静电纺抗菌纳米纤维膜的制备及纺丝条件对其形貌的影响

1、现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.12现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.12静电纺抗菌纳米纤维膜的制备及纺丝条件对其形貌的影响吴虹，温棚，崔秀秀，朱定和，娄文勇，宗敏华(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)摘要：本文利用辭电纺丝技术将可生物降解的聚乙烯醇3)和具有良好抗苗作用的肉柱箭油纺成抗蕾纳米纤维材料溶液组成 及纺丝工艺参戟会影响纤维直径的分布，进而影响材料的抗蔺性能.因此，我们首先考察了不同质量浓度的PXA和0环瀚耕

2、9-CD) 对纤维直径分布的觀响。借助扫描电饺对制备的纳米纤维形妇廿亍现察.发现最适的PVA及0-CD的踐量浓度分别为6%和2%。在恒定电压下，利用SPSS分析挂收距离和纺丝速辱对歼维直径分布的觀响。席果表明，接收距离对纤雄直径的够响更为显著.而紡丝 速牵影响柏对较小.适宜的纺丝工艺参数为电压15 kV.纺丝速0.4 mLh接收距离14在上述优化条件下.得列的纳米纤维直径分布均匀、形的良好，有利于提高其抗菌活性。关键词：伸电纺丝：抗茵纳米纤维膜：歼维直径：SPSS文章篇号：1673-9078(2013)12-2937-2941Preparation of Electrospun Antimic

3、robial NanoFilm and the Effectof Electrospinning Condition on Its MorphologyVVU Hong, WEN Peng, CUI Xiu-xiu. ZHU Ding he, LOU Wen-yong, ZONG Min hua(College of Light Industiy and Food Sciences, South China University of Teclmology, Giiaiigzliou 510640. China)Abstract: Biodegradable polymer of polyvu

4、jyl alcoholand cinnamon essential oil wfh a good antimicrobial effect weresuccessftilb/ electroGpinned into antimicrobial significant effect on the distribution of fiberstudy. The solution compost ion and electro mnmg paramet as had ration of antimicrobial propcity of nano-material. Therefore. wc fi

5、rst on the fiber diameter distribution SI wx applied to observe theinvestigated the effect of PXA and -cy clod ext morphology of the nanofibers, and the optimalon of PVA and fl-CD wx found to be 6% and 2%. respectively. SPSSmethodology wac used to analyze the eficct erf the flow rate and distance on

6、 the diameter drtnbution under constant voltage condition The results showed that the det once had more reencc on the nano fiber diameter than that of flow rate The optimal electrospiuungconditions were: vokage 15 kV flw rate 0.ancc 14 cm. Under the dbovc-mcntloncd optimal oondlions, the diameters o

7、f thrresuking nanofibas were equalk* distributed, and the nonofiber film had a good moipholo, which could enhance the penintencc of iz antimicrobial ability,Key words: eketrospun; antimicrobial nanofiber film; fiber diameter; statistics package for social science现代食品科技Modern Food Science and Technol

8、ogy2013, Vol.29, No.122937仗品抗菌包装是任包装材料屮添加定量的对人 体安全的抗菌剤，通过抑制或杀火仗品衣面附着的微 生物，从而延长食品货架期的一种新型功能材料. 收稿日期：2013-08-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目071559)；新世纪优霁人才支持 计划项目(NCET-11-0161, NCET-10-0367)；广东省天然产物绿色加工与产 品安全更点实验室开放基金资助项目(201207)作者简介：吴红(1971-),女.博上，副教授，主變从事食品化工、生物 化工研究；温棚与密秀夷并列第二作者通讯作者：宗敏华(I960-),女.博七敦授，主要从事食品化工

9、、生物 化工研究抗茵包装材料但括添加无机或仃机抗菌剂的抗菌包装 材料、可仗性食砧抗歯膜、分了组装抗菌材料、纳米 抗菌包装材料等.其中，纳米抗菌包装材料是指把具 何抗閨特性的材料加丄到纳米级别，或者足把具右抗 菌待性的纳米粒孑父合到岛分/材料屮，其独特的纳 米效应使这些材料具冇传统抗菌材料所不具备的一些 优良特性【制备纳米材料的方法众多，如拉仲法、模板合成 法、微相分离法、自组装法、碳纳米骨法、海岛型双 组分复合纺丝法、分(喷丝板纺丝法和静电纺丝法叭 其中，静电纺丝法是h前能够r接连续制备纳米纤维现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.

10、29, No.12现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.122938现代食品科技 简单仃效且操作方式温和的方法。所得的纤维亡径任 50 mn-1000 nmZ间，比常规方法得到的纤维直径小， 具有超高的特异性、比表面枳和孔隙率叫同时可以将 很多功能性物质加入到聚合物溶液屮，使得所制备的 材料具冇广泛的川途，可应川于生物医学，膜过滤， 和食品工业等领域小迄今,已有报道利用静电纺丝技 术将可降解高分子聚合物(聚乙鯛、聚乳酸、聚己内 酯等)与金屈颗粒、蛋口质、处聚糖、-些无机材料混 纺形成纳米材料但仃关聚乙烯醇(Polyvi

11、nyl alcohol, PA)与植物椿油混纺制备抗菌纳米纤维膜的研究未见 报道。存电纺丝过程中的电压、纺丝速率和接收距离等 对纤维的直径分布具有显著影响,而纤维直径的大小 乂影响其抗菌性能的发挥.我们通过研究发现，纺丝 电压主要影响泰勒锥的形成，其任10kV20kV内都能 形成良好的泰勒锥，而纺丝速率和接收距离的不同会 影响泰勒锥削分裂及溶剂的挥发。因此，需要控制适 宜的接收距离和纺丝速率得到分布均匀的纟f维直径叭 SPSS ( Statistics Package fa Social Science)是 11 询广泛 应用于自煞科学、统讣学、经济学、医学等领域的统 计学分析方法,利用其处理

12、数据，不但能够显著减 少数据分析丄作屋，而H提髙了数据的准确性和可倍 性。肉桂粘:汕(Cinnamon cssendaloil, CEO)是*种 具冇良好抗菌性能的天然抗菌桦!】，但只难溶于水，H. 易挥发；加入艮坏糊楷(/3-cwlodextiui, 0-CD)使其 形成包合物，可捉商其©纳米纤维复合膜中的稳定性 和抗茵活性。本研尤利用静电纺丝技术，将肉桂精油 与0环糊精包合物与可生物降解的誉乙烯醇共纺，得到 种具有广谱抗菌性的纳米纤维膜，井应用SPSS分析 在恒定电压卜纺丝速率和接收距离对j:纤维直径和形 貌的彫响。通过条件优化，得到纤维直径均匀、形貌 良好的抗菌纳米纤维骐具仃利

13、抗菌剂的缓愷释放， 从而实现抗菌性能的持久性.1材料与方法1、I. 1材料与试剂聚乙炜醇购自广州天马粘细化工厂；尼环糊梢购 d上海凌峰化学试剂仃限公司；肉桂精油购白吉安i|j 恒诚天然香料有限公司。所用化学试剂均为分析纯. 实验用水为去离子水。1-2仪器与设备RT5周效5点加热磁力搅拌器，徳国IKA；2(H3 Vol.29No.l2 ALC-2100.2电了吠平，徳国艾科勒公司；自制静电纺 丝装置;S3700N扫描电镜仪,HITACHI日立有限公 司。1.3实验方法1.3.1纺丝溶液的准备将一立屋(6-10 g)的PXA加入到100g去离子 水中,80 °C下搅拌2h,冷却至50 0

14、 然后向其中加 入一定量(1-3 g)艮CD, 50C下搅样lh,冷却至室 温.最后,将2 niL CEO加入到上述溶液屮搅拌1 h, 得到P购CEO/0-CD纺丝溶液.1.3.2靜电纺丝过程设定纺丝电爪15kV,使川20巧不锈钢针头，注 射器推进速度为0.2 0.8 mUh,接收屏到针头的距离 为12-18 cm,纺丝溫度26 C,相对湿度58%,纤维 收集任接地的铝箔上，履后，将得到纳米纤维膜在 35 °C下忽 |'«12h.、1.3.3扫描电镜(SEM)测试将样站衣血喷金处理后，使用口本Hitacln-4700 型打描电镜观测纤维形貌。放人倍数6000倍，加速

15、电 压10.0 kV,匸作趺离9.4 mm。収100根纤维，采用 Nano-measurei 1.2图像分析软件测星纤维直径。 1耳.4爲菌性能测试刘U抑菌圈法进彳亍抗茵性能测试。制备无菌的营 托肉汤平板，加入浓度为1M0卩I"/ CFUinL不同 指小菌的菌悬液0.1 mL,涂布均匀,得到含菌平板. 再将所得的抗菌纳米讎复合膜用打孔器打出直径6 mm的圆片,放在紫外灯下灭菌2h,然后贴F上述含 菌平板上，对照为大小一致的铝箔，倒置培养24h, 观察抑菌圈大小。1.4数据分析月SPSS 17.0 for Windows进行试验数据分析,先 进行适当的数据转换以满足方绘分析的要求，用无

16、亚 复双凶索方左分析(twowayANOVA)检验接收距离 和纺丝速率对纤维亡径分布的影响；采用进入法拟合 因变辰的线性回归方程，并对回归模型进行显吿性分 析。2结果与讨论2.1靜电纺抗菌纳米纤维膜的制备任纺丝电压15 kV,纺丝速率0.2 mUh,接收距 离为15 cm时，所制备的6% PW2% CEO/1% 0CD 抗菌纳米纤维膜见图1,其SEM及纳米纤维I径分布现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.12图2 PVA/CEO/ B -CD纳米纤维脖的抑菌圈图Fig.2 Inhibition zones of the

17、 PWCEO?-CD nanofiber film注:3：St/Krm b: L monocytogenes9 c: £. cvli. d: Sabnonellao图3 PVA/CEO/ p CD抗菌纳米红维膜SCM图(a)及其红维直径分 布图(b) (6000 X)图4含不同PVA浓度的纳米纤维膜SEM图(4000X)Eig.4 SEM images of nanofiber films with difTercnt PXAconcentrations注：纺丝条件：电压15kVf纺丝速半06mLh.接收距 离 16 cm, 26 V,和对沮皮 60%： a： oPXA； b： 8%

18、PVA.图如图3所示，所得纳米纤维膜直径在110 on-720 nm Z间。采川抑悄圈法检测该纳米纤维膜对4种常见食 源性微生物(金黄色匍萄球閑Stci/)hylococcus auivus> 单增李斯特凿Listeria monocytogenesn大肠杆菌 Escherichia coli、沙门氏菌 Salmonella')的抑菌效果。 图2的结果衣明，所得纳米纤维膜对革兰氏阳性菌CS.aureus, L monocytogenes)及革兰氏阴性菌(E coli、 Salmoiwllcd都具有较好的抑菌作用，且对革兰氏阳性 菌更为墩感。这与前人报道的结果相一致山】。图1 PV

19、A/CEO/ P -CD抗菌纳米纤维膜Fig.l PVA/CEOy-CD antimicrobial nanofiber film注：纺丝条件：电压15 kV,纺丝速率0.6mLh接收距 离16cm. 26Vt相对湿度58%.2.2 PW浓度对纳米纤维膜形貌的影响彭响纤维形貌的因索主要包括溶液参数及纺丝工 艺参轴 对于纺丝溶液而言,高的粘度和低的电导 率会阻碍纤维的拉伸,导致所得的纳米纤维较粗叭 U前，采JIJ PVA进彳:静电纺丝时，浓度 做为6、10%； 而任我们的实验研究中，发现当PVA质就浓度为10% 时，纺丝溶液由于粘度太大易堵塞针孔，尢法连续制 备纳将F维。因此，考察J"

20、 6%和8%的PVA对所得 纳米纤维膜形貌的彩响(图4)。宙图4可知，含8% PVA 的膜兀纤维血径分布不均匀，11略粗于含6% PVA的 相应值其原因建前者的溶液粘度显著比于后者 (0.168 PaS vs 0.325 Pa.S),产生的表瀛力不利于纤 维的拉伸分化.此外，由J 我们采川艮CD对CEO进 行包埋,英可以与PVA Z间形成大键，使得溶 液粘度继续增加，因此，我们选择PVA的浓度为6%图5含不同”-CD浓度的纳米纤维膜SEM图(4000 X )Fig.5 SEM images of nanofiber film swith difTcrcnt 0CDconcentrations注

21、：纺丝条件：电压15kVt纺丝速举0.6mLh接收距 雋 16 cm, 26 'C,和对湿度 60%： a: 1%0CD： b: 2%仕CD：现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.12Fig.3 S EM of P'A/CEO仔CD antimicrobial nanofiber film ;mdits fiber diameter distributionc: 3%0CD。»CD浓度对纳米纤维膜形貌的彫响见图5。由图现代食品科技Modern Food Science and Technolo

22、gy2013, Vol.29, No.12现代食品科技Modern Food Science and Technology2013, Vol.29, No.122939现代食品科技Modern Food Science and Tcdinologj,2013, Vol.29.No.125a町知，含1% p-CD的抗菌纳米纟F维膜的纤维直径 人小不均一，且存在粘连的问题，其原因可能是卜CD 的屋过少，不能完全包埋CEO,使得形成的纳米纤维SPSS统计分析所得纤维直径分布情况,以期得到形貌 良好的抗閑纳米纤维膜。表2 SPSS无重复双因素方差分析表被木挥发的CEO溶解。当卜CD为2%时，所得纳米

23、纤维的血径分布均匀（图5b）.随着p-CD的含量进一 步增大为3% （mm）,所得纳米纤维膜的纤维粗细不 均匀，且彼此Z间易粘结，主要是因为溶液粘度较大, 不能有效保证电场力和表面张力Z间的'卜衡，在针头 处易壊枳液滴，导致纤维不均匀拉伸。因此，适宜的 P-CD浓度为2% （加加）。2.4静电纺丝工艺参教对纳米纤维膜形貌的彩响表1 SPSS试验设计及结果Table 1 Experimental design and results of SPSS纤维直径分布 试脸号纺丝連半接收距离 最大直径最小直径 /（mLh） /cm/pm/pm10.220.23 0.24 0.25 0.46 0.

24、47 0.4S0.49 0.610 0.6110.6120.6Byfsbi, O.K6JK.s0.700.10161816121416181216180.660780620 64180 620.490.100 090 880.5S0 060 06方差釆源因变量 /pm山型片方和Df均方FSig校正篠型最大直径最小直径0.3530003©660.0590 00117.7714.3330 0000025裁.距杲大直径7.48017.480 .2257.2350 000長小直径0.10610 106845.0000 000接收距离最大直径0.168.30.05616.8660.000最小直

25、径0 0030 0016.7330.011纺丝退率最大直径最小直径.0.1860.00133 i0.0620 00018.6761.9330 0000.195最大直径0.03090.003 1最卜直色0 00190 000总计最大直径7.86316最齐直径0.11016A正的最大直径0.38315总计最卜直径0.00415a R:=C 922 （调的 R0.870）b R2=0.743 （调扭的 R:=0.571）表3回归方程显著性检验表Table 3 Significant test for each term of the fitted regressionTable 2 No repea

26、ted two-factor analysis of variance table0.710.600830 890 940.110070 050 08静电纺丝.艺参数对所形成的纳米纤维的形貌冇 显秆影响卜】。实验发现，在纺丝过程中，纺丝电压在 10 kV 20 kV内都能形成良好的躱勒锥，而接收距离 和纺丝速率的不同会影响泰勒锥的分裂及溶剂的挥 发。一般地，增大接收距离能延长E行及溶剂挥发时 间，使得史小的细丝从针头处的泰勒锥喷射或分裂出 來，但足距离过人会导致纤维点径分布不均的程度增 人；而纺丝速率会彤响针头处纺丝液的体枳，进而彩 响泰勒锥的质昴和溶剂的挥发时间.因此，在固定纺 丝电压条件卜

27、，通过改变纺丝速率和接收距离，利用模型#方和df均方Fs吗回归0.16920.0S55.1430.023，lb残差0.214130016总计0.38315回归0 00390.0018.6670.004，lc残差0.002130.000总计0 00415a. 预测变量：常童,纺丝速和（mLh）,接收距离/cmb. 日变量：最大直橙心mc. 日变量：址小直径/pm同定纺丝电压为15 kV,对接收距离和纺丝速率 进行:因素叫水平的SPSS实验（表1）.1的结果表明，95%宣信区间内最人苴径和瑕小直径的分布范困 分别是 598.6-768.9 nm 和 72.1-90.4 nm。利用 SPSS 17.

28、0软件对表1中数据进行无重复双因素方差分析（表 2）.由表2可看出，对于纤维直径的分布而言,接收 距离对瑕大及最小直径的影响显著，而纺丝速率影响 不昭著。采JU进入法拟合线性回山方程，得到兹人及 报小11径的回归方程分别为：Ynxix-0.042 xdstance, Yran=-0.005 xdistanceO. 169。対冋归模型进行显著性2940现代食品科技Modern Food Science and Tcdinologj,2013, Vol.29.No.12参考文献11 Du W X Oken C W. Avena-BirtiUos R J, et al.Antibacterial E

29、ffects of AlEpicc. Garlic, and Oregano2941检验,结果如表3所示。由表可知，最大直径的回归 模型显箸(Sig.=0.023<0.05),最小直径的回归模型 极其显著(Sig.=.004<0.01)。二者回归模型的决定 系数R?分别为0.842和0.871,农明该模型与数据拟 合程度较高，可川该模型分析和预测纳米纤维直径的 分布范围。由SPSS分析得出最佳的纺丝丄艺参数为：电压15 kV,进样速率0.4mL/h,接收距离14 cm；所得纤维兹 大及於小理论f径分别为588 nm和99 nm°而任此条件 卜纺丝所得的纳米纤维膜的SEM图

30、如图6所示，绘大及 般小纤维直径的实测值分别为590 nm和100 nin,与 SPSS的 0(11相比，皿仪为0.33%和1%； 11纤维 径分布均匀，大部分集中在200-300 nmZ间，不存在 纺锤状珠肖，形貌良好，有利于抗菌剂的缓慢释放。 该结果亦农明釆用SPSS分析方法得到的纺丝工艺参数 是可行的.图6优化条件下PVA/CEO/0-CD抗菌纳米纤维膜的SEM图(a) (6000X)及其纳米纤维直径分布图(b)Fig.6 S EM of PV VCEO仔CD antimicrobial naninbtrnim and its fiber diameter distribution un

31、der optimal condition注:纺丝条件：纺丝溶液如成为«oPA/2%CEO<2% 0CD,电压15kV,纺丝速率OdmLh,揍敕距离14 cm, 26 9. 相对浸度58%。3结论利川静电纺终技术成功制备r PWCEO仔CD抗 菌纳米纤维膜，其对凹种常见負源性微生物CS.OUMUS、 L. monocytogenes, E. coli. Salmonella')均具有良好的抑 茵作用。溶液组成及纺丝丄艺参数均会影响所得纤维 膜纤维直径的分布。赧适的PVA及0CD的质量浓度 分别为6%和2%。对纺丝工艺参数的SPSS统计分析 结果农明，在恒定电压卜，与纺丝

32、逸率柑比，接收距 离対纤维形貌的彫响史显著。放适的纺丝条件为电压 15 kV,纺丝速率0.4 mLh,接收距离14cm。优化条 件卜所得的纳米纤维较纤细，山T径分布均匀，形貌 良好,有利丁提高其比农面枳，从而实现抗閨剂的缓 慢释放。1 鬲艳玲，姜国伟,李铁强，等仓乩抗菌包载技术及研究进展 /塑料工业2004,32(2)6-3GAO Yan-ling JIANG Guo-fei, LI T ic-qiang, ct al. Advance in study of nevv trends of 011111110106131 food packaging technique J. Chinaplx

33、tics industry, 2004. 32(2): &82 Dastjcrdi R. Montozer M. A mew on the application of inorganic nanostmetured materiak in the modification of textiles: Focus on anti-microbial properties J Colloi± and Surfaces B: Biomtcrfaccs. 2010.79(1)* 5-183 安林红，王跃纳米纤维技术的开发及应用J.当代石油石 <1,2002,10(1):41-4

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