电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜的制作方法

本发明涉及静电纺丝制备亲水性抗氧化纳米纤维膜的制备方法，可作为油脂抗氧化材料应用到油脂加工及油脂保鲜中。

背景技术：

油脂氧化导致油脂酸败、异味等品质劣变，甚至产生丙烯醛或4-羟基壬烯醛等有毒有害物质。天然抗氧化剂具有高效、安全、无毒或低毒等特点，是抗氧化研发的重要方向之一。然而，天然抗氧化剂溶解性差，大多数天然抗氧化剂如茶多酚多为呈色呈味物质，添加量过多则影响食品原有风味、口感等感官特性。目前，抗氧化剂的研究仅停留在天然抗氧化剂抗氧化的筛选及抗氧化性功能评价。开发新型“小用量、高效率”的推广性抗氧化功能性产品，成为抗氧化剂发展的突破性技术难题。

纳米纤维是集多学科交叉、基础理论研究与新型产品开发紧密联系的世界前沿技术,与普通膜材料相比，具有无可比拟的优越性能：(1)每根纤维的直径约为人类头发丝的千分之一，可达到10-300nm，使其具备极大的比表面，纳米粒子表面原子数增多，此类原子极易与外来原子吸附键结，故具有很高的化学活性，能够使功能性因子有效渗入、保护和扩散，充分发挥其尺寸效应。(2)高分子功能化，将功能性(导电/导热、抗菌等性能)无机纳米粒子均匀分散于聚合物纤维基体中，赋予聚合物纳米纤维功能特性，实现高性能与多功能一体化。(3)一定程度简化繁琐费时的制备工艺,成本低廉,实现纤维的直径可控、形貌多样化。静电纺丝技术是目前唯一一种能够直接并且连续制备纳米纤维的有效方法。因此将静电纺丝技术应用于抗氧化材料是解决长期困扰抗氧化剂技术瓶颈的一种创新途径。

聚乙烯醇因具有生物可降解性以及无毒、环保的特性广泛应用于药学、医学、组织工程材料、食品等领域，是纳米纤维制备中良好的成纤基体。然而目前应用的随机排列的纳米纤维强度较低,力学性能差，在很大程度上严重限制了纳米纤维膜的应用。许多研究来改善纤维材料的机械强度，如聚合物复配、添加剂包埋、交联、纺丝取向技术已用于提高其机械性能。然而大多数操作需要对纤维进行耗时复杂的后处理工序，此外制备过程中毒性化学有机溶剂的使用更限制对安全性有严格控制的食品领域的发展，尽管溶剂挥发，但溶剂残留问题不容忽视，因此静电纺丝纳米纤维材料的制备在食品应用鲜有报道。

技术实现要素：

本发明是克服现有技术的不足之处，提供一种简易、高效、安全的电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜。

本发明实现目的的技术方案如下：

一种电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜，制备步骤如下：

⑴单宁酸与金属离子自组装络合物的配制

单宁酸与金属离子的质量浓度比为4-5：1，超纯水配制TA与金属溶液，充分混匀后，调节体系pH至7.4；单宁酸的浓度为12-16mg/mL，金属溶液为3-4mg/mL；

⑵聚乙烯醇成纤基体配制

聚乙烯醇的平均分子量为85,000-124,000,水解度为84-89％，使用超纯水配制PVA溶液16-24wt％，除去气泡；

⑶聚乙烯醇基单宁酸-铁离子络合静电纺丝溶液的制备

室温条件下将聚乙烯醇溶液与单宁酸和金属离子自组装络合物等体积混合，使用旋浆式搅拌器以700转/min转速进行旋转0.5-1小时，最终制得含有TA-金属络合的PVA电纺溶液；

⑷静电纺丝技术制备抗氧化纳米纤维膜

采用静电纺丝装置连续静电纺丝，得到电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜。

而且，所述步骤⑷的具体过程为：静电纺丝装置为NaBond NEU-PRO，5mL注射器安装在静电纺丝装置卡槽处，电磁线圈与气泵双重调控进样流速，精准调控进样速率。选用不粘型铝箔纸能达到将纤维膜更好分离铝箔的效果，实验中滚筒式收集器控制在41rpm，进样流速为0.5mL/h，电压15kv，进样针至收集器垂直距离为15cm，连接注射器的不锈钢针头外观尺寸为0.7mm×32mm，直径0.390mm与注射器相连，在不锈钢针头处连接高压电场为实验提供高压电源，连续静电纺丝6h。

而且，所述聚乙烯醇溶液的配制的步骤如下：

在85℃条件下将聚乙烯醇缓慢溶解在超纯水中配制PVA溶液，使用旋浆式搅拌器以700转/min转速进行旋转0.5-2小时，在溶解聚乙烯醇颗粒过程中应注意每次需加入少量聚乙烯醇颗粒，保证聚乙烯醇颗粒充分悬浮在水中，待全部聚乙烯醇溶解后，封口膜密封放置在4℃冰箱内过夜冷藏，以促使气泡全部溶解。

而且，所述二价Ca离子与TA的摩尔比例是5-1。

而且，所述三价铁离子离子与TA的摩尔比例是4-1。

本申请的优点和积极效果如下：

本发明从原料前处理到纳米纤维产品成型仅使用单宁酸(Tannic acid，TA)、三氯化铁、聚乙烯醇、超纯水四种物质，均为FDA认证的安全无毒成分，是可以直接加入食品中的食品添加剂。制备过程从原料使用到静电纺丝制备工艺全程达食品级制备流程，产品绿色无污染。

本发明以PVA作为成纤基体协载功能性抗氧化成分TA，成功制备尺寸直径分布为100-300nm纳米纤维材料，以纤维结构的小尺寸效应充分发挥抗氧化功能因子的高效表达，抗氧化活性提高40％以上。

本发明制备纳米纤维膜，经53％相对水分湿度条件室温下密闭48h，依据薄膜拉伸测试ASTM(D 882-02)所得结果，纯聚乙烯醇纤维膜拉伸强度为18.6±4.2Mpa，断裂伸长率为11.5±4.1％，与纯PVA纤维膜相比，TA-Fe⁺⁺⁺络合物的加入使拉伸强度达31.4±2.5MPa,拉伸强度提高70％，断裂伸长率增加2倍。本发明利用TA分子结构兼具多酚强抗氧化作用与金属离子螯合作用双重功能特性，创建一步法制备纳米纤维膜高力学性能与抗氧化功能一体化成型技术，探明成膜材料改性、最佳配方、成型工艺、性能评价等关键技术参数指标，突破新型聚合物/无机物复合纳米纤维制备技术瓶颈，构建单宁酸与铁离子的螯合网状结构增强纤维力学性能，填补国内空白。

附图说明

图1为电镜扫描(SEM)聚乙烯醇基单宁酸-铁离子络合纳米纤维微观结构及直径分布图，其中纳米纤维组分分别是：图1-1为8％PVA/TA-Fe⁺⁺⁺，图1-2为10％PVA/TA-Fe⁺⁺⁺，图1-3为12％PVA/TA-Fe⁺⁺⁺。

图2为静电纺丝纤维膜照片；

图3为纤维膜样品条浸没油脂照片；

图4为单宁酸与铁离子络合结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明利用单宁酸分子结构兼具多酚高效抗氧化活性以及与金属离子自组装螯合交联双重作用，以聚乙烯醇作为成纤基体，利用静电纺丝技术构建单宁酸与铁离子螯合网状结构增强纤维力学性能，以纳米纤维多空微结构高效发挥单宁酸抗氧化活性，创建一步法制备纳米纤维膜高力学性能与抗氧化功能一体化成型技术，赋予聚合物纳米纤维抗氧化与力学增强双重功能特性，填补国内空白。

本发明中原料仅TA、Fe⁺⁺⁺、水、PVA，其中TA、Fe⁺⁺⁺被GRAS认证可以直接加入食品中的食品添加剂；生物可降解材料聚乙烯醇PVA为食品补充剂，从制备原料到制备工艺安全无毒、绿色环保。

本发明利用单宁酸的多羟基结构兼具抗氧化与金属离子络合双重特性，明确TA与Fe⁺⁺⁺使用阈值，实现TA与Fe⁺⁺⁺交联的可逆/动态络合，反应自动快速进行，不需要任何特殊的设备或反应。

以聚乙烯醇PVA高聚物作为静纺成纤材料，利用静电纺丝技术制备纳米剂纤维材料，突破新型聚合物/无机物复合可纺性技术，实现PVA高聚物与单宁酸-Fe⁺⁺⁺络合物的可纺性。

纺制纳米纤维直径达100-200nm，高比表面积提高单宁酸抗氧化高效表达。

一种电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜，制备步骤如下：

⑴单宁酸(TA)与铁离子(Fe⁺⁺⁺)自组装络合物的配制

单宁酸是植物次生代谢产物中的大分子物质，分子中含多个邻位酚羟基，属于多元苯酚。TA与Fe⁺⁺⁺溶液络合机理反应分为二个步骤：首先是酚羟基先离解成氧负离子，随后氧负离子与金属离子配位。pH值通过调节反应体系的平衡常数从而影响TA与Fe⁺⁺⁺结合作用。

在络合化学机理中,配体的配位常数与其加质子常数密切相关,随着pH的升高TA将发生H⁺的解离，pH值越高，TA与Fe⁺⁺⁺的平衡常数越高，即络合物稳定性加强。当TA与Fe⁺⁺⁺体系pH分别为2、5和8时，TA与Fe⁺⁺⁺络合物稳定系数分别为1.5×10⁵、3.4×10⁹和2.8×10¹⁷。

为实现Fe⁺⁺⁺三个离子能与TA多酚羟基饱和配位形成最稳态络合，TA与Fe⁺⁺⁺的质量浓度比为4：1，超纯水配制TA与FeCl₃溶液。为避免游离Fe⁺⁺⁺快速消耗在水溶液中先添加称量好的TA试剂，后添加FeCl₃，充分混匀后，使用3-4滴1mol/L NaOH调节体系pH至7.4，其中单宁酸的浓度为12-16mg/mL，FeCl₃浓度为3-4mg/mL。

本实施例中的铁离子可以采用二价Ca离子代替，其中二价Ca离子与TA的摩尔比例是5-1；

⑵聚乙烯醇成纤基体配制

聚乙烯醇(PVA)选定为平均分子量为85,000-124,000,水解度为84-89％的PVA试剂，该试剂能够实现PVA加热水溶液作用下溶解，无需有机溶剂的添加并且保证静电纺丝过程充分成纤固化。作为成纤基体，PVA溶液需要控制一定浓度，一方面，当溶液浓度太低时，溶液中分子链的缠结不充分，不能维持射流的连续性，致使不能成纤或者形成珠串缺陷纤维。反之，溶质浓度过高时溶液在喷口处由于溶剂量容易少极易在喷口处形成凝胶，堵塞针头。在本发明中使用超纯水配制PVA溶液16-24wt％，除去气泡，解决不连续或堵塞喷口的确定；

PVA溶液的配制的步骤如下：

在85℃条件下将一定量的PVA缓慢溶解在超纯水中配制PVA溶液，使用旋浆式搅拌器以700转/min转速进行旋转0.5-2小时，在溶解PVA颗粒过程中应注意每次需加入少量PVA颗粒，保证PVA颗粒充分悬浮在水中，待全部PVA溶解后，封口膜密封放置在4℃冰箱内过夜冷藏，以促使气泡全部溶解。

⑶聚乙烯醇基单宁酸-铁离子络合静电纺丝溶液的制备

PVA溶液是高粘弹性溶液，为实现PVA溶液与TA与Fe⁺⁺⁺自组装络合物充分混合，室温条件下将PVA溶液与TA与Fe⁺⁺⁺自组装络合物等体积混合，使用旋浆式搅拌器以700转/min转速进行旋转0.5-1小时，铝箔纸封口防止水蒸气挥发影响体系浓度，最终制得含有TA-Fe⁺⁺⁺络合的PVA电纺溶液；

⑷静电纺丝技术制备抗氧化纳米纤维膜

采用静电纺丝装置连续静电纺丝，得到电纺聚乙烯醇基单宁酸抗氧化纳米纤维膜。具体为：静电纺丝装置为NaBond NEU-PRO，5mL注射器安装在静电纺丝装置卡槽处，电磁线圈与气泵双重调控进样流速，精准调控进样速率。选用不粘型铝箔纸能达到将纤维膜更好分离铝箔的效果，实验中滚筒式收集器控制在41rpm，进样流速为0.5mL/h，电压15kv，进样针至收集器垂直距离为15cm，连接注射器的不锈钢针头外观尺寸为0.7mm×32mm，直径0.390mm与注射器相连，在不锈钢针头处连接高压电场为实验提供高压电源，连续静电纺丝6h。

本申请在注射器外缘间隔包裹有电磁线圈，磁力线方向于液体流向相同。

本申请在注射器活塞杆端部增加气泵，气泵能能够增加活塞杆的推进力，保证液体喷射速度，防止活塞后堵塞，保证液体流速均匀等。

(5)纳米纤维微观结构表征

使用Quanta 200FEG扫描透射电镜用于测定纳米纤维膜的微观形貌、纤维直径分布(FDS)。首先将一小片纳米纤维膜固定在双面胶粘带上，表面涂金后喷涂胶体银胶，使用Quanta 200FEG扫描电镜在高真空/二次电子成像模式下观察其形貌。扫描透射电镜运行工作条件如下：加速电压选用10kV，工作距离为10.1-11.4mm。FDS测定使用XT Document(FEI Corp,Hillsboro,OR)分析软件对样品微观形貌进行测定，所得数据用以构建尺寸分布直方图。

抗氧化性能：

当0.01g含2％TA的超细纤维膜与氧化剂ABTS·+反应时，纳米纤维膜ABTS·+清除率等价于1.761g/L TA的抗氧化清除率，其抗氧化活性提高约43倍，纳米纤维膜能够发挥活性成分“小用量、高效率”的作用方式。

Fe+++的添加能显著提高纤维膜力学性能，克服纤维膜机械性能欠佳缺陷。当TA-Fe+++加入量为2％时，纤维膜(厚度0.06mm)的拉伸强度为5.34MPa，比对照(2.45MPa)提高117％。

使用方法推荐，直接将本发明制备的膜可以作为包装材料或者敷垫用于牛奶、鱼肉等生鲜食品保鲜。也可以电纺在其他生物膜材料表面，与其他透气透湿性膜结合使用。可以根据需求电纺不同厚度从0.08毫米到0.1毫米。