花生分离蛋白-聚乳酸共混溶液性质及静电纺丝纳米纤维形貌的研究

姚 飞，陈复生

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

相较于传统纺丝方法，静电纺丝技术能够制备出连续的直径为微米级甚至纳米级的纤维，近年来日益受到关注。静电纺丝主要原理是通过施加电压的喷嘴使聚合物溶液表面带有分布均匀的电荷[1]，当电场强度足以克服聚合物溶液的表面张力时，就会形成射流向反电极方向移动。在液体射流运动期间，溶剂蒸发，有固体纤维以无规则取向的非织造垫的形式沉淀在电极上[2-4]。静电纺丝技术最主要的优点是操作简便、成本低廉，同时还可以控制纤维直径、表面积、高宽比等，此外，在纺丝液里加入各类功能活性物质，可以在多个领域发挥作用[5]。传统上通常利用合成聚合物进行纺丝，随着环境与资源的压力日益加大，越来越多的研究集中于天然聚合物的纺丝。由于天然聚合物具有可再生和可持续的特性，从这些来源获得的纤维同时具有生物相容性和生物降解性，这使得诸如多糖和蛋白质之类的天然聚合物成为静电纺丝的理想材料[6]。在食品工业中，天然聚合物纤维不仅可作为活性包装材料，实现抗菌、抗氧化等功能，还可以作为保健品或药物的包衣材料，应用于胃肠道的控制释放[7]。

以蛋白质[8]和多糖[9]等天然聚合物作为原料，通过静电纺丝技术制备的纳米纤维不仅具有纳米纤维的各种性能优势，还有良好的安全性和降解性。花生分离蛋白是重要的天然蛋白，来源十分丰富，且可加工性、生物降解性以及生物相容性等性能都非常好，可以用作静电纺丝的蛋白原料。静电纺丝技术在玉米醇溶蛋白[10]、大豆蛋白[11]、胶原蛋白[12]、乳清蛋白[13-14]等中的应用研究较多，然而关于花生分离蛋白(PPI)的静电纺丝纳米纤维的研究尚少。由于蛋白质复杂的二级和三级结构，直接用蛋白进行静电纺丝比较困难[15]，而且所得纳米纤维的机械强度比较差，难以实际应用，常将蛋白质与一些有机聚合物混合进行静电纺丝。因此，本研究旨在以花生分离蛋白为原料，采用静电纺丝方法制备纳米纤维，为其在食品包装、空气过滤、创伤敷料、组织工程等领域的潜在应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

花生：正阳县三农种业有限公司；聚乳酸：医疗级，Mw=100 000，济南岱罡生物科技有限公司；石油醚：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；六氟异丙醇(HFIP):上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

分析天平(BS210S)：德国Sartorius公司；全自动液压榨油机(6YZ-180):巩义市天元机械有限公司；恒温数显磁力搅拌水浴锅(FJS-6):常州市顶新实验仪器公司；冷冻干燥机(LGJ-25C):四环福瑞科仪科技发展(北京)有限公司；表面张力计(DCAT21):德国Dataphysics公司；数显电导率仪(DSS-11 A):上海晶磁仪器有限公司；哈克流变仪(DHR-1):美国TA仪器公司；场发射扫描电子显微镜(JSM-7800F):日本JSM公司；静电纺丝机(DF02):佛山轻子精密测控技术有限公司。

1.3 方法

1.3.1 花生分离蛋白的提取

利用液压榨油机将花生在室温、55 MPa的压力下压榨65 min，获得冷榨花生饼；花生饼粉碎后经石油醚脱除残余油脂，过80目筛得脱脂花生粉(DPF)。参考矫丽媛等[16]的方法并稍做调整。将DPF与蒸馏水以1∶10(g/mL)的料液比均匀混合，用1 mol/L的NaOH溶液调节pH至9.0，在50 ℃下搅拌100 min后，于4 000g转速下离心20 min，取上清液，再利用1 mol/L的HCl溶液调节上清液pH至花生蛋白等电点，搅拌30 min，于4 000g转速下离心20 min，下层沉淀水洗至中性，冷冻干燥后得PPI。

1.3.2 纺丝共混溶液的制备

用天平称取适量的花生分离蛋白(PPI)和聚乳酸(PLLA)，按照质量比1∶1混合，以六氟异丙醇为溶剂，配制质量浓度为0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 g/mL的纺丝溶液，45 ℃下水浴，搅拌12 h，得到PPI-PLLA共混溶液。

1.3.3 电导率和表面张力测定

在室温下，采用数显电导率仪(电极常数1.0)，用蒸馏水先将电导率仪进行校准，然后将电极插入待测溶液，待稳定后读取数值即为溶液电导率。采用Wilhelmy平板法，用表面张力计测定溶液表面张力。

1.3.4 黏度的测定

采用哈克流变仪测定在25 ℃下黏度随剪切速率的变化。选择平行板间距0.2 mm,直径为25 mm的平行板测试系统，剪切速率为0.1～1 000 s-1。

1.3.5 静电纺丝

将配制好的PPI-PLLA共混溶液倒入10 mL注射器中，之后在注射泵上安装好注射器，进行高压电源和针头的连接，适当地调整接收滚筒与针头间距。相关的测试参数包括: 纺丝速度0.6 mL/h，电压16 kV，针尖与接收滚筒间距12 cm，环境的湿度45%～50%，纺丝温度25 ℃。最后将收集到的纤维膜置于常温干燥箱中干燥备用。

1.3.6 纳米纤维膜的形貌表征

通过扫描电子显微镜观察不同质量浓度的PPI-PLLA 纳米纤维膜的表面形貌特征。每幅图像的最大施加电压为5 kV，放大倍数3 000。选用Image Plus Pro 6作为SEM图像的分析软件。

1.4 数据处理

试验结果采用3次平行试验的平均值±标准差表示。同时使用SPSS 20数据处理软件进行统计分析，P≤0.05表示差异显著，用Origin 8.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 PPI-PLLA共混溶液质量浓度对电导率、表面张力的影响

在静电纺丝条件一定的情况下，根据表1可知，随着PPI-PLLA共混溶液质量浓度的升高，表面张力在16.81～18.31 mN/m之间，无明显变化，这是因为溶液表面张力只与溶剂组成有关[17-20]。随着PPI-PLLA共混溶液质量浓度升高，溶液电导率降低。这主要是由于蛋白质中氨基酸上的氨基带有正电，在提高溶液的质量浓度后会降低蛋白质展开程度。此外，聚乳酸质量浓度增加，聚乳酸与蛋白之间的相互作用导致蛋白本身的聚电解质特性降低。研究表明，提高聚乳酸的质量浓度会增加溶液黏度，电导率减小，溶液具有更好的可纺性，从而获得缺陷少甚至无缺陷的纤维产物[21-23]。

表1 PPI-PLLA共混溶液质量浓度对电导率、表面张力的影响

2.2 PPI-PLLA共混溶液质量浓度对黏度的影响

图1是质量浓度为0.06～0.14 g/mL的PPI-PLLA共混溶液的黏度随剪切速率的变化。根据图1可知，随着PPI-PLLA共混溶液质量浓度的增加，溶液的表观黏度增高，当质量浓度为0.06 g/mL时，溶液的表观黏度最小；质量浓度为0.14 g/mL时，溶液表观黏度最大。PPI-PLLA共混溶液的黏度随着剪切速率的增大明显下降，可以观察到溶液出现明显的剪切变稀现象，呈现较为典型的非牛顿流体特征。这主要是因为PLLA大分子中存在着比较多的缠结点，当提高剪切速率之后，对于分子间的缠结点而言，其破坏速率将会超过它的重建速率，从而降低了剪切黏度。

图1 不同质量浓度的PPI-PLLA共混溶液黏度-剪切速率对数曲线

2.3 PPI-PLLA共混溶液质量浓度对静电纺丝纳米纤维形貌结构的影响

由图2可知，PPI-PLLA共混溶液除了质量浓度为0.06、0.08 g/mL时，纤维牵伸不完全，成纤维能力差，存在串珠、纤维间发生粘连，其他质量浓度的成纤性能较好,纤维具有较为光滑的外表面，不存在串珠，具有较好的牵伸效果。5种不同质量浓度PPI-PLLA共混溶液制得的纳米纤维的平均直径和变异系数如表2所示。

从表2可以看出，随着PPI-PLLA共混溶液质量浓度的增加，纳米纤维的平均直径逐渐增加。共混溶液除了质量浓度为0.06、0.08 g/mL时，所制备的纳米纤维会发生明显的粘连现象，分布均匀性较低，而用其他质量浓度的共混溶液来进行静电纺丝，获得的纤维具有较为均匀的直径。对于静电纺丝技术而言，共混溶液质量浓度是非常重要的一个影响因素。共混溶液的质量浓度越大，其表观黏度将会越高(如图1所示)，所得纳米纤维的直径及形貌都会受到溶液黏度的显著影响。共混溶液质量浓度不超过其临界值，则其中的分子链将无法发生有效缠结[24]，导致溶液纺丝困难；当超过该临界缠结质量浓度之后，分子链间才能够紧密地缠结，通过静电作用得到泰勒锥，最终制得连续性较高的纤维[25]。随着共混溶液质量浓度的提高，其中的高分子链将会发生显著的缠结，相应地提升了溶液黏度，同时减少了串珠结构，在不同的纤维间没有粘连现象发生，相同流量下溶液的溶质也变多，纳米纤维平均直径逐渐增大。另外，随着共混溶液质量浓度的增加，溶剂含量减少，在纺丝过程中喷射流的挥发量减小，这也是纤维直径较大的原因[26]。当PPI-PLLA共混溶液的质量浓度在0.10～0.14 g/mL之间，可纺性较好。而在较低质量浓度下纤维直径较小，然而，当共混溶液质量浓度进一步降低时，微球开始出现在纺丝膜中，直到它们成为微球为止[27]。

图2 不同质量浓度PPI-PLLA共混溶液静电纺丝纳米纤维SEM图

表2 不同质量浓度PPI-PLLA共混溶液制备的纳米纤维平均直径及变异系数

3 结论

通过静电纺丝技术成功地制备了PPI-PLLA纳米纤维，分析了共混溶液的表观黏度、电导率以及表面张力等溶液性质以及纤维微观结构。结果表明，溶液黏度增加和电导率降低，有助于形成形貌良好且直径均匀的纳米纤维。共混溶液质量浓度在纤维形成条件中起关键作用。在一定范围内，当PPI-PLLA共混溶液质量浓度小于0.10 g/mL时，溶液可纺性较差。大于0.10 g/mL时，纤维直径会随着PPI-PLLA共混溶液质量浓度的增加而增大，从而确定最佳纺丝溶液的质量浓度为0.10 g/mL。用此质量浓度制备的纳米纤维具有光滑的表面和分布均匀的直径，有利于提高整个纳米纤维的比表面积、孔隙率。本研究为纳米纤维在食品包装、空气过滤、创伤敷料、组织工程等领域的潜在应用价值和前景奠定了理论基础。