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静电纺丝技术在食品中的广阔应用前景

浏览次数: 日期:2019-3-2 15:28

1 神奇的纳米技术

纳米技术是目前快速兴起的跨学科热门研究领域,纳米尺度下的材料具有非常大的比表面积,达到常规材料的百万倍以上,因此在众多领域中具有特殊的应用。目前纳米技术被广泛应用在军事装备、能源化工、航天器材、光电器件、污水/空气过滤、生物催化、食品、医药、化妆品等领域(图2)。

图2 纳米技术应用[2]

2 何为静电纺丝?

静电纺丝技术是利用高压电场产生的静电力,形成射流,快速固化制备纳米纤维的技术。在高压电场下制备纳米载体有两种形式,一种是对于低粘度的牛顿型流体,采用静电雾化(Electrospray)技术,制备纳米珠/纳米颗粒(Nanobeads/Nanoparticles); 另一种是对于高粘度的非牛顿流体,采用静电纺丝(Electrospinning)技术制备纳米纤维(Nanofiber)。静电纺丝基本装置包括高压电源、注射器(泵)、收集板(图3)。

 

图3 静电纺丝原理示意图[3-5]

 

高压电源输出1~30 kV高压,注射器中的溶液在静电场的作用下,开始充电,形成“泰勒锥”,当静电作用力能够克服液体表面张力的束缚时,“泰勒锥”流体开始喷出,形成射流。在静电作用力、表面张力以及重力等多重力的相互作用下,开始拉伸并发生旋转,溶剂快速挥发,射流射向收集板,并固化形成纳米纤维(图3)。有的研究中采用凝固池(Coagulation bath)收集固化纤维,这种方式在后期干燥收集、包封效率、载量、利用率等方面存在一些劣势。

 

静电纺丝性能受到聚合物溶液性质、制备工艺、环境条件的影响(图4) (1)溶液性质:聚合物浓度、相对分子质量,溶液粘度,溶剂挥发性、导电性等;(2)制备工艺:电压、间距、流速等;(3)环境因素:温度、湿度等。

 

图4 静电纺丝影响因素[3]

 

3 静电纺丝研究现状

通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的研究热点。静电纺丝具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝相关研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。近年来,随着纳米技术的发展,静电纺丝技术获得了快速发展,世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。相关研究主要涉及到四个方面: (1)研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等;(2)研究静电纺丝成分的多样化及结构的精细调控;(3)研究静电纺丝在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用;(4)研究静电纺纳米纤维的批量化制造问题。

 

目前,静电纺丝在生物医学领域,如药物递送、组织工程、伤口治愈等,研究应用较多。纳米纤维的直径小于细胞,可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能;人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似,这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能;一些电纺原料具有很好的生物相容性及生物可降解性,可作为载体进入人体,并容易被吸收;加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性,因此,其在生物医学领域引起了研究者的持续关注,并得到了很好的应用。

 

过滤材料领域,静电纺纳米纤维直径小,过滤效率高,可以制备高性能纤维滤材。同时,其具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点,使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。

自清洁材料领域,静电纺丝能够有效调控纳米纤维的精细结构,结合低表面能的物质,可获得具有超疏水性能的材料,并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用,必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料与基体材料的结合牢度等。

催化领域,静电纺纳米纤维可作为模板,起到均匀分散作用,防止具有纳米结构的催化剂颗粒团聚,同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性,还可以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应,提高催化效率。

传感器领域,静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率,可增大传感材料与被检测物的作用区域,有望大幅度提高传感器性能。

 

4 静电纺丝在食品中的应用

在食品领域,静电纺纳米纤维可以用于包埋功能活性物质、固定化酶、抗菌包装材料、可食用膜、生物传感器等(图5)。

 

包埋递送应用中,纳米纤维可以用于掩盖不良风味、保护功能活性成分、提高生物利用度,可用于活性酚酮类物质、多肽蛋白质、益生菌、维生素A/E等包埋递送。

 

固定化酶方面,纳米纤维可以提高酶催化效率,实现酶的高效利用,降低成本,可以用于葡萄糖氧化酶、脂肪酶、过氧化物酶等酶的固定化。

 

在纳米纤维中载入Ag、Zn等抗菌颗粒,可以用于制备抗菌包装材料。

 

图5 静电纺丝在食品中的应用[6]

 

用于制备静电纺纳米纤维的材料,相比于聚乙烯醇(PVA)、聚己内酯(PCL)、聚环氧乙烷(PEO)等合成材料,天然来源的材料具有生物相容性和生物可降解性,在生物医学、食品等领域具有更广阔的应用前景。但天然来源材料由于化学结构复杂,溶解性较差,表面张力较大等,制备静电纺纳米纤维较为困难。同时,其机械强度较差以及生物降解过快等不利因素,限制了其应用。目前,研究者多采用天然材料与合成材料的混合溶剂制备纳米纤维,或者采用一定技术手段对天然材料进行改性,提高其纳米纤维的性能。

 

 

图6 可用于静电纺丝的天然材料[2]

 

可以用于静电纺丝的天然材料包括动物来源材料,如壳聚糖、透明质酸、肝素、软骨素、胶原蛋白、明胶、丝素蛋白、白蛋白、血红蛋白等;植物来源材料,如纤维素、淀粉、木聚糖、大豆蛋白、海藻酸等(图6)。

 

动物来源材料在应用方面,受到成本以及宗教文化等因素的影响,因此植物来源材料更受青睐。

 

【好文推荐】天然材料在静电纺丝中的应用:

 

①天然材料与静电纺丝

Electrosprayed nanoparticles and electrospun nanofibers based on natural materials: applications in tissue regeneration, drug delivery and pharmaceuticals

Sridhar R, Lakshminarayanan R, Madhaiyan K, et al. Chemical Society Reviews, 2015, 44(3): 790-814. 【IF 38.618 化学1区TOP期刊】 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/cs/c4cs00226a/unauth#!divAbstract https://sci-hub.cc/http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/cs/c4cs00226a/unauth#!divAbstract

 

②淀粉与静电纺丝

Electrospun starch nanofibers: Recent advances, challenges, and strategies for potential pharmaceutical applications

Liu G, Gu Z, Hong Y, et al. Journal of Controlled Release, 2017, 252: 95-107. 【IF 7.786 医学1区TOP期刊】 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365917301207 http://sci-hub.cc/10.1016/j.jconrel.2017.03.016

 

③纤维素与静电纺丝

Application of Cellulosic Nanofibers in Food Science Using Electrospinning and Its Potetial Risk Rezaei A, Nasirpour A, Fathi M. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2015, 14(3): 269-284. 【IF 5.974 工程技术1区TOP期刊】

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1541-4337.12128/full http://sci-hub.cc/10.1111/1541-4337.12128

 

④壳聚糖与静电纺丝

Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility

Bhattarai N, Edmondson D, Veiseh O, et al. Biomaterials, 2005, 26(31): 6176-6184. 【IF 8.402 工程技术1区TOP期刊】 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961205002620

http://sci-hub。cc/10。1016/j。biomaterials。2005。03。027

 

⑤多糖与静电纺丝

Electrospinning of polysaccharides for regenerative medicine

Lee K Y, Jeong L, Kang Y O, et al。 Advanced Drug Delivery Reviews, 2009, 61(12): 1020-1032。 【IF 11。762 医学1区TOP期刊】 http://www。sciencedirect。com/science/article/pii/S0169409X09002312 http://sci-hub。cc/10。1016/j。addr。2009。07。006

 

【好文推荐】静电纺丝其他领域文章:

 

①静电纺丝概述

Fabrication, functionalization, and application of electrospun biopolymer nanofibers

Kriegel C, Arrechi A, Kit K, et al。 Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2008, 48(8): 775-797。 【IF 6。077 工程技术1区TOP期刊】 http://www。tandfonline。com/doi/abs/10。1080/10408390802241325

http://sci-hub.cc/10.1080/10408390802241325 Electrospinning of nanofibers: reinventing the wheel? Li D, Xia Y.

Advanced Materials, 2004, 16(14): 1151-1170. 【IF 19.791 工程技术1区TOP期刊】

http://onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/adma。200400719/full http://sci-hub。cc/10。1002/adma。200400719

 

②静电纺丝表面修饰

Surface modification of electrospun fibres for biomedical applications: A focus on radical polymerization methods

Sanchez L D, Brack N, Postma A, et al。 Biomaterials, 2016, 106: 24-45。 【IF 8。402 工程技术1区TOP期刊】 http://www。sciencedirect。com/science/article/pii/S0142961216303970

http://sci-hub.cc/10.1016/j.biomaterials.2016.08.011

Surface-functionalized electrospun nanofibers for tissue engineering and drug delivery

Yoo H S, Kim TG, Park T G. Advanced Drug Delivery Reviews, 2009, 61(12): 1033-1042. 【IF 11.762 医学1区TOP期刊】 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X09002324

http://sci-hub.cc/10.1016/j.addr.2009.07.007

 

③静电纺丝+纳米粒子等双重保护

Nanoparticles meet electrospinning: recent advances and future prospects 
Zhang C-L, Yu S-H. Chemical Society Reviews, 2014, 43(13): 4423-4448. 【IF 38.618 化学1区TOP期刊】 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cs/c3cs60426h/unauth#!divAbstract
http://sci-hub.cc/10.1039/c3cs60426h

Nanocontainers in and onto Nanofibers
Jiang S, Lv LP, Landfester K, et al. Accounts of Chemical Research, 2016, 49(5): 816-823. 【IF 20.268 化学1区TOP期刊】 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.5b00524

 

④静电纺丝包埋活性成分
Electrospinning: A novel nanoencapsulation approach for bioactive compounds
Wen P, Zong M-H, Linhardt R J, et al.
Trends in Food Science & Technology, 2017:
https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.10.009【IF 5.191 工程技术1区TOP期刊】
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924224417302479 http://sci-hub.cc/10.1016/j.tifs.2017.10.009

 

参考文献:

[1] Zhang C-L,Yu S-H. Nanoparticles meet electrospinning: recent advances and future prospects[J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(13): 4423-4448.
[2] Sridhar R, Lakshminarayanan R, Madhaiyan K, et al. Electrosprayed nanoparticles and electrospun nanofibers based on natural materials: applications in tissue regeneration, drug delivery and pharmaceuticals[J]. Chemical Society Reviews, 2015, 44
(3): 790-814. [3] Liu G, Gu Z, Hong Y, et al. Electrospun starch nanofibers: Recent advances, challenges, and strategies for potential pharmaceutical applications[J]. Journal of Controlled Release, 2017, 252: 95-107.
[4] http://weistron.com.cn/newsitem/277119212 [5] Sill T J, von Recum H A. Electrospinning: Applications in drug delivery and tissue engineering[J]. Biomaterials, 2008, 29(13): 1989-2006. [6] Wen P, Zong M-H, Linhardt R J, et al. Electrospinning: A novel nano-encapsulation approach for bioactive compounds[J]. Trends in Food Science & Technology, 2017: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.10.009 

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