纳米抗菌纤维的静电纺丝制备技术及其抗菌活性研究进展

刘旖旎，刘 芳，王德宝，孙芝兰，吴海虹

（江苏省农业科学院农产品加工研究所 南京 210014）

食品工业作为每个国家的支柱产业之一，在满足日益增长的食物需求方面发挥着重要作用，而微生物污染导致的食品腐败变质一直是食品行业亟待解决的问题之一[1]。在过去的20年间，我国的食源性疾病中有一半以上是由食用病原体污染的食物引起的[2]。在工业化国家中，每年患食源性疾病的人口比例高达30%[3]，且由食物变质引起的肠胃疾病的数量呈上升趋势[4]。在食品加工环境中，潮湿的环境，充足的营养物质等给食源性致病菌的生长提供了充足的条件，在加工环境和食品中都存在金黄色葡萄球菌 （Staphylococcus aureus）、蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、志贺氏菌（Shigella）、李斯特菌（Listeria monocytogenes）、热死环丝菌（Brochothrix thermosphacta）和沙雷氏菌（Serratia grimesii）等食源性致病菌和腐败菌的污染[5]。为了保证加工食品的安全品质，除了加强加工环节的微生物控制外，还需要采用合适的包装对加工食品进行包装和贮运，避免食品的二次污染[6]。

传统的食品包装是为了食品便于携带和贮藏，如今，包装材料不仅是食品的储存容器，还承载了延长食品货架期，保证食品安全，提高食品质量的作用[7]。通过向食品包装材料中加入合适的抗菌物质来满足食品包装的抗菌需求是未来发展的趋势[8]。绝大部分食品中允许使用的抗菌物质的稳定性较差，在常规的热加工过程中容易降解，从而影响其抗菌功能。将这些抗菌物质直接加到塑料、聚丙乙烯等包装材料中是不可行的，需将其作为涂层涂在预先成型的包装容器的食品接触面上，如此实用性受到很大限制。静电纺丝技术是一种生产高孔隙率和高比面积的简单、快速的方法[9]。与传统的封装技术相比，静电纺丝技术不需要加热等条件即可将抗菌物质高效稳定地封存在纳米结构中。此外，还可以通过改变溶液的性质及工艺参数来得到不同的材料形态。静电纺丝材料制作的温度和条件都比较温和，不会影响抗菌物质的活性，还可以将其输送到特定的位置释放出来[10-12]。研究者根据不同需求制备了具有高黏性、高脆性、高附着性等性质的材料，在环境工程、生物医学、药物输送、组织工程军事防护等方面有广泛应用[10]。目前，静电纺丝技术在食品加工及贮藏保鲜领域的应用还比较少，未来可以采用可食用的大分子聚合物为基础设计可食用、无公害且可以重复使用的包装材料，发挥其抗菌、胶黏、抗氧化等功能。利用静电纺丝技术制备不同功能的纳米包装材料会成为食品行业的一个重要研究内容。本文综述静电纺丝技术的原理、类型和影响因素；根据无机化合物、有机化合物、抗菌肽类等不同来源的抗菌物质的性质，论述静电纺丝的生产条件、包埋基质和制备材料的抗菌效果及机制，为纳米抗菌材料在食品工业中的应用提供参考（图1）。

图1 静电纺丝技术抗菌材料的制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of electrospinning antibacterial materials

1 静电纺丝技术概述

静电纺丝技术是基于静电制备连续纳米纤维的一种成本低廉、装置简单的技术，也是目前唯一的一种不用添加有机溶剂和进行温度控制生产纳米纤维的方法[13]。将聚合物溶液放在注射器里，通过向喷头施加高电压从而使液滴喷向收集器，当电场力与液滴的表面张力相等时，喷出的液滴呈圆锥状，形成泰勒锥，此时的液滴被金属板收集形成纳米纤维结构[14-15]。根据接收器的形状，可以制造膜状或管状的纳米纤维膜，并且还可以根据接收器的旋转速度来调节纤维的排列[16]。如图2所示，为了满足不同的应用需求，相继研发了混合静电纺丝[17]、乳液静电纺丝[18]、同轴静电纺丝[19]等不同的静电纺丝方法。乳液静电纺丝和同轴静电纺丝可以形成核-壳结构的纳米纤维，将药物包封在纤维内部，实现药物的多重释放。除了纺丝方式不同之外，聚合物溶液的黏度、电导率、表面张力和浓度，以及纺丝的电压、进料量、喷丝距离、温度和湿度等因素都会影响最终的纤维状态。聚合物溶液的浓度和黏度过高或过低都会导致分子间的缠结断裂，无法形成连续纤维，并且高分子链的物质比低分子链的物质更容易发生缠结[20-23]。聚合物溶液的电导率与纤维状态呈正向关系，电导率越高的溶液纺出的纤维直径越细，状态越好[24]。

图2 不同静电纺丝方式示意图Fig.2 Schematic diagram of （A） a typical electrospinning apparatus setup，（B） the emulsion electrospinning and （C） coaxial electrospinning

2 静电纺丝技术制备的不同抗菌纤维及其应用

食品包装是食品加工过程中的最后一道屏障，使食品在运输和贮藏过程中不会受到微生物污染而腐败变质。向食品包装材料中添加抗菌物质可以避免上述情况的发生。目前使用常见的抗菌物质主要有有机化学物、无机化合物和生物源提取物等。有机抗菌剂具有一定的挥发性和毒性，在食品中使用较少。无机抗菌剂主要指以Ag+为代表的金属离子抗菌剂，可以通过破坏细菌细胞膜并与膜内的酶结合使细胞失活。生物源抗菌剂主要从微生物或植物中提取，如乳酸链球菌素（Nisin）、聚赖氨酸（ε-PL）、溶菌酶、姜黄素、香芹酚等，这类抗菌剂来自于自然界，天然无害、抗菌性强且不会产生耐药性，近几年在食品中广泛使用。利用静电纺丝技术将这些不同性质的抗菌剂包封在纳米纤维内部或者表面，制备纳米抗菌包装膜，会更好的保持抗菌剂的抗菌活性，保证食品的质量安全。由于不同抗菌物质的理化特性、分子结构和生物活性不同，因此在制备静电纺丝纳米纤维时，需要根据各抗菌剂的特性选择适宜的聚合物和纺丝条件[25]。表1为几种常见的金属粒子和生物抗菌剂的纳米纤维制备时选用的聚合物种类及应用方式。

表1 利用静电纺丝制备的不同抗菌纤维及其应用方式Table 1 Different antibacterial fibers prepared by electrostatic spinning and their application methods

2.1 基于纳米粒子制备的纳米抗菌纤维

纳米金属粒子和金属氧化物等具有成本低廉、合成简单、抑菌效果突出等特点，因而被广泛用于制备抗菌材料。同时，由于纳米金属离子和金属氧化物的毒性低，抗菌活性持续时间长，因此是制备食品包装材料的良好选择。金属离子可以改变细菌细胞膜的通透性，损伤菌体DNA，并破坏细菌的呼吸系统，使细菌在短时间内大量死亡[58]。目前，常用的这类物质有纳米银离子（Ag-NPs）、纳米二氧化钛 （TiO2-NPs）、纳米氧化锌 （ZnONPs）和纳米氧化铜（CuO-NPs）等。

2.1.1 纳米银粒子（Ag-NPs）抗菌纤维 Ag-NPs一般从氧化银或一些银盐中获取，因其优越的抗菌能力经常作为静电纺丝技术中的抗菌剂使用。已有研究将银离子与聚乳酸（PLA）、纤维素衍生物、明胶、壳聚糖等物质进行静电纺丝，发现添加量为质量分数0.1%～1% Ag-NPs 的纳米纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、变形杆菌（Proteus）和蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）等都具有很强的抑菌效果[26]。Rath 等[59]制备了负载有Ag-NPs 的胶原蛋白纳米纤维，该材料不仅能有效地杀死金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌还可以促进胶原蛋白的生成。Munteanu 等[27]通过静电纺丝制备具有抗菌特性的PLA/Ag-NPs/维生素E 纳米纤维，发现该材料对单增李斯特菌和鼠伤寒链球菌（Streptococcus typhimurium） 的抑制率达到100%，而且Ag-NPs可以持续缓慢从基质中释放，达到长时间的抑菌效果。

2.1.2 纳米二氧化钛（TiO2-NPs）抗菌纤维 TiO2-NPs 具有很强的紫外吸收、抑菌和催化性能，而且成本低、没有毒害作用，甚至可以分解内毒素[60]。目前TiO2-NPs 及其衍生物已被应用于医药和环境等领域。Lee 等[14]制备的静电纺丝PVA/TiO2-NPs（质量分数2%～3%）复合纤维对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯氏菌有99.3%的抗菌活性，同时还有卓越的抗紫外线能力和降解甲醛的能力，为开发高级纺织材料提供了可能。同样，将相同浓度的TiO2和Ag-NPs 加入到壳聚糖/PVA 复合纤维中，发现TiO2-NPs 的加入增加了Ag-NPs 的抗菌性能[15]。最近报道一种由两层膜组成的敷料，第一层是壳聚糖/TiO2-NPs 静电纺丝纳米纤维，第二层是由脂肪衍生的细胞外基质。壳聚糖和TiO2-NPs的协同作用使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的渗透率明显降低，使第二层很好地作用于伤口，促进伤口恢复，21 d 就可以使伤口完全愈合[30]。

2.1.3 纳米氧化锌（ZnO-NPs） 抗菌纤维 ZnONPs 具有很强的抑菌和杀菌能力，还可以抑制癌细胞的增殖[61]。目前该物质与聚乙烯醇、天然大分子聚合物以及生物聚酯等进行静电纺丝，制备了不同的纳米抗菌纤维[16]。PVA/ZnO-NPs 纳米纤维膜对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（鼠伤寒沙门氏菌、变形杆菌和肺炎克雷伯氏菌）都有明显的抑菌效果，且ZnO-NPs 的抑菌效果比TiO2、SiO2和ZrO2都强[50]。Ahmed 等[32]制备了封装ZnO-NPs 的壳聚糖/PVA 电纺纳米纤维膜，发现该膜对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和金黄色葡萄球菌都有很强的抗菌活性。Liu 等[33]通过静电纺丝技术制作了明胶、乙基纤维素和ZnO-NPs 的食品包装，结果表明，质量分数1.5%的ZnO-NPs 可以杀死62.5%的金黄色葡萄球菌。这是因为ZnO-NPs 带正电荷，可以和细菌细胞壁表面的负电荷相互作用。革兰氏阳性细菌有多肽与多糖组成的多层厚壁，ZnONPs 可以与这层厚壁发生相互作用，革兰氏阴性菌的细胞壁结构复杂，在外膜和细胞质膜之间有一层肽聚糖，与革兰氏阴性菌相比，纳米颗粒更容易附着在革兰氏阳性细菌上，并对阳性细菌造成很大的伤害[34]。

2.1.4 纳米氧化铜（CuO-NPs）抗菌纤维 铜作为使用最广泛的金属之一，关于其结构和性质的研究已有很多，但是目前很少有CuO-NPs 在静电纺技术方面的研究报道，这可能是因为CuO-NPs 容易发生氧化反应使整体特性发生改变[62]。在现有的研究中显示高含量的CuO-NPs 容易暴露纤维表面，与微生物之间容易发生相互作用使细菌失活[35]。Amina 等[36]用湿化学法合成氧化铜纳米结构得到了直径为7 nm 的球形颗粒，然后将羟基磷灰石和合成的CuO-NPs 与PLGA 混合进行静电纺丝，纺丝后的纤维直径增高并且有很强的抑菌效果。Castro-Mayorga 等[37]仅添加质量分数0.05%的CuO-NPs 制备的抗菌纤维就对肠炎链球菌（Streptococcus enteritidis）、单增李斯特菌和鼠诺如病毒具有明显的杀菌和杀病毒效果，还具有良好的隔氧能力和力学性能，未来可以作为很好的食品包装膜使用。

2.2 基于抗菌肽/蛋白制备的纳米抗菌纤维

抗菌肽/蛋白是由一种特定基因编码合成的一类普遍存在的具有广谱抑菌活性的寡肽或者蛋白质。抗菌肽/蛋白可以与细菌细胞膜的阴离子发生相互作用，且氨基酸残基可以穿过微生物细胞膜，与细胞中的脂类结合，干扰细胞正常代谢，使细菌死亡，最终达到抑菌作用[63]，同时一些抗菌蛋白如溶菌酶等还可以水解细菌的细胞壁等。目前常用的抗菌肽有乳酸链球菌素（nisin）、溶菌酶和聚赖氨酸（ε-PL）等。

2.2.1 乳酸链球菌素（nisin）抗菌纤维 Nisin 是由乳酸乳球菌产生的一种细菌多肽，虽然它的热稳定性好，并且对食源性致病菌具有良好的抗菌活性，但由于nisin 容易受到pH 值、温度、食品内容物和天然微生物菌群等因素的影响，而且与食品中的脂质、蛋白质和酶易发生相互作用，降低自身的抗菌活性，因此可以利用静电纺丝技术来提高nisin 的抗菌活性[63]。Soto 等[38]制备的nisin/苋菜蛋白/普鲁兰纳米纤维，对nisin 的包封率达到了95%，有效地保持了nisin 的抗菌活性，并具有很好的抗肠膜乳杆菌的能力，该纤维膜制备使用的聚合物都是天然大分子物质，因此可以在食品包装中进行应用。包封在疏水性PCL 中间层和吸湿性的醋酸纤维素护套中的nisin 在缓释1 d 后还可以杀死99%的细菌，该材料的杀菌效果可以持续5 d[39]。利用壳聚糖和聚谷氨酸制备的nisin 抗菌材料在5 mg/mL 的质量浓度下就可以对干酪中的单增李斯特菌产生很强的抑菌效果[40]。

2.2.2 溶菌酶抗菌纤维 溶菌酶是广泛存在于自然界中，具有明显抗菌活性的蛋白质。溶菌酶在动植物体内起着防止细菌入侵，抗炎、抗癌和镇痛的作用[64]。鸡蛋白溶菌酶（HEL）是一个球状蛋白，该酶具有两个主要的结构域，即α 结构域和β 结构域，它可以水解细菌细胞壁中的N-乙酰基-d-葡糖胺和N-乙酰基尿酸残基之间的β-1，4 键[65]。在食品工业中，它被用作食品保鲜材料使用，还被应用于婴儿食品配方中以增强婴儿的免疫系统[66]。Cui 等[49]通过溶剂蒸发技术制备了溶菌酶纳米颗粒，发现溶菌酶纳米颗粒包封姜黄素后，使姜黄素的溶解度增加了660 倍，且由溶菌酶负载的姜黄素比游离的姜黄素的自由基清除活性更高。壳聚糖/溶菌酶纳米纤维膜不仅可以损伤真菌的膜结构使其失活，对真菌孢子的萌发还具有100%的抑制作用[67]。聚L-谷氨酸/溶菌酶静电纺丝抗菌膜也可以抑制黄褐微球菌（Micrococcus chrysogenum）的生长[4]。Silva 等[42]研究发现添加溶菌酶的直链淀粉/溶菌酶复合纳米纤维膜不仅使膜的力学性能增加，热稳定性、抗菌性和抗氧化性能也得到了很大的提升，证明包含溶菌酶的纳米纤维在食品包装中有很好的应用前景。

2.2.3 聚赖氨酸（ε-PL）抗菌纤维 ε-聚赖氨酸（ε-PL）是由25～30 个带有ε-氨基-α 羧基键的l-赖氨酸残基组成的聚合物，极易溶于水。它通常由链霉菌产生，在碱性和酸性环境下都具有高度稳定性[68]。ε-PL 可以使细菌表面的正负电荷残基之间相互作用破坏细胞壁结构，使细菌细胞死亡，具有广谱抑菌性和可降解性，在我国已被允许作为食品添加剂使用[69]。Amariei 等[44]制作的ε-PL/聚丙烯酸/聚乙烯醇纳米纤维膜，发现该膜对表皮链球菌（Streptococcus epidermidis）有明显的抑菌作用。Lin 等[45]通过静电纺丝制作了抑制鸡肉中鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）和肠炎沙门氏菌（Salmonella enteritidis）的ε-聚赖氨酸/壳聚糖纳米纤维，发现该膜可以使鼠伤寒沙门氏菌和肠炎沙门氏菌的数量从8.21 lg （CFU/g）和8.37 lg（CFU/g）分别降到了5.03 lg （CFU/g）和5.25 lg（CFU/g），且对鸡肉的颜色和风味没有影响。Liu 等[46]将ε-聚赖氨酸掺入明胶/壳聚糖聚合物中静电纺丝获得抗菌纳米纤维膜，当明胶/壳聚糖/聚赖氨酸=6∶1∶0.125 时可以有效抑制6 种致病菌的生长，可以作为一种食品包装材料使用。

2.3 基于植物提取物制备的纳米抗菌纤维

植物提取物具有可食用、无毒害、可生物降解，以及可再生的独特性能，可以作为新的包装材料物质使用。目前，一些植物提取物已被与多糖、蛋白质、脂类等制备成复合材料，来达到抗菌、抗氧化和食品保鲜的目的[70]。由于大多数的植物提取物热稳定性弱，在常规的塑料热加工过程中易被降解，只能通过相应的方法将它们封装起来，或作为涂层涂在预先成型的包装容器上，这大大限制了其利用率。因此，可以借助于静电纺丝技术温和的条件，在不改变植物提取物活性的前提下，制备不同的抗菌涂层、胶黏夹层、抗氧化涂层等食品包装材料[71]。

2.3.1 香芹酚抗菌纤维 香芹酚是有麝香草酚气味的无色或淡黄色黏稠油状液体，易溶于醇和醚，几乎不溶于水，与百里香酚互为同分异构体的芳香烃单萜类化合物。主要从芳香植物精油中分离而来，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和霉菌等均有明显的抗菌效果，作为天然抑菌剂和饲料添加剂被广泛使用。通过对比溶剂浇铸法和静电纺丝法制备的聚乳酸/香芹酚膜，发现静电纺丝膜中香芹酚的缓释效果比溶剂浇铸法的好[17，47]。Altana等[48]以玉米醇溶蛋白和聚乳酸制备的不同浓度的香芹酚纳米包装膜，并进行了面包的保鲜效果研究，结果发现加入香芹酚提高了膜的热稳定性，并且20%添加量的香芹酚对霉菌的生长抑制率达到99.6%。

2.3.2 姜黄素抗菌纤维 姜黄素是姜黄根中提取的一种天然多酚化合物，具有社会公认的促进人体健康、抗氧化、抗炎症、抗菌和抗诱变活性，是一种很有潜力的食品抗菌剂。有研究证明姜黄素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及毛藓菌等都有很强的抑制作用[72]。姜黄素的生物利用率较低，已被制成了包括脂质体、水凝胶、胶束、纳米纤维和纳米颗粒等不同的药物传递系统[73]。Bui 等报道了含有质量分数1.6%姜黄素的玉米醇溶蛋白纳米纤维可以抑制83%金黄色葡萄球菌的生长，揭示了其在抗菌材料中的潜在应用[49，51]。Yilmaz 等[52]利用姜黄素/玉米醇溶蛋白材料对苹果中的青霉和孢子进行了抑制，发现苹果的腐败直径减少了50%，证明了该纤维作为抗真菌食品包装材料的潜力。

2.3.3 其它精油类抗菌纤维 精油是从植物中提取的挥发性芳香族化合物，具有抗菌、抗病毒、抗氧化的特性。因为精油的溶解性低、挥发性高、易氧化产生不良气味，在食品工业中的应用受到限制。有研究者利用静电纺丝技术制备了含有薄荷和洋甘菊精油的凝胶纳米纤维，防止了由加热导致的精油的快速蒸发[53]。Kayaci 等[56]研究表明，环糊精包封香草、薄荷醇、丁香酚的风味化合物可以使化合物在高温下更稳定，与聚乙烯醇一起静电纺丝可以延长食品的货架期。Wen 等[57]成功地将肉桂精油封装到由聚乙烯醇（PVA）和β-环糊精基质组成的基质中，所得的纳米薄膜的抗菌活性比流延薄膜更好，可以有效地延长草莓的保质期，并且1 mg/mL 的肉桂精油即可抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。迷迭香提取物等富含多酚的成分是一种薄膜添加剂，可防止脂质氧化和微生物生长，Hernandez 等[67]报道了将迷迭香提取物加入淀粉中生产具有抗氧化性能的活性食品包装，加入迷迭香提取物后的膜具有很高的力学性能、抗氧化性及抗紫外线能力。Liu 等[53]制作了用于食品包装的抗菌PLA/茶多酚纳米纤维，发现茶多酚的加入使拉伸强度和断裂伸长率降低，但是抗菌活性显著升高，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性分别达到92.26%和94.58%。

3 静电纺丝抗菌膜的抗菌机制

目前在医学、食品、药学领域，有害微生物的控制越来越受到重视，因此，明确和探究静电纺丝纤维的抗菌机制可以更好地扩大其应用范围[74]。在同等质量情况下，与普通流延法制成的膜相比，静电纺丝纤维膜具有更大的比表面积，更容易与微生物接触和相互作用。如图3所示，静电纺丝纳米纤维膜可以通过释放出的抑菌物质对微生物进行攻击，来自环境或者食物中的水分会促进静电纺丝纳米纤维表面抗菌物质的溶解、释放和扩散。一旦微生物接近聚合物纤维表面，纺丝纤维膜释放出的抗菌物质对微生物进行攻击，消灭接触的致病菌，保证食品质量，延长货架期[75]。

图3 静电纺丝膜中抗菌成分作用于细菌的抗菌过程Fig.3 The bacteriostatic process of the bacteriostatic components in the electrospun membrane acting on the bacteria

纳米抗菌纤维的抗菌活性，除了本身携带的抗菌剂的抗菌作用外，研究表明纳米纤维的结构和形态也是影响静电纺丝抗菌性能的主要原因之一。细菌形态也会影响纤维的抑菌效果，已有研究证明大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌等致病菌会优先黏附在与自身大小相近的纤维上[76]。静电纺丝纤维膜具有很典型的多孔形态，这种形态使膜的孔隙率极高，因为孔隙率＞60%的纤维可以抑制细菌生长，促进伤口愈合，且纤维间的孔隙可以对微生物起到很好的拦截作用，形成了极好的屏障[77]。此外，纳米纤维的平滑度越低，越有利于微生物黏附，因此，纳米材料的纤维状态至关重要，如果纳米纤维发生聚团现象会导致纤维膜出现凹陷，这些凹陷会给微生物增加黏附位点[78]。

4 结语

微生物污染导致的食品腐败变质和安全隐患一直是食品行业亟待解决的问题。与其它技术相比，静电纺丝技术操作简单、反应温和，并能够使包埋的抗菌物质持续缓慢的释放，因此，利用静电纺丝技术制备的纳米抗菌纤维未来会在食品包装和贮存过程中起到重要作用，有效地保证食品的品质和延长保质期。目前纳米粒子、抗菌肽/蛋白及植物提取物等的抗菌效果已被广泛研究和证实，但是由于加工条件和物质自身性质的限制，一直没有将这些抗菌物质广泛用于食品包装材料中。静电纺丝技术可以将抗菌物质有效地包封在纤维膜内，在不改变抗菌物质性质的基础上最大程度地提高抑菌效果。此外，静电纺丝技术在开发新型抗菌材料方面还有巨大的潜力，但由于目前研究结果与工业化生产还有很大差距，仍需未来研究者进行深入研究。