综述：静电纺丝技术处理植物蛋白的挑战

本综述系统探讨了静电纺丝（Electrospinning）等电流体动力学（EHD）技术在处理植物蛋白中的应用与挑战。文章详细分析了植物蛋白因结构复杂性（如低溶解性、弱链缠结和球状构象）导致的直接电纺困难，并总结了溶剂选择、载体聚合物（如PVA、PEO）、表面活性剂（如Tween 80）和蛋白变性（如热、pH、HHP、超声）等关键策略。同时指出当前技术在大规模生产、重复性和机械性能方面仍面临瓶颈，为未来在食品、包装及生物医学领域的应用提供重要参考。

　　

静电纺丝技术处理植物蛋白的挑战

引言

随着对可持续植物基蛋白需求的增长，静电纺丝等电流体动力学（EHD）技术因其能够制备微纳米结构而备受关注。这些技术可应用于药物递送、生物活性物封装和组织工程等领域。植物蛋白作为动物蛋白的可持续替代品，在集成到高性能材料时面临固有结构限制，如溶解性差、球状构象和分子缠结不足，从而增加了电纺难度。静电纺丝通过调节聚合物形态、创建功能性纳米纤维结构，为在分子水平上操纵植物蛋白的结构-功能关系提供了独特途径。

静电纺丝基本原理

静电纺丝是一种紧凑、经济高效的技术，通过电压控制实现精确可重复的结构形成。该过程涉及在聚合物或生物聚合物溶液上施加电场，产生库仑排斥力，从针头尖端射出连续纤维射流，形成泰勒锥。当这种排斥力超过粘弹性溶液的表面张力时，产生稳定的纤维射流而非液滴。射流形成后通常经历三个阶段：初始射流形成和延伸、弯曲或不稳定运动（对纳米纤维形成至关重要）以及纤维在接地收集器上的固化和沉积。

在EHD过程中，射流形成由针尖与收集器之间的物理力平衡控制，这些力可分为三类：源自溶液固有特性（如表面张力和粘弹性）的力、由外加电场引起的力（包括库仑相互作用）以及环境力（如重力和空气阻力）。固有力抵抗变形，受溶液组成（包括乳化剂、聚合物浓度、分子量和溶剂-聚合物相互作用）影响。当施加高压电场时，正电荷在溶液表面积累，导致带电液滴之间产生库仑排斥，同时这些带电液滴被吸引到带电收集器。只有当电场和库仑排斥足够强以克服表面张力和粘弹性力时，才能形成稳定射流或泰勒锥。一旦实现稳定射流，电场和表面张力的相对大小决定了收集器上沉积材料的形态。

静电纺丝有多种设置，如单轴、同轴、多轴、乳液和无针静电纺丝。单轴设置将所有进料溶液成分混合后进行电纺；同轴设置用于生产核壳纤维，使用同轴针头合并两种液体；多轴指使用三种或更多液体在针头中合并；乳液电纺作为同轴方法的替代近年来被研究；无针静电纺丝（NE）具有从开放液面大规模生产纳米纤维的潜力，无需针基系统所需的毛细管流动。

静电纺丝的一个主要应用是封装生物活性化合物（如维生素、抗氧化剂、益生菌和酶），以增强其在功能性食品中的稳定性、生物利用度和控制释放。电纺纤维还在活性食品包装中显示出巨大潜力，可通过添加抗菌剂、氧气清除剂等功能化提高食品安全性和延长保质期。此外，可食用电纺膜为合成包装材料提供了可持续替代品，符合当前可生物降解食品包装的趋势。

蛋白质电纺的挑战

蛋白质的电纺具有挑战性，因其结构中存在疏水、离子和氢键相互作用，以及复杂网络结构和低电荷密度。因此，蛋白质没有表现出像合成聚合物那样的特定纺丝行为。蛋白质浓度对确保稳定射流形成至关重要，应高于“重叠”浓度以实现蛋白质链的必要缠结和稳定射流形成。粘度是另一个重要特性，增加聚合物浓度从而提高粘度存在限制，否则会阻碍电纺过程。此外，电压和溶液电导率必须在适当范围内，以克服溶液表面张力并导致纳米纤维生产。

球状蛋白质在高压电场下的相互缠结有限。蛋白质的电纺只有在它们高度溶解且其球状构象从球状变为无规卷曲状态时才可能发生，这通常不会发生在植物蛋白上，因为它们在变性过程后以不溶性颗粒形式积累。此外，三级和四级结构的存在阻碍了它们的链被电纺。动物蛋白不存在这些问题，例如酪蛋白似乎可纺，但从水中纺丝不可能，其胶束解离是电纺的必要前提；乳清蛋白表现出高纺丝性。此示例仅证明植物蛋白的挑战。

植物蛋白电纺方法

针对植物蛋白的电纺，有几种方法被探索。第一种是使用合适溶剂溶解植物蛋白，能够打破蛋白质链之间的二硫键，导致无规卷曲结构。研究发现，玉米醇溶蛋白和小麦面筋已成功从醇溶液或含水酸（至少80%乙酸）中电纺。玉米醇溶蛋白在乙醇中的溶解性随乙醇浓度增加而改善，在环境温度下，乙醇/水二元溶剂系统浓度从70%增加到90%（v/v）时，玉米醇溶蛋白聚集体数量显著减少。由于其两亲性，玉米醇溶蛋白在低醇浓度下形成胶束样结构，但随着乙醇浓度增加，形成这些结构的能力降低。有趣的是，进一步增加乙醇浓度（>90%）可能导致聚集水平增加。总之，酸化的乙醇和玉米醇溶蛋白溶液由于蛋白质聚集而粘度增加，导致纤维状形态；另一方面，当碱化玉米醇溶蛋白溶液被电纺时，由于“蛋白质寡聚化”而粘度降低，导致分子内聚力下降而产生电喷雾。

小麦面筋在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇（HFIP）、乙醇或乙酸溶液中的电纺可能性也有报道。结论是，虽然蛋白质变性不会导致纳米纤维，但当使用HFIP作为溶剂时，在8% w/w蛋白质下形成细纤维。总之，HFIP是一种允许增加无规卷曲结构比例的溶剂，导致溶液中生物聚合物的流体动力学体积和缠结程度增加。在食品应用中应考虑毒性问题。

另一种方法涉及使用载体聚合物，如生物相容性合成聚合物（PVA或PEO）和多糖（如麦芽糊精或普鲁兰多糖）在蛋白质溶液中。纺丝机制类似于使用具有优异纺丝特性的聚合物或辅剂作为载体的纺丝。聚合物被纺成纤维，其他组分被纳入纤维而不具有固有的电纺特性。

使用豌豆蛋白分离物（PPI）、麦芽糊精DE 2和麦芽糊精DE 21通过无针向上滚筒静电纺丝设置生产电纺纤维。结果表明，PPI与麦芽糊精在电纺纤维中的糖基化有可能改善蛋白质溶解性及其技术功能特性。他们还表明，具有较高葡萄糖当量的麦芽糊精在电纺纤维加热时促进糖基化反应，因为纤维中羰基数量更高。

当加入高分子量柔性聚合物如聚乙烯醇（PVA）、聚环氧乙烷（PEO）或多糖如壳聚糖时，它们通过增加链重叠浓度（c*）和实现更频繁的链缠结来贡献溶液的弹性组分，从而有效地将溶液从稀或半稀未缠结状态转变为半稀缠结状态，这对稳定电纺至关重要。此外，蛋白质侧链与添加聚合物之间的氢键和静电相互作用进一步增强了网络内聚力，导致更强、更稳定的射流和更细的纤维形态。

在类似策略中，使用普鲁兰多糖与PPI一起增加PPI/普鲁兰多糖溶液中的缠结，从而通过静电纺丝生产纳米纤维。工程化纳米纤维被发现比纯豌豆蛋白或纯普鲁兰多糖纳米纤维具有更好的热稳定性。大豆是另一种植物蛋白，用于与PVA、PEO和聚己内酯（PLC）混合物中获得电纺纳米纤维。总之，在电纺溶液中添加聚合物增加了分子间缠结和粘度。

对于连续电纺，还建议向蛋白质进料溶液中添加表面活性剂以克服表面张力。研究了非离子表面活性剂聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯（Tween 80）、两性表面活性剂l-α-磷脂酰胆碱以及阴离子表面活性剂硬脂酰乳酸钠（SSL）对苋菜蛋白分离物电纺性的影响。苋菜蛋白的溶解性已被证明极度依赖于溶液pH，因此在酸性条件下溶解性增加。

结果表明，l-α-磷脂酰胆碱和硬脂酰乳酸钠（SSL）不溶于含有API的甲酸溶液。这种行为与表面活性剂的负电荷和蛋白质的正电荷之间的相互作用有关，产生不溶性聚合物表面活性剂复合物，迅速从溶液中分离。然而，通过添加Tween 80，电纺结构的形态显著改善，这似乎与溶液电导率降低有关。此外，结果表明，添加Tween 80以及将该表面活性剂与还原剂2-巯基乙醇组合可以改善API在甲酸溶剂中的电纺性以及微胶囊形态。还研究了纺丝助剂如十二烷基硫酸钠（SDS）、2-巯基乙醇（2-Me）和二硫苏糖醇（DTT），并改善了小麦面筋的纺丝性。

电纺蛋白质纤维生产的一个重要方面是过程前的变性，特别是对于球状蛋白质。通常，变性可能发生在蛋白质和核酸暴露于高温、极高pH或过量盐、有机溶剂、尿素或其他化学品时。然而，应注意蛋白质变性本身不能保证纳米纤维生产。换句话说，虽然溶剂在某些情况下使蛋白质变性，但这种效果不足以用于电纺纤维。溶液的粘度和溶剂的蒸气压也在决定形态方面起重要作用。

例如，PPI水溶液在pH 12显示无规卷曲结构但由于其高电导率、低粘度和表面张力值而不能被电纺。对于PPI，甲酸是生成电纺结构的最差溶剂，而对于豆蛋白浓缩物（BPC），HFIP产生连续纤维带有一些珠粒。揭示了通过热和碱性pH变性的大豆蛋白溶液在电纺过程中非常不稳定，并且不断发生滴落。在酸性条件下变性的SPI溶液具有较低的表面张力和粘度，然而较高的电导率，使它们比通过热或基本变性过程制备的对应物更容易纺丝。然而，未获得连续纤维与SPI基溶液，将PVA作为辅剂加入在酸性条件下变性的SPI溶液中以促进纳米纤维形成。

绿色技术被提议用于生产具有理想特性的电纺蛋白质纳米纤维。一种环境友好的方法是使用“高静水压（HHP）”使蛋白质溶液变性。尽管HHP被定义为“温和技术”，200–1000 MPa的压力诱导蛋白质构象的显著结构变化，特别是球状蛋白质，改变其功能和物理化学性质。取决于施加压力、蛋白质类型、施加压力的持续时间和幅度以及溶液条件，HHP可以影响蛋白质构象并引起蛋白质变性、凝胶化或聚集。HHP破坏疏水簇，改变静电相互作用，并促进S-S交换，同时最小化影响氢键和共价键，导致变性分子的负体积变化。

应用HHP处理在电纺过程之前用于变性和生产大豆蛋白分离物（SoPI）纳米纤维。通过应用合适的HHP处理（400 MPa），获得了理想电纺所需的高阶无序和低阶结构。此外，显示β-折叠结构百分比减少，这有利于实现更高的蛋白质溶解性和无珠纳米纤维。重要的是，应用HHP处理增加了无规卷曲结构的数量，这显然有助于SPI的电纺。通过HHP处理生产了理想电纺纤维，平均直径为300–400 nm，而不使用热能。有趣的是，HHP改性使纳米纤维尺寸减少50–100 nm，减少纳米纤维的有序结构和结晶度，提高熔点，并增加改性SPI的氨基与PVA的羟基之间的氢键数量。

另一种策略是“超声处理”在电纺之前以调节溶液粘度。超声能够通过打破非共价键诱导结构变化。因此，二级结构可以被破坏，三级和四级结构可以部分变性而不显著改变蛋白质的一级结构。最近该技术在电纺领域的应用已被全面综述。

另一项研究提出在“水基电纺”中使用超声作为改善蛋白质溶解性和改善SPI/PEO纳米纤维形成的策略。必须注意，水基电纺可能很困难，因为水的沸点高于通常用于促进电纺过程中溶剂蒸发的有机溶剂。超声处理的SPI悬浮液是浑浊的，但在几小时内未观察到SPI沉淀。因此，超声显著提高了悬浮液的稳定性。通过低湿度和超声处理的SPI电纺获得的纳米纤维均匀光滑，无珠等缺陷。这种趋势可以基于溶液的流变行为来解释。超声处理和未超声处理的SPI与PEO混合均显示出显著的剪切稀化行为，由于存在大量PEO。然而，只有超声处理的SPI与PEO混合的流变图在1–10 S^?1剪切速率下显示牛顿行为。注意，在针头内部，溶液承受恒定剪切速率（约10 s^?1），与泰勒锥和射流的延伸剪切速率相比微不足道，估计为800–1200 s^?1。相同策略也应用于电纺油菜籽蛋白分离物（RPI）。超声辅助pH改变处理有效改性RPI。在最薄纳米纤维，平均直径216.7 ± 25.0 nm，在pH 12.5和超声下获得，因为碱性条件比酸性条件更有效地改性蛋白质。其他物理、化学甚至生物方法也可用于改性植物蛋白结构或诱导结构变化，每种都可以单独应用于电纺过程，但尚未发表其他报告。

在植物蛋白的电纺过程之后，面临一些挑战，如在水环境中保持纤维和足够的机械强度。为解决此问题，交联和向纤维中添加聚合物导致机械强度增加。例如，为改善小麦面筋的机械性能，建议策略如添加合成聚合物如PVA、TVPA硫醇化聚乙烯醇、聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、氧化糖作为绿色交联剂或通过美拉德反应糖基化。类似地，显示壳聚糖可以改善复合电纺大麦醇溶蛋白/壳聚糖纳米纤维的耐水性。这种行为归因于壳聚糖分布到大麦醇溶蛋白链中而无微晶聚集。电纺向日葵蛋白分离物/SPI/PVA纳米纤维的亲水性通过在150°C热处理24小时改性。值得一提的是，蛋白质纳米纤维交联是一个非常广泛的主题，可分为物理、化学和酶法，此主题超出本文范围，并已被彻底综述用于蛋白质基薄膜和涂层以及用于明胶纳米纤维。

协同效应

植物蛋白的电纺通过四种主要策略的协同相互作用显著增强：使用溶剂、添加聚合物、加入表面活性剂和蛋白质变性。每种在克服植物蛋白固有限制（如溶解性差、球状结构和低分子缠结）方面发挥独特但互补的作用。如乙醇、乙酸和HFIP等溶剂不仅通过打破二硫键和氢键溶解蛋白质，还诱导无规卷曲构象，增加流体动力学体积和灵活性， necessary for entanglement and fiber formation。当添加高分子量聚合物如聚乙烯醇（PVA）或多糖如普鲁兰多糖时，它们作为共载体，增强粘弹性和分子缠结—静电纺丝期间稳定射流形成的关键特性。这些聚合物还通过氢键或静电相互作用与蛋白质相互作用， thereby improving chain entanglement and promoting finer, uniform nanofibers。

同时，表面活性剂如Tween 80降低蛋白质-聚合物溶液的表面张力和电导率，确保更平滑的射流伸长并抑制珠粒形成。表面活性剂的效果当与蛋白质变性方法—热、pH诱导或绿色方法如高静水压（HHP）和超声—结合时进一步放大，每种方法改变蛋白质三级和二级结构以增加无序、柔性无规卷曲的比例。这些结构变化减少结晶度并增强溶解性， together with the improved rheological profile from added polymers and surfactants, result in a spinnable solution with high molecular cohesion and optimal viscoelastic balance。

未来研究与局限性

使用植物蛋白的电纺纳米纤维可能缺乏必要的物理化学和功能属性，包括机械强度、屏障效率、保留/释放能力、保护品质和防腐能力。因此，迫切需要进一步研究以改进制造过程并增强这些纳米纤维的性能。电纺纤维显著的高表面积体积比促进与周围环境的增强相互作用，可能影响其机械、电学和生物学特性。此外，这些纤维的小直径可能导致致密孔结构和互连网络，从而增强其性能，特别是在食品包装等应用中。

然而，该技术的主要缺点是可扩展性。大量研究证明了在研究环境中小规模成功制造植物基电纺纤维。然而，扩大生产以满足商业需求仍然是一个艰巨的挑战，需要关注。一个主要障碍在于实现一致的植物蛋白溶液 suitable for electrospinning into nanofibers。植物蛋白具有易相互作用和聚集的多样化表面基团，使实现均匀溶液复杂化。此外，大多数植物蛋白缺乏有效电纺所需的缠结。

另一个障碍涉及优化电纺参数如溶液粘度、电导率和针尖到收集器距离，其中个别参数控制可能证明困难。这些变量显著影响纤维形态和特性，它们对大规模生产的优化可能既耗时又昂贵。应对这些挑战要求进一步研究以改进生产过程并设计成本效益高的大规模制造技术。随着持续创新，植物蛋白基纳米纤维有望作为具有多样化应用的可持续和多功能材料。静电纺丝，一个高度适应性的过程，允许通过操纵溶液组成、处理参数和后处理治疗定制纤维特性和结构到特定应用。

尽管有其潜力，静电纺丝面临几个需要解决的障碍以增强其效力。这些包括扩大工业应用规模，确保可预测和可重复的纤维形态和组织，以及增加吞吐量。尽管如此，静电纺丝已经在生物医学工程、能量存储和环境修复部门找到商业用途，暗示其在食品工业中的潜在适用性。

结论

总之，利用静电纺丝处理植物蛋白具有巨大潜力，彻底改变可持续蛋白质生产的 landscape。在整个本综述中，我们探索了EHD技术特别是静电纺丝的潜力，以精确操纵植物蛋白在微纳米尺度的结构和功能。然而，尽管EHD有众多优势，我们的探索也揭示了必须解决以充分发挥其潜力的重大挑战。扩大EHD过程到工业规模仍然是一个主要缺点。尽管如此，如该领域不断增长的研究体所证明的，有理由对使用植物蛋白的静电纺丝未来持乐观态度。