无针静电纺丝制备叶蛋白基纳米纤维的可扩展性、生物降解性及机理研究

《Food Packaging and Shelf Life》：Scalability, biodegradability, and mechanistic insights of leaf protein based nanofibers through needleless electrospinning

　　

摘要 本研究系统性地阐述了聚乙烯醇（PVA）与辣木叶蛋白浓缩物（MLPC，0–3%）共混物在溶液状态下的流变学性质与表面行为之间的相互关系，以及其对最终纳米纤维固态属性的影响。采用无针电纺工艺，在26 kV电压、14 cm电极-收集器间距、进料速率为6 mL·h?1的条件下，由PVA-MLPC共混物制备纳米纤维，随后在120°C下进行3小时热交联处理。随着MLPC浓度的增加，溶液粘度系统性降低，电导率增强（从0.8至5.1 mS/m），从而优化了纤维形貌，在最优2% MLPC浓度下将平均纤维直径从2291 nm减小至均匀的635 nm。热处理产生了更致密、更互连的纤维网络，最大拉伸强度达到13.91 MPa，水接触角从49.5°增至77.5°。然而，MLPC浓度超过2%时会导致射流不稳定和珠状物形成，使生产收率从91.4%降至66.0%。多元分析进一步表明，溶液性质、形貌、收率和功能性能之间存在强关联。总体而言，1–2% MLPC在可纺性和材料性能之间提供了最理想的平衡。结果支持了PVA–MLPC纳米纤维作为可生物降解包装材料候选者的潜力，但在确立工业或食品包装性能之前，仍需要进行中试规模操作、能量与成本分析、食品接触安全性评估以及在实际食品体系中的验证。

引言 目前，塑料生命周期约占全球温室气体排放的3–4%，若不采取适当措施，到2060年这一比例可能翻倍（UNEP, 2023）。与此同时，通过立即转向重复使用、重新设计和高质量回收，到2040年实现塑料污染减少80%是可行的（UNEP, 2023）。然而，微塑料（尤其是小于10 μm的颗粒）在各类动物来源食品商品中的毒理学评估仍然未被探索。多项动物研究证实，微塑料的参与导致了氧化应激和慢性炎症。例如，动物暴露于5 mg聚氨酯可能诱发炎症（WHO, 2022）。

全球每年生产约3.2亿吨塑料，其中大部分用于食品包装。由于合成聚合物具有高分子量和长链结构，微生物细胞无法降解这些聚合物，使其在土壤中不溶。为应对这一问题，迫切需要开发可生物降解、可再生且具有功能性的包装材料。目前，已探索了多种可生物降解聚合物作为合成聚合物的替代品，如淀粉、壳聚糖、聚乳酸、聚乙烯醇（PVA）和聚羟基脂肪酸酯。例如，PVA的机械强度、水溶解性以及其与蛋白质和多糖的相容性使其成为生物复合材料的理想材料（Wang et al., 2023）。对于蛋白质而言，PVA主要在其羟基与蛋白质中的酰胺基之间形成致密网络。氢键可以与某些氨基酸的极性侧链形成，包括丝氨酸和酪氨酸的-OH基团、谷氨酰胺的CO基团以及赖氨酸和精氨酸的-NH?基团。此外，PVA –CH?– 主链与部分展开的蛋白质疏水区域之间存在物理链缠结和弱疏水相互作用。这些相互作用提高了相容性，抑制了PVA结晶，并使聚合物溶液均质化。然而，大多数生物聚合物机械强度低、对水敏感且工业可扩展性差（Jahangiri et al., 2024），这是由于存在-OH和NH?等极性基团，它们吸收水分子并破坏聚合物链之间的氢键，从而降低机械强度。

用于生产纤维状或多孔聚合物结构的聚合物加工路线有多种，包括熔融纺丝、湿法纺丝、溶液纺丝、挤出成型纤维、三维打印纤维支架和电纺丝。熔融纺丝无溶剂且工业技术成熟，但需要热加工聚合物和较高的加工温度；例如，熔融纺丝涤纶长丝已用于掺入二氧化硅气凝胶，同时保持有用的物理和机械性能（Sedighi et al., 2022）。增材制造提供了较高的几何精度控制，并已用于制造复合聚己内酯支架，但其可达到的纤维尺寸和制造原理与电纺丝有显著不同（Petretta et al., 2021）。此外，湿法纺丝和溶液纺丝可以容纳不适合熔融加工的聚合物，但凝固浴、溶剂回收和后处理可能增加工艺复杂度。电纺丝的独特之处在于，电流动力拉伸可以在相对温和的温度下产生具有高比表面积和可调孔隙率的连续微米至纳米级纤维。近期的研究表明，电纺纤维可应用于主动食品保鲜系统和功能性聚合物材料（Halici Demir & Acik, 2026）。其主要局限性在于对溶液性质和环境条件的敏感性、溶剂处理，以及对于传统单针系统而言，产量低且存在针堵塞问题。

辣木叶蛋白质含量高且功能特性良好，使其成为食品保鲜的适宜材料（Javed et al., 2024）。此外，辣木叶蛋白浓缩物（MLPC）的功能属性，包括由于氢键和疏水相互作用带来的成膜性以及水溶性，相比其他植物蛋白更为优越。因此，PVA与MLPC的结合有望生产出具有优良机械性能的功能性和可生物降解电纺纳米纤维包装材料。

电纺丝是生产纳米纤维最常用的方法，其具有大比表面积、可调孔隙率和较高机械强度（Dehnad et al., 2024, Wang et al., 2023）。该技术要求将高电压电场（15–25 kV）施加于聚合物溶液，产生带电液射流，经历拉伸和固化，形成收集在接地表面上的纳米纤维。在传统的针式电纺中，高压施加于毛细管（喷丝头）和接地收集器之间，使弯月面上的聚合物溶液带电。当静电法向应力克服表面张力时，形成一个称为泰勒锥的锥形弯月面，并喷射出带电射流。经过一段直线段后，射流经历一系列由库仑排斥力、拉伸流动和溶剂蒸发驱动的弯曲和鞭打不稳定性。因此，该过程产生的亚微米纤维的直径和形貌取决于溶液性质、电场强度、流速和环境条件。传统电纺工艺由于流速有限和针堵塞导致产量较低。因此，无针电纺作为可规模化工艺被开发出来，能够产生更多的纤维产量（Zhang et al., 2020）。无针电纺使用带电的旋转圆柱体、线或浴槽，通过毛细波和局部场集中从液面产生多个自组织泰勒锥，从而产生多个同时射流，提高生产率。同时，分布式射流成核和自由表面电荷补充加速了过程。在此之前，必须优化表面张力、溶液粘度、电极几何形状和场均匀性，以减少珠状物形成和直径变异性。

大豆蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白和乳清蛋白的电纺已在生物医学和食品工业中得到广泛研究。Stie et al. (2022)报道，较高的分离大豆蛋白浓度（高达75% w/w）改善了可电纺性。另一项研究中，Jia et al. (2020)发现，由于表观粘度降低、表面张力稳定且电导率增加，葡聚糖和分离豌豆蛋白溶液中的均匀纳米纤维（约203 nm）形成得到了增强。Yao et al. (2022)的另一项研究报告，随着聚合物溶液中分离花生蛋白浓度的增加，表观粘度降低，电导率增加，纤维直径从339 nm减小至164 nm。关于乳清蛋白和聚乙烯氧的研究表明，乳清蛋白:聚乙烯氧溶液组成为3:1时，平均纤维直径范围为312至690 nm（Kutzli et al., 2019）。此外，近期的研究已将电纺的应用拓展到活性和抗氧化材料。Halici Demir和Acik (2026)开发了含有Sideritis bilgerana提取物的PVA/壳聚糖纳米纤维，用于食品保鲜应用，而Acik (2026)报道了经生物基组分修饰的电纺氯化聚丙烯微纤维。然而，这些研究缺乏对溶液性质与纳米纤维特征之间相关性的深入讨论，以及在电纺过程中对晶体晶粒尺寸和晶体晶格面间距的影响。此外，尚未有关于MLPC溶液电纺的研究。此外，最佳工艺参数，包括流速、聚合物浓度和施加电压，对于制备PVA-MLPC纳米纤维至关重要。最终纤维形貌和机械强度取决于PVA羟基与MLPC中氨基酸残基之间的相互作用，从而影响纤维网络结构和相容性。因此，将叶蛋白与电纺纳米纤维结构相结合，可有效解决机械强度和防潮性能问题。

迄今为止，尚无任何研究报道了基于叶蛋白的电纺纳米纤维的生物降解动力学。因此，本研究旨在建立聚合物溶液流变学性质与表面性质之间的相关性，从而产生均匀的纳米纤维。此外，通过观察FTIR谱图、结晶度和晶格结构，以及晶粒尺寸，提供了蛋白质和PVA在分子层面的结构行为信息，并建立了其与不同浓度聚合物溶液之间的关系。此外，还讨论了热交联对纳米纤维结构和形貌属性的影响。同时，强调了通过无针电纺提高生产速率和生产收率。此外，本研究调查了纳米纤维的生物降解动力学，并进行了多元分析以优化溶液参数，使其在工业上可行。

片段 原料采集 新鲜成熟的绿色辣木叶于2024年8月从印度鲁尔克拉国家技术学院采集。采集后，手动去除茎和叶柄。对叶片进行评价，以确认是否存在任何不良或受损的样本。随后，用蒸馏水彻底冲洗叶片，以消除任何外来物质或表面污染物。然后将叶片在热空气烘箱中37 ± 3°C下干燥24小时。干燥后的叶片被研磨成

流变学行为 聚合物溶液的可纺性受MLPC浓度显著影响。较高的MLPC浓度（>总固体的30%）导致纤维形成减少，溶液液滴增加。这一现象是由于表面张力降低和电导率升高，导致射流不稳定。从图2A中可以看出，所有溶液均表现出假塑性行为，确认了其非牛顿流体的特性。此外，随着剪切速率的增加，

结论 无针电纺在所考察的配方范围内有效地生成了PVA–MLPC纳米纤维，其中1–2% MLPC在可纺性和材料效能之间提供了最佳平衡。在2% MLPC浓度下，平均纤维直径减小至635 nm，而热处理产生了更致密且互连的结构，达到峰值拉伸强度13.91 MPa，水接触角为77.5°。MLPC浓度超过2%时导致不稳定性。

CRediT作者贡献声明 Ram Prasad Bebartta：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，软件，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念构思。Rachna Sehrawat：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，经费获取，概念构思。Khalid Gul：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，概念构思。Ankan Kheto：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，软件，

利益冲突声明 作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

Ram Prasad Bebartta | Rachna Sehrawat | Khalid Gul | Ankan Kheto 印度俄里萨邦鲁尔克拉国家技术学院食品加工工程系，769008