为聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜能很好地包裹柠檬醛，而且可以达到缓释的效果，缓慢释放的柠檬醛作为群体感应抑制剂抑制水产品腐败菌的腐败特性，而其他组静电纺丝纤维有串珠和其他缺陷，缓释效果较差，因此对水产品的保鲜效果较差。以上结果表明，本发明的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜可以很好地维持大菱鲆鱼片在冷藏条件下的品质及新鲜度。

综上，本发明制备的聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜表面光滑，机械强度高，用绿色可降解的聚乳酸材料包裹了天然产物柠檬醛，来源广泛，价格低廉，具有良好的安全性和高效性，不仅能够阻断荧光假单胞菌的群体感应系统，抑制其腐败特性，且不会使细菌产生耐药性，在冷藏过程中聚乳酸/柠檬醛静电纺丝纳米纤维膜缓释的柠檬醛可以抑制大菱鲆鱼片在冷藏过程中与腐败相关的挥发性盐基氮、脂肪氧化值的增加，延缓水产品的腐败变质问题，对大菱鲆等水产品的保鲜具有较好的维护作用，在水产品保鲜领域具有极强的应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。