《International Journal of Biological Macromolecules》：Binary electrospinning of pullulan with different organic acids for enhanced antioxidant and antibacterial properties
编辑推荐：
基于PUL与五种有机酸复合电纺制备纳米纤维薄膜，研究其结构与性能关系。单宁酸负载薄膜表现出最佳综合性能：纤维直径200.26nm，酸负载量9.94mg/g，机械强度5.01MPa，抗菌抑菌圈6.29mm，水接触角31.61°，为开发功能性食品包装材料提供新思路。
王军|秦东丽|张成倩|王霞|徐京国|徐慧清|康壮丽|孔玲燕|李松楠
中国烹饪非物质文化遗产技术传承重点实验室，文化和旅游部，扬州大学旅游与烹饪科学学院，江苏扬州，225127，中国
摘要
普鲁兰（PUL）是一种公认安全的细胞外多糖，可以电纺成纳米纤维膜，作为有前景的生物基食品包装材料。然而，其功能性特性（如抗氧化和抗菌活性）有限。因此，在本研究中，通过二元电纺技术，使用普鲁兰和五种有机酸（苹果酸、酒石酸、抗坏血酸、柠檬酸和单宁酸）制备了新型纤维膜，并对其结构和性能进行了表征。在测试的配方中，负载单宁酸的普鲁兰纤维膜（FF）表现出优异的宏观表面质量和纤维形态，平均厚度为71.61微米，平均纤维直径为200.26纳米。该膜还具有最高的酸负载能力（9.94毫克/克）和负载效率（37.67%），以及相对较高的接触角（31.61°）和最佳的机械性能，包括5.01兆帕的拉伸强度、38.31%的断裂伸长率和0.58兆帕的杨氏模量。此外，这种纳米纤维膜显示出最高的相对抗氧化能力（19.73%/毫克）和对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）最强的抗菌活性（6.29毫米/毫克抑制圈）。这些结果为开发基于普鲁兰的电纺功能性纳米纤维膜作为可持续、安全和活性的食品包装材料提供了宝贵的见解。
引言
电纺是一种利用高强度电场将聚合物溶液或熔体喷射并拉伸成微米或纳米级纤维的过程[1]。作为一种新兴的纳米加工技术，它在材料科学领域受到了广泛关注。通过电纺制备的纳米纤维膜具有多孔结构和高表面积，有助于稳定活性物质，改善其分布，并提高负载效率[2]。此外，由于电纺过程不需要加热，因此它是封装热敏性生物活性化合物的理想技术[3]。通过优化电纺参数，可以精确控制纤维膜（FFs）的物理特性，如厚度、形状和纤维直径。通过添加特定的活性物质，还可以定制FFs的功能特性，包括光学、机械和生物特性[4]。由于这些优势，电纺技术已广泛应用于多个领域，如生物医学[5]、能量存储[6]、环境过滤[7]、防护装备[8]和食品包装材料[9]。最近，关于其在活性食品包装中的应用也有大量研究[10]。例如，赵等人通过电纺制备了负载多酚的玉米醇溶蛋白/明胶FFs；用这些膜涂层樱桃显著延缓了成熟并提高了保鲜效果[10]。
用于电纺的基础材料至关重要，直接影响最终FFs的结构和功能特性。在用于电纺的各种材料中，包括多糖和蛋白质在内的生物聚合物因其可再生性、生物相容性和环保性而被广泛用于食品包装材料的制备[11]。与蛋白质相比，多糖通常在化学上更稳定，在加工过程中不易因热、剪切或pH变化而变性[12]。特别是普鲁兰（PUL）是由Aureobasidium pullulans菌株产生的天然微生物细胞外多糖，被美国食品药品监督管理局（FDA）认为是安全的（GRAS）。它由麦芽三糖亚单位组成，其中三个葡萄糖单元通过α-(1,4)-糖苷键连接；这些亚单位随后通过α-(1,6)-糖苷键连接，形成线性、无分支的结构[13]。这种无分支或侧链的线性结构使水分子能够容易地与葡萄糖链相互作用，从而促进溶解。因此，PUL即使在相对较低的温度下也能容易溶解于水，形成透明、无色的溶液，粘度各异[14]。这种独特的键合模式和粘附性能赋予PUL出色的成膜和成纤维能力，以及低氧气渗透性[13]。此外，PUL安全、可生物降解、环保且成本低廉[15]。这些优势使PUL成为开发食品包装材料的有希望的候选材料。例如，Kumar等人（2021年）将富含石榴皮提取物的壳聚糖-PUL复合涂层应用于甜椒，该涂层在室温和冷藏温度下都能显著保持甜椒的采后品质[16]。Wang等人（2025年）使用辛烯基琥珀酰化淀粉和PUL开发了负载茶多酚的复合电纺FFs，用于预处理鱼片的活性包装，能够显著减少总菌落数、pH波动、总挥发性碱性氮和硫代巴比妥酸反应物质[17]。然而，食品包装材料的性能应不仅限于物理特性，还应包括抑制微生物生长和提供抗氧化活性等功能，这对于进一步延长食品保质期和保持品质至关重要。
有机酸天然存在于许多食物中或作为代谢副产物产生，是GRAS成分。由于它们的环保性、低成本以及显著的抗氧化和抗菌活性，它们被广泛用于生物医学和食品等领域[18][19]。有机酸的抗氧化活性源于它们作为还原剂、氢供体、单线态氧清除剂和金属螯合剂的作用，这些作用共同延缓了脂质氧化并保护细胞免受氧化损伤[20][21][22][23]。有机酸的抗菌机制包括降低pH值、干扰能量代谢（例如三羧酸循环）、抑制关键酶（例如ATP酶）和抑制核酸合成，从而抑制微生物生长[24]。此外，当有机酸与抗生素或精油结合使用时，可以表现出协同效应，增强抗菌效果并减少抗生素的使用[24][25]。因此，有机酸在食品保鲜[26][27][28]、农业/水产健康管理[29][30]、医疗抗感染疗法[31]和环境修复[32]方面显示出巨大潜力。因此，将有机酸结合到基于PUL的FFs中是开发具有增强抗菌和抗氧化功能的食品包装材料的一种有前景的策略。
五种具有固有分子结构和生物活性的有机酸广泛用于食品保鲜，包括苹果酸（MA，C4H6O5）、酒石酸（TtA，C4H6O6）、抗坏血酸（AA，C6H8O6）、柠檬酸（CA，C6H8O7）和单宁酸（TnA，C76H52O46）。MA具有温和的味道，用于食品保鲜、脱臭、保持颜色和减少盐分[33]。TtA因其适中的酸度而常用作食品添加剂中的酸剂和抗氧化剂[34]。AA是一种强效抗氧化剂，广泛用于肉类、水果和蔬菜的保鲜，以抑制脂质氧化和防止酶促褐变[35]。CA在食品工业中广泛用作酸剂、抗氧化剂、脱臭剂和风味增强剂，同时也表现出显著的抗菌活性[36]。TnA是一种可水解的单宁，含有多个酚羟基，可以通过清除活性氧物种来延缓脂质氧化，抑制多种病原微生物的生长[37][38]，并作为天然交联剂[39]。值得注意的是，这些有机酸与电纺FFs的结合已进行了初步探索，包括AA、MA和CA与鱼明胶的结合[40]，以及TnA与瓜尔胶的结合[41]，这表明它们适合进行二元电纺。
尽管基于PUL的材料的电纺已得到广泛研究[42][43][44]，但通过PUL与有机酸的二元电纺制备的FFs的结构-功能关系仍不够充分研究和理解。因此，本研究旨在使用水作为唯一溶剂和五种有机酸（MA、TtA、AA、CA和TnA）作为抗氧化剂和抗菌剂，通过电纺制备PUL/有机酸FFs。进行了全面的表征，以评估它们的结构和功能特性。结构表征包括电纺溶液（粘度和导电性）的评估、宏观形态（表面外观和厚度分布）和微观结构（SEM成像、纤维直径分布和FTIR光谱）。性能测试包括接触角测量、热重分析（TGA）、动态机械分析（DMA）、负载性能以及抗氧化和抗菌活性。研究结果有望阐明电纺PUL/有机酸FFs的功能特性，从而为它们作为活性食品包装材料及相关应用的发展提供理论基础。
材料
普鲁兰（PUL，纯度>99%），分子量约为20×10^4克/摩尔，来源于我们之前的研究[17][45]，由山东Freda Biotech有限公司（济南，中国）提供。MA、TtA、AA、CA和TnA从上海Yuanye Bio-Technology有限公司（上海，中国）购买，1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH）从Macklin Biochemical有限公司（上海，中国）获得。金黄色葡萄球菌和沙门氏菌菌株由肉类产品实验室提供
电纺溶液性质
图1显示了用有机酸制备的电纺溶液的粘度（A）和导电性（B）。添加MA、TtA和TnA显著降低了PUL分散体的粘度，这与之前的研究结果一致，即添加有机酸会降低瓜尔胶分散体的粘度[58]。同样，Mahmood等人也证明，将AA的浓度从20%增加到30%会降低明胶/酸电纺分散体的粘度
结论
在本研究中，通过电纺成功制备了含有五种不同有机酸的PUL纳米纤维膜。全面的结构表征和性能评估表明，PUL与有机酸具有良好的相容性和电纺性，得到了纳米尺寸、均匀形态和适当厚度的FFs。SEM和FTIR分析证实了在电纺过程中有机酸有效掺入了PUL基质中。
CRediT作者贡献声明
王军：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理、概念化。秦东丽：撰写——原始草稿、方法论、研究。张成倩：研究、数据管理。王霞：研究、数据管理。徐京国：验证、方法论。徐慧清：验证、方法论。康壮丽：撰写——审阅与编辑、可视化。孔玲燕：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。李松楠：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们衷心感谢江苏省“双创”博士人才支持计划（JSSCBS20221323）、中国博士后科学基金会（2022M712692）、扬州“Lvyangjinfeng”人才支持计划（YZLYJFJH2021YXBS172）和扬州大学“QingLan”人才支持计划的支持。
