通过超临界二氧化碳干燥形成疏水性玉米醇溶蛋白气凝胶

《Current Research in Food Science》：Formation of hydrophobic zein aerogels via supercritical carbon dioxide drying

　　

玉米醇溶蛋白（zein）是一种有前景的可持续植物基材料；然而，其用于气凝胶制备以及pH和乙醇浓度对zein凝胶化和气凝胶性质的影响仍知之甚少。因此，本研究评估了这些参数对凝胶形成和通过超临界二氧化碳（SC-CO₂）干燥制备的zein气凝胶的影响。研究人员在pH（4、6和8）和乙醇浓度（50%、65%和80% w/w）的不同条件下制备了zein（40%，w/v）凝胶，并表征了其形态、结构特征、官能团、结晶度、化学相互作用、机械性能和表面疏水性。气凝胶的表面积在14.7至37.3 m²/g之间，最高值出现在pH 4和80%乙醇条件下（37.3 m²/g）。气凝胶具有介孔结构，孔径为16.8-30.1 nm，孔体积为0.08-0.19 cm³/g，而pH 6和低乙醇浓度导致表面积降低。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，蛋白质二级结构受加工条件影响相对较小，α-螺旋和β-聚集体构象占主导。硬度随pH和乙醇浓度的增加而增加，所有气凝胶均表现出高疏水性，水接触角在103-129°之间。这些发现突显了zein（一种从玉米副产物中提取的可再生蛋白质）作为生产疏水生物气凝胶的可持续材料的潜力。

**论文解读**

**研究背景与目的**
玉米（*Zea mays* L.）作为美国最广泛种植的谷物作物，通过饲料、食品等用途对国民经济有重要贡献，并产生大量副产物，如玉米蛋白粉，从中可提取高价值疏水性蛋白（醇溶蛋白）zein。zein因其可再生性、可生物降解性和功能多样性，被视为替代传统石油基聚合物的可持续生物聚合物。然而，尽管zein在食品、生物塑料等领域有应用潜力，其用于气凝胶制备的研究尚属空白，且pH和乙醇浓度对zein凝胶化行为及最终气凝胶性能的影响机制未被充分阐明。气凝胶作为轻质多孔材料，通常需通过复杂表面改性实现疏水性，而zein天然疏水，可能避免此步骤。因此，本研究旨在首次利用zein通过超临界二氧化碳（SC-CO₂）干燥制备气凝胶，系统探究pH和乙醇浓度对凝胶形成、微观结构、物理化学性质及机械性能的影响，为开发基于植物蛋白的可持续多孔材料提供理论依据。

**研究内容与结论**
研究人员制备了40%（w/v）zein溶液，在不同pH（4、6、8）和乙醇浓度（50%、65%、80%，v/v）条件下形成凝胶，经凝固、溶剂交换和SC-CO₂干燥获得气凝胶。通过ζ-电位、扫描电子显微镜（SEM）、氮气吸附-脱附（BET/BJH）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、质构分析和水接触角测量等手段全面表征。结果表明，所有气凝胶均呈介孔结构，表面积范围为14.7-37.3 m²/g，其中pH 4和80%乙醇条件下获得最高表面积（37.3 m²/g）。pH 6和低乙醇浓度导致表面积显著降低，归因于蛋白聚集增强。FTIR分析显示，蛋白质二级结构以α-螺旋（16.57-29.89%）和β-聚集体（23.52-31.34%）为主，加工条件对二级结构影响较小。机械测试表明，气凝胶硬度随pH和乙醇浓度增加而增加，最高硬度（493.11 N）出现在pH 8和80%乙醇条件下。所有气凝胶均表现出高疏水性，水接触角在102.80-128.78°之间，无需额外表面改性。该研究证实zein可作为天然疏水生物气凝胶的可行前驱体，为玉米副产物的高值化利用提供新途径。

**主要技术方法**
本研究采用以下关键技术：ζ-电位分析（Zetasizer）用于评估不同pH下蛋白表面电荷；扫描电子显微镜（SEM）观察微观形态；氮气吸附-脱附分析（TriStar II Plus）结合BET和BJH方法测定表面积、孔径和孔体积；傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合高斯拟合分析化学基团和二级结构；X射线衍射（XRD）评估结晶性；质构分析仪（TA-XT2i）测量硬度；水接触角测量（OCA 15EC）评估表面疏水性。所有样本均基于Sigma-Aldrich提供的zein粉末（>88%纯度）制备。

**研究结果**
**3.1 ζ-电位**：在80%乙醇中，ζ-电位随pH升高从正值（25.62 ± 7.21 mV at pH 2）转为负值（-23.85 ± 5.14 mV at pH 10），在pH 6附近接近零，表明等电点（pI）约为6，与文献报道一致。接近pI时静电排斥最小，促进蛋白聚集。

**3.2 气凝胶制备**：在低乙醇浓度（50%）下，蛋白溶解度降低，形成粗大聚集体而非连续网络，导致pH 4和6时无法形成稳定凝胶；仅80%乙醇和所有pH值下能形成圆柱形凝胶。pH 6样品表面更粗糙，表明pH和乙醇浓度共同影响凝胶完整性。

**3.3 形态**：SEM显示，pH 4和80%乙醇条件下形成纤维状、高度互连的网络结构；pH 6和8时结构更致密、无序。低乙醇浓度进一步抑制多孔性，pH 6和50%乙醇时形成无孔致密结构。

**3.4 表面积、孔径和孔体积**：BET分析显示，ZG-4-80样品具有最高表面积（37.33 ± 1.37 m²/g）和孔体积（0.19 cm³/g），孔径为19.96 nm。pH 6和低乙醇浓度样品（如ZG-6-50）表面积最低（14.71 m²/g），孔径较大（30.10 nm），归因于接近pI时的蛋白聚集。

**3.5 密度和孔隙率**：密度和孔隙率范围分别为0.22-0.38 g/cm³和72.5-83.9%。pH对80%乙醇样品的密度影响不显著，但低乙醇浓度增加密度（如ZG-4-50为0.33 g/cm³），降低孔隙率。

**3.6 化学相互作用**：FTIR光谱显示所有样品具有典型的酰胺A、酰胺I和酰胺II吸收峰，表明化学结构稳定。二级结构分析显示β-聚集体（23.52-31.34%）和α-螺旋（16.57-29.89%）为主导构象，α-螺旋/β-折叠比率（0.72-1.54）受乙醇浓度影响，低浓度（50-65%）时比率降低，表明溶剂组分影响蛋白构象。

**3.7 结晶性**：XRD图谱显示所有样品在2θ = 8-9°和19-20°处有宽峰，表明无定形结构占主导。pH 4和80%乙醇条件下峰强度较高，但未出现新衍射峰，说明加工条件主要影响分子间堆积而非α-螺旋骨架。

**3.8 硬度**：机械测试显示硬度随pH和乙醇浓度增加而增加，从ZG-4-65的133.21 N升至ZG-8-80的493.11 N。pH 4和50%乙醇样品呈粉末状，无法测量。

**3.9 水接触角**：所有可测样品的水接触角在102.80-128.78°之间，无显著差异（P > 0.05），表明zein气凝胶天然疏水，无需表面改性。

**讨论与结论**
研究结果表明，pH和乙醇浓度是调控zein气凝胶性质的关键因素。低pH和高乙醇浓度促进形成开放多孔网络，而接近pI（pH 6）和低乙醇浓度导致致密结构。FTIR和XRD分析证实加工条件对蛋白二级结构影响较小，但影响分子间相互作用。硬度测试显示高pH和高乙醇浓度增强机械强度，归因于更紧密的蛋白网络。水接触角测试确认所有气凝胶具有高疏水性，使其适用于油水分离、防潮包装等领域。与需表面改性的其他蛋白气凝胶相比，zein的天然疏水性简化了制备流程。该研究首次证明zein可作为可持续、疏水气凝胶前驱体，为玉米副产物利用提供创新途径。