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東北農業(yè)大學王輝博士等：豌豆分離蛋白/普魯蘭/大蒜素復合靜電紡絲納米纖維材料的制備及抑菌性

2023-12-19 22:56:15

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隨著材料科學和納米技術的迅速興起，靜電紡絲技術制備納米纖維抗菌材料已經成為近幾年的研究熱點。靜電紡絲技術是負載抗菌物質制備納米包裝材料的理想方式。豌豆分離蛋白（PPI）可與多糖復配用于功能性食品和生物材料領域。普魯蘭多糖（PUL）是一種優(yōu)異的天然助紡材料，具有良好的黏合性和優(yōu)異的成膜性。將PPI與PUL復合可提高電紡溶液的可紡性和成膜性。大蒜素（AC）是大蒜中廣泛存在的一種具有抑菌活性的有機硫化合物。研究表明AC對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都具有明顯的抑制效果。但是AC穩(wěn)定性差，容易受到氧化劑、光和熱等因素的影響而分解。而納米技術可以用來提高AC的穩(wěn)定性、溶解度及生物利用率。

然而，目前鮮見關于利用靜電紡絲技術包覆AC的相關報道。基于前期工作，東北農業(yè)大學食品學院的賈惜文、劉九陽、王輝*等研究利用靜電紡絲技術成功制備具有抑菌效果的PPI/PUL/AC復合納米纖維材料，重點考察AC添加量對納米纖維結構特性、形貌特征、直徑分布以及抑菌效果的影響。制備工藝操作簡便、條件溫和、綠色高效，為新型活性食品包裝材料的研究與開發(fā)提供理論依據和技術指導。

01 不同AC添加量PPI/PUL/AC復合納米纖維紅外光譜分析

如圖2所示，首先，PPI/PUL/AC復合納米纖維中顯示了PUL特征峰，3342 cm^－1對應于O—H的拉伸振動，該吸收譜帶受分子間或分子內氫鍵影響較大；2 926 cm^－1對應C—H鍵的伸縮振動。其次，1 533 cm^－1和1 350 cm^－1分別是蛋白酰胺II帶和酰胺III帶的特征峰，且這些特征峰在所有復合膜中均存在，表明復合膜中蛋白和多糖之間存在相互作用，并較好地復合在一起。此外，純AC的FTIR光譜在920、1 017、1 423、1 633、3 080 cm^－1處顯示出特征峰，分別對應于官能團是C—H彎曲、C—O伸縮振動、C—N伸縮振動、C＝O伸縮振動、O—H伸縮振動。與此同時，在PPI/PUL/AC共混體系中，同樣觀察到了920、1 017、1 423、1 633 cm^－1的AC特征峰，表明AC與PPI/PUL共混溶液之間存在分子間或者分子內的相互作用，證實這3 種物質在納米纖維中同時存在。

02 不同AC添加量PPI/PUL/AC復合納米纖維形貌及直徑分析

圖3和表1為復合納米纖維膜的微觀形貌及其直徑分布情況。由圖3可以看出，納米纖維呈隨機定向分布，隨著溶液中AC添加量增大，納米纖維的直徑呈現逐漸減小的趨勢（P＜0.05），而“球形”結構逐漸增多且尺寸也逐漸增大（P＜0.05）。這是由于靜電紡絲過程中溶劑的迅速蒸發(fā)，導致纖維中形成“球形”結構，這也證實了AC成功被包裹在PPI/PUL納米纖維中，形成核-殼結構。研究表明，小分子生物活性物質的濃度對纖維中“球形”狀結構的密度和尺寸起重要作用。

03 不同AC添加量PPI/PUL/AC復合納米纖維力學性能分析

從表2可以看出，納米纖維膜的彈性模量和拉伸強度隨AC添加量增加呈先升高后下降的趨勢，且當AC添加量為15%時達到最大值，其彈性模量和拉伸強度比未添加AC的納米纖維膜分別提高了68.35 MPa和1.98 MPa，這表明AC的加入可適當提高納米纖維膜的力學性能。當AC添加量為20%時，納米纖維膜的力學性能有所降低，這主要是因為AC含量太高，易發(fā)生聚集行為，降低了復合纖維體系的分散性，使得力學性能下降。

04 不同AC添加量PPI/PUL/AC復合納米纖維抑菌性能分析

圖4表明，當AC添加量為5%時，對于大腸桿菌和金黃色葡萄球而言，納米纖維膜均未出現抑菌圈。AC添加量為15%的納米纖維膜對金黃色葡萄球菌表現出最大抑菌圈（12.8 mm），AC添加量為20%的納米纖維膜對大腸桿菌表現出最大抑菌圈（16.5 mm），與15% AC添加量相比，僅增加0.3 mm。

從圖5可以看出，隨著納米纖維膜中AC添加量的增多，細菌菌落的數量減少，復合納米纖維膜對細菌的抑制率明顯提高（P＜0.05）。當納米纖維膜中AC添加量為15%時，抑制率最大（大腸桿菌抑制率91%，金黃色葡萄球菌抑制率86%），此時菌落數最少。這表明AC添加量大于15%的PPI/PUL/AC納米纖維膜具有抑菌作用，而AC添加量較低的納米纖維膜則對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率較低甚至沒有抑菌作用。該研究結果表明PPI/PUL/AC復合納米纖維膜具有抑菌活性。利用靜電紡絲制備的復合納米纖維膜具有抑菌活性，可用于食品包裝領域。

05 結論

利用靜電紡絲技術成功制備了PPI/PUL/AC抗菌納米纖維膜。FTIR證實納米纖維中存在AC，通過分析納米纖維膜的性質可知，隨著AC的加入，納米纖維會出現一些“球形”結構，“球形”數量隨著AC添加量的增大而增多。同時，AC的復合可顯著提高納米纖維膜的力學性能，當AC添加量為15%時，納米纖維膜的力學性能最佳。抑菌性能測試結果表明，包覆AC的納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用，特別是當AC添加量達到15%及以上時，納米纖維膜的抑菌作用顯著。利用靜電紡絲制備的抗菌納米纖維在食品包裝領域具有潛在的應用前景。

本文《豌豆分離蛋白/普魯蘭/大蒜素復合靜電紡絲納米纖維材料的制備及抑菌性》來源于《食品科學》2023年44卷第16期121-126頁，作者：賈惜文, 劉九陽, 王靜杰, 等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220602-018。

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