一种含植物精油的疏水性纳米纤维膜及制备方法和应用

摘要

本发明属于纳米材料和食品抗菌包装材料领域，公开了一种含植物精油的疏水性纳米纤维膜及制备方法和应用，包括如下步骤：(1)制备肉桂精油/β-环糊精包合物；(2)配制质量浓度为5％～25％的聚乳酸溶液；(3)向步骤(2)的溶液中加入5％～20％质量浓度的肉桂精油/β-环糊精包合物，搅拌得纺丝溶液；(4)将纺丝溶液吸入注射器，装上直径0.6～0.8mm针头，调整针头到接收器的距离8～20cm，电压7～25kV，纺丝溶液流速1.5～4mL/h，纺丝3～6h，干燥，得到含植物精油的疏水性纳米纤维膜。本发明具有良好的杀菌作用，且纳米纤维复合膜能很好的延长肉制品等的保质期，可作为食品包装材料。

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和疏水性食品包装材料领域，特别涉及到利用静电纺 丝技术将植物精油制备成聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜的方法 及其应用。

背景技术

随着人们对食品安全性、营养性要求的提高，消费者越来越倾向选择不 含防腐剂、无微生物污染，且能保持食品良好品质的食品包装方式。传统的食 品包装方式主要是通过物理手段隔绝外界环境和被包装食品的接触，包装材料 本身不具备任何生物活性。为了延长食品的货架期，往往需要向食品中添加大 量的防腐剂，进而带来食品安全问题。所以，如何在不改变食品品质的前提下， 减少防腐剂的添加并延长食品的货架期，给食品包装行业带来了新的挑战。在 此背景下，食品抗菌包装应运而生，它延长了食品的货架期，在食品包装行业 展现出了常规包装方式无法取代的优势。

目前，用于抗菌包装的抗菌剂种类繁多，根据化学成分的差异主要分为 无机抗菌剂、有机化学抗菌剂及天然抗菌剂三类。无机抗菌剂的优点是抗菌谱 广、耐热性强，但存在安全性低和价格昂贵等问题；有机化学抗菌剂价格便宜 且杀菌效果强，但较高的毒性及较差的耐热性限制了其在食品工业中的应用； 鉴于天然抗菌剂具有来源广泛、毒性小、抗菌范围广、生物相容性好、人们接 受程度较高的优点，目前已成为抗菌物质研究的热点。

抗菌包装的实现形式主要有以下几种形式：

(1)在包装材料内添加含有抗菌剂的抗菌小袋。该方式要求抗菌剂具有一 定的挥发性；

(2)将抗菌剂涂抹或吸附在抗菌材料的表面。这主要是因为一些抗菌剂如 溶菌酶、植物精油、细菌素和某些中草药提取物等不耐高温，可以将抗菌剂直 接涂抹在材料或者食品表面实现抗菌作用。

(3)将抗菌剂加入到聚合物溶液中，通过溶液流延法制备抗菌材料。其要 求抗菌剂必须耐高温。

(4)将抗菌剂通过共价键或者离子键固定在包装材料表面。该方法可按照 需求将所需的抗菌基团接在相应的材料上，但这种方式要求抗菌剂和包装材料 之间具有能够相互键合的官能团。

(5)通过纳米技术制备新型纳米包装材料实现抗菌包装。对于食品包装行 业来说，纳米技术是一种新的技术。目前，最常见的纳米抗菌包装材料是添加 纳米Ag、TiO₂等粒子的纳米无机抗菌材料，但此类抗菌剂存在价格高且安全 性低等缺点，作为食品抗菌包装材料受到一定的限制。随着纳米材料制备技术 发展，一些天然的抗菌剂也逐渐被添加到材料中制备成为纳米抗菌包装材料。 更高的安全性与延长食品货架期的显著成效，使得纳米抗菌包装材料成为食品 包装行业发展的主要方向之一，给商业化抗菌包装开辟了新的天地。

静电纺丝是一种简单且广泛使用的制备聚合物微纳米纤维的技术。利用静 电纺丝法所得的纳米纤维膜具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优异性能， 这些性能使其在具备高呼吸性的同时，对细菌、尘埃等微细颗粒具有良好的阻 隔性。因此，可以预见纳米纤维膜作为食品包装材料将具有广阔的发展前景。 公开号CN103266424A制备的聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜及其 制备方法和应用，其区别在于：(1)此方法中精油的稳定性欠佳，制得纤维膜 的抑菌持久性不够理想；(2)该聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜具有 较强的亲水性，会紧贴于肉制品表面，不适于肉制品等的包装。

发明内容

针对现有食品包装材料的需求，本发明的目的在于提供了一种基于静电纺 丝法制备的一种含植物精油的疏水性抗菌纳米纤维复合膜及制备方法和其在 食品包装材料领域的应用。

为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种含植物精油的疏水性纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照肉桂精油:β-环糊精质量比为(4～20):(80～96)混合，搅拌温 度45℃～70℃，搅拌时间1.5～4h，制备肉桂精油/β-环糊精包合物；

(2)按照溶剂二氯甲烷:N,N—二甲基甲酰胺(DCM:DMF)＝(1～9):1的 体积比溶解聚乳酸，配制质量浓度为5％～25％的聚乳酸溶液，磁力搅拌1～2h；

(3)向步骤(2)的溶液中加入5％～20％质量浓度的肉桂精油/β-环糊精 包合物，磁力搅拌1～3h，得纺丝溶液；

(4)将步骤(3)所得的纺丝溶液吸入注射器中，装上直径0.6～0.8mm针 头，调整针头到接收器的距离为8～20cm，电压7～25kV，纺丝溶液流速控制 在1.5～4mL/h，纺丝3～6h，然后干燥，得到含植物精油的疏水性纳米纤维膜。

所述包合物的制备条件是肉桂精油:β-环糊精的质量比为10:90，搅拌温 度55℃，搅拌时间3h。

所述溶剂二氯甲烷:N,N—二甲基甲酰胺的体积比为3:1。

所述聚乳酸的浓度为10％，所述肉桂精油/β-环糊精浓度为10％(w/w)。

所述接收距离为12cm，电压14kV，纺丝溶液流速为2.2mL/h。

上述方法制备的疏水性纳米纤维膜对大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)和金 黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S.aureus)均有显著的抑菌效果。

上述方法制备的含植物精油的疏水性纳米纤维膜可以作为食品包装材料的 应用，尤其是用于包装肉类食品。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)利用抑菌圈法和二倍稀释法研究了聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤 维膜对S.aureus和E.coli的抗菌能力，结果表明所得纳米纤维膜对S.aureus和 E.coli均有较好的抑菌作用，且对S.aureus更为敏感。当膜浓度为4mg/mL(对 应的CEO浓度为46.88μg/mL)时，其对E.coli和S.aureus的抑菌率分别为89.5％ 和90.4％，说明该纳米纤维膜可用于食品抗菌包装领域。

(2)通过对聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜包装的肉样及未经膜包 装的空白组肉样表面菌落总数的测定，发现空白组的肉样在第3天时其表面的 微生物菌落数已超过腐败水平(10⁶CFU/g)，而聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米 纤维膜包装的肉样第7天才超过腐败水平(10⁶CFU/g)，表明聚乳酸/肉桂精油/ β-环糊精纳米纤维膜能有效抑制肉样表面细菌的繁殖，可用于肉类的保鲜包 装。

(3)本发明制备的聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜和公开号 CN103266424A制备的聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜均具有良好的 抗菌性，当膜浓度都为4mg/mL时，两种膜对S.aureus和E.coli抑菌率都达到 90％。但由于添加到聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精中的肉桂精油/β-环糊精包合 物的含油率是117.2mg/g，故聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精膜浓度为4mg/mL时， 实际对应的CEO的量为46.88μg/mL，低于聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精膜中 相应的CEO浓度(80μg/mL)，说明先将CEO包埋制备肉桂精油/β-环糊精包合 物再加入到聚乳酸中进行静电纺丝，明显提高了精油的稳定性，更有利于发挥 其抗菌性能。此外，本发明的聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜是疏水性 的，可解决聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精亲水性纳米纤维膜会紧紧贴于肉样表 面、不利于肉制品包装的问题。

附图说明

图1为实施例1肉桂精油/β-环糊精包合物扫描电镜图(a)及直径分布 图(b)；

图2为实施例2聚乳酸纳米纤维膜扫描电镜图(a)及直径分布图(b)；

图3为实施例3聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜扫描电镜图 (a)及直径分布图(b)；

图4为实施例4聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜扫描电镜图 (a)及直径分布图(b)；

图5为实施例5聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜扫描电镜图 (a)及直径分布图(b)；

图6为实施例6聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜扫描电镜图 (a)及直径分布图(b)；

图7为实施例7聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜扫描电镜图 (a)及直径分布图(b)；

图8为实施例8差示扫描量热图；

图9为实施例9静态接触角示意图；

图10为实施例10聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜抑菌圈图；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

一种含植物精油/β-环糊精包合物的制备方法，具体步骤如下：

(1)9gβ-环糊精溶于90mL溶剂(乙醇:水＝1:2)中,55℃下以250r/min 转速搅拌2h，得到10％β-环糊精溶液；

(2)将0.5g肉桂精油溶于5mL的乙醇中；

(3)将(2)中溶液缓慢滴加到(1)中的β-环糊精溶液中，55℃下以250 r/min转速搅拌3h，然后冷却至室温，储于4℃冰箱中过夜；

(4)将(3)中溶液进行真空抽滤，所得滤饼进行－80℃冷冻干燥，最后 所得白色粉末即为肉桂精油/β-环糊精包合物。

上述工艺条件下制备的肉桂精油/β-环糊精包合物见图1(a)(b)。

实施例2

一种纳米纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)配制溶剂体积比DCM:DMF＝3:1；

(2)10g聚乳酸溶于100mL上述溶剂中，磁力搅拌器中搅拌2h，得到 10％的聚乳酸溶液；

(3)将(2)配制的溶液作为纺丝溶液吸入10mL注射器，装上直径0.6mm 针头，调整针头到接收器的距离为14cm，电压在15kV，流速控制在2.5mL/h， 温度为27℃，湿度为60％，纺丝4h；然后在35℃下真空干燥12h，即得到 聚乳酸纳米纤维膜。

上述工艺条件下制备的纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图2。

实施例3

一种含植物精油的疏水性纳米纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)配制溶剂体积比DCM:DMF＝3:1；

(2)10g聚乳酸溶于100mL上述溶剂中，磁力搅拌器中搅拌2h，得到 10％的聚乳酸溶液；

(3)将10g实施例1的肉桂精油/β-环糊精包合物(质量分数为10％)添 加到上述(2)中的聚乳酸溶液中，室温下搅拌2h，得到所需的纺丝溶液；

(4)将(3)中所得纺丝溶液吸入10mL注射器，装上直径0.6mm针头， 调整针头到接收器的距离为14cm，电压在15kV，流速控制在2.5mL/h，温 度20±2℃，相对湿度40±2％，纺丝4h；然后在35℃下真空干燥12h，即得 到聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜。

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图3。

实施例4

本实施例与实施例3的不同之处在于：包合物的质量分数为15％；

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图4。

实施例5

本实施例与实施例3的不同之处在于：电压14kV；

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图5。

实施例6

本实施例与实施例3的不同之处在于：距离12cm；

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图6。

实施例7

本实施例与实施例3的不同之处在于：速率2.2mL/h；

上述工艺条件下制备的抗菌纳米纤维膜的SEM及其粒径分布见图7。

实施例8

(1)按照实施例2中方法制备聚乳酸纳米纤维膜；

(2)按照实施例3中方法制备聚乳酸/植物精油/β-环糊精纳米纤维膜；

(3)按照实施例4中方法制备聚乳酸/植物精油/β-环糊精纳米纤维膜；

(4)将(1)、(2)、(3)所得的纤维膜及聚乳酸晶粒进行差示扫描量热分 析，温度范围为0℃至300℃，结果如图8所示。

从图8中可以看出聚乳酸纳米纤维膜有三个特征吸收峰，在58.86℃出现 一个吸热峰，其为聚乳酸的玻璃化转变温度T_g，在此温度下，聚乳酸由玻璃 态向高弹态转变。第二个峰出现在83.91℃，为聚乳酸的放热结晶峰，对应温 度为结晶温度T_c，从图中看出此峰形陡峭、高度低、可判定次聚乳酸中结晶 区面积很少。第三个吸热熔融峰出现在156.99℃，是由于聚乳酸的热降解产 生的熔融温度T_m。由图可以发现，随着肉桂精油/β-环糊精含量的增加，纳米 纤维膜的DSC曲线也发生了一些变化。与纯聚乳酸纳米纤维膜相比，其T_g逐 渐升高，这主要是因为基材中较高塑性的肉桂精油/β-环糊精的添加，使得聚 乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜塑性增强。另外，我们发现静电纺聚乳酸 纳米纤维膜的T_g比聚乳酸晶粒的T_g低6.17℃，这主要是因为纳米纤维膜具有 较大的孔隙率，其空腔中的空气具有一定的增强韧性的作用，使得其T_g降低， 这说明利用静电纺丝方法能够改善聚乳酸的脆性，提高其韧性。

实施例9

(1)按照实施例2中方法制备聚乳酸纳米纤维膜；

(2)按照实施例3中方法分别制备肉桂精油/β-环糊精包合物含量分别为 5％、10％、15％及20％的聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜；

(3)将(1)、(2)所得的抗菌纳米纤维复合膜进行润湿性能分析，结果如 图9。

从图9可以直观的看出，聚乳酸纳米纤维膜的静态接触角为139°，说明 材料本身呈疏水性；随着肉桂精油/β-环糊精包合物含量的增加，液滴的高度 逐渐减小，形状变得平坦，静态接触角也由133°逐渐降到117°，说明膜的润 湿性能得到一定改善，但依旧属于疏水材料。

实施例10

(1)按照实施例3中的方法制备抗菌纳米纤维膜。

(2)斜面制备：分别将S.aureus和E.coli菌种接种在营养肉汤斜面上，37℃ 培养24h。

(3)传代培养：从(2)中S.aureu和E.coli斜面上各取一环菌，分别划 线接种于营养肉汤平板，37℃培养24h，挑取生长状态良好的单菌落进行传代 培养，传代2次。

(4)菌悬液制备：取传代2次后S.aureu和E.coli菌种分别接种于营养肉 汤培养液中，37℃培养18h，然后用无菌营养肉汤培养液进行梯度稀释，制成 浓度为1×10⁵～1×10⁷CFU/mL的菌悬液。

(5)抑菌圈法评价抑菌效果：制备好无菌的营养肉汤平板，分别加入上述 制备的两种菌悬液0.1mL，涂布均匀，得到含菌平板。再将所得的抗菌纳米 纤维复合膜用打孔器打出大小均匀一致的直径6mm的圆片，放在紫外灯下灭 菌3h，然后贴于上述含菌平板上，对照为大小一致的铝箔，倒置培养24h， 观察抑菌圈(结果如图10所示)。

由图10的抑菌圈可知，所得纳米纤维膜对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌 都具有较好的抑菌作用，且对革兰氏阳性菌更为敏感。

实施例11

(1)按照实施例3中的方法制备抗菌纳米纤维膜。

(2)斜面制备：分别将金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和大肠 杆菌(Escherichia coli)菌种接种在营养肉汤斜面上，37℃培养24h。

(3)传代培养：从(2)中S.aureu和E.coli斜面上各取一环菌，分别划 线接种于营养肉汤平板，37℃培养24h，挑取生长状态良好的单菌落进行传代 培养，传代2次。

(4)菌悬液制备：取传代2次后S.aureu和E.coli菌种分别接种于营养肉 汤培养液中，37℃培养18h，然后用无菌营养肉汤培养液进行梯度稀释，制成 浓度为1×10⁹～1×10¹⁰CFU/mL的菌悬液。

(5)菌落计数法评价抑菌效果：称取一定量上述(1)中的抗菌纳米纤维 膜，用50ml溶剂(95％乙醇:蒸馏水＝1:1(V/V))溶解，配制成10mg/mL的 溶液，37℃下振荡30min；然后再分别取7mL、6mL、4mL、3mL上述溶 液与0.1mL E.coli菌悬液混合，另取无菌营养肉汤液体培养液补足10mL， 混匀，37℃培养24h后取0.1mL涂布到无菌营养肉汤平板上，37℃下培养24 h。根据GB15979-2002溶出性抗(抑)菌产品抑菌性能评价标准，采用菌落 计数法分析聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜的抗菌性能(见表1)。

由表1结果可知，当膜浓度为4mg/mL(对应的CEO浓度为46.88μg/mL) 时，其对S.aureus抑菌率90.4％，对E.coli抑菌率89.5％，表明该疏水性纳米 纤维膜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有良好的抗菌效果，可用于食品抗 菌包装领域。

表1聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜对微生物的抑菌率

实施例12

(1)按照专利公开号：CN103266424A的聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精的 方法制备6％聚乙烯醇/2％肉桂精油/2％β-环糊精抗菌纳米纤维膜；

(2)按照实施例3中方法制备聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜

(3)按照实施例11中方法，利用抑菌圈法评价亲水性的聚乙烯醇/肉桂精 油/β-环糊精抗菌纳米纤维膜和疏水性的聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精抗菌纳米 纤维膜的抑菌性能。当产生单位直径大小的抑菌圈时，所需抗菌膜的质量越小 表明膜的抗菌能力越强。由表2的结果可知，两种抗菌纳米纤维膜对S.aureus 和E.coli均具有良好抗菌效果，且对S.aureus更敏感；此外，产生单位厘米的抑 菌圈时，所需聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜质量更小，表明聚乳酸/ 肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜抗菌性能优于聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳 米纤维膜。

表2两种抗菌膜对微生物的抑菌性能

实施例13

(1)从市场上购买新鲜的猪肉，去掉筋膜，并切成5g左右的小块若干， 随机分组，每组5～6块；

(2)按照专利公开号：CN103266424A的聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精的 方法制备6％聚乙烯醇/2％肉桂精油/2％β-环糊精抗菌纳米纤维膜；

(3)按照实施例3的方法制备聚乳酸/肉桂精油/β-环糊精的方法抗菌纳米 纤维膜；

(4)分别用上述(2)、(3)制备的膜包装(1)中的猪肉样品，置于25±2℃的环 境下，每组两个平行，另取一组未包装的作为空白对照，同样条件下自然放置。 观察其外观变化。

(5)肉样表面微生物菌落数的测定：分别取一定量被包装的猪肉样品，将 其放在100mL无菌水中，37℃以180r/min振荡1h，取上清液进行稀释涂布， 每天定时测定肉样表面的菌落数。

结果表明，在25℃的贮藏条件下，空白组的肉样在第3天时肉样已有异 味，其表面微生物菌落数在第3天时已超过10⁶CFU/g，说明已成为变质肉； 而静电纺聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜和聚乳酸/肉桂精油/β-环 糊精纳米纤维膜包装的肉样仍然新鲜；第7天时，空白组的肉样异味浓烈，而 静电纺聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜和聚乳酸/肉桂精油/β-环糊 精纳米纤维膜包装的肉样具有稍许酸臭味，测得此时对应的微生物菌落数稍高 于腐败水平(10⁶CFU/g)，说明两种纳米纤维膜显著抑制了肉样表面的细菌繁 殖。此外，实验中可发现聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜紧紧贴在肉 样的表面，其原因为聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精纳米纤维膜为亲水性膜，因 此不利于肉制品的包装；而本发明的纳米纤维膜是疏水性，可有效解决上述问 题。