可抑制微生物增殖的無毒抗菌纖維 沖洗后三天可降解，能將牛油果新鮮度延長百分之四十

有這樣一種材料，給牛油果涂上后，可大幅延長其新鮮度（40%）。需要除去材料時只需3 天就能降解。它的名字叫——無毒型抗菌纖維。

常會賓

相關論文的共同第一作者叫常會賓，他是華北電力大學校友，目前正在哈佛大學從事博后研究。

其表示：“我們開發了一種新型抗菌包裝方法——即可生物降解的無毒型抗菌纖維，能直接用于包裝食品。為實現這一點，我們使用水作為唯一溶劑、并使用普魯蘭糖作為纖維骨架。實驗證明，通過抑制微生物增殖和減少水分蒸發，可以來延長牛油果的保質期。實驗結果表明，利用纖維生產技術能制備出環保型抗菌食品包裝，其具備可擴展、低成本等優勢。”

這一成果，可用于任何需要抗菌的場景。目前，課題組主要研究食品的相關應用，此外還可用于皮膚以及其他生物領域的應用。在論文發表后，該團隊也正在探索大規模應用的可行性以及針對其他食物的保鮮性研究。

據介紹，普魯蘭糖是一種天然存在的細胞外多糖，被美國食品和藥物管理局批準用于食品添加劑和藥品包裝。在普魯蘭糖中加入抗菌劑之后，抗菌普魯蘭纖維可被用于對抗常見的食物病原體，比如大腸桿菌等細菌和真菌種群。

在本研究中，之所以把牛油果選為典型水果，是因為牛油果主要產于南美洲，但卻被銷往全世界，因此經常需要長時間運輸，故需要食品包裝來延長其新鮮度。

并且，它們容易在采摘后變質，這種變質主要包括不均勻的成熟和腐爛。因此，牛油果首先被用來測試“直接涂層食品包裝法”的可行性。

概括來說，食物浪費和食品安全激發了人們對改進食品包裝解決方案的需求。然而，當前用于解決這些問題的薄膜/涂層，通常涉及到需要大量活性成分的低效釋放動力學，因此存在一定局限性。

基于此，他們開發出基于抗菌普魯蘭纖維的包裝，該包裝是可生物降解的，能包裹食品基材，延長其使用時間并提高其安全性。

當使用名為“聚焦旋轉噴射紡絲”的抗菌普魯蘭纖維時，再以水為唯一溶劑，即可允許摻入天然衍生的抗微生物劑。以牛油果為例，課題組證明抗菌普魯蘭纖維涂層可通過抑制天然微生物群增殖、以及減少水分丟失，來延長食品保質期。

全球每年超42萬人因微生物污染去世

在全球范圍內，每年微生物污染導致超過6億例食源性疾病和42萬人死亡，且食源性疾病造成的經濟損失每年都在增加。可以抑制微生物增殖的智能包裝，比如活性抗菌食品包裝系統，有望同時減少食源性疾病和腐爛，并且減少相關的經濟損失。

盡管市場上已經出現有助于減少污染的智能抗菌薄膜/涂層，但由于其表面積比較小，通常會受到釋放量的限制，因此需要加入大量的活性成分。這樣不僅會增加成本，還會影響食品的顏色和氣味等。

與此同時鑒于塑料帶來的環境污染，在食品包裝上人們依然需要可生物降解的材料和環保型加工方法。所以，開發可持續的食品包裝材料，以用于提高食品安全和質量，是一個當務之急。

相比用于抗菌食品包裝系統的薄膜材料，纖維材料是富有吸引力的潛在替代品。首先，它們能更有效地釋放抗菌劑。當加入較小劑量的活性劑時，纖維材料能最大限度地減少對食品感官特性的負面影響。

塑料帶來的環境污染

當下，在用于食品包裝的微/納米纖維里，靜電紡絲是最流行的技術手段之一。然而，由于生產率低和對高壓電場的要求，靜電紡絲尚未在食品包裝中取得實際應用。

而相比食品包裝，此次抗菌包裝方法的設計非常巧妙。與靜電紡絲相比，聚焦旋轉噴射紡紗的效率更高、也更安全。研究中，該團隊使用旋轉噴射紡紗紡織、以及抗菌化合物普魯蘭纖維，來作為一個可生物降解的平臺。

一位審稿人評價稱，該成果的主要優勢在于纖維涂層的生產過程，即此前用于食品包裝的抗菌纖維涂層，主要通過靜電紡絲進行，而這并不利于大規模應用。

相比之下，通過旋轉噴射紡紗流程，則能造出相對便宜的裝置。最重要的是，在食品生產現場例如農場，這能最大限度地降低生產時間和污染風險。

常會賓擔任共同第一作者，哈佛大學環境衛生系教授菲利普·德莫克里圖以及該校約翰·A·保爾森工程與應用科學學院教授凱文·基特·帕克擔任共同通訊作者。

產率高達0.2g/min，具備大規模生產潛力

研究的第一階段，是紡絲設備的選擇。課題組選擇了如下兩種：靜電紡絲和聚焦旋轉噴射紡絲。在靜電紡絲的使用上，該團隊曾專門發過一篇關于智能食品包裝的論文。

但是，靜電紡絲的缺點比較明顯，產率非常低、且不能直接用于包裝食物。故在此次工作中，他們采用了聚焦旋轉噴射紡絲。

這種新型紡絲設備包含兩個部分：一是“旋轉噴射”：通過旋轉產生的離心力可以噴射出聚合物溶液。離開噴口后，溶劑蒸發，聚合物就固化形成纖維。另一個則是“聚焦”：一股垂直于圓盤的聚焦氣流將纖維直接聚集在食品上。

利用這一技術，課題組打造出具有真實螺旋結構的心臟模型，并且可以格按照心臟中心肌纖維螺旋排列的角度，重建單個甚至是四個心室的復心臟結構。

另外，這項技術通過創新性設計，實現了一項重要突破：同時進行噴絲與紡織這兩個過程，而且兩個過程相對獨立，這能極大提升微納米尺度的紡紗效率。

與其他纖維生產方法、例如靜電紡絲大約0.01 g/分鐘的產率相比，使用旋轉噴射紡絲一步合成涂層的方法，顯而易見具備更高的產率，可達0.2g/分鐘。

此外，由于旋轉噴射紡紗是一種便攜式系統，并能避免使用高壓電場，因此它可直接用于食物生產現場，從而將抗菌包裝沉積到新鮮食品上。

另據悉，旋轉噴射紡紗所具備的便攜性，還可用于從農場到餐桌的其他各種關鍵控制點，從而實現對食品基質的包裝，進而提高食品安全和質量。

第二階段便是原材料的選擇。該團隊計劃鎖定能自然降解的材料、以及沒有毒性的溶劑。通過大量實驗和溶劑選擇，最終他們分別選擇了普魯蘭糖和水。其研究表明，普魯蘭纖維可在液體環境中溶解，并能在土壤環境中可生物降解。

目前，普魯蘭的市售價大約25美元～30美元一公斤，這讓它在食品包裝的商業用途上受到成本阻礙。而基于微/納米纖維的涂層具有高表面體積比，在僅使用有限的表面處理時，即可實現有效的抗菌活性。

這表明新鮮水果比如牛油果，可以使用廉價的抗菌纖維，包裝每個水果只需幾美分。如果考慮到大規模制造，還可進一步降低成本。

總的來說，在該方法的制造過程里，對環境的影響很小。同時，由于分別使用水作為溶劑、可生物降解的無毒型聚合物合成纖維、以及自然生產的抗菌劑。當將食品染料摻入聚合物溶液中，可以產生不同顏色的纖維涂層。

這表明，抗菌普魯蘭纖維不僅能攜帶抗菌劑，同時還能給消費者提供更好的視覺裝飾。而且，這種包裝很容易被去除，在水中沖洗大約20秒，就能讓纖維涂層完全溶解。此外，這類纖維涂層在土壤中也完全降解。

課題組還在土壤中測試了化學交聯的纖維涂層，與純纖維涂層相比，它們具有較好的機械性能、以及相對較慢的降解速度。

在第三階段，則要證明纖維涂層在食品包裝上的可行性。研究者首先使用直接接觸實驗法，證明了該涂層的抗菌性。其次，使用牛油果作為樣品，證明了它的保鮮性。

另外，真菌腐敗通常被認為是一個更具挑戰性的難題，這也導致很少有人報告有效的抗真菌食品包裝系統，尤其是纖維形式的食品包裝系統。

而本次實驗結果顯示當面對細菌時，具有抗菌的普魯蘭纖維涂層不僅表現出很強的抗菌功效。此外，其還具有很強的抗真菌效率，在24小時接觸時間后，煙曲霉（發菌科曲菌屬下的一個種）的數量顯著減少。此外，這類纖維涂層還可減少運輸過程中的變質。

在第四階段，課題組研究了保鮮的機理研究。最終在眾多因素中，他們找到了兩個主要保鮮因素：抗菌性和保水性。隨后，他們把研究整理成論文進行發表。

據了解，常會賓來自河北邯鄲。本科畢業于華北電力大學材料科學與工程專業，大三開始進入實驗室接受科研訓練，期間主要研究利用熔鹽法去合成陶瓷粉體。

隨后，其在美國密蘇里大學機械與航空專業取得碩士學位，研究方向為羥基磷灰石纖維的合成以及在牙齒復合材料方面的應用。博士則畢業于佐治亞理工大學材料科學與工程專業，主攻方向為探索可再生材料在高性能碳纖維制造方面的應用。

目前，他在哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院從事博后研究，專注于開發新一代纖維紡織設備以及在心臟相關疾病、皮膚和食品上的應用。