黃艷茹，丁 潔，劉亮軍，楊 旭，李秋瑩，葛永紅，勵(lì)建榮，孫 彤,*

（1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 錦州 121013；2.上海合全藥物研發(fā)有限公司，上海 200120；3.青海民澤龍羊峽生態(tài)水殖有限公司，青海 海南藏族自治州 811800）

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，食品安全已成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，特別是對(duì)于易腐水產(chǎn)品[1]。海鱸魚味道鮮美、脂肪含量低，富含人體必需的氨基酸、不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)和微量元素，廣受消費(fèi)者喜愛[2]。但由于其內(nèi)源酶和腐敗微生物促進(jìn)了蛋白質(zhì)水解和脂肪氧化，極易導(dǎo)致海鱸魚腐敗變質(zhì)，進(jìn)而影響其商業(yè)價(jià)值。因此，提高海鱸魚的鮮度品質(zhì)、延長(zhǎng)其貨架期是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，本研究采用聚合物包埋抗菌、抗氧化劑，開發(fā)生物活性食品包裝材料，以期抑制魚類的腐敗變質(zhì)。植物精油普遍存在于植物的各個(gè)部分，是具有揮發(fā)性的芳香化合物，很多植物精油被視為天然防腐劑[3]。牛至是唇形科牛至屬植物，從牛至中提取的牛至精油（oregano essential oil，OEO）富含生物活性物質(zhì)，對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的生長(zhǎng)均有抑制作用，同時(shí)還具有抗炎作用[4]。OEO的抗菌活性與其主成分百里香酚（thymol，Thy）和香芹酚（carvacrol，Car）有關(guān)[4]。Thy和Car是5-甲基-2-異丙基苯酚的同分異構(gòu)體，它們有相似的抗菌性，可以對(duì)細(xì)胞膜造成結(jié)構(gòu)和功能性的損傷；此外，Thy和Car還有很強(qiáng)的抗氧化活性[5]。近年來(lái)，OEO已被廣泛用于食品、制藥、化妝品和飼料行業(yè)[6]。然而，與其他的植物精油一樣，若直接暴露于熱、光或氧氣中，其很容易蒸發(fā)或分解[7]。為了提高使用過(guò)程中植物精油的穩(wěn)定性，同時(shí)克服其易揮發(fā)性，人們開發(fā)了微膠囊和納米脂質(zhì)體等封裝方法[8-9]。同軸靜電紡絲是近年來(lái)興起的新技術(shù)，可以用于生產(chǎn)具有核/殼結(jié)構(gòu)的纖維，產(chǎn)品具有高比表面積、高孔隙率、高封裝效率等特點(diǎn)，有利于改善化合物的功能特性[10]。普魯蘭多糖（pullulan polysaccharide，Pul）是葡萄糖的線性均聚糖，具有與其他天然聚合物相似的可降解性及優(yōu)異的成膜性、可塑性和生物相容性，已廣泛應(yīng)用于食品添加劑和環(huán)境修復(fù)劑等多個(gè)領(lǐng)域[11]。熱塑性聚氨酯（thermo plastic polyurethane，TPU）是一種良好的工程熱塑性彈性體材料，具有良好的拉伸性、熱穩(wěn)定性、透氣性和生物相容性，被廣泛用于傷口涂敷等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同時(shí)也逐漸應(yīng)用于食品領(lǐng)域[12-13]。

本研究采用同軸靜電紡絲技術(shù)制備OEO-Pul/TPU同軸靜電紡絲膜，并表征其微觀形貌，測(cè)定其理化性能和抗菌、抗氧化活性，評(píng)價(jià)其對(duì)海鱸魚魚片的保鮮效果。本研究可為生物保鮮劑及同軸靜電紡絲技術(shù)在生鮮水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用提供理論參考和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活海鱸魚購(gòu)于遼寧省錦州市海鮮市場(chǎng)，質(zhì)量為（1.80±0.10）kg。

TPU（1180A） 德國(guó)巴斯夫股份有限公司；Pu l、十六烷基三甲基溴化銨（純度為9 9%，cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）、2-硫代巴比妥酸（2-thiobarbituric acid，TBA）（純度為98%）、溴甲酚綠（pH 3.8～5.4） 上海麥克林生化科技有限公司；平板計(jì)數(shù)瓊脂培養(yǎng)基 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；溴化鉀（光譜純）北京市津同樂(lè)泰化工產(chǎn)品有限公司；其他試劑均為分析純；去離子水（電導(dǎo)率低于15 μS/cm）為自制。

1.2 儀器與設(shè)備

7890 N/ 5945 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gaschromatography-mass spectrometry，GC-MS）儀、Scimitar 2000傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）儀 美國(guó)安捷倫公司；MS-105DU電子分析天平 瑞士梅特勒托利多儀器有限公司；DF-II型集熱式磁力攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；ET-LB39H靜電紡絲儀 北京永康樂(lè)業(yè)科技發(fā)展有限公司；DZF-1B真空干燥箱 山東鄄城威瑞科教儀器有限公司；TA-XT-PLUS質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司；Jeol-1230場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）日本電子株式會(huì)社；OCA 25視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x 德國(guó)數(shù)據(jù)物理儀器有限公司；Q2000 差示掃描量熱儀 上海蔡?？茖W(xué)儀器有限公司；Pyris Diamond熱重分析儀 美國(guó)PE公司；Rigaku-Ultima IV X射線粉末衍射（X-ray powder diffraction，XRD）儀 日本理學(xué)公司；LRH-150型生化培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；PHS-3C雷磁酸度計(jì) 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；UV-2550紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；T25數(shù)顯型均質(zhì)機(jī) 上海珂淮儀器有限公司；Bagmixer 400W拍擊式均質(zhì)機(jī) 上海智理科學(xué)儀器有限公司；K9840凱氏定氮儀 鄭州海能儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 OEO的GC-MS分析

采用GC-MS技術(shù)（HP-5MS色譜柱（30 m×250 μm，0.25 μm），載氣為He，電子轟擊（electron impact，EI）離子源）分析OEO的主成分。將OEO用正己烷稀釋10 000 倍，進(jìn)樣量1 μL，進(jìn)樣口溫度250 ℃，流速1 mL/min，m/z50～1 000全掃描。

1.3.2 同軸靜電紡絲膜的制備

取TPU 15.00g，在磁力攪拌的條件下溶于100.0 mLN,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide，DMF）和四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）的混合溶液（體積比4∶1）中，再加入0.5 g CTAB，攪拌至完全溶解，得到15.0% TPU溶液。取0.50 g Pul溶于10.0 mL DMF溶液中，再分別加入0.300 0 g Thy、Car或OEO，攪拌至完全溶解，得Thy-Pul溶液、Car-Pul溶液和OEO-Pul溶液，不加生物保鮮劑即得Pul溶液。分別以Thy-Pul溶液、Car-Pul溶液、OEO-Pul溶液和Pul溶液為芯層，以TPU溶液為殼層，在下述條件下進(jìn)行靜電紡絲，制備同軸靜電紡絲膜。靜電紡絲條件：正電壓17.76 kV、負(fù)電壓－1.80 kV、殼層流速0.2 mm/min、芯層流速0.1 mm/min、接收距離24.0 cm、平移速率300 mm/min、溫度（25±1）℃、相對(duì)濕度40%～50%。紡絲結(jié)束后揭膜，密封保存。

1.3.3 同軸靜電紡絲膜的表征

同軸靜電紡絲復(fù)合薄膜在20 kV噴金處理3 min后用場(chǎng)發(fā)射SEM觀察其微觀形貌。在SEM圖像中測(cè)量同軸靜電紡絲纖維的直徑，采用ImageJ軟件計(jì)算纖維的直徑分布[14]。靜電紡絲過(guò)程中在銅網(wǎng)上接收同軸靜電紡絲纖維，用TEM觀察其核殼結(jié)構(gòu)[14]。將同軸靜電紡絲膜裁剪成邊長(zhǎng)1 cm的正方形薄膜用于XRD分析，測(cè)定條件：CuKα輻射為40 kV，50 mA，步長(zhǎng)為0.02°，掃描范圍為5°～70°。將適量樣品剪碎后與KBr（1∶100，m/m）混合，充分研磨后壓片，用FTIR儀進(jìn)行FTIR分析，測(cè)定條件：4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1[15]。采用差示掃描量熱儀和熱重分析儀在氮?dú)鈼l件下測(cè)定薄膜的熱穩(wěn)定性。前者測(cè)試溫度范圍為40～240 ℃，后者為30～600 ℃，升溫速率均為10 ℃/min[16]。

1.3.4 同軸靜電紡絲膜理化性能的測(cè)定

取長(zhǎng)40 mm、寬20 mm的薄膜，采用TA-XT-PLUS質(zhì)構(gòu)儀在拉伸速率為2.0 mm/s的條件下測(cè)定其拉伸強(qiáng)度（tensile strength，TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（elongation break，EB）[17]。采用質(zhì)量法測(cè)定樣品的水蒸氣透過(guò)率（water vapor transmission rate，WVTR）[18]，將樣品密封于裝有3.00 g無(wú)水氯化鈣的稱量瓶中，稱量后記錄初始質(zhì)量。將稱量瓶放入底部裝有飽和氯化鈉溶液的干燥器中，48 h后每2 d測(cè)定一次質(zhì)量，為期1 周，WVTR按下式計(jì)算。

式中，WVTR為水蒸氣透過(guò)率/（g/（m2·d））；Δm為稱量杯質(zhì)量增加量/g；S為樣品的有效面積/m2；t為測(cè)定時(shí)間/d。

將靜電紡絲膜裁成1 cm×2 cm的長(zhǎng)方形，采用質(zhì)量法測(cè)定膜的含水量（water content，WC）、溶脹度（swelling degree，SD）和水溶性（water-solubility，WS），參考Alizadeh-Sani等[19]的方法計(jì)算。采用切線法，用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量靜電紡絲膜對(duì)水的靜態(tài)接觸角，每個(gè)樣品選取5 個(gè)不同位置滴加蒸餾水測(cè)定[20]。

1.3.5 同軸靜電紡絲膜中保鮮劑釋放性能的測(cè)定

取2 cm×2 cm靜電紡絲膜于100 mL的磷酸鹽緩沖液（50 mmol/L，pH 7.4）中，保存于4 ℃冰箱，一定時(shí)間后取1.0 mL溶液，測(cè)定274 nm波長(zhǎng)處的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算芯材保鮮劑釋放率，并繪制釋放曲線。取樣后再補(bǔ)充等體積磷酸鹽緩沖液。

1.3.6 海鱸魚魚片的保鮮

1.3.6.1 海鱸魚魚片的處理

鮮活海鱸魚用冰猝死后去頭、去皮、去內(nèi)臟，取兩側(cè)魚肉，每片質(zhì)量（100±5）g。用無(wú)菌水清洗魚肉，用無(wú)菌紙擦拭干其表面水分備用。

在無(wú)菌操作臺(tái)中，分別取實(shí)驗(yàn)制備的同軸靜電紡絲膜，于20 W、254 nm波長(zhǎng)的紫外燈下0.5 m照射30 min以殺滅其表面微生物。將擦拭干凈的魚片放于10 cm×10 cm的正方形同軸靜電紡絲膜上，并整體放在有少量透氣孔的塑料包裝盒中，4 ℃貯藏，每3 d取樣一次，測(cè)定鮮度指標(biāo)。將無(wú)菌紙拭干表面的魚片置于塑料包裝盒中作為對(duì)照樣品。

1.3.6.2 同軸靜電紡絲膜抗菌性能的測(cè)定

以腐敗希瓦氏菌和熒光假單胞菌為研究對(duì)象。用LB肉湯調(diào)節(jié)新鮮菌液至OD595nm≈0.5，取200 μL菌懸液于10.0 mL新的LB肉湯中，放入裁剪好的2 cm×2 cm靜電紡絲膜，2 8 ℃搖床中培養(yǎng)一定時(shí)間后測(cè)定菌懸液的OD595nm。

1.3.6.3 魚片新鮮度的測(cè)定

選取10 名水產(chǎn)組同學(xué)，按照雷志方等[21]的方法，從色澤、氣味、外觀、質(zhì)地不同方面對(duì)魚片進(jìn)行感官評(píng)分。其中10 分為最佳，3 分為可接受最低值。取10.00 g魚肉置于無(wú)菌蒸煮袋中，倒入90 mL無(wú)菌生理鹽水，用拍打均質(zhì)機(jī)拍打60 s，靜置后進(jìn)行梯度稀釋，取適當(dāng)濃度的稀釋液，按照楊華等[22]的方法測(cè)定魚肉的菌落總數(shù)（total viable count，TVC）。稱取5.00 g攪碎的魚肉，加入45 mL去離子水，均質(zhì)后靜置30 min，按照王明等[23]的方法測(cè)定魚肉的pH值。稱取10.00 g攪碎的魚肉，加入25 mL去離子水，高速均質(zhì)后加入25.0 mL 50 g/L的三氯乙酸，攪拌均勻后靜置30 min過(guò)濾。再取5.00 mL 0.02 mol/L TBA與5.00 mL濾液混合，置于90 ℃恒溫水浴反應(yīng)30 min，冷水冷卻至室溫，以三氯乙酸為對(duì)照，測(cè)定樣品在532 nm波長(zhǎng)處的吸光度，按照張冉等[24]的方法測(cè)定魚片的TBA值。稱取5.00 g攪碎的魚肉，加入40 mL去離子水，均質(zhì)后過(guò)濾，收集濾液，按照王當(dāng)豐等[25]的方法，采用凱氏定氮儀測(cè)定魚片的總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)薄膜表面水接觸角進(jìn)行5 次平行測(cè)定，其余實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3 次平行測(cè)定，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)以及顯著性分析（單因素方差分析），采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 OEO-Pul/TPU同軸靜電紡絲膜的表征及性能分析結(jié)果

2.1.1 靜電紡絲膜的微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征

GC-MS檢測(cè)結(jié)果表明，OEO中含98.48%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的Car和0.36%的Thy。靜電紡絲膜的纖維形態(tài)及其尺寸會(huì)受所用材料、溶液黏度和電導(dǎo)率等因素的影響[26]。如圖1A1、A3所示，Pul/TPU同軸靜電紡絲納米纖維表面光滑、無(wú)斷裂，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但粗細(xì)不均，平均直徑為（149.50±45.60）nm。如圖1B1～D1、B3～D3所示，加入Thy、Car和OEO后，纖維表面依舊光滑，平均直徑分別增大至（196.52±42.80）、（175.47±39.31）nm 和（156.18±40.94）nm，說(shuō)明保鮮劑的加入不僅對(duì)同軸靜電紡絲纖維的形態(tài)無(wú)明顯的影響，且可使纖維變粗，并使單個(gè)纖維直徑更為均勻。這可能是由于多糖糖苷鍵的氧原子與多酚的羥基相互作用，使分子間氫鍵作用增強(qiáng)[27]；或是由于保鮮劑的加入改變了Pul溶液的特性[28]，使聚合物鏈結(jié)的纏結(jié)程度增強(qiáng)，進(jìn)而提高了溶液黏度。如圖1A2～D2所示，纖維均呈現(xiàn)出同軸結(jié)構(gòu)，說(shuō)明靜電紡絲纖維形成過(guò)程中，芯材與殼層脫溶劑后未完全混勻，有明顯的分界面。

圖1 同軸靜電紡絲膜的SEM圖像、TEM圖像和纖維直徑分布Fig.1 SEM and TEM images and fiber diameter distribution of coaxial electrospinning films

由圖2A可以看出，TPU膜在2θ＝20.80°處出現(xiàn)了較寬的非晶態(tài)衍射峰，說(shuō)明其為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；Pul顆粒在2θ＝20.36°處也出現(xiàn)較寬的非晶態(tài)衍射峰，為非晶態(tài)物質(zhì)；Thy在2θ＝7.96°、16.88°、19.00°和20.86°處均有尖銳的衍射峰，說(shuō)明Thy為晶體。與TPU單軸靜電紡絲膜相比，圖2B中Pul/TPU同軸靜電紡絲膜的XRD衍射峰左移，說(shuō)明殼層和芯層的成膜基質(zhì)形成了氫鍵或共軛結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響了膜的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；芯層中加入Thy、Car和OEO后，Pul/TPU膜衍射峰右移，說(shuō)明保鮮劑與多糖之間發(fā)生了相互作用，影響了膜的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；在加入Thy和OEO的Pul/TPU膜中未發(fā)現(xiàn)Thy晶體的衍射峰，可能是由于Thy被包埋于纖維內(nèi)部，且含量較少，因此未檢出[29]。

圖2 原料及同軸靜電紡絲膜的XRD（A、B）和FTIR（C、D）譜圖Fig.2 XRD (A and B) and FTIR (C and D) spectra of raw materials and coaxial electrospinning films

如圖2C、D所示，3 600～3 300 cm－1處的吸收峰是—OH的伸縮振動(dòng)峰，2 963～2 857 cm－1附近是甲基和次甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰。如圖2C所示，1 708 cm－1處是氨酯羰基伸縮振動(dòng)峰，1 533 cm－1處為聚氨酯—C—NH—的振動(dòng)吸收峰；1 076 cm－1處為多糖1,4-糖苷鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，924 cm－1和851 cm－1附近分別為Pul的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵的吸收峰[30]。與Thy相比，Car位于3 600～3 300 cm－1處的吸收峰變寬，且向高波數(shù)方向移動(dòng)，說(shuō)明中Car含有更多的游離—OH，即未形成締合狀態(tài)的—OH結(jié)構(gòu)。即Thy有序，而Car分子更加無(wú)序，從另一個(gè)角度印證了Thy為晶體，Car為非晶態(tài)。OEO的—OH振動(dòng)吸收峰介于兩者之間（圖2C），這是由于OEO為Car和Thy的混合物，與Friné等[31]的研究結(jié)果相似。保鮮劑在2 961 cm－1附近有特征峰，歸因于飽和C—H的伸縮振動(dòng)，其余特征峰主要分布在1 700～1 200 cm－1之間[32]。其中1 622 cm－1處是苯環(huán)的C＝C骨架振動(dòng)峰，1 584 cm－1處是芳香族的彎曲振動(dòng)峰，1 423、1 354 cm－1處是C—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1 246 cm－1處是C—O的伸縮振動(dòng)峰。與圖2C相比，圖2D中Pul/TPU纖維膜在3 600～3 300 cm－1處的吸收峰變寬且向低波數(shù)方向移動(dòng)，這可能是由于TPU與Pul之間形成了氫鍵所導(dǎo)致的。Pul/TPU膜的譜圖中出現(xiàn)了Pul糖苷鍵的吸收峰，說(shuō)明Pul已經(jīng)被包覆在靜電紡絲纖維中。與圖2D中其他樣品相比，Car-Pul/TPU膜譜圖中位于3 334 cm－1處的吸收峰變寬，且向高波數(shù)方向移動(dòng)，說(shuō)明Car-Pul/TPU膜中含有更多未形成締合狀態(tài)的游離—OH結(jié)構(gòu)，這與二者的晶體狀態(tài)分析結(jié)果一致。OEO-Pul/TPU膜譜圖中的—OH振動(dòng)吸收峰介于兩者之間，是由于OEO為Car和Thy的混合物，這與Friné等[31]的研究結(jié)果相似。與圖2C相比，圖2D中保鮮劑原來(lái)位于1 622、1 584 cm－1和1 246 cm－1處的特征吸收峰分別藍(lán)移至1 602、1 533 cm－1和1 226 cm－1處，說(shuō)明保鮮劑已被成功包覆于靜電紡絲膜中，且與Pul和TPU形成了氫鍵等或形成了共軛結(jié)構(gòu)。

差示掃描量熱儀可通過(guò)吸收峰消失或移動(dòng)情況來(lái)表征組分之間的相互作用、分解或溶劑揮發(fā)情況。如圖3A所示，與Pul/TPU膜相比，加入保鮮劑后，膜的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度（Tg）顯著降低，這可能是多糖與保鮮劑相互作用影響了其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。其中Thy-Pul/TPU膜的Tg為71.34 ℃，Car-Pul/TPU膜的Tg為79.98 ℃，這可能是由于Thy和Car的晶體結(jié)構(gòu)差異造成的。而OEO-Pul/TPU膜的Tg介于二者之間，是由于OEO具有多組分，這與Luís等[33]的研究結(jié)果一致。

圖3 同軸靜電紡絲膜的差示掃描量熱分析（A）、熱重分析（B）和導(dǎo)數(shù)熱重分析（C）圖Fig.3 Differential scanning calorimetry (A),thermogravimetric analysis (B) and derivative thermogravimetry analysis (C) of coaxial electrospinning films

不同樣品的熱穩(wěn)定性可借助熱重分析進(jìn)行評(píng)估。如圖3B、C所示，靜電紡絲膜熱降解主要分為3 個(gè)階段。第一階段，低于100 ℃時(shí)的質(zhì)量損失主要?dú)w因于水和溶劑的蒸發(fā)以及保鮮劑中易揮發(fā)成分的揮發(fā)，這一階段質(zhì)量損失極少，說(shuō)明膜的WC極少。第二階段開始于250 ℃左右，靜電紡絲膜表現(xiàn)出相同的熱降解趨勢(shì)，這主要?dú)w因于聚合物鏈和保鮮劑的熱降解，此時(shí)質(zhì)量損失率在70%～75%之間。與Pul/TPU膜相比，Thy-Pul/TPU膜的分解溫度無(wú)變化，Car-Pul/TPU膜的分解溫度略有提高，這可歸因于非晶體的Car中大量游離—OH與聚合物鏈之間的氫鍵作用力增強(qiáng)。OEOPul/TPU膜的分解溫度下降，這可能是因?yàn)镺EO中的多組分復(fù)合阻斷了部分聚合物分子間氫鍵的形成。第三階段為350～450 ℃，主要是由于聚合物的碳化。上述結(jié)果表明，保鮮劑的加入對(duì)靜電紡絲膜的熱穩(wěn)定性影響不顯著。

2.1.2 靜電紡絲膜的理化性能分析

由表1可見，Pul/TPU膜的TS較大，EB較小，加入保鮮劑后膜的TS均減小，EB均增大。這主要是由于保鮮劑的添加破壞了聚合物排列的連續(xù)性，同時(shí)提高了靜電紡絲膜的柔韌性和聚合物鏈的流動(dòng)性[35]。

表1 同軸靜電紡絲膜的理化性能Table 1 Physicochemical properties of coaxial nanofiber films

WVTR是研究包裝材料的重要參數(shù)，WVTR越低表明膜對(duì)水蒸氣的阻隔性能越好。如表1所示，加入保鮮劑后，Pul/TPU膜的WVTR不同程度降低，即其對(duì)水蒸氣的阻隔性能增強(qiáng)。這是由于疏水性的保鮮劑均勻分散在靜電紡絲膜的芯層中，同時(shí)，靜電紡絲膜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，使水分子擴(kuò)散路徑更加曲折。此外，精油與Pul官能團(tuán)之間的相互作用削弱了多糖與水分子間的相互作用，有效抑制了水分子的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散[36]。

由表1可知，Pul/TPU膜具有較高的WC、SD和WS，這是因?yàn)镻ul本身具有較多的親水基團(tuán)[37]。加入保鮮劑后，由于精油的疏水性使靜電紡絲膜的WC顯著降低，或是由于保鮮劑與多糖之間的相互作用，減弱了多糖與水分子間的氫鍵作用[38-39]。

如圖4所示，靜電紡絲膜的水接觸角均小于90°，且經(jīng)60 s潤(rùn)濕后，其水接觸角大幅降低，說(shuō)明樣品均呈親水性。這是由于Pul提供了親水基團(tuán)，提高了水對(duì)靜電紡絲膜表面的潤(rùn)濕性。加入保鮮劑后，靜電紡絲膜的水浸潤(rùn)速度低于Pul/TPU膜，這是由于Thy、Car和OEO被有效包裹在靜電紡絲纖維中，改變了同軸靜電紡絲膜的水浸潤(rùn)性[40]。本研究結(jié)果表明，OEO-Pul/TPU膜的水接觸角大于Thy-Pul/TPU膜和Car-Pul/TPU膜，說(shuō)明OEO精油中的多組分復(fù)合更有利于薄膜持水性能的提高，這與WC、SD和WS研究結(jié)果相印證。

圖4 同軸靜電紡絲膜的水接觸角Fig.4 Water contact angles of coaxial electrospinning films

2.1.3 靜電紡絲纖維中保鮮劑的釋放特性及動(dòng)力學(xué)分析

一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度、釋放介質(zhì)、保鮮劑的溶解性以及載體的SD等因素均會(huì)影響靜電紡絲膜中保鮮劑的釋放。如圖5所示，同軸靜電紡絲膜內(nèi)的保鮮劑在20 h內(nèi)快速釋放，20～100 h內(nèi)緩慢釋放，而后其釋放速率更低。分析認(rèn)為，將包埋保鮮劑的靜電紡絲膜置于磷酸鹽緩沖液中后，膜表面殘留和吸附的保鮮劑瞬間快速釋放。此后，依靠膜纖維內(nèi)外保鮮劑的濃度差推動(dòng)其進(jìn)一步釋放。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，薄膜的聚合物殼層溶脹、水分滲透率增加、保鮮劑濃度下降，驅(qū)動(dòng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致其釋放速率逐漸變平緩[41]。說(shuō)明同軸靜電紡絲膜的核殼結(jié)構(gòu)有效控制了生物保鮮劑的釋放。

圖5 保鮮劑在同軸靜電紡絲膜中的釋放性能Fig.5 Release properties of preservatives in coaxial electrospinning films

表2 為釋放曲線的動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果。其中Logistic模型（R2＝0.992～0.981）和一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型（R2＝0.961～0.979）的擬合效果最好。在Logistic模型中，Thy的初始釋放速率（A1）以及釋放最快點(diǎn)速率（p）最低，其次是OEO，Car最高。這與保鮮劑結(jié)構(gòu)差異及其在磷酸鹽緩沖液中的溶解性有關(guān)，且纖維直徑越大，保鮮劑釋放越緩慢。OEO的最終釋放率（A2）最高，其次是Thy，Car最低。在Car-Pul/TPU膜中，Car的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)使其與膜基質(zhì)間的連接自由度更高，Car分子表面大量的游離—OH有利于保鮮劑與膜基質(zhì)形成高于分子間作用力的氫鍵，在釋放過(guò)程中，其所需的濃度推動(dòng)力更大，故其總釋放率最低。在Thy-Pul/TPU膜中，Thy為晶體物質(zhì)，分子表面的—OH為締合狀態(tài)，故其總釋放率較高。在OEO-Pul/TPU膜中，OEO為Thy和Car等組成的多組分混合物，多組分物質(zhì)的加入破壞了聚合物排列的連續(xù)性，同時(shí)提高了膜的柔韌性和聚合物鏈的流動(dòng)性，OEO與膜基質(zhì)的結(jié)合力較弱，故其總釋放率最高。綜上所述，保鮮劑的釋放行為是崩解與溶出機(jī)制的復(fù)雜耦合結(jié)果，且受纖維基質(zhì)的控制。

表2 保鮮劑的釋放動(dòng)力學(xué)模型分析Table 2 Release kinetics models of preservatives from coaxial electrospinning films

2.1.4 同軸靜電紡絲膜的抗菌性能

如圖6所示，各同軸靜電紡絲膜對(duì)腐敗希瓦氏菌和熒光假單胞菌的抑菌性能相似。未處理和經(jīng)Pul/TPU膜處理樣品的細(xì)菌生長(zhǎng)速度較快，在實(shí)驗(yàn)后期，經(jīng)Pul/TPU膜處理的菌落生長(zhǎng)速度更快，這是由于膜材料本身無(wú)抗菌性，而其多糖組分為細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖提供了營(yíng)養(yǎng)。Pul/TPU膜中加入保鮮劑后，抑菌性能顯著增強(qiáng)，其中Car-Pul/TPU膜的抑菌性能優(yōu)于Thy-Pul/TPU膜，而OEO-Pul/TPU膜的抑菌性能最優(yōu)。Thy和Car具有較強(qiáng)的抗菌、抗氧化性，可以通過(guò)破壞細(xì)菌細(xì)胞壁和脂質(zhì)雙分子層改變細(xì)胞膜的通透性，打破細(xì)胞質(zhì)中的離子平衡和pH穩(wěn)態(tài)，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[42]。雖然Thy和Car是5-甲基-2-異丙基苯酚的同分異構(gòu)體，但Thy是晶體物質(zhì)，而Car呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，在同等濃度且相同量的條件下，Car的活性基團(tuán)數(shù)量更多，故其抗菌性能更優(yōu)。OEO中的主成分Thy和Car具有協(xié)同增效作用，故其抗菌性能最優(yōu)。

圖6 同軸靜電紡絲膜對(duì)腐敗希瓦氏菌（A）和熒光假單胞菌（B）生長(zhǎng)曲線的影響Fig.6 Effect of coaxial electrospinning films on the growth curves of Shewanella putrefaciens (A) and Pseudomonas fluorescens (B)

2.1.5 同軸靜電紡絲膜對(duì)海鱸魚魚片的保鮮性能

新鮮魚片呈白色、無(wú)異味且具有光澤。如圖7A所示，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，所有樣品的感官評(píng)分均呈下降趨勢(shì)。經(jīng)Pul/TPU同軸靜電紡絲膜處理的魚片在第9天率先達(dá)到不可接受值，未處理魚片在第10天達(dá)到不可接受值，而經(jīng)加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的感官評(píng)分下降減緩，在貯藏時(shí)間達(dá)到12 d時(shí)仍大于4 分，其中，經(jīng)OEO-Pul/TPU膜處理的樣品感官評(píng)分最高。由于Pul/TPU膜無(wú)抗菌性能，且其多糖組分可為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，故經(jīng)Pul/TPU膜處理后，魚片的感官評(píng)分下降速度高于未處理樣品。當(dāng)Pul/TPU膜中加入保鮮劑后，保鮮劑作用于魚片，起到抗菌、抗氧化作用，有效延緩了魚片品質(zhì)的劣變。OEO中的主成分Thy和Car具有協(xié)同增效作用，使OEO-Pul/TPU膜處理樣品的感官評(píng)分優(yōu)于同期其他樣品。

圖7 冷藏過(guò)程中海鱸魚魚片的品質(zhì)變化Fig.7 Quality changes of Lateolabrax japonicus fillets treated with coaxial electrospinning films during cold storage

水產(chǎn)品在貯藏期間容易滋生腐敗菌等微生物，其是導(dǎo)致魚類腐敗的主要原因之一。如圖7B所示，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，所有樣品的TVC均呈上升趨勢(shì)。經(jīng)Pul/TPU膜處理魚片的TVC上升速度最快，在第9天超過(guò)可接受限值（6（lg（CFU/g）））。未處理魚片的TVC略低于同期Pul/TPU膜處理樣品。由于Pul為魚片內(nèi)微生物提供了營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，促進(jìn)了魚片內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖，故經(jīng)Pul/TPU膜處理后，魚片的TVC上升速度略高于未處理樣品。而經(jīng)加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的TVC上升緩慢，其中，Car-Pul/TPU膜處理魚片的TVC低于同期Thy-Pul/TPU膜處理魚片，其分別在第11天和第10天達(dá)到可接受限值；經(jīng)OEO-Pul/TPU膜處理魚片的TVC在貯藏至12 d時(shí)仍在可接受范圍內(nèi)。這是由于Car的抗菌性能優(yōu)于Thy，且OEO的各組分具有協(xié)同增效作用，與Pul/TPU膜的抗菌性能研究結(jié)果[43]一致。

一般來(lái)說(shuō)，魚體死后體內(nèi)糖原分解為葡萄糖，無(wú)氧呼吸產(chǎn)生乳酸，使魚片的pH值下降。而后，蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)含氮化合物分解為堿性化合物，導(dǎo)致魚片的pH值上升。如圖7C所示，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，除經(jīng)Car-Pul/TPU膜處理魚片的pH值略有下降外，其他樣品的pH值均上升。這可能是由于魚片的蛋白質(zhì)及含氮化合物分解階段在第3天之前開始，與Vatavali等[44]的研究結(jié)果一致。其中，未處理魚片的pH值上升速度最快，經(jīng)Pul/TPU膜處理魚片的pH值上升速度明顯減緩，加入保鮮劑后效果更佳，Car-Pul/TPU膜處理樣品在貯藏初期的pH值最低，OEO-Pul/TPU膜處理樣品在貯藏后期的pH值上升速度最低。由于Pul/TPU膜具有較強(qiáng)的阻隔性能，可有效阻止外界氧化態(tài)物質(zhì)對(duì)魚片的入侵，從而抑制魚片內(nèi)含氮化合物的分解，進(jìn)而延緩魚片pH值的上升。而加入保鮮劑之后，薄膜內(nèi)保鮮劑的緩釋起到了長(zhǎng)效保鮮的作用，其作用效果優(yōu)于Pul/TPU膜處理的樣品。由于Car具有強(qiáng)抗菌性能，且膜中Car的初期釋放速度較大，在貯藏初期，Car-Pul/TPU膜中的Car快速釋放并作用于魚片，有效抑制了魚片內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖，延緩了魚片中含氮化合物的分解。同時(shí)，由于OEO具有協(xié)同增效抗菌性能，且OEO-Pul/TPU膜中OEO的總釋放率最高，在貯藏后期的抗菌、抗氧化性能發(fā)揮得更好，故經(jīng)OEO-Pul/TPU膜處理的魚片在貯藏后期pH值上升速度最低。

魚片的脂肪氧化程度可通過(guò)測(cè)定其中不飽和脂肪酸的主要降解產(chǎn)物丙二醛的含量來(lái)間接確定[45]。如圖7D所示，隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，魚片的TBA值呈上升趨勢(shì)，在貯藏終點(diǎn)時(shí)仍在可接受范圍內(nèi)。與未處理魚片相比，經(jīng)Pul/TPU膜處理的魚片TBA值上升速度更快，第12天時(shí)接近0.7 mg/kg，這與TVC的研究結(jié)果相印證。而經(jīng)加入保鮮劑的薄膜處理后，魚片的TBA值在第12天時(shí)仍低于0.5 mg/kg，且三者并無(wú)明顯差異。這是由于Thy和Car作為多酚類物質(zhì)能清除自由基，可延緩魚片內(nèi)脂肪氧化反應(yīng)的快速進(jìn)行[46]。

TVB-N是魚肉中微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中分解蛋白質(zhì)及非蛋白質(zhì)含氮化合物產(chǎn)生的各種堿性含氮化合物，是評(píng)價(jià)魚肉品質(zhì)的重要指標(biāo)[47]。如圖7E所示，隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，魚片TVB-N值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。未處理魚片的TVB-N值上升速度最快，在第8天達(dá)到可接受限值，Pul/TPU膜處理組次之，經(jīng)加入保鮮劑的Pul/TPU膜處理后，魚片的TVB-N值上升速度減緩，其中，經(jīng)Car-Pul/TPU膜和OEO-Pul/TPU膜處理的效果最優(yōu)。由于Pul/TPU膜具有一定的阻隔性能，可有效阻止外界氧化態(tài)物質(zhì)對(duì)魚片的影響，延緩含氮化合物的分解，所以TVB-N值的上升速率比未處理樣品緩慢。而Pul/TPU靜電紡絲膜內(nèi)緩釋的保鮮劑有效抑制了魚片內(nèi)微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而延緩蛋白質(zhì)分解，并降低了細(xì)菌對(duì)非蛋白質(zhì)氮化合物的氧化脫氨基能力，抑制TVB-N值的快速上升[48]。此外，由于Car和OEO的抗菌性能更優(yōu)，可延緩魚片蛋白質(zhì)的分解，故Car-Pul/TPU膜和OEO-Pul/TPU膜有效抑制了魚片TVB-N值的增加。

3 結(jié)論

本研究采用靜電紡絲技術(shù)制備了以O(shè)EO及其主成分Thy和Car為芯材的Pul/TPU同軸靜電紡絲膜。與純Pul/TPU膜相比，加入保鮮劑后，靜電紡絲纖維變粗，且單個(gè)纖維的直徑更均勻。保鮮劑被成功包覆于靜電紡絲膜中，且與芯層基材和殼層物質(zhì)形成了高于分子間作用力的相互作用，影響了膜的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使靜電紡絲膜的Tg、TS、SD顯著降低，水蒸氣阻隔性能和潤(rùn)濕性得到改善。Pul/TPU靜電紡絲膜中保鮮劑的釋放行為是崩解與溶出機(jī)制的復(fù)雜耦合，且其核殼結(jié)構(gòu)可以有效控制保鮮劑的釋放。包埋OEO及其主成分的Pul/TPU靜電紡絲膜可有效抑制魚片微生物的生長(zhǎng)繁殖和蛋白質(zhì)、脂肪的氧化，降低魚片TVC、pH值、TBA值和TVB-N值的上升速度。且OEO中的主成分Car和Thy具有協(xié)同增效作用，使魚片的貨架期從8 d延長(zhǎng)至12 d。本研究以天然多糖和生物保鮮劑為原料，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備食品包裝材料，為解決水產(chǎn)品在貯藏過(guò)程中腐敗變質(zhì)的問(wèn)題提供了理論支持，該方法在食品包裝貯藏領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。