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中國科學家研發無毒抗菌纖維,能將水果新鮮度延長40%

2022-08-09 14:31 中國航空報

中國航空報訊:有這樣一種材料,給牛油果涂上后,可大幅延長其新鮮度(40%)。需要除去材料時,只需用水沖20秒,沖掉后在土壤中只需 3天就能降解。它的名字叫——無毒型抗菌纖維。

該技術的研究者常會賓目前正在哈佛大學從事博后研究。他表示:“我們開發了一種新型抗菌包裝方法——即可生物降解的無毒型抗菌纖維,能直接用于包裝食品。為實現這一點,我們使用水作為唯一溶劑、并使用普魯蘭糖作為纖維骨架。實驗證明,通過抑制微生物增殖和減少水分蒸發,可以來延長牛油果的保質期。實驗結果表明,利用纖維生產技術能制備出環保型抗菌食品包裝,其具備可擴展、低成本等優勢。”

這一成果,可用于任何需要抗菌的場景。目前,課題組主要研究食品的相關應用,此外還可用于皮膚,以及其他生物領域的應用。在論文發表后,該團隊也正在探索大規模應用的可行性,以及針對其他食物的保鮮性研究。

據介紹,普魯蘭糖是一種天然存在的細胞外多糖,被美國食品和藥物管理局批準用于食品添加劑和藥品包裝。在普魯蘭糖中加入抗菌劑之后,抗菌普魯蘭纖維可被用于對抗常見的食物病原體,比如大腸桿菌等細菌和真菌種群。

在本研究中,之所以把牛油果選為典型水果,是因為牛油果主要產于南美洲,但卻被銷往全世界,因此經常需要長時間運輸,故需要食品包裝來延長其新鮮度。

并且,它們容易在采摘后變質,這種變質主要包括不均勻的成熟和腐爛。因此,牛油果首先被用來測試“直接涂層食品包裝法”的可行性。

概括來說,食物浪費和食品安全激發了人們對改進食品包裝解決方案的需求。然而,當前用于解決這些問題的薄膜/涂層,通常涉及到需要大量活性成分的低效釋放動力學,因此存在一定局限性。

基于此,他們開發出基于抗菌普魯蘭纖維的包裝,該包裝是可生物降解的,能包裹食品基材,延長其使用時間、并提高其安全性。

當使用名為“聚焦旋轉噴射紡絲”的抗菌普魯蘭纖維時,再以水為唯一溶劑,即可允許摻入天然衍生的抗微生物劑。以牛油果為例,課題組證明抗菌普魯蘭纖維涂層可通過抑制天然微生物群增殖,以及減少水分丟失,來延長食品保質期。

全球每年因為食物變質

造成大量損失在全球范圍內,每年微生物污染導致超過6億例食源性疾病和420000人死亡,且食源性疾病造成的經濟損失每年都在增加??梢砸种莆⑸镌鲋车闹悄馨b,比如活性抗菌食品包裝系統,有望同時減少食源性疾病和腐爛,并且減少相關的經濟損失。

盡管市場上已經出現有助于減少污染的智能抗菌薄膜/涂層,但由于其表面積比較小,通常會受到釋放量的限制,因此需要加入大量的活性成分。這樣不僅會增加成本,還會影響食品的顏色和氣味等。

與此同時鑒于塑料帶來的環境污染,在食品包裝上人們依然需要可生物降解的材料和環保型加工方法。所以,開發可持續的食品包裝材料,以用于提高食品安全和質量,是一個當務之急。

相比用于抗菌食品包裝系統的薄膜材料,纖維材料是富有吸引力的潛在替代品。首先,它們能更有效地釋放抗菌劑。當加入較小劑量的活性劑時,纖維材料能最大限度地減少對食品感官特性的負面影響。

當下,在用于食品包裝的微/納米纖維里,靜電紡絲是最流行的技術手段之一。然而,由于生產率低和對高壓電場的要求,靜電紡絲尚未在食品包裝中取得實際應用。

而相比食品包裝,此次抗菌包裝方法的設計非常巧妙。與靜電紡絲相比,聚焦旋轉噴射紡紗的效率更高、也更安全。研究中,該團隊使用旋轉噴射紡紗紡織,以及抗菌化合物普魯蘭纖維,來作為一個可生物降解的平臺。

一位審稿人評價稱,該成果的主要優勢在于纖維涂層的生產過程,即此前用于食品包裝的抗菌纖維涂層,主要通過靜電紡絲進行,而這并不利于大規模應用。

相比之下,通過旋轉噴射紡紗流程,則能造出相對便宜的裝置。最重要的是,在食品生產現場例如農場,這能最大限度地降低生產時間和污染風險。

產率高達0.2g/min具備大規模生產潛力研究的第一階段,是紡絲設備的選擇。課題組選擇了如下兩種:靜電紡絲和聚焦旋轉噴射紡絲。在靜電紡絲的使用上,該團隊曾專門發過一篇關于智能食品包裝的論文。

但是,靜電紡絲的缺點比較明顯,產率非常低、且不能直接用于包裝食物。故在此次工作中,他們采用了聚焦旋轉噴射紡絲。

這種新型紡絲設備包含兩個部分:一是“旋轉噴射”:通過旋轉產生的離心力可以噴射出聚合物溶液。離開噴口后,溶劑蒸發,聚合物就固化形成纖維。另一個則是“聚焦”:一股垂直于圓盤的聚焦氣流將纖維直接聚集在食品上。

利用這一技術,課題組打造出具有真實螺旋結構的心臟模型,并且可以嚴格按照心臟中心肌纖維螺旋排列的角度,重建單個甚至是四個心室的復雜心臟結構,相關論文發表在Science雜志上。

另外,這項技術通過創新性設計,實現了一項重要突破:同時進行噴絲與紡織這兩個過程,而且兩個過程相對獨立,這能極大提升微納米尺度的紡紗效率。

與其他纖維生產方法、例如靜電紡絲大約0.01g/min的產率相比,使用旋轉噴射紡絲一步合成涂層的方法,顯而易見具備更高的產率,可達0.2g/ min。

此外,由于旋轉噴射紡紗是一種便攜式系統,并能避免使用高壓電場,因此它可直接用于食物生產現場,從而將抗菌包裝沉積到新鮮食品上。

另據悉,旋轉噴射紡紗所具備的便攜性,還可用于從農場到餐桌的其他各種關鍵控制點,從而實現對食品基質的包裝,進而提高食品安全和質量。

第二階段便是原材料的選擇。該團隊計劃鎖定能自然降解的材料,以及沒有毒性的溶劑。通過大量實驗和溶劑選擇,最終他們分別選擇了普魯蘭糖和水。其研究表明,普魯蘭纖維可在液體環境中溶解,并能在土壤環境中可生物降解。

目前,普魯蘭的市售價大約25至30美元一千克,這讓它在食品包裝的商業用途上受到成本阻礙。而基于微/納米纖維的涂層具有高表面體積比,在僅使用有限的表面處理時,即可實現有效的抗菌活性。

這表明新鮮水果比如牛油果,可以使用廉價的抗菌纖維,包裝每個水果只需幾美分。如果考慮到大規模制造,還可進一步降低成本。

總的來說,在該方法的制造過程里,對環境的影響很小。同時,由于分別使用水作為溶劑、可生物降解的無毒型聚合物合成纖維,以及自然生產的抗菌劑。當將食品染料摻入聚合物溶液中,可以產生不同顏色的纖維涂層。

這表明,抗菌普魯蘭纖維不僅能攜帶抗菌劑,同時還能給消費者提供更好的視覺裝飾。而且,這種包裝很容易被去除,在水中沖洗大約20秒,就能讓纖維涂層完全溶解。此外,這類纖維涂層在土壤中也完全降解。

課題組還在土壤中測試了化學交聯的纖維涂層,與純纖維涂層相比,它們具有較好的機械性能,以及相對較慢的降解速度。

在第三階段,則要證明纖維涂層在食品包裝上的可行性。研究者首先使用直接接觸實驗法,證明了該涂層的抗菌性。其次,使用牛油果作為樣品,證明了它的保鮮性。

另外,真菌腐敗通常被認為是一個更具挑戰性的難題,這也導致很少有人報告有效的抗真菌食品包裝系統,尤其是纖維形式的食品包裝系統。

而實驗結果顯示當面對細菌時,具有抗菌的普魯蘭纖維涂層不僅表現出很強的抗菌功效。此外,其還具有很強的抗真菌效率,在24小時接觸時間后,煙曲霉(發菌科曲菌屬下的一個種)的數量顯著減少。此外,這類纖維涂層還可減少運輸過程中的變質。

在第四階段,課題組研究了保鮮的機理研究。最終在眾多因素中,他們找到了兩個主要保鮮因素:抗菌性和保水性。隨后,他們把研究整理成論文進行發表。 

責任編輯:intern2