基于静电纺丝技术构建聚乙烯醇/大豆分离蛋白-ε-聚赖氨酸复合纳米纤维膜及其对大白菜保鲜机制研究

本研究针对大白菜采后易失水变质问题，通过静电纺丝技术成功开发了一种负载ε-聚赖氨酸(ε-PL)的聚乙烯醇(PVA)/大豆分离蛋白(SPI)复合纳米纤维膜。研究人员通过分子动力学模拟揭示了PVA与SPI的自发结合机制，证实8% ε-PL/SPI/PVA复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著抗菌活性，能有效抑制大白菜储存期间的重量损失和色素降解。该研究为开发环保型活性食品包装材料提供了新策略。

　　

大白菜作为全球广泛种植和消费的重要绿叶蔬菜，因其含水量高、代谢旺盛的特性，在采后储存过程中极易出现失水、品质劣化等问题，给供应链带来巨大挑战。传统石油基塑料包装虽然能有效控制储存环境，但会造成严重的环境污染。近年来，从蛋白质、脂质和多糖等生物聚合物中开发生物可降解的食品包装材料已成为研究热点。大豆分离蛋白(SPI)作为大豆油生产的副产品，具有高蛋白含量(>90%)、丰富性、无毒性和良好的成膜性等优势，但其在阻隔性能、机械强度和热稳定性等方面仍存在不足，限制了其在食品包装中的广泛应用。

为了解决这些问题，蚌埠医学院的研究团队在《Food Chemistry: X》上发表了一项创新性研究，通过静电纺丝技术制备了基于聚乙烯醇(PVA)/大豆分离蛋白(SPI)并负载ε-聚赖氨酸(ε-PL)的复合纳米纤维膜，用于大白菜的保鲜储藏。

研究人员采用了多项关键技术方法开展本研究：通过静电纺丝技术制备不同ε-PL浓度(0-8%)的复合纳米纤维膜；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行表征；采用分子动力学模拟分析PVA与SPI主要成分(大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白)的相互作用机制；通过抑菌圈实验评估薄膜对大肠杆菌(ATCC·25922)和金黄色葡萄球菌(ATCC·6538)的抗菌活性；最后将薄膜应用于大白菜保鲜实验，监测12天储存期间重量损失、叶绿素、类胡萝卜素和叶黄素的变化情况。

3.1. 复合纳米纤维膜的微观结构

通过扫描电子显微镜观察发现，制备的电纺纳米纤维膜呈现无序但直径分布均匀、表面光滑、网络结构一致且连续性良好的形态特征。ε-PL的添加显著改变了纳米纤维膜的形态和直径，这可能是由于ε-PL浓度增加导致纺丝溶液粘度增加，阻碍了针尖处的射流分裂和纤维拉伸，从而使纤维直径增大。尽管如此，SEM结果表明薄膜形成能力基本保持不变，说明ε-PL已成功掺入PVA/SPI纳米纤维中。

3.2. 复合纳米纤维膜的FTIR和XRD分析

FTIR光谱分析显示，PVA/SPI纳米纤维膜的特征峰强度和位置与单独的PVA和SPI相比发生明显变化，表明它们之间存在相互作用。加入ε-PL后，PVA/SPI纳米纤维膜保留了其特征峰，但酰胺I和酰胺III的波长发生红移，酰胺II模式发生蓝移。XRD分析表明，PVA/SPI薄膜的结晶度逐渐降低，且没有出现新的峰，PVA在40.3°(2θ)的特征峰消失，说明PVA和SPI之间的相容性可以改变生物大分子相互作用，从而影响其结晶度。

3.3. PVA和SPI的结合稳定性及机制

分子动力学模拟结果显示，PVA能与SPI的主要成分(大豆β-伴大豆球蛋白和球蛋白)形成复合结构。根均方偏差(RMSD)值波动小于0.2nm，表明所有四个模拟系统都达到了平衡状态。PVA通过其羟基与β-伴大豆球蛋白和球蛋白的某些氨基酸残基形成氢键，平均分别形成16个和9个氢键。结合自由能计算表明，PVA-β-伴大豆球蛋白(-112.51±12.68kcal/mol)和PVA-球蛋白(-110.09±9.24kcal/mol)的结合自由能均为负值，表明PVA与SPI之间能够自发结合，且结合亲和力强。

3.4. 溶剂可及表面积(SASA)和回转半径(Rg)分析

SASA变化表明在PVA存在下发生了疏水和亲水相互作用。疏水SASA比亲水SASA下降得更慢，说明PVA与SPI的相互作用主要发生在蛋白质的亲水部分。回转半径(Rg)分析显示，PVA的结合使β-伴大豆球蛋白的Rg从2.471nm略微增加到2.495nm，球蛋白的Rg从2.502nm增加到2.605nm，表明PVA结合导致SPI发生了构象重排。

3.5. 复合纳米纤维膜的WVP

PVA/SPI纳米纤维膜的WVP为1.25g·mm/m²·h·Pa。加入ε-PL后，复合纳米纤维膜的WVP显著降低(P<0.05)，其中8%ε-PL/PVA/SPI的WVP最低，为0.53g·mm/m²·h·kPa。这归因于ε-PL与PVA/SPI共混物之间的强相互作用，以及薄膜溶解度和扩散速率的增加。

3.6. 复合纳米纤维膜的密度、含水量和溶胀性

PVA/SPI纳米纤维膜的密度为0.19±0.01g/cm³，加入ε-PL后，复合纳米纤维膜的密度增加(P<0.05)，范围从0.19±0.01g/cm³到0.35±0.03g/cm³。PVA/SPI纳米纤维膜的溶解度和溶胀度分别为20.56±0.47%和189.23±13.14%。加入ε-PL后，复合纳米纤维膜的溶胀度和溶解度均显著提高，8%ε-PL/PVA/SPI薄膜表现出最高的溶胀度和溶解度，分别为199.36±23.54%和25.87±0.3%。

3.7. 对大白菜的保鲜效果

抗菌实验显示，PVA/SPI纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌没有明显的抗菌活性，而含ε-PL的复合纳米纤维膜表现出优异的抗菌活性，抑菌圈直径随ε-PL浓度的增加而逐渐增大，在8%浓度时达到最大抗菌效果。储存实验表明，与对照组和PVA/SPI包装组相比，随着ε-PL浓度的增加，大白菜叶片的L^??和b^??值的上升趋势以及a^??值的下降趋势均变缓。用6%ε-PL/PVA/SPI和8%ε-PL/PVA/SPI包装的大白菜能有效保持完整性直至第12天，没有明显的变黄或皱缩现象。

3.8. 大白菜叶绿素、类胡萝卜素和叶黄素的变化

重量损失分析显示，对照样品的失重率高于其他组，而负载不同浓度ε-PL的纳米纤维膜显著降低了大白菜叶片的呼吸速率。8%ε-PL/PVA/SPI复合膜不仅提高了耐水性，还降低了酶的合成和活性，从而延缓了大白菜在储存期间的重量损失。叶绿素含量测定显示，所有组的叶绿素总量在储存期间均显著降低(P≤0.05)，但8%ε-PL/PVA/SPI组的叶绿素含量显著高于其他组(P<0.05)。类胡萝卜素和叶黄素含量在储存期间也呈下降趋势，但8%ε-PL/PVA/SPI包装组的含量明显高于其他组，表明ε-PL/PVA/SPI复合膜有效延缓了叶绿素降解，保护了胡萝卜素免受羟基化类胡萝卜素的影响。

该研究成功通过静电纺丝技术制备了ε-PL/SPI/PVA复合薄膜包装材料，并通过分子动力学模拟阐明了PVA与SPI的结合稳定性和相互作用机制。研究发现PVA能通过氢键和非共价相互作用力与蛋白质形成稳定的复合物。通过评估ε-PL对纳米纤维膜性能的影响，确定了8%ε-PL/SPI/PVA纳米纤维膜能有效保持大白菜在4±2°C下冷藏12天期间的理化特性和感官品质。该复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有最高的抗菌活性，为开发用于食品包装的活性生物聚合物基薄膜提供了新的理论框架和见解。未来研究应探索ε-PL/SPI/PVA复合膜在保存其他绿叶蔬菜方面的潜力，推动环保型食品包装材料的进一步发展。