浙江大学吴迪教授团队国际食品顶刊发文：微流控吹纺制备具有协同抗菌能力的载有香芹酚的卟啉金属-有机框架纳米纤维膜
近日，浙江大学农业与生物技术学院Zi-An Deng（第一作者）、吴迪教授（通讯作者）等在国际食品顶刊《Food Chemistry》（中科院一区，IF：8.5）发表了题为“Microfluidic-blow-spinning of carvacrol-loaded porphyrin metal−organic framework nanofiber films with synergistic antibacterial capabilities for food packaging”的研究性论文。

研究背景
据世界卫生组织报告，每年全球约有 6 亿人患食源性疾病，导致约 42 万人死亡。这些疾病对人类健康构成重大风险。因此，迫切需要设计食品抗菌包装材料，以满足消费者对更安全、更新鲜、更高质量食品的需求。

近年来，微流控吹纺（Microfluidic-Blow-Spinning，MBS）迅速成为一种快速制备纳米纤维薄膜的技术。MBS 利用高速气流将聚合物溶液拉伸成细丝，随着溶剂蒸发，纳米纤维薄膜在网状收集器上形成。与静电纺丝相比，MBS 的进料速度比静电纺丝高几倍到几十倍，显著提高了纤维生产效率，能够实现纳米纤维薄膜的大规模快速制备。同时，MBS 以高速气流为主要拉伸力，避免了使用高压静电场。与主要依靠电力的静电纺丝相比，这确保了纺丝过程的安全性。此外，与静电纺丝相比，MBS 以高速气流作为纺丝驱动力，进一步加速了溶剂蒸发，使得纤维中的残留溶剂含量更低。近年来，MBS 在生物医学等领域受到越来越多的关注。然而，据我们所知，在食品保鲜领域，MBS 目前主要用于直接负载功能剂。关于利用 MBS 在负载金属有机框架（MOF）后制备保鲜材料的研究仍然有限。

聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）作为生物医学领域的一种可生物降解材料，因其良好的可纺性而常被选用于微流控吹纺（MBS）。壳聚糖（Chitosan，CS）是一种天然多糖，广泛应用于医疗和保健领域。其良好的黏附性能有利于提高所得纳米纤维薄膜对细菌的黏附性能。同时，壳聚糖的加入有助于纳米纤维薄膜的透气性得到一定程度的改善。

在这项研究中，我们提出了一种用于快速制备具有光动力协同抗菌和可持续温度响应释放功能的纳米纤维薄膜的新方法，以用于鲜切苹果的保鲜。具体而言，通过水热法合成了多孔协调网络-244 纳米颗粒（PCN-224 NPs）。随后，通过静电吸附将香芹酚（CV）负载到 PCN-224 上。然后，使用微流控吹纺（MBS）技术将 CV@PCN-224 复合纳米颗粒掺入到 PCL/CS 纳米纤维薄膜中。这是首次使用 MBS 制备负载 CV@PCN-224 复合纳米颗粒的纳米纤维薄膜。对于所开发的 PBzCl@PCL/PVP 纳米纤维薄膜，评估了光照下的抗菌协同效应以及纤维薄膜的温度响应缓释效果。此外，对纳米颗粒和纳米纤维薄膜的形态和理化性质进行了全面表征。该研究还扩展到检查所制备材料的生物相容性。总之，首次开发了 CV@PCN-224/PCL/CS 纳米纤维薄膜，为读者提供了在非高压静电场环境下通过 MBS 技术快速制备纳米纤维薄膜的创新见解，以及掺入基于 MOF 的抗菌剂以获得协同抗菌能力的思路。

结论
与纯 LS 纳米纤维薄膜相比，12% CV@PCN-224/PCL/CS、24% CV@PCN-224/PCL/CS 和36% CV@PCN-224/PCL/CS（缩写为V@NLS-（1–3））纳米纤维薄膜表现出增强的机械性能、热稳定性和水蒸气阻隔性能。此外，V@NLS-（1–3）纳米纤维薄膜能够实现香芹酚（CV）的持续长期释放，并在香芹酚与光敏剂 PCN-224 之间对细菌菌株（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）表现出协同抗菌作用。另外，V@NLS-（1–3）纳米纤维薄膜表现出良好的生物相容性。最后，V@NLS 纳米纤维薄膜在鲜切苹果上的应用能够有效抑制苹果的氧化褐变。总之，所开发的纳米纤维薄膜作为食品包装具有良好的应用潜力。

图文赏析

图形摘要

Fig. 1.（a）SEM and（b）TEM images of PCN-224 NPs.（c）XPS spectra of PCN-224 and CV@PCN-224.（d）FTIR spectra of PCN-224, CV@PCN-224, and CV.（e）Nitrogen adsorption isotherm and（f）DLS of PCN-224 and CV@PCN-224.

Fig. 2. SEM images of（a）LS,（b）V@NLS-1,（c）V@NLS-2,（d）V@NLS-3 nanofiber films,（e）TEM image of V@NLS nanofiber films,（f）FTIR spectra,（g）XRD patterns,（h）TGA plots,（i）DSC plots,（j）Mechanical tensile properties,（k）WCA images,（l）WVT images of LS and V@NLS-（1–3）nanofiber films.

Fig. 3. UV–vis spectra of DPBF in the presence of V@NLS nanofiber films irradiated by（a）laser,（b）in dark.（c）The photooxidation rate constant of DPBF.（d）Generation of excited PS states and 1O2.
Fig. 4.（a）Survival rates of E. coli after co-culture with LS, V@NLS-（1–3）nanofiber films under light or dark conditions,（b）Survival rates of S. aureus after co-culture with LS, V@NLS-（1–3）nanofiber films under light or dark conditions.

Fig. 5. The release curves of CV from VLS nanofiber film and V@NLS nanofiber film at 4 and 25 °C.

Fig. 6.（a）The relative growth rate of cells co-cultured with samples at various concentrations.（b）Fluorescence images of cells, illustrating live cells（in green）and dead cells（in red）.（For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.）

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140707

作者简介

吴迪，博士，中共党员，浙江大学农业与生物技术学院教授，博士生导师，科睿唯安“全球高被引学者”，爱思唯尔“中国高被引学者”，国家四青人才。主持国家重点研发计划课题2项、国家自然科学基金4项、浙江省自然科学基金杰出青年基金项目、浙江省重点研发计划项目1项等。在Trends Food Sci Technol、J. Adv. Res.、Food Hydrocolloid、Food Chem、Crit Rev Food Sci、Carbohydrate Polymers、Food Packaging Shelf、Postharvest Biol Technol、J Agric Food Chem等期刊以第一或通讯作者发表SCI论文90余篇。共同主编教材1本、副主编教材1本、参编英文专著4本。牵头制定行业标准1件、企业标准4件，主参制定行业标准5件。以第一完成人授权美国专利2件、国家发明专利14件、国家实用新型专利10件、计算机软件著作权登记20件。Web of Science H 指数41。以主要完成人获省部级科技一等奖2项、二等奖3项。