潘晶晶，張 寵，劉雨雨，張 輝

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

氣凝膠通常是指以納米級(jí)顆粒聚集而成的納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，并以氣態(tài)介質(zhì)填充納米孔洞的三維多孔低密度固體材料[1]。由于氣凝膠材料特性優(yōu)良（如孔隙率大、比表面積大、熱導(dǎo)率低、電導(dǎo)率低等），在工業(yè)建筑、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，近年來其在食品領(lǐng)域也體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，例如包埋不飽和油脂、降低油的氧化敏感性[2]。最近，有研究者提出一種新型方案，即將靜電紡絲技術(shù)與冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合來構(gòu)建氣凝膠的三維結(jié)構(gòu)[3]，但這種制備技術(shù)在加工食品級(jí)氣凝膠中仍然十分少見。

明膠因良好的生物相容性、生物可降解性而常被加工成氣凝膠，在醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，由于存在機(jī)械性能弱、防水性差以及熱力學(xué)不穩(wěn)定等問題，明膠氣凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的限制。為了擴(kuò)展這類材料的應(yīng)用范圍，通常添加具有良好機(jī)械性能的纖維素或纖維素衍生物以形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)[4]。乙基纖維素因具有疏水性、高韌性、高生物相容性等特點(diǎn)，是共混材料的理想選擇[5]。本課題組前期研究表明，利用明膠和乙基纖維素制成的共混薄膜材料有良好的疏水性和熱穩(wěn)定性，而且，由于乙基纖維素分子鏈上殘留的羥基具有一定的持水能力，可增加材料的滲透性能，并裝載疏水活性物質(zhì)[5]。

納米氧化鋅是一種粒徑范圍為1～100 nm的多功能納米金屬氧化物，其來源廣泛、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全無毒[6]。納米氧化鋅與細(xì)菌細(xì)胞之間的化學(xué)相互作用會(huì)產(chǎn)生光誘導(dǎo)的活性氧化物（reactive oxygen species，ROS），產(chǎn)生H2O2并且釋放Zn2+離子，而其物理相互作用則會(huì)使細(xì)胞膜破裂、細(xì)胞內(nèi)化或機(jī)械損傷，從而體現(xiàn)出殺菌效應(yīng)[7]。目前，納米氧化鋅在食品中主要是作為抗菌類食品添加劑使用，盡管對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞可能存在遺傳毒性[8]，但現(xiàn)有研究表明，納米氧化鋅不會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成重大威脅[9]。

本研究采用靜電紡絲與冷凍干燥相結(jié)合的新技術(shù)制備明膠/乙基纖維素氣凝膠，用于裝載納米氧化鋅。首先，通過靜電紡絲技術(shù)制備明膠/乙基纖維素納米纖維膜，再結(jié)合冷凍干燥技術(shù)將該膜制備成氣凝膠，并添加海藻酸鈉（sodium alginate，SA）和氯化鈣（CaCl2）進(jìn)行交聯(lián)，分析交聯(lián)前后氣凝膠的形貌、物理性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)定性，并裝載不同質(zhì)量濃度的納米氧化鋅，分析其對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌效果。研究結(jié)果將為食品級(jí)氣凝膠的制備提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 菌株與試劑

大腸桿菌（ATCC 25922）、金黃色葡萄球菌（CMCC 26003）為食品營養(yǎng)與代謝實(shí)驗(yàn)室保藏。

乙基纖維素（3 ～7 c P，20～30 kDa）、明膠（TypeB，Bloom250，100 kDa）、海藻酸鈉、納米氧化鋅上海阿拉丁公司；乙醇、乙酸 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二水氯化鈣 生工生物工程股份有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平 德國Sartorius公司；磁力攪拌器 上海司樂儀器有限公司；攪拌器 德國VMA公司；冷凍干燥器 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡 日本日立公司；差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC） 美國PE公司；熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）儀美國TA公司；X射線衍射儀 德國布魯克公司；傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司；Z020萬能材料試驗(yàn)機(jī) 德國Zwick公司；TPS 2500 S熱導(dǎo)系數(shù)測試儀凱戈納斯儀器商貿(mào)（上海）公司。

1.3 方法

1.3.1 明膠/乙基纖維素氣凝膠的制備

將質(zhì)量比為1∶1的乙基纖維素與明膠溶于體積比為6∶2∶2的乙酸/乙醇/水混合溶劑中，配成總質(zhì)量濃度為30 g/100 mL的溶液，置于60 ℃水浴中磁力攪拌2 h后，室溫（25 ℃）攪拌至溶質(zhì)完全溶解。參照Liu Yuyu等[5]的方法，使用食品營養(yǎng)與代謝實(shí)驗(yàn)室自行搭建的靜電紡絲設(shè)備制備復(fù)合纖維膜，該設(shè)備主要由高壓電源（Gamma高壓儀表）、帶泵注射器（LSP02-1B實(shí)驗(yàn)室推拉注射泵）和接地滾筒接收器3 個(gè)部分組成。電紡參數(shù)為電壓15 kV、流速1.0 mL/h、接收距離為10 cm；環(huán)境參數(shù)為室溫25 ℃和相對(duì)濕度50%。制備好的膜使用打孔機(jī)打成形狀均勻的小圓片，浸泡于體積分?jǐn)?shù)為10%的乙醇溶液中，使用攪拌器于104 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15 min（分3 次，每次5 min），打碎成質(zhì)量濃度為1 g/100 mL的糊狀液體。用此糊狀液體作為原料制備以下3 組氣凝膠：1）將上述糊狀液體裝于6 孔板中，在超低溫冰箱（－80 ℃）中放置24 h，待液體完全凍結(jié)，取出后在冷凍干燥機(jī)中放置24 h完全除去水分，所得氣凝膠記為EG11；2）在上述糊狀液體中加入0.5 g/100 mL海藻酸鈉，置于磁力攪拌器上于500 r/min常溫下攪拌1 h，按上述步驟所得氣凝膠記為EG11-SA；3）將EG11-SA氣凝膠浸泡于0.5%氯化鈣（CaCl2）溶液4 h，取出后再冷凍干燥12 h，所得氣凝膠記為EG11-SA/Ca。

1.3.2 形態(tài)分析和孔隙率的測定

采用SU8010掃描電子顯微鏡觀察氣凝膠樣品的表面及截面微觀形貌。掃描電子顯微鏡的加速電壓為5～10 kV。用尺子量取每個(gè)樣品的直徑、高度與質(zhì)量，計(jì)算其表觀密度（ρA），根據(jù)以公式（1）計(jì)算樣品的孔隙率，每個(gè)樣品做3 組平行。其中，乙基纖維素和明膠的真實(shí)密度（ρR）分別為1.14 g/cm3和1.41 g/cm3。

1.3.3 熱導(dǎo)率的測定

用TPS 2500 S熱導(dǎo)系數(shù)測試儀測定氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)（以熱導(dǎo)系數(shù)表征熱導(dǎo)率）。對(duì)于EG11、EG11-SA氣凝膠，輸出功率15 mW，升溫時(shí)間20 s；對(duì)于EG11-SA/Ca氣凝膠，輸出功率10 mW，升溫時(shí)間40 s。所有樣品平行測定3 次，取平均值。

1.3.4 水穩(wěn)定性的測定

將樣品稱質(zhì)量并測定體積后，在蒸餾水中浸泡24 h，取出后拭去表面水分，再次稱質(zhì)量并測量表面尺寸。隨后，將浸水的氣凝膠放入烘箱，在50 ℃下烘干30 min，測定烘干后的質(zhì)量，根據(jù)公式（2）、（3）、（4）分別計(jì)算氣凝膠的尺寸穩(wěn)定性、吸水能力與持水能力。

1.3.5 機(jī)械性能的測定

使用Z020萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測定氣凝膠的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)采用壓縮測試，彈性模量測試速率2 mm/min，壓縮變形量為50%。

1.3.6 熱穩(wěn)定性的測定

氣凝膠樣品的熱穩(wěn)定性采用DSC和TGA儀進(jìn)行分析。DSC分析條件：樣品質(zhì)量為6～8 mg；在0 ℃下平衡20 min；升溫速率為10 ℃/min；氮?dú)饬魉贋?0 mL/min；溫度最高值為250 ℃。TGA條件：樣品質(zhì)量為2 mg左右；氮?dú)猸h(huán)境；樣品升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為50～600 ℃。

1.3.7 X射線衍射分析

氣凝膠樣品的結(jié)晶特性采用X射線衍射儀進(jìn)行分析。分析條件：光源Cu Kα（λ＝1.540 6 ?），傾角0.02°，掃描速率1（°）/min，掃描范圍2θ＝4°～80°。所有樣品均測定3 次。

1.3.8 傅里葉變換紅外光譜分析

氣凝膠樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析。將樣品與KBr按照1∶50質(zhì)量比混合壓片后進(jìn)行分析，分析條件：掃描范圍4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1，光譜記錄頻率為16。所有樣品均測定3 次。

1.3.9 氣凝膠的抑菌實(shí)驗(yàn)

在乙基纖維素/明膠溶液中加入質(zhì)量濃度分別為0、1、1.5、2 g/100 mL納米氧化鋅，采用1.3.1節(jié)方法制備氣凝膠，分別記為Z0-EG11-SA/Ca、Z1-EG11-SA/Ca、Z1.5-EG11-SA/Ca、Z2-EG11-SA/Ca。采用打孔法[10]評(píng)估氣凝膠對(duì)大腸桿菌（Escherichia coli）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑菌活性。通過傾注平板法，將1 mL濃度為105CFU/mL的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌菌液接種到已滅菌的培養(yǎng)基中，待培養(yǎng)基冷卻凝固后使用已滅菌的鋼管打出直徑8 mm的圓孔，然后在孔中放入經(jīng)紫外光（ultraviolet，UV）照射滅菌1 h、直徑為8 mm的氣凝膠，37 ℃下恒溫培養(yǎng)24 h后，采用Nano Measurer 1.2軟件計(jì)算抑菌圈的平均直徑，每個(gè)氣凝膠樣品做3 組平行。

1.3.10 UV照射后的抑菌動(dòng)力學(xué)分析

稱取約11 mg氣凝膠，UV（364 nm、250 W）滅菌0.5 h。然后將氣凝膠加入到含有20 mL培養(yǎng)液的已滅菌離心管中。其中一組UV照射1 h，另一組避光處理1 h。隨后向每支離心管中加入0.2 mL菌液（106CFU/mL），再置于恒溫?fù)u床進(jìn)行37 ℃培養(yǎng)。使用酶標(biāo)儀在600 nm波長處測定菌濃度，每隔2 h測一次，共測24 h。選取空白培養(yǎng)液和加入Z0-EG11-SA/Ca氣凝膠的培養(yǎng)液分別作為空白和陰性對(duì)照。每個(gè)樣品均做3 次平行。抑菌率按公式（5）計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Origin pro 9.0軟件t分布檢驗(yàn)單因素方差分析，后續(xù)使用Tukey分析進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05時(shí)表示結(jié)果間差異顯著。繪圖采用Origin pro 9.0軟件。所有經(jīng)過3 次重復(fù)測定的數(shù)據(jù)都采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)分析結(jié)果

圖1為3 種氣凝膠的外觀，其中，EG11氣凝膠質(zhì)地蓬松，EG11-SA氣凝膠質(zhì)地較為緊密，EG11-SA-Ca質(zhì)地最為緊密，體積相對(duì)最小。從圖2掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果可以看出，3 種氣凝膠的形態(tài)結(jié)構(gòu)上有顯著差異。EG11氣凝膠由于未進(jìn)行交聯(lián)，表面呈現(xiàn)出粗糙的多孔狀，截面的孔隙小且密集，孔徑約分布在10～100 μm之間，纖維松散地纏繞在一起。EG11-SA氣凝膠表面光滑致密，這與Meng Chihan等[11]制備的海藻酸鈉氣凝膠的表面結(jié)構(gòu)相似。交聯(lián)海藻酸鈉后截面空隙直徑明顯增大，大致分布于50～200 μm之間，組織呈片狀相互連接。EG11-SA/Ca氣凝膠表面致密，空隙直徑較EG11-SA氣凝膠明顯減小，組織間有薄層相互連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅增強(qiáng)。

圖1 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的俯視圖（A）與側(cè)視圖（B）Fig.1 Vertical view (A) and lateral view (B) of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

圖2 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的表面（A）與截面（B）掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of the surface (A) and cross-section (B) of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

2.2 孔隙率與熱導(dǎo)率

表1 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的孔隙率與熱導(dǎo)率Table 1 Porosity and thermal conductivity of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

由表1可知，EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的孔隙率分別為99.46%、98.30%、97.15%。交聯(lián)SA后，氣凝膠的孔隙率降低，應(yīng)該與SA本身形成的凝膠有關(guān)。再交聯(lián)Ca2+后，孔隙率繼續(xù)降低，證明Ca2+與SA交聯(lián)產(chǎn)生穩(wěn)定的雞蛋盒（egg-box model）結(jié)構(gòu)[12]，在氣凝膠結(jié)構(gòu)中起到了一定的填充支持作用。通常，當(dāng)孔隙度超過80%時(shí)即為高孔隙度體系，因此，本實(shí)驗(yàn)中各氣凝膠材料的孔隙率均達(dá)到高孔隙率水準(zhǔn)。

EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的熱導(dǎo)率分別為0.033 04、0.034 40、0.035 46 W/（m·K）。結(jié)合孔隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，孔隙率越低，材料的熱導(dǎo)率越高。一般而言，隔熱材料的熱導(dǎo)率在0.03～0.17 W/（m·K）之間，因此，3 種氣凝膠均屬于隔熱材料。

2.3 水穩(wěn)定性分析結(jié)果

表2 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的尺寸穩(wěn)定性、吸水能力、持水能力Table 2 Dimensional stability, water-absorbing capacity, and water-holding capacity of EG11, EG11-SA, and EG11-SA/Ca aerogels

如表2所示，經(jīng)過24 h水浸泡處理后，交聯(lián)SA后的氣凝膠尺寸穩(wěn)定性比未交聯(lián)氣凝膠有所提升。趙謀明等[13]通過研究離子強(qiáng)度與明膠、海藻酸鈉混合凝膠黏度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)明膠帶正電的氨基與海藻酸鈉上帶負(fù)電的羧基存在較強(qiáng)的靜電引力，二者同時(shí)存在時(shí)會(huì)增加體系的穩(wěn)定性。EG11-SA/Ca氣凝膠的尺寸穩(wěn)定性最好，這是因?yàn)镃a2+與海藻酸鈉的古洛糖醛酸單元結(jié)合，形成一種穩(wěn)定的雞蛋盒結(jié)構(gòu)[12]，導(dǎo)致整個(gè)體系更加不易破壞。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，24 h水浸泡處理后，EG11與EG11-SA兩組氣凝膠尺寸縮小，而EG11-SA/Ca氣凝膠尺寸膨脹，這是由于在浸泡過程中，前兩組氣凝膠的表面成分從氣凝膠體脫落，而交聯(lián)緊密的第3組氣凝膠則體現(xiàn)出了吸水膨脹的效果。

由表2可知，交聯(lián)海藻酸鈉后氣凝膠吸水能力顯著上升，這與SA具有較強(qiáng)的親水性有關(guān)，但EG11-SA/Ca氣凝膠吸水能力下降，這是由于Ca2+與海藻酸鈉間形成交聯(lián)作用，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)變得更加緊密。由表2可知，EG11氣凝膠的持水能力數(shù)據(jù)不可測，因?yàn)樵摻M樣品測定過程中無法避免質(zhì)量大幅損失，應(yīng)用價(jià)值較低。交聯(lián)SA之后氣凝膠的持水性增強(qiáng)，但EG11-SA/Ca氣凝膠持水能力有所下降，證明EG11-SA/Ca氣凝膠具有較好的可重復(fù)利用性。

2.4 機(jī)械性能分析結(jié)果

氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，3 種氣凝膠表現(xiàn)出經(jīng)典的應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系，這表明氣凝膠在50%的應(yīng)力下表現(xiàn)出彈性行為。在相同應(yīng)變下，交聯(lián)后的氣凝膠（EG11-SA/Ca）具有更高的應(yīng)力，表明其具有更好的機(jī)械性能。表3為3 種氣凝膠的彈性模量以及變形量50%時(shí)的壓強(qiáng)。相比EG11氣凝膠，EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的彈性模量分別提高了33、50 倍，證實(shí)該交聯(lián)方式可顯著提高氣凝膠的機(jī)械性能，具有實(shí)際應(yīng)用意義。結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果可知，EG11氣凝膠是納米纖維通過相互纏繞搭建而成的，結(jié)構(gòu)間沒有支持與聯(lián)結(jié)。交聯(lián)海藻酸鈉的氣凝膠由于海藻酸鈉與明膠間具有靜電作用力，使其組織間相互連接，提高了整體結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。然而，Ca2+與海藻酸鈉交聯(lián)可以形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高氣凝膠的機(jī)械性能。

圖3 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的形變關(guān)系圖Fig.3 Stress vs strain curves of EG11, EG11-SA, EG11-SA/Ca aerogels

表3 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的壓縮性能Table 3 Compression performance of EG11, EG11-SA, and EG11-SA/Ca aerogels

2.5 熱穩(wěn)定性分析結(jié)果

表4 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的TGA參數(shù)Table 4 Mass loss rate and maximum degradation temperature of thermogravimetric analysis curves for EG11, EG11-SA, EG11-SA/Ca aerogels

氣凝膠的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4和表4所示。依據(jù)圖4A中TGA曲線，氣凝膠的熱重分析過程可分為4 個(gè)階段：0～150 ℃是第一階段，主要受易揮發(fā)成分脫離的影響[14]；150～230 ℃為第二階段，單純明膠分子會(huì)在220 ℃會(huì)發(fā)生變性，但是由于與乙基纖維素進(jìn)行復(fù)合電紡，明膠分子發(fā)生螺旋向無定型的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以在加熱過程中未檢測到EG11的變性過程，這與Bigi等[15]的研究結(jié)果相似。而在該溫度下的質(zhì)量損失主要是海藻酸鈉分子處于熱降解階段，海藻酸鈉分子的糖苷鍵斷裂，發(fā)生脫羧反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鹽，并且釋放出二氧化碳和水[16]，從而導(dǎo)致質(zhì)量減少；第三（230～390 ℃）與第四（390～600 ℃）階段分別對(duì)應(yīng)于多聚物的分解和碳化。微分熱重（differential thermogravimetry，DTG）曲線在240 ℃的峰是由于海藻酸鈉的變化所致，李博等[17]的研究認(rèn)為這一階段主要是由于海藻酸鈉分子鏈斷裂分解為穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，加入Ca2+后，這一溫度有所提高，且質(zhì)量損失比率明顯降低[16]。如表4所示，第三階段EG11-SA氣凝膠的最大分解溫度降低，穩(wěn)定性變差，但是，交聯(lián)Ca2+后穩(wěn)定性重新提高。

圖4 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的TGA（A）與DTG（B）曲線Fig.4 Thermogravimetric analysis (A) and differential thermogravimetry (B)curves of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

如表5和圖5所示，DSC表征進(jìn)一步證明了交聯(lián)后氣凝膠穩(wěn)定性的提升。這主要體現(xiàn)在第三部分，明膠在220 ℃左右會(huì)熱分解[18]，經(jīng)過交聯(lián)后，該處的熱分解峰消失，這是由于明膠經(jīng)過電紡后螺旋結(jié)構(gòu)部分解開，經(jīng)過SA交聯(lián)形成較多的無定形結(jié)構(gòu)[19]，相比于EG11氣凝膠，在交聯(lián)Ca2+后，焓變?cè)黾拥?49 J/g，證明氣凝膠穩(wěn)定性提升。而EG11-Ca/SA的tm高于EG11和EG11-SA的tm，表明經(jīng)過Ca2+交聯(lián)氣凝膠的熱穩(wěn)定性顯著增加。

表5 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的DSC分析參數(shù)Table 5 Differential scanning calorimeter analysis parameters of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

2.6 X射線衍射分析結(jié)果

圖6 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的X射線衍射圖譜Fig.6 X-ray diffraction curves of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

圖6 為氣凝膠的X射線衍射圖譜，EG11氣凝膠的衍射峰位在8°與22°左右，與其所含明膠與乙基纖維素的衍射峰位相一致。在交聯(lián)之后，這些衍射峰強(qiáng)度發(fā)生明顯下降，且交聯(lián)的程度越高，衍射強(qiáng)度降低的越多，這是由于明膠與海藻酸鈉之間的分子相互作用導(dǎo)致明膠螺旋晶體結(jié)構(gòu)部分解開，特征峰消失。Sajjan等[20]也報(bào)道了相似的結(jié)果，他們認(rèn)為明膠和海藻酸鈉之間存在氫鍵或者靜電作用力，導(dǎo)致明膠的三維螺旋結(jié)構(gòu)減少，使明膠的特征峰發(fā)生顯著降低。

2.7 傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果

圖7 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.7 Fourier transform infrared spectra of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

如圖7所示，明膠的特征峰主要有1 650 cm－1的酰胺峰I（VC＝O）、1 550 cm－1的酰胺峰II（δNH+VCN）以及1 241 cm－1的酰胺峰III（δNH）[21]。理論上氨基帶的振動(dòng)強(qiáng)度越高，明膠分子中的螺旋結(jié)構(gòu)含量越多[22]，從圖7中可見，EG11氣凝膠在交聯(lián)以后，1 550 cm－1的酰胺峰II強(qiáng)度明顯降低，說明明膠的螺旋結(jié)構(gòu)減少。此外，交聯(lián)后的氣凝膠酰胺峰I出現(xiàn)了紅移，說明明膠分子螺旋結(jié)構(gòu)含量降低，與交聯(lián)劑間形成了更多的氫鍵[23]。3 400 cm－1附近的峰代表了—OH的伸縮振動(dòng)，證實(shí)EG11-SA氣凝膠中明膠與海藻酸鈉間的氫鍵形成，而Ca2+交聯(lián)作用卻減少了氫鍵作用，導(dǎo)致該峰又發(fā)生了藍(lán)移[24]。

2.8 抑菌圈實(shí)驗(yàn)結(jié)果

裝載納米氧化鋅的氣凝膠對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果如表6所示。對(duì)于陰性對(duì)照組，該氣凝膠沒有抑菌能力，但納米氧化鋅裝載量分別為1、1.5、2 g/100 mL時(shí)，氣凝膠對(duì)大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為1.28、2.40、3.89 mm，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為1.00、1.52、1.88 mm。氣凝膠的抑菌能力與納米氧化鋅的質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系，且對(duì)于大腸桿菌的抑菌效果優(yōu)于金黃色葡萄球菌。這與Diez-Pascual等[25]的研究結(jié)果相一致，他們將納米氧化鋅加入到3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物中，發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅對(duì)大腸桿菌的抗菌效果優(yōu)于金黃色葡萄球菌。這可能與兩種細(xì)菌的細(xì)胞壁厚度有關(guān)，革蘭氏陽性菌的肽聚糖網(wǎng)層次較多且交聯(lián)致密，革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁更容易被納米氧化鋅顆粒穿透，達(dá)到殺死細(xì)菌的效果[26]。

表6 EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠的抑菌圈數(shù)據(jù)Table 6 Inhibition zones of EG11, EG11-SA and EG11-SA/Ca aerogels

2.9 UV照射后的抑菌動(dòng)力學(xué)

圖8 UV輻射對(duì)Z2-EG11-SA/Ca氣凝膠抑菌動(dòng)力學(xué)的影響Fig.8 Effect of UV radiation on the antibacterial activity ofZ2-EG11-SA/Ca aerogel

如圖8A所示，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長曲線可以分為3 個(gè)階段：分別為遲滯階段、指數(shù)生長階段、穩(wěn)定階段。通過圖8B可以看出，陰性對(duì)照組氣凝膠幾乎沒有任何抑菌能力，但是Z2-EG11-SA/Ca氣凝膠在指數(shù)生長階段有連續(xù)抑制作用。相比于避光處理組，經(jīng)UV照射的氣凝膠組也顯示出了更好的抑菌性能。對(duì)大腸桿菌的抑菌率最高達(dá)到63.85%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率最高達(dá)到50.88%。因此，UV照射能夠強(qiáng)化裝載納米氧化鋅氣凝膠的抑菌能力。Sirelkhatim等[27]認(rèn)為UV照射強(qiáng)化納米氧化鋅抑菌能力的機(jī)理是其促進(jìn)ROS的生成。Li Yang等[28]的研究也表明，氧化鋅經(jīng)UV照射后會(huì)生成3 種類型ROS，而且，ROS濃度越高，對(duì)大腸桿菌的抑菌能力則越強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以乙基纖維素、明膠為原料利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜，經(jīng)過冷凍干燥制備EG11氣凝膠，并成功利用海藻酸鈉、氯化鈣對(duì)氣凝膠進(jìn)行交聯(lián)，制備出EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠，同時(shí)選取EG11-SA/Ca氣凝膠裝載抑菌物質(zhì)納米氧化鋅測定其抑菌能力。EG11、EG11-SA、EG11-SA/Ca氣凝膠都具有高孔隙率與良好的隔熱性能。其中，明膠分子中的三維螺旋結(jié)構(gòu)部分解開，與海藻酸鈉形成了氫鍵，同時(shí)，海藻酸鈉的羧基與明膠的氨基存在靜電引力，使得兩者能夠相互交聯(lián)，形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，添加Ca2+與海藻酸鈉進(jìn)一步交聯(lián)，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在3 種氣凝膠中具有最佳的機(jī)械性能和水穩(wěn)定性。抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EG11-SA/Ca氣凝膠中的納米氧化鋅最佳添加量為2 g/100 mL，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有明顯的抑菌效果。不僅如此，UV照射還可顯著提高氣凝膠的抑菌性能。