静电纺丝技术在食品过滤中应用

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[摘要]静电纺丝技术制备的纳米纤维，因具有纤维细、比表面积大、机械强度好、孔隙率高、低密度和易功能化等特点，而在过滤领域倍受关注。本文介绍了静电纺丝纳米纤维膜的制备原理和过程，以及其在食品过滤领域的应用。

[关键词]静电纺丝；食品；过滤；应用

随着科技的不断发展，人们的视线正在从宏观转入微观。在当今的纳米技术世界中，纳米纤维结构具有特殊的功能，例如机械强度和较大的表面积，这使其在许多应用中具有吸引力。在产生纳米纤维的所有技术中，静电纺丝是一种新兴且有效的技术[1]。静电纺丝技术制备出的纳米纤维具有均匀的孔径。除此之外，具有设备简单、成本低、工艺易于控制等优势。目前应用范围非常广泛，涉及过滤、光电、传感器、催化和医学等领域[2]。

1静电纺丝的原理和过程

静电纺丝涉及一种电动流体动力学过程，在此过程中，液滴被带电产生射流，然后进行拉伸和伸长以产生纤维。如图1所示，静电纺丝的基本设置非常简单，几乎每个实验室都可以使用[3]。主要组件包括高压电源，注射泵，喷丝板和导电收集器。电源可以是直流或交流。在静电纺丝过程中，由于表面张力，液体会从喷丝板中挤出而产生悬垂液滴。在带电时，相同表面电荷之间的静电排斥将液滴变形为泰勒锥，从中喷射出带电的射流。射流最初沿直线延伸，然后由于弯曲不稳定性而经历剧烈的鞭打运动。当射流被拉伸成更细的直径时，它会迅速凝固，导致固体纤维在接地的收集器上沉积。通常，静电纺丝过程可分为四个连续步骤：(1)液滴并形成泰勒锥或锥形射流；(2)带电射流沿直线延伸；(3)在电场的作用下使射流变薄，并且电弯曲不稳定性增加；(4)将射流固化并在收集器上收集固体纤维[4-6]。

2静电纺丝在食品过滤领域中的应用

多年来人们一直致力于液体过滤材料的研究与开发。膜技术因其处理水量大、能耗低等优点引起了学术界和工业界的浓厚兴趣。膜技术可以根据分离原理和膜特性分类，例如微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、正向渗透(FO)、压差渗透(PRO)、气体分离(GS)、全蒸发、膜蒸馏(MD)、膜生物反应器(MBR)等[7]。与其他过滤膜相比，静电纺纤维膜展现出独特的特性，如高比表面积，高孔隙率以及纳米纤维的高取向性或排列性。基于这些特性使它在环境保护、生物技术、医药等多领域具有广阔的前景[8-10]。下面主要简介静电纺丝在食品过滤领域中的应用。

2.1饮用水过滤。Li等[11]通过无针熔融静电纺丝技术制备了有取向性的聚丙烯纤维膜，实验结果表明：有取向性的聚丙烯纤维膜的平均孔径要比杂乱无序的膜小很多，分别是18.96μm和27.29μm。取向性的聚丙烯纤维膜对水中0.5μm的粒子有很高的过滤效率，且过滤后膜通量几乎与过滤前一样，没有明显变化。Selvam等[12]用聚丙烯腈和银离子通过电纺制备膜材料，考察了基底面密度、电纺时间、银离子浓度等因素的影响，最终制备的膜材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有很高的过滤效率，可达到99%。Li等[13]结合溶液电纺和熔融电纺技术制备了聚乙烯醇/聚丙烯复合膜，其对500nm粒子的拦截率可达到96%，且在24000Pa的压力下仍能保持32346L/m2h的高通量，可用于设计同时具有通量和高拦截率的新颖微滤膜。典型的电纺聚合物膜表现出较差的机械性能，这是压力驱动的水过滤所不希望的。Namsaeng等[14]合成了聚丙烯腈-聚氯乙烯(PAN-PVC)电纺膜，并用纤维碳纳米管(MWCNT)加固。PAN-PVC膜的拉伸强度和杨氏模量分别提高了127%和175%，而1wt%的MWCNT进一步将上述指标提高至205%和314%。经修改后的Halpin-Tsai模型预测，处理后复合材料的模量达到了四倍以上。在整个10个测试过滤周期中，其高颗粒(25nm~5μm)的高过滤效率(近100%)和良好的防污性能(通量回收率＞93%)。

2.2果汁澄清。静电纺丝纤维膜在食品工业中的一个主要应用是对果汁进行过滤澄清，果汁饮料中含有许多悬浮固体物和能引起果汁变质的细菌、果胶、以及粗蛋白，为增加果汁口感，延长储存时间，有必要对果汁进行澄清。传统澄清方法如明胶单宁法、冷冻法、酶处理法、加热凝聚澄清法等，过程复杂，不易操作，且得率低。而静电纺纤维膜材料应用于果汁过滤可使果汁保存原有风味，不会发生相变，同时快速、经济。Fuenmayor等[15]用尼龙-6材料制备了电纺纤维膜来过滤澄清苹果汁，制备出的纤维膜与商业用的聚酰胺膜相比，显示了良好的机械强度、低密度、高孔隙率，研究人员分别在不同压力、不同膜厚度时，考察过滤的物化特性，如色度、浊度、酸度、抗氧化能力、酚类、有机酸、糖等，结果表明尼龙-6纤维膜相比于商业聚酰胺膜，有更显著的去除浊度、色度、苦味酚类物质的能力，同时还能保持果汁的抗氧化能力，此外，该膜能选择性吸附不溶解的聚合酚物质，如单宁，吸附率随着压力升高而增高。Veleirinho等[16]用乙烯对苯二酸酯制备了机械强度好，处理简单的电纺纤维膜，将该膜对于苹果汁澄清，并与传统的澄清技术进行了对比。结果显示：通过电纺纤维膜澄清的果汁与通过超滤或传统澄清方法制备的果汁相比，过滤过程只需6分钟，且不需要添加任何澄清剂，显示出更好的理化性质：膜通量更高、速度更快、简单、经济。电纺纤维膜为食品工业的果汁澄清引入了新的方法。

3展望

纳米技术在水处理中的应用正在全世界范围内获得巨大发展。纳米材料的奇异特性及其与当前技术的结合为水处理的革新带来了巨大的未来。静电纺丝纳米纤维过滤材料有较高的比表面积、孔隙率和通透性，容易吸附微小粒子，可用作各种高性能过滤材料。目前在实验室测试阶段已显示出令人鼓舞的过滤结果。然而大规模商业化仍面临一些技术挑战，例如与现有基础设施的兼容性，环境和健康风险，聚合物随时间和成本的潜在降解。这些挑战似乎是暂时的，通过研究机构，政府和行业的协调，这些挑战将随着时间而克服。混合表面改性大分子会极大地改变静电纺丝纳米纤维的表面性质。可以进一步研究以制造具有极强疏水性或亲水性的膜。中空静电纺丝纳米纤维在过滤中的应用及其性能仍需测试。

作者:任聪 单位:河南牧业经济学院