Int J Biol Macromol│开发具有定向运输和抗菌性能的壳聚糖/聚己内酯-百里香酚Janus膜用于肉类保鲜

肉类及其副产品在加工和储存过程中的腐败是一个长期存在的普遍问题，每年在世界范围内造成巨大的损失。肉类变质的主要原因是其含有丰富的汁液，容易滋生细菌、真菌等微生物，微生物的生长繁殖会迅速降低产品的质量和安全性。基于肉类相对于其他食品价值较高的特点，以及肉类的水分含量较高，选择合适的肉类包装方法来隔离和抑制微生物是十分必要的。传统的合成塑料包装在过去发挥了重要作用；然而，由于其成分单一，这些材料的防腐效果较差。活性包装材料是将具有抗氧化或抗菌作用的生物活性化合物负载于高分子材料中而制成的一种新型概念，虽然短期内还不能撼动传统塑料包装的地位，但该材料在肉类保鲜领域的巨大应用潜力已被越来越多的研究者认可。生物活性化合物的有效负载和功能保留是制备活性包装材料的重要指标。

近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料以其高包封率和缓释性能为生物活性化合物的包封提供了新的途径。静电纺丝是一种在强电场条件下制备纳米纤维薄膜的新兴技术，电纺丝膜具有高比表面积、高孔隙率、形态和功能可调、生物活性化合物负载效率高等显著特点。此外，通过设计静电纺丝方法，结合疏水和亲水双重聚合物，可以制备出具有非对称润湿性的Janus静电纺丝膜，该薄膜在整个厚度方向上具有逐渐过渡的润湿性，并分为疏水侧和亲水侧。独特的结构使其具有定向液体传输性能，可以防止包装系统中肉品被汁液浸泡，从而延长肉制品货架期。

对于Janus膜在肉类保鲜中的功能组成，疏水侧与肉类直接接触，因此选择具有较强疏水性、生物相容性和可生物降解性的聚己内酯(PCL)作为电纺丝材料，可在水环境中提供所需的支架机械阻力。亲水侧用于肉汁转移，亲水材料选择从天然甲壳素多糖中提取的具有良好生物相容性、生物降解性和抗菌活性的壳聚糖（CS）。作为一种天然的生物活性化合物，百里香酚（Thy）是百里香和牛至精油中发现的一种基本成分，已被证明具有强大的抗菌活性。

因此，本研究的目的是优化Janus电纺丝膜的制备工艺，并首次制备出C/P (CS/PEO-Thy和PCL) Janus膜作为潜在的活性包装材料。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、水接触角(WCA)、定向液体输运研究、百里香酚（Thy）释放和渗透特征以及生物相容性评价等手段对Janus薄膜的结构和性能进行了表征。此外，将C/P Janus薄膜用于猪肉的气调包装，探索其在食品活性包装领域的实际应用前景。

减少渗滤液的污染对于保存猪肉等含水量高的食品至关重要。本研究旨在开发一种新型的活性包装材料，用于通过精确控制的双通道一步静电纺丝用于肉类保鲜。与传统的Janus薄膜制备策略相比，这种方法具有更大的灵活性和效率。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、水接触角(WCA)、定向液体输运研究、百里香酚（Thy）释放和渗透特征以及生物相容性评价等手段对Janus薄膜的结构和性能进行了表征。此外，还将Janus薄膜应用于猪肉的气调包装，展示了其在食品活性包装领域的实际应用前景。结果表明，薄膜两面的润湿性完全不同，WCA的变化率随着亲水纤维水垢的增加而增大。薄膜中负载的百里酚的渗透特性与抗菌性能和生物相容性评估结果一致。此外，Janus薄膜可以有效延长保质期，提高猪肉的质量和安全性。

研究成果

图2  不同C/P比例的静电纺丝策略（a1～d1）、SEM图像（a2～d2）、直径分布（a3～d3）和CS/PCL Janus膜的EDX元素图（e～f）（蓝色代表氮分布）

从SEM图像中可以直观地看出，随着CS/PEO-Thy纺丝液进料速率的增加，较粗的纳米纤维数量增加，所有纳米纤维中直径较大的纳米纤维的比例也随之增加。通过EDX元素分析研究了C/P的元素分布，如e和f所示，氮只分布在较粗的纳米纤维中，因为整个系统中只有壳聚糖含有氮，结果表明在同一时间消耗的CS/PEO-Thy纺丝液的比例越大，亲水性纳米纤维的比例就越大。

图3  CS、PEO、Thy、PCL和C/P纳米纤维膜的傅里叶变换红外光谱图

C/P膜的FTIR光谱显示，图中出现了单独的CS、PEO、Thy和PCL的特征峰，没有重要位移，表明这些存在于膜中的聚合物彼此之间没有相互作用。

图4  疏水性PCL侧连续WCA（a）、亲水CS/PEO侧连续WCA（b）、水滴在薄膜两侧下落的模拟结果（c）

WCA测试结果表明，薄膜两侧表现出完全不同的润湿性，且WCA的变化率随着亲水纤维的增大而增大。

图5  疏水层定向渗透通量和Thy释放量（a）、定向渗透装置示意图（b）、C/P Janus膜在120 h内的释放曲线（c）和渗透行为（d）、C/P Janus膜在20 h内的渗透行为（e）和渗透曲线的线性拟合结果（f）

Thy是系统中唯一的活性物质，其释放对薄膜的保存效果有很大影响。因此，测量了不同薄膜的液体渗透导致的Thy的释放和渗透特征。结果表明，渗透通量随着膜中亲水性纳米纤维含量的增加而增加。初始载药量影响Thy的累积释放量，呈现剂量依赖关系，药物释放速率随着载药量的增加而增加。

图6  C/P纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌存活率（a）和抗菌性能（b）的影响

通过比较不同薄膜渗透剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率，验证了薄膜对常见腐败细菌的抑制作用，并验证了不同薄膜渗透的Thy量。研究结果表明，与对照组相比，各实验组均表现出抑菌效果，证明了Thy累积渗透量与抑菌性能的一致性。

图7  C/P Janus膜处理结合气调包装（a）和其对猪肉TVC（b）、TBARS值（c）和TVB-N（d）含量的影响

C/P Janus膜处理的猪肉总活菌数（total viable count，TVC）值低于对照组，且对延缓硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值的上升有显著效果，TVB-N含量表明C/P Janus薄膜将猪肉的保质期延长了约3天，这与TVC结果一致，这可能是由于C/P Janus薄膜在储存过程中减少了细菌数量，降低了微生物引起的蛋白质降解程度。

综上所述，研究提出了一种精确控制的双通道一步静电纺丝策略，成功制备了不同渐变润湿梯度的Janus薄膜，亲水性CS/PEO和疏水性PCL纳米纤维同时存在，其比例随工艺进料速率的变化而变化。由于这种独特的结构，Janus薄膜具有明显的定向液体传输性能。在模拟实验中，薄膜中的Thy表现出明显的渗透特征，并在此基础上证实了薄膜的抗菌活性。此外，C/P Janus薄膜在实际保鲜应用中有效保持了猪肉的品质，延长了保质期，这表明C/P Janus薄膜具有作为肉类保鲜应用的活性包装材料的潜力。

Zhu, Z., et al., Development of chitosan/polycaprolactone-thymol Janus films with directional transport and antibacterial properties for meat preservation. International Journal of Biological Macromolecules, 2024. 268.

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.131669

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文字：王嘉昕

校编：丁   希

 排版：吴美红

 审核：李春保