纤维素辅助自组装构建丝素蛋白纳米纤维增强明胶复合膜及其在食品包装中的应用研究

为解决传统蛋白基可食用膜机械性能差、湿度敏感性高的问题，韩国农业科学研究院团队通过纤维素模板法诱导丝素蛋白(SF)自组装为β-折叠构象的纳米纤维(CFNF)，将其与明胶复合并通过果糖介导的美拉德反应交联，开发出兼具优异力学性能(拉伸强度17.68 MPa)、紫外阻隔和抗氧化活性的可降解包装材料，为替代石油基塑料提供了绿色解决方案。

　　

随着环保意识的提升，生物基可降解包装材料成为研究热点。然而，以明胶为代表的蛋白质基薄膜面临两大技术瓶颈：一是亲水性导致的湿度敏感性问题，遇水易溶解；二是机械强度不足，难以满足包装需求。传统化学交联剂如戊二醛存在生物相容性隐患，而物理交联方法效果有限。与此同时，蚕丝蛋白(SF)因其优异的力学性能和生物降解性备受关注，但常规纳米纤维制备工艺涉及有毒溶剂且难以控制自组装过程。如何通过绿色方法构建兼具高强度和耐水性的蛋白基复合材料，成为突破技术壁垒的关键。

韩国农业科学研究院的研究人员创新性地利用纤维素在溴化锂(LiBr)溶液中的溶解-再生行为作为模板，诱导SF分子构象转变为β-折叠结构并自组装成纳米纤维(CFNF)。将CFNF作为多功能纳米填料与鱼源明胶复合，结合果糖介导的美拉德反应进行化学交联，成功开发出具有优异综合性能的G-CFNF-Fru复合膜。该成果发表在《Biomacromolecules》上，为可持续包装材料设计提供了新思路。

研究采用四项关键技术：1) 通过LiBr水溶液同步溶解纤维素和SF，调控冷却过程诱导SF形成β-折叠构象的纳米纤维；2) 透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)表征CFNF的形貌与分散性；3) 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)结合曲线拟合定量分析二级结构变化；4) 通过热诱导美拉德反应实现明胶与CFNF的共价交联。

3.1. CFNF的制备与形态结构
通过调节纤维素与SF的质量比(3:97至15:85)，发现5:95配比的CFNF 5/95能形成均匀纳米纤维网络，TEM显示其直径约180nm，显著小于纯纤维素纳米纤维(CNF)的250nm。动态光散射证实CFNF 5/95的分散稳定性优于CNF，水合粒径主要分布在150nm和950nm两个区间。

3.2. CFNF的化学结构
FT-IR分析揭示纤维素添加促进SF构象转变：纯SF的β-折叠含量仅30.9%，而CFNF 5/95提升至56.0%。但当纤维素比例超过10%时，过量纤维素会干扰SF分子排列，导致β-折叠含量回落。

3.3. 复合膜的力学性能
CFNF与美拉德反应的协同效应使G-CFNF-Fru薄膜展现卓越力学性能：拉伸强度达17.68±0.39 MPa，是纯明胶膜的5.8倍；杨氏模量476.59±1.39 MPa，断裂伸长率保持442.45%±4.93%。这种"高强度-高延展"的组合源自CFNF的物理增强与化学交联网络的双重作用。

3.4. 屏障与功能特性
交联薄膜展现全方位性能提升：水接触角从45.7°增至85.0°；水蒸气透过率(WVP)降低66%(0.33 g·mm/m²·h·kPa)；紫外阻隔率在UVA区超过80%，同时保持84.2%的可见光透过率；ABTS和DPPH自由基清除率均超90%，抗氧化活性显著增强。

3.8. 食品保鲜性能
苹果包装实验显示，G-CFNF-Fru膜在7天内将水果失重率控制在14.5%，显著低于未包装组的38.6%，且有效抑制褐变和微生物生长，性能优于传统聚乙烯(LLDPE)包装。

该研究通过纤维素模板法实现了SF的可控纳米纤维化，突破传统工艺的环保瓶颈。所开发的G-CFNF-Fru复合膜兼具力学增强、湿度抵抗和主动保鲜功能，其全水基制备工艺符合绿色化学原则。特别值得注意的是，CFNF不仅能作为物理增强相，还可直接参与美拉德反应形成化学交联网络，这种"双功能"设计为生物基材料开发提供了新范式。未来通过优化纤维配比和反应条件，有望进一步拓展其在医疗敷料、药物载体等领域的应用。研究证实天然蛋白质与多糖的协同组装策略，能为解决塑料污染问题提供可行的技术路径。