乳清蛋白蠕虫状聚集体的成膜特性研究：不同预处理方式对薄膜结构与力学性能的影响

《Food Structure》：Whey protein aggregates affect cast film appearance and mechanical properties – Part II: Comparison of differently pre-treated wormlike aggregates

本研究针对乳清蛋白分离物(WPI)在不同预处理条件下形成蠕虫状聚集体(wormlike aggregates)的成膜性能展开系统研究。通过对比温度诱导(pH 3.5, 90°C)和乙醇诱导(pH 2, 30°C)两种预处理方式，发现乙醇诱导的聚集体虽然转化率较低，但因其更高的粘度和润湿性，在成膜过程中表现出更优的均匀性。研究首次揭示了蠕虫状聚集体形态特征与薄膜裂纹模式之间的内在关联，为开发低能耗可食用涂层提供了重要理论依据。

　　

在追求可持续发展的今天，食品工业正积极探索利用副产物开发环保材料的新途径。乳清蛋白作为奶酪生产的副产品，因其优异的成膜性而备受关注。然而，传统的乳清蛋白薄膜存在力学性能不足、易开裂等问题，限制了其实际应用。更为关键的是，目前对蛋白质高级结构（如淀粉样聚集体）如何影响薄膜性能的认识仍十分有限。

在这项发表于《Food Structure》的研究中，Therese Ruhmlieb等科学家深入探讨了两种不同预处理方式（温度诱导和乙醇诱导）形成的蠕虫状聚集体对乳清蛋白薄膜性能的影响。研究团队通过系统的表征手段，揭示了聚集体结构特征与薄膜宏观性能之间的内在联系，为设计高性能可食用涂层提供了新的思路。

研究采用的关键技术包括：原子力显微镜(AFM)用于观察聚集体形貌和薄膜表面结构；傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析蛋白质二级结构；硫黄素T(ThT)荧光检测淀粉样结构特征；纳米压痕技术定量薄膜力学性能；扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜微观结构；粉末X射线衍射(PXRD)分析薄膜结晶特性。

研究结果与讨论：

蛋白质聚集体的表征

通过AFM观察证实，两种预处理条件均成功形成了蠕虫状聚集体。温度诱导的聚集体转化率(70%)显著高于乙醇诱导的聚集体(24.5%)。FT-IR分析显示，乙醇诱导的聚集体保留了更多的天然α-螺旋和分子内β-折叠结构，这可能影响其稳定性。ThT荧光强度测定进一步验证了淀粉样结构的形成程度。

溶液性质对成膜过程的影响

研究发现，含乙醇的溶液具有更高的粘度和更好的润湿性，这直接影响干燥过程中的对流行为和薄膜均匀性。乙醇的存在使溶液在聚苯乙烯基底上的接触角降低约50%，表明其铺展能力显著增强。这些物理性质的差异最终影响了薄膜的厚度和表面粗糙度。

薄膜力学性能分析

纳米压痕测试结果显示，虽然两种蠕虫状聚集体薄膜的力学性能相似，但乙醇诱导的薄膜表现出稍高的硬度和弹性模量。值得注意的是，纯淀粉样组分(AF)薄膜的机械强度优于混合组分(FB)薄膜，表明聚集体间的相互作用对薄膜力学性能有重要影响。

薄膜形貌与结构特征

SEM和AFM观察发现，含有蠕虫状聚集体的薄膜表面更加光滑均匀。与未处理的球形蛋白相比，蠕虫状聚集体有效减少了表面粗糙度。PXRD分析表明，所有薄膜均呈现无定形结构特征，未检测到明显的交叉β构象特征。

干燥裂纹模式分析

研究观察到有趣的基材依赖性裂纹现象：在玻璃基底上出现螺旋状裂纹，而在塑料基底上则形成锯齿状裂纹。这种差异归因于基底硬度不同导致的应力释放方式差异。特别值得注意的是，裂纹形态与聚集体形态存在明显对应关系，表明介观结构在宏观裂纹形成中起决定性作用。

研究结论与意义：

本研究首次系统比较了不同预处理条件下蠕虫状聚集体对乳清蛋白薄膜性能的影响。研究发现，虽然温度诱导的聚集体具有更高的转化率，但乙醇诱导的聚集体因溶剂效应而展现出更好的成膜性能。乙醇的存在不仅提高了溶液粘度，减少了对流不均匀性，还通过其塑化作用改善了薄膜的应力分布。

更重要的是，研究揭示了蛋白质聚集体的形态特征与薄膜宏观性能之间的内在联系。蠕虫状聚集体的弯曲形态直接反映在干燥裂纹的锯齿状特征上，这种介观-宏观的对应关系为理解蛋白质薄膜的形成机制提供了新的视角。与传统的直链淀粉样纤维相比，蠕虫状聚集体虽然力学性能稍逊，但其形成条件更温和，能耗更低，在食品工业中具有更好的应用前景。

该研究为开发新型可食用涂层材料提供了重要的理论基础，特别是在降低加工能耗、提高薄膜均匀性方面指明了新的方向。未来研究可进一步探索增塑剂的添加对蛋白质聚集网络的影响，以期获得综合性能更优的可食用薄膜材料。