聚乙烯醇纳米纤维毡中残留溶剂对氨基酸分解的影响

《Food Chemistry》：Effects of residual solvent in polyvinyl alcohol nanofiber mats on breaking of aminoacids

　　• PVA 纳米纤维中的残留溶剂可作为功能性变性剂。• 含醋酸纤维表现出最强的氨基酸降解能力。• 静电纺丝垫可在表面上实现可控的蛋白质变性。• 溶剂类型决定纳米纤维的形态和功能性能。• 该策略为活性食品接触材料和抗病毒材料提供了新途径。引言食品接触表面被蛋白质（来自微生物、过敏原或生物膜）污染是食品安全的重大隐患。特别是近期 COVID-19 大流行突显了表面涂层的需求，这些涂层能灭活诸如 SARS-CoV-2 刺突蛋白等病毒蛋白（Wu 等，2020）。传统消毒剂通常依赖乙醇或酸等化学变性剂来使蛋白质失活。乙醇是一种众所周知的蛋白质变性剂，主要归因于其破坏稳定蛋白质结构的疏水相互作用。它被归类为疏水结构形成溶质，可诱导蛋白质 unfolding；例如，乙醇对氨基酸（亮氨酸、甘氨酸）的影响和蛋白质变性机制已有文献记载（Castronuovo 等，1999）。醋酸是体外研究中另一种常用的变性剂。醋酸可通过氢键直接与蛋白质相互作用，导致天然结构丧失；Borkar 等（2012）证明醋酸通过直接结合相互作用导致 HIV-1 蛋白酶变性。这些发现表明，将此类变性剂纳入表面材料有助于分解接触表面的蛋白质（包括病毒蛋白或过敏原），从而中和其有害影响。静电纺丝提供了一个多功能平台，可制造纳米级纤维垫，可用于各种应用的功能化，包括活性食品包装（Zhang 等，2023）、作为空气（des Ligneris 等，2019）或水（Ye 等，2022）过滤介质的膜，以及提供抗菌（Ng 等，2020）、抗病毒（Fahimirad 等，2021）和消毒特性（Lin 等，2023）的防护服，以及用于抵御 COVID-19 的口罩（De Sio 等，2021）。静电纺丝纳米纤维具有极高的表面积和孔隙率，这有助于与污染物相互作用。静电纺丝纳米纤维作为食品和生物医学应用的功能材料引起了越来越多的兴趣，因为他们的高比表面积、互联多孔结构和可调节的表面特性可以促进与活性化合物和生物分子的相互作用。特别是，静电纺丝使得开发活性食品包装系统成为可能，其中纤维架构和聚合物组成可以定制以提供抗菌、抗氧化、阻隔和控制释放功能（Min 等，2022）。已知各种溶液和工艺参数会影响静电纺丝工艺和所得纳米纤维的形态（Okutan 等，2014）。例如，溶液电导率、粘度和表面张力均影响纤维的形成和直径。食品级生物聚合物及其共混物已被静电纺丝用于封装生物活性化合物，以改善食品质量和安全（Isik 等，2018；Najafi 等，2022）。聚乙烯醇（PVA）是一种合成聚合物，由于其水溶性、生物相容性和成膜性能，广泛用于静电纺丝。静电纺丝 PVA 纳米纤维垫已在食品和生物医学背景下作为活性物质的载体或过滤膜进行研究，但其固有的使蛋白质变性的能力尚未得到充分检查。然而，Ho 等（2017）指出，在哺乳动物无细胞表达系统中，添加 2% PVA（作为微胶囊化的表面活性剂）导致几种蛋白质聚集形成不溶性复合物，表明 PVA 在过量存在时可能会扰乱蛋白质折叠的微妙平衡，可能是通过与蛋白质分子广泛的氢键作用或排斥水，从而促进部分变性和随后的聚集。此外，Chen 等（2019）揭示 PVA（和添加的增塑剂）改变了活性包装膜中棉籽蛋白的二级结构，归因于与 PVA（和添加的增塑剂）的氢键相互作用削弱或破坏了蛋白质的分子间β-折叠键，有效地使一些有序区域变性。残留溶剂经常被困在静电纺丝纳米纤维中，并可能显著影响其特性和功能性（Contardi 等，2017；Martínez-Camacho 等，2011）。与其将这些残留物视为单纯的挥发性杂质，它们可能作为纤维垫的功能组分。例如，纳米纤维垫中保留的醋酸可以增塑纤维并充当抗菌剂，增强垫灭活微生物的能力。这表明残留的蛋白质变性溶剂（如醋酸或乙醇）可能有助于分解接触时的病原体蛋白质（Contardi 等，2017）。因此，了解不同残留溶剂如何影响纳米纤维垫的蛋白质变性能力至关重要（Sun 等，2023），并可以指导活性抗菌或抗病毒表面的设计（Contardi 等，2017）。尽管残留溶剂通常被视为不受欢迎的杂质，但其物理化学性质可能仍然适合后续加工应用。与其仅将残留溶剂视为工艺杂质，利用其在后续工艺中剩余的容量实现再利用，为资源增值提供了机会。直接将残留溶剂用作功能性加工剂代表了从废物管理方法向循环利用策略的转变。这种方法可能减少对新溶剂的需求，同时为残留工艺流增加价值。然而，残留溶剂在制造食品表面功能材料中作为功能剂的潜力相对未被探索（Conte 等，2023）。因此，探索它们在材料加工中的直接再利用可能提供一种将溶剂增值与功能材料发展相结合的实际策略。在本研究中，使用含有不同溶剂（水、醋酸或乙醇）的溶液对 PVA 进行静电纺丝，以生产纳米纤维垫。目标有两个方面。首先，表征所得 PVA 纳米纤维垫的形态和物理化学性质。其次，研究残留溶剂类型（水、醋酸、乙醇）对其分解氨基酸能力的影响。使用标准氨基酸混合物作为蛋白质残留的模型，以定量评估变性或降解效力。通过将变性溶剂整合到纤维基质中，我们旨在创建一种功能性垫，该垫可能破坏表面的蛋白质（如病毒刺突蛋白或食品过敏原），有助于改善食品加工环境中的卫生状况。章节摘要材料聚乙烯醇（PVA）（分子量；44,050 g/mol）购自 Zag Industrial Chemicals（土耳其）。乙腈购自 Isolab（土耳其）。乙醇（96%）购自 Aven Chemical（Tusba, Van, 土耳其）。醋酸和甲酸购自 Merck。氨基酸标准溶液（AAS18）：丝氨酸（SER）、苏氨酸（THR）、甘氨酸（GLY）、丙氨酸（ALA）、精氨酸（ARG）、脯氨酸（PRO）、缬氨酸（VAL）、蛋氨酸（MET）、异亮氨酸（ILE）、亮氨酸（LEU）、苯丙氨酸（PHE），供料溶液特性与纳米纤维形态表 1 总结了不同溶剂中 8% PVA 静电纺丝供料溶液的性质。PVA 溶液的电导率被发现强烈依赖于溶剂组成，水溶液、醋酸和乙醇之间存在显著差异。水溶液 PVA（溶液 1）具有最高的电导率（0.46 ± 0.00 mS/cm），而富含醋酸溶液（溶液 2）显示最低的电导率（0.08 ± 0.01 mS/cm）。溶液 1 表现出相对结论在这项工作中，我们使用不同溶剂制备了 PVA 纳米纤维垫，并证明纤维中截留的残留溶剂可以显著影响垫的功能性能破坏氨基酸。在测试的溶剂中，醋酸残留表现出可检测氨基酸峰的最大减少，表明所得垫具有很强的蛋白质变性能力。乙醇残留有中等影响，而水（无化学变性剂）有CRediT 作者贡献声明**Filiz Altay:** 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，监督，软件，资源，项目管理，方法论，资金获取，数据整理，概念化。**Elif Alaka?:** 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。**Rukiye Yi?it:** 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。**Sundaram**出版同意所有作者均已提供同意发表本稿件的许可。伦理批准与参与同意本研究不适用。资助本研究得到了伊斯坦布尔理工大学科学研究项目协调单位（ITU, BAP，项目编号：43654）的支持。竞争利益声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文报告的工作。致谢本研究得到了伊斯坦布尔理工大学（ITU）校长科学研究项目协调单位和威斯康星大学麦迪逊分校的国际合作项目（项目编号：43654）“以 furin 为食品接触材料制造纳米纤维垫以破坏刺突蛋白”的支持。作者非常感谢这种支持。Altay 博士、Alaka? 女士和 Yi?it 女士感谢 Bildik 博士传授用于氨基酸分析的 HPLC 方法。Filiz Altay|Elif Alaka?|Rukiye Yi?it|Sundaram Gunasekaran|Zafer Ceylan