静电纺丝明胶/κ-卡拉胶纳米纤维封装槲皮素环糊精纳米海绵的构建及其在抗菌抗氧化活性食品包装中的应用研究

本研究针对槲皮素（Que）水溶性差、稳定性低等问题，通过将Que封装于环糊精纳米海绵（NSP）并融入明胶/κ-卡拉胶（Ge-Kar）电纺纳米纤维，开发出一种新型活性包装材料。研究证实，该材料具有增强的力学性能（拉伸强度达8.12 MPa）、优异的热稳定性、显著抗氧化活性（ABTS清除率62%）和广谱抗菌性，可为食品保鲜提供高效、可生物降解的包装解决方案。

　　

随着消费者对食品安全、保鲜效果和环境可持续性要求的提高，开发新型活性包装材料已成为食品科学领域的重要研究方向。天然多酚类化合物槲皮素（Quercetin）因其卓越的抗氧化和抗菌性能受到广泛关注，但其在实际应用中面临水溶性差、易降解和生物利用度低等问题。为解决这些瓶颈，研究人员尝试通过纳米封装技术和生物可降解材料结合，构建能够控制释放活性成分的智能包装系统。

在此背景下，来自伊拉克Mustansiriyah大学的研究团队在《LWT》期刊上发表了一项创新性研究，他们成功将槲皮素封装于环糊精纳米海绵（Cyclodextrin Nanosponges, NSP）中，并将其整合到明胶（Gelatin, Ge）/κ-卡拉胶（kappa-carrageenan, Kar）静电纺丝纳米纤维中，开发出一种兼具抗菌、抗氧化功能和优良机械性能的生物可降解包装材料。

为开展本研究，作者团队主要采用了以下关键技术方法：首先通过化学交联法制备β-环糊精纳米海绵，并优化槲皮素的封装工艺；利用静电纺丝技术构建不同配比的Ge-Kar纳米纤维基底；通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）等对材料进行系统表征；采用DPPH和ABTS法评价抗氧化活性；通过琼脂扩散法测定对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌性能；最后利用MTT法评估材料的人脐静脉内皮细胞（HUVEC）相容性。

研究结果显示，随着NSP添加量的增加（5、10、15 g/100 g），纳米纤维的形态和性能发生显著变化：

3.1. 纳米纤维形态与溶液性质表征

SEM分析显示，随着NSP含量的增加，纤维直径从182.2±53.5 nm（纯Ge-Kar）减小到95.4±26.4 nm（Ge-Kar/NSP 15 g/100 g）。溶液电导率下降而表面张力升高，表明NSP的加入改善了纤维的形成性和均匀性。

3.2. 化学结构分析

FTIR光谱证实了Que成功封装入NSP中，主要表现为O-H和C=O伸缩峰的位移以及C-O-C峰强度增加，表明Que与环糊精骨架之间形成了氢键和宿主-客体相互作用。

3.3. 亲水性特性表征

NSP的加入显著降低了材料的吸湿性（从47%降至34%）、水蒸气透过率（从450 g/m2·24h降至330 g/m2·24h）和水溶性（从60%降至45%），表明疏水性的NSP空洞有效阻碍了水分渗透，提升了屏障性能。

3.4. 热稳定性评估

TGA显示，NSP的引入提高了材料的热稳定性。Ge-Kar/NSP 15 g/100 g样品在250–400°C的主要分解阶段重量损失最低（61.48%），残余重量最高（17.56%），说明NSP起到了热屏障作用。

3.5. 光学性能

UV-Vis测试表明，所有样品均具有良好的紫外屏蔽功能。随着NSP含量增加，材料亮度（L值）降低，红度（a值）和黄度（b*值）增加，这与Que的颜色特性及其在基质中的均匀分布有关。

3.6. 力学性能

机械性能测试表明，NSP的加入显著提升了纳米纤维的拉伸强度和模量。Ge-Kar/NSP 15 g/100 g的拉伸强度达到8.12±0.22 MPa，模量达到279±33.2 MPa，相比未添加NSP的样品有显著提高。

3.7. 孔隙率

孔隙率随NSP含量增加而降低，从80%（无NSP）降至65%（15 g/100 g NSP），说明NSP颗粒填充了纤维间的空隙，形成更致密的网络结构。

3.8. 细胞活性评估

MTT实验显示，所有样品在72小时内均保持高细胞活性（接近100%），表明Ge-Kar/NSP纳米纤维具有良好的生物相容性，无细胞毒性。

3.9. 释放性能

Que的释放呈现双相特征：前6小时快速释放（爆发释放），随后至24小时进入缓慢持续释放阶段。Ge-Kar/NSP 15 g/100 g样品的累计释放量最高（64%），表明高NSP负载可实现更持久的功能性释放。

3.10. 抗氧化活性

抗氧化测试表明，NSP的加入显著提升了材料的自由基清除能力。Ge-Kar/NSP 15 g/100 g样品在DPPH和ABTS实验中的清除率分别达到55%和62%，显著高于未添加NSP的对照组。

3.11. 抗菌性能

抗菌实验显示，NSP的加入使纳米纤维对E. coli和S. aureus均产生明显的抑菌圈，且抑菌效果随NSP含量增加而增强，其中对S. aureus（革兰氏阳性菌）的效果略优于E. coli（革兰氏阴性菌）。

综上所述，该研究通过将槲皮素封装于环糊精纳米海绵并嵌入Ge-Kar电纺纳米纤维，成功开发出一种多功能活性包装材料。该材料不仅具备优异的力学性能、热稳定性和屏障特性，还表现出显著的抗氧化、抗菌活性和良好的生物相容性。这种新型纳米纤维包装材料在延长食品保质期、减少合成防腐剂使用以及促进环境可持续方面具有重要应用潜力，为未来开发高效、绿色、多功能的食品包装系统提供了新思路和技术依据。