黑 soldier 蝴（黑兵蝇）蛋白质的类淀粉样自组装行为及其在生物塑料领域的应用

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Amyloid-Like Self-Assembling of Black Soldier Fly Proteins and Development of Bioplastics

黑水虻蛋白在碱性环境中通过热处理形成Amyloid纤维，与聚乙烯醇（PVOH）及甘油复合制备的生物塑料薄膜，其机械性能和气体阻隔性达到传统包装材料水平，并具有可生物降解性。

　　近年来，随着对可持续材料需求的不断上升，人们对于可降解塑料的研究兴趣也日益浓厚。黑 soldier 飞虫（BSF）作为一种蛋白质来源，因其能够高效利用有机废弃物、快速发育以及对环境影响小而受到广泛关注。本研究展示了 BSF 蛋白质在碱性环境中可以形成类似淀粉样蛋白的聚集，最终生成可用于增强生物塑料薄膜的淀粉样纤维。通过 Thioflavin-T（ThT）荧光检测和十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）监测了纤维化过程。对薄膜的结构进行了透射电子显微镜（TEM）和一维/二维（1D/2D）X 射线衍射（XRD）分析。这些生物塑料薄膜由纤维化后的 BSF 蛋白质与聚乙烯醇（PVOH）和甘油混合制成，展现出与传统石油基和生物基塑料相似的热焊接性、机械性能和气体阻隔性能，适用于包装领域。

在当前的技术背景下，BSF 被视为有机物质的生物转化剂，这使其蛋白质基材料不仅有助于缓解不可降解塑料堆积带来的环境压力，还为市政有机废弃物的高价值利用提供了实证支持。研究还强调了这些材料对循环经济目标的贡献，不会影响 BSF 在食品和饲料中的可用性。BSF 能够有效处理有机固体废弃物（OFMSW），仅需少量土地和新鲜水源。此外，一些研究已经表明，BSF 可以将 OFMSW 转化为有价值的生物大分子，如脂质、几丁质和蛋白质。从 1 公斤 OFMSW 中，可以获取约 50 克 BSF 蛋白质，其中包含约 6 克蛋白质、20 克脂质和 2 克几丁质。通过将 BSF 蛋白质与甘油简单混合，已经能够制造出具有良好机械性能的生物塑料薄膜。此外，BSF 蛋白质还被用于制造新型导电生物纳米复合材料，适用于绿色柔性电子领域。

尽管在 BSF 蛋白质的利用方面取得了重要进展，但仍有改进空间，特别是在机械、气体阻隔和热性能方面，以实现更广泛的应用。本研究旨在通过热处理在碱性环境中获得 BSF 蛋白质的淀粉样纤维。这种纤维化过程在文献中尚未见报道，因此成为研究的重点。BSF 蛋白质提取后，通过 SDS-PAGE 和纳米液相色谱-串联质谱（nLC-MS/MS）分析其特性。研究首先探讨了不同 pH 值对蛋白质溶解度的影响，发现 pH 为 12 时，溶解度最高，达到 85%。随后，通过热处理尝试纤维化，监测了纤维化过程，并通过 ThT 荧光检测和 SDS-PAGE 确认了纤维的形成。利用 TEM 和 XRD 分析了纤维的结构特性。

研究还分析了不同 pH 值下蛋白质的溶解度和溶液浊度。发现 pH 为 2 时，溶解度为 30%，而 pH 为 12 时，溶解度可高达 99%。同时，通过超声波处理，蛋白质的溶解度和分散性得到了进一步增强。超声波处理后，BSF 蛋白质在碱性环境中的平均粒径最小，为 10 nm，且 ζ 电位绝对值最大，为 -25 mV。相比之下，HCl 和 CH3COOH 处理后的蛋白质粒径分别为 18 nm 和 20 nm，且 ζ 电位为正。此外，碱性环境下的蛋白质溶液显示出更宽的粒径分布，而酸性环境下的溶液则表现出更窄的分布。

通过将纤维化后的 BSF 蛋白质与 PVOH 和甘油混合，并通过铸造法形成薄膜，获得了具有良好机械和气体阻隔性能的生物塑料。研究发现，当使用 50% 甘油时，薄膜的拉伸强度显著增加，而杨氏模量有所下降。这种机械性能的调整展示了通过调节 PVOH 和甘油比例来满足不同功能需求的可能性。此外，纤维化后的 BSF 蛋白质在薄膜中表现出良好的气体阻隔性能，其 O2 和 CO2 阻隔系数分别达到 0.0008 和 0.0017 cm3·μm·m?2·d?1·Pa?1，显著低于非纤维化薄膜。这些结果表明，BSF 蛋白质纤维可以作为一种有效的增强材料，提高生物塑料的性能。

研究还通过与现有材料的对比，评估了 BSF 基薄膜的性能。其机械性能介于传统石油基和生物基材料之间，显示出与聚乙烯（PE）、聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHAs）相似的特性。在气体阻隔性能方面，BSF 基薄膜表现出与聚偏二氯乙烯（PVDC）和环氧乙烷（EVOH）相当的 O2 阻隔能力，同时在水蒸气渗透性方面优于其他蛋白基生物塑料。这些结果表明，BSF 基薄膜在包装和医疗领域具有应用潜力，特别是在需要短保质期和完全可降解材料的场景中。

实验部分详细描述了材料的制备和表征方法。BSF 蛋白质通过模拟 OFMSW 的培养基提取，并通过不同 pH 值的水溶液进行溶解。蛋白质的溶度和粒径通过动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）测定，而纤维化过程则通过 ThT 荧光检测和 SDS-PAGE 进行监测。薄膜的制备采用铸造法，结合 PVOH 和甘油，以改善其机械性能和热加工性。通过 XRD 和 ATR-FTIR 分析了薄膜的分子排列和二级结构变化，进一步确认了淀粉样纤维的形成及其对材料性能的影响。

研究还进行了气体渗透性测试，评估了薄膜的阻隔性能。结果显示，BSF 基薄膜在 O2 和 CO2 阻隔方面表现出优异的性能，符合包装材料的要求。此外，通过 SEM 分析观察了薄膜的微观结构，确认其均匀性和连续性。这些结果表明，BSF 基生物塑料在性能上具有竞争力，同时具备可降解性和环境友好性。

总之，本研究首次成功制备了从 BSF 蛋白质中获得的淀粉样纤维，并将其用于制造高性能的生物塑料薄膜。这些材料不仅具备与传统塑料相似的性能，还为可持续材料的发展提供了新的方向。通过合理调控纤维化和复合材料的配方，可以进一步优化其性能，以满足不同应用需求。研究结果为未来开发新型功能材料和推动循环经济提供了重要基础。