玉米醇溶蛋白/聚偏氟乙烯（Zein/PVDF）电纺纳米纤维膜的构建与性能评价：作为食品包装功能性载体

《Foods》：Construction and Performance Evaluation of Zein/PVDF Electrospun Nanofiber Membranes as Functional Carriers for Food Packaging

　　

本研究旨在系统评价Zein/聚偏氟乙烯（PVDF）共混比对电纺纳米纤维膜成纤、结构与性能的影响，并进一步评估在优化基体中引入溴百里酚蓝（BTB）作为pH响应性功能组分用于智能食品包装的可行性。提高PVDF含量降低了纺丝液电导率但增加了黏度，所有配方均表现剪切变稀行为。纯Zein无法形成连续纤维，而PVDF的引入促进了均匀纤维网络的形成，平均纤维直径由113.02±27.06 nm增至530.68±113.33 nm。傅里叶变换红外光谱（FTIR）与热重分析/微分热重分析（TGA/DTG）确认了Zein与PVDF共存及随PVDF增加热稳定性提升。表面疏水性与耐水性随PVDF含量增加而增强，而水蒸气透过率（WVP）与水溶性（WS）随Zein比例增加而升高。综合可纺性、形貌、力学行为、阻隔性能与水稳定性，Zein/PVDF=5:5配方性能较均衡，选作功能载体基体。将该基体掺入BTB后产生明显pH响应变色，色差（ΔE）与虾贮藏期pH呈强相关（R2=0.997），证明优化膜作为新鲜度响应功能载体的可行性。

研究背景与目的

随着可持续材料受关注，蛋白质因可得性、生物相容性与可降解性成为电纺（electrospinning）重要原料，但蛋白基纳米纤维常存在分子链缠结不足、力学性能弱、水环境稳定性差等限制。玉米醇溶蛋白（Zein）虽成膜性好，但单独成纤困难；聚偏氟乙烯（PVDF）具半结晶、疏水、热化学稳定及良好可纺性，可互补Zein缺陷。然而Zein/PVDF配比对溶液行为、纤维形成及包装相关性能的系统构效关系尚不清楚。研究人员在《Foods》发表该研究，于相同工艺下制备不同质量比（10:0、7:3、5:5、3:7、0:10）Zein/PVDF电纺膜（总聚合物浓度15% w/v，DMF/丙酮3:2 v/v，45℃磁搅），系统评价溶液性质、流变、形貌、结构、热稳、润湿、水通量、水溶与力学，选出5:5为平衡载体，再掺溴百里酚蓝（BTB）作pH指示剂，验证对虾贮藏新鲜度监测可行性。

主要技术方法

研究人员采用电纺技术制膜；以表面张力仪与电导仪测溶液性质，平行板流变仪测表观黏度（0.1–1000 s^?1）；SEM观察形貌并用Image-Pro Plus算纤维直径；FTIR-ATR与XRD析化学组成与晶态；TGA/DTG评热稳；接触角仪测润湿，杯法测WVP，重力法测WS；万能试验机测拉伸强度与断裂伸长；将BTB共溶于纺丝液制指示膜，浸PBS（pH5–12）看变色与UV–vis谱，另设25℃虾贮藏队列（约10 g/容器，三复孔，0–48 h）以色差计测Lab*算ΔE，关联虾肉pH。

研究结果

3.1.1 溶液性质分析：PVDF比增使电导率由430±0.70 μS/cm降至8.95±0.03 μS/cm，表面张力37.59–39.58 mN/m无显著差异；黏度随PVDF增而升，全配方剪切变稀。高PVDF提供链缠结与射流稳定，高Zein易珠状不连续。

3.1.2 形貌与纤维直径：纯Zein（10:0）无连续纤维，呈颗粒聚集；掺PVDF后纤维网络连续、珠缺陷减少；平均直径113.02±27.06 nm（7:3）→530.68±113.33 nm（纯PVDF），黏度升与电导率降共同致直径增大。

3.1.3 FTIR与XRD：FTIR中Zein酰胺I（~1653 cm^?1）、II（~1540 cm^?1）与PVDF的–CH₂–/–CF₂–及C–F带（1395、1178、1070、877、842 cm^?1）共存，无新键，属物理共混；XRD中Zein宽漫散峰（~22.5°）与PVDF尖晶峰共存，PVDF比增晶峰增强、Zein非晶背景减弱。

3.1.4 热稳定性：纯Zein 250–380℃降解，纯PVDF 450–520℃锐峰；复合膜主失重300–520℃，Zein段向高温微移、PVDF段主导随其比增，中高温热稳提升。

3.1.5 润湿、WVP与WS：接触角63.5°（10:0）→130°（纯PVDF），疏水性随PVDF增；WVP与WS随Zein增，因Zein含–OH/–NH/酰胺亲水基团促吸水汽。

3.1.6 力学性能：强度随PVDF增由~13 MPa（7:3）降至~5 MPa（纯PVDF），断裂伸长42%→100%；5:5与3:7居中（~12、~11 MPa，43%、48%），呈强度—延性权衡，小径Zein富膜网络密、强度高，PVDF富链动性大、延性高。

3.1.7 BTB指示膜pH响应与虾鲜度：BTB/Zein/PVDF（5:5）膜在pH5–12由黄→绿→蓝绿→蓝，618 nm吸收增；25℃虾藏0–48 h肉pH 6.4→8.0，膜色由黄绿变蓝，ΔE渐增，ΔE=33.16X?214.08（R²=0.997），与虾pH强线性关。

讨论与结论翻译

讨论指出，Zein/PVDF比通过溶液导电—黏弹—射流稳定链调控纤维形貌，PVDF补Zein成纤与水稳短板，5:5在可纺/形貌/力学/阻隔/水稳间最均衡；BTB留酸碱响应，膜色差可量化虾腐败释胺引起的微区pH升。结论：研究确立Zein/PVDF电纺膜“组成—溶液—纤维—结构—性能”关系，PVDF增则电导降、黏升、纤维连续且粗、疏水耐热强，Zein增则水汽通量溶水率高、强度高延性低；5:5为最优载体，掺BTB后ΔE与虾pH强相关（R²=0.997），证明该优化膜作为鲜度响应食品包装功能载体可行。