静电纺核壳纳米包装膜的制备及其抗菌性能

2018-12-24康卫民程博闻

纺织学报 2018年12期

魏娜，康卫民，孙诚，程博闻

(1. 天津职业大学包装与印刷工程学院，天津 300410； 2. 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387)

传统静电纺丝是将功能材料和聚合物混合溶解在溶剂中制成高聚物静电纺丝液进行纺丝，其中功能材料、聚合物、溶剂三者之间的相容性和稳定性是静电纺丝过程中的重点，特别是在一些特殊领域如药物包埋等，需要制备出具有核-壳结构的纳米纤维。目前主要有3种静电纺丝技术可实现药物包埋，分别为同轴静电纺丝、悬浮液静电纺丝和乳液静电纺丝，3种形式均可制备具有核-壳结构的静电纺纤维[1-2]。同轴静电纺丝工艺不仅需要特殊喷丝头，且纺丝过程参数难控制，而乳液静电纺丝操作简单，不需要额外的装置即可完成，因此，越来越受到研究者的关注[3-4]。目前主要使用以水相药物作为核材料，疏水性高聚物作为壳材料，制备具有核-壳结构的复合纳米纤维[5-6]，达到延长释放和降低突释率目的[7-8]，而采用乳液静电纺丝技术解决植物精油包埋问题鲜有报道。

植物精油具有防腐、保鲜和药用特性，虽然近几年作为抑菌剂在果蔬保鲜包装方面有所研究，但由于其存在易挥发、性质不稳定等问题，限制了其应用。百里香(thymus monoglious romm) 又名地姜、地椒、麝香草等，百里香精油的抑菌活性主要取决于其精油成分中的百里香酚和香芹酚，具有毒性低、刺激性小的特点，可安全应用在食品药品等行业中[9-10]。

本文以羧甲基壳聚糖和聚氧化乙烯水溶液为水相，以百里香精油为油相，吐温80为乳化剂，在一定搅拌速度和搅拌时间内，将水相和油相乳化制成乳液，借助静电纺丝技术制得纳米纤维膜，通过调节乳液体积比，使百里香精油被包裹进纤维的芯部，制备具有核-壳结构的纳米纤维膜，以期为解决植物精油的包埋问题提供新途径。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：羧甲基壳聚糖(CMCS，羧化度为83.58%，相对分子质量为2.5×105，当其在水溶液中质量分数为1%时，溶液黏度为21 mPa·s)，江澳兴生物科技有限公司；聚氧化乙烯(PEO)，广州市利厚贸易有限公司；百里香精油，吉安盛大香料油有限公司；葡萄糖，天津市元立化工有限公司；琼脂，北京奥博星生物技术有限责任公司；灰霉、青霉、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌，天津科技大学生物工程学院；牛肉膏、蛋白胨，天津市风船化学试剂有限公司。

仪器：JDFSS-1型静电纺丝实验机，自行研发；S3400N 型扫描电子显微镜(SEM)，日本Hitachi公司；NDJ-1型旋转黏度计，上海精密仪器仪表有限公司；DDS-307型电导率测试仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；SW-CJ-IB型超净工作台，苏州净化设备有限公司；HWS-0158型恒温恒湿培养箱，宁波江南仪器厂；LS230/VSM型激光粒径测试仪，贝克曼公司；JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)，日本JEOL公司。

1.2 实验方法

1.2.1乳液的制备

首先选择乳化剂。根据文献[11]显示，分子亲水亲油性相对指标HLB(hydrophile and lipophile balance)值能决定是否形成水包油还是油包水乳液，其中乳化剂HLB值越大，亲水性越强，越易形成水包油型乳液，因此，本文选择HLB值为15的吐温80作为CMCS/PEO的乳化剂。

精确称取一定质量的羧甲基壳聚糖和聚氧化乙烯，按照二者质量比为9∶1溶于去离子水中至完全溶解，通过前期纺丝实验探索，选择羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯质量分数为3%、4%，配置甲基壳聚糖/聚氧化乙烯溶液作为水相，然后以百里香精油作为油相，吐温80为乳化剂，按照水相、油相和乳化剂体积比为36.7∶4∶1、22.8∶4∶1和15.8∶4∶1，在转速为400 r/min下搅拌30 min，得到稳定的乳液。

1.2.2静电纺CMCS/百里香精油薄膜制备

将乳液吸取至注射针筒中，设置纺丝电压分别为16、18、20、22、24 kV，纺丝速度为0.5 mL/h，接收距离为11 cm，通过静电纺丝制备纳米纤维膜。

1.3 测试与表征

1.3.1乳液基本性能测试

黏度：在恒温(25 ℃)水浴中，采用旋转黏度计测试乳液的旋转黏度。该黏度计有4种转子(1#、2#、3#、4#)和4种转速(6、12、30、60 r/min)，测量范围为10～1×105mPa·s，溶液黏度较小时选择1#、2#转子，黏度大时选择3#、4#转子；测量时将转子浸入待测液体中，并使转子液面标志和待测液面相平，转子在待测液体中旋转1 min，待指针稳定后读数，根据选取的转子乘以相应的系数，得到乳液黏度值。

电导率：在室温下，采用电导率测试仪进行测试。其中电导电极为铂黑电极，电极常数为0.99。

粒径：在室温下，使用激光粒径测试仪进行测量。取1 mL待测乳液置于加有蒸馏水的水槽中稀释500倍，测量得到粒径分布图。

1.3.2纤维膜形貌测试

纤维膜样品真空干燥12 h后，剪成小块，用导电胶固定于载物台上，放入表面处理机中进行喷金处理，然后采用扫描电子显微镜观察其形貌。

1.3.3核-壳纤维的结构测试

将静电纺丝纤维纺制在孔径为38 μm的铜网上，将铜网正面朝上置于杆尖部的凹槽中固定样品，然后将杆放入透射电镜中观察单个纤维的核-壳结构。

1.3.4抗菌性能测试

在洁净工作台上，将灭菌后的培养基倒入培养皿中，待其凝固后将菌悬液加入到培养基上。然后用镊子将纤维膜放入含菌培养基中央，使膜与菌种直接接触。最后封口将霉菌培养基(灰霉、青霉)倒置于 28 ℃ 培养箱中培养48 h，细菌培养基(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌)倒置于37 ℃培养箱中培养 24 h，扫描拍照并使用ImagePro-Plus分析抑菌圈直径。

2 结果与分析

2.1 静电纺乳液黏度分析

表1示出不同配比乳液的黏度。乳液中分散相含量直接影响乳液的性质，由表1可知，随着乳液中分散相百里香精油(油相)体积分数的增加，其黏度逐渐增加，说明乳状液的黏滞阻力增加，使羧甲基壳聚糖分子、乳化剂(Tween 80)及百里香精油分子间的相互作用增强。

表1 不同配比乳液的旋转黏度和电导率Tab.1 Viscosity and conductivity of emulsion with different proportions

图2 不同电压条件下纤维扫描电镜照片(×5 000)Fig.2 SEM images of electrospun fibers at different voltage(×5 000)

由表1还可以看出，无论羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯的质量分数为3%还是4%，随着油相的加入，乳液的黏度值呈增大趋势。当羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯质量分数为4%时，随着油相比例的增加，乳液黏度急剧增加，这是因为油相的增加使乳液中形成了更多的胶束，由于羧甲基壳聚糖和大量吐温80及百里香精油间的相互作用，使得乳液黏度急剧增加。

2.2 静电纺乳液电导率的分析

由表1不同配比乳液的电导率可知，无论质量分数为3%还是4%的羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯溶液，随着乳液中油相体积分数增加，乳液的电导率呈逐渐下降的趋势，可从一定程度上反映溶液内部已经形成较为稳定的乳液体系[12]。

2.3 静电纺乳液粒径分析

图1示出不同配比乳液的粒径分布。可知， 3种乳液的平均粒径分别为53.99、75.27和 85.40 μm，整体上乳液粒径随百里香精油含量的增加而增大。这是因为油相小液滴移动速度较快，随着油相含量增大，小液滴逐渐聚集重新融合为较大粒径的液滴，从而表现出粒径增大。

图1 羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯质量分数为3%时不同配比乳液的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of emulsion with CMCS/PEO mass fraction of 3%

2.4 纤维膜形貌的分析

当水相、油相、乳化剂体积比为22.8∶4∶1，乳液在电压为16、18、20、22、24 kV时的静电纺纤维形貌如图2所示。

由图2可以看出，由于百里香精油的加入导致乳液沸点升高，同时溶液的黏度也升高，在纺丝距离一定的情况下，射流中的溶剂在有限的空间内不能完全挥发，因此，纤维之间产生了黏结现象，且当电压较小时，射流中的黏应力占据主导地位，使得纤维直径较粗，随着电压的提升，在纺丝距离一定的情况下，此时电场强度增大，射流中的电场力占据主导地位，对纤维的拉伸作用加强，因此，纤维黏结现象减弱，纤维直径减小。

2.5 静电纺纤维核-壳结构分析

图3示出不同乳液配比纤维膜的透射电镜照片。

图3 不同配比溶液的静电纺丝纤维透射电镜照片Fig.3 TEM images of electrospinning fibers with different proportions

由图3(a)可以看出，当油相体积含量较低时，油相在纤维内部形成较细的核层，并且核层的粗细不均匀，壳纤维直径为180 nm，而核直径介于4～87 nm 之间。原因是由于油相加入后，静电纺丝液形成乳液状态，乳液中的液滴会受到静电场力、乳液黏应力和乳液滴与水相溶液的相互相用，较小的水包油液滴可在纤维核层形成较细的核层，而由于乳液中的水包油液滴在高黏度溶液中并不是稳定存在的，会由小液滴聚集成大液滴，虽然没有形成破乳，但是纤维核层变粗。

由图3(b)可以看出，当油相体积比增大时，纳米纤维中的核层变粗，并且粗细较为均匀，表明乳液中水包油液滴处于相对平衡状态，没有发生液滴大量聚集情况，因此，静电纺丝过程中在纤维内部就可形成粗细较为均匀的芯层，其中壳纤维直径为 188 nm，核直径为91 nm。

当乳液中的油相体积分数继续增加，此时纤维内部的芯层变得更大，几乎占据了纤维内壁，且不再是较为光滑的纤维状态，而是发生破损，如图3(c)所示。分析其原因可能是由于当油相体积分数增加后，溶液的黏度增大，当受到静电场力、乳液黏应力共同作用时，对乳液液滴的拉伸作用加大，小的液滴在纤维内部会发生破乳的现象，而大的液滴如果超出了水相纤维的承载能力，就会使部分油相游离于纤维之外，随着静电纺过程中溶剂的挥发，这部分油相就会固化在纤维之外。

2.6 纤维膜抗菌性能分析

利用抑菌圈法测定羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜(水相、油相、乳化剂体积比为100∶0∶0)和羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油(水相、油相、乳化剂体积比为22.8∶4∶1, 羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯质量分数为4%)静电纺纤维膜对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、灰霉、青霉的抑菌能力，结果如表2所示。可以看出，羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有显著的抗菌性，抑菌圈直径约为20.2、12.1 mm，而对灰霉和青霉没有明显的抑菌圈出现，因此可以判定，羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜对灰霉和青霉没有抗菌性。而羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油静电纺纤维膜不仅对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有抗菌作用，且对灰霉和青霉也有抗菌作用，抑菌圈直径约为18.2、11.0、32.5、29.2 mm，由此可见，羧甲基壳聚糖/聚氧化乙烯/百里香精油静电纺纤维膜具有强的抗菌性，为纤维膜的应用拓展了空间。