协同使用离液剂促进酪蛋白部分解折叠与溶液稳定化以提升电纺性能及草本提取物负载效率的研究

推荐：本研究针对蛋白质电纺困难及生物活性物质负载效率低的问题，创新性地采用十二烷基硫酸钠(SDS)和乙醇作为离液剂调控酪蛋白酸钠(Cas)构象，结合聚乙烯醇(PVA)改善电纺性能，成功实现了高浓度(20 wt%)酪蛋白溶液的电纺成型及迷迭香/牛至提取物(1-3 wt%)的高效负载。通过流变学、FTIR光谱分析揭示了蛋白构象变化机制，所得纤维的DPPH自由基清除活性提升至56-68%/mg，为活性食品包装等应用提供了可持续、可调控的生物活性载体解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，生物基材料研发正成为食品包装和医药领域的热点。蛋白质作为天然高分子，因其优异的生物相容性和可降解性备受关注，但如何将这类材料加工成功能性纤维仍面临重大挑战。特别是牛奶酪蛋白——这种由αS1、αS2、β和κ四种亚基组成的天然两亲性蛋白，虽然具有独特的动态结构和自组装特性，却因其复杂的分子间作用力和缺乏线性聚合物链特征，使得纯酪蛋白溶液的电纺成型异常困难。传统方法往往需要添加大量合成聚合物辅助纺丝，这不仅降低了材料的生物基含量，还可能影响其环境友好特性。

针对这一技术瓶颈，来自挪威Nofima研究所的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表了一项突破性研究。他们创造性地利用离液剂协同作用调控酪蛋白构象，结合植物源性抗氧化剂的智能负载，开发出具有优异性能的蛋白基电纺纤维材料。这项研究不仅解决了蛋白质电纺的技术难题，更为开发生物活性包装材料提供了新思路。

研究人员采用多学科交叉的研究方法：通过流变学分析评估溶液行为；利用扫描电镜(SEM)表征纤维形貌；采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)结合酰胺I带解卷积技术解析蛋白质构象变化；通过接触角测试评价材料表面特性；最后采用DPPH自由基清除实验定量测定抗氧化活性。特别值得注意的是，研究选用挪威本地药用植物迷迭香(Rosmarinus officinalis)和牛至(Origanum vulgare)的甲醇/水提取物作为模型生物活性物质，这些提取物经超声辅助提取、旋转蒸发浓缩和冻干制备而成。

【流变学行为研究】结果显示，含20 wt%酪蛋白酸钠的溶液在添加7.5 wt% SDS和24 wt% PVA后，剪切稀化行为显著改善。动态振荡测试表明，1 wt%植物提取物的加入使储能模量(G')降低，而3 wt%提取物反而增强结构稳定性。通过Hagen-Poiseuille公式计算发现，离液剂体系使内聚能密度降低3.6倍，证实其有效削弱了蛋白分子间作用力。

【电纺行为与纤维形貌】在优化参数下(流速2-5 μL/min，电压16.8-18.5 kV)，成功获得平均直径98-120 nm的纤维。有趣的是，牛至甲醇提取物样品(Cas1Oo)呈现最窄的纤维直径分布，而迷迭香水提取物需增加PVA至42 wt%才能稳定纺丝。这表明不同极性提取物与蛋白基质的相互作用存在显著差异。

【FTIR构象分析】通过酰胺I带(1715-1585 cm^-1)解卷积发现，原始酪蛋白含5个特征峰(1626、1638、1652、1668和1684 cm^-1)，电纺后1668 cm^-1处的3(10)-螺旋/PPII螺旋峰消失。植物提取物的加入导致1654 cm^-1处的PPI/PPII螺旋峰被1660和1644 cm^-1处的β-转角和γ-转角取代，特别是迷迭香水提取物使PPII螺旋峰红移6 cm^-1，表明其与蛋白的极性相互作用最强。

【表面性能与抗氧化活性】接触角测试显示3 wt%提取物使疏水性提升23-35%。DPPH测试获得突破性结果：负载3 wt%迷迭香甲醇提取物的纤维展现出68%/mg的清除率，是空白样的42倍；牛至提取物样品也达到56%/mg。这种高效抗氧化性能归因于提取物中的鼠尾草酸、迷迭香酸等酚类物质与酪蛋白的协同作用。

这项研究通过巧妙的离液剂策略，首次系统阐明了酪蛋白电纺过程中的构象演变规律，并成功实现了植物活性成分的高效负载。其科学价值主要体现在三个方面：一是揭示了SDS/乙醇协同作用通过破坏蛋白疏水核心促进分子展开的机制；二是建立了蛋白二级结构与电纺性能的构效关系；三是开发出兼具可调释性和高抗氧化活性的食品包装材料。特别值得注意的是，该方法仅使用24 wt%的PVA辅助剂，最大程度保留了材料的蛋白质主导特性，符合绿色化学原则。未来，这种"离液剂辅助蛋白电纺"平台技术可拓展至其他难加工蛋白体系，为开发新型生物活性载体开辟了道路。