《Industrial Crops and Products》：Modified hemp protein with fatty acid chloride, an innovative biopolymer for sustainable bioplastic development
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石油基塑料因其成本低廉、可塑性好、可印刷性强且耐受机械应力和环境条件而被广泛用于包装领域，然而其在热和光氧化作用下会向包装食品释放有害化合物，且缓慢的降解性及降解过程中释放的有害化学物质已成为环境污染的主要诱因，对海洋生物及生态系统造成严重威胁。尽管人们对塑料
石油基塑料因其成本低廉、可塑性好、可印刷性强且耐受机械应力和环境条件而被广泛用于包装领域，然而其在热和光氧化作用下会向包装食品释放有害化合物，且缓慢的降解性及降解过程中释放的有害化学物质已成为环境污染的主要诱因，对海洋生物及生态系统造成严重威胁。尽管人们对塑料污染的认识不断提高，塑料产量仍在持续增长，因此开发具备生物相容性和生物降解性的可持续替代材料至关重要。生物聚合物（biopolymer）作为从天然来源获得的环境友好型材料，已成为包装领域的研究热点。植物蛋白因其低成本、丰富性、成膜能力和可生物降解性而适用于生物塑料生产，其中工业大麻（*Cannabis sativa* L.）蛋白引起越来越多的关注。大麻蛋白（hemp protein, HP）提取自榨油副产物油籽饼，具有良好的成膜能力和丰富的氨基酸组成，但蛋白基薄膜的力学强度和水阻性仍逊于合成塑料，故需通过化学改性提升其功能性。本研究采用Schotten–Baumann反应，以癸酰氯（decanoyl chloride, DC）作为中链脂肪酸对大麻蛋白进行酰化改性，并将改性蛋白通过流延法（casting method）制备生物塑料薄膜，系统研究了不同酰化浓度对薄膜力学性能、光学性能、热学性能、阻隔性能和形态学性能的影响。研究人员通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了大麻蛋白的成功改性；使用邻苯二甲醛（OPA）法测定了改性程度，结果表明当DC浓度为7.5 mM/g时，改性程度达到60.53%。改性后的HP基生物塑料薄膜水敏感性显著降低，水蒸气透过率（WVP）随改性浓度增加而降低，接触角增大，疏水性提升。力学测试表明，改性薄膜的拉伸强度（TS）和杨氏模量（YM）显著提高，其中5 mM/g DC改性的薄膜相对于未改性样品刚度提高两倍；断裂伸长率（EB）随改性浓度增加而增加，玻璃化转变温度（Tg）从对照样品的?41 °C降至?55 °C，表明酰化反应对蛋白质网络产生了增塑效应。扫描电子显微镜（SEM）分析显示改性薄膜表面更光滑、孔洞更少、结构更致密。热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）表明5 mM/g DC改性的薄膜热稳定性最佳。土壤掩埋降解实验表明，所有薄膜在40天后均降解超过60%，证实了HP基薄膜的可生物降解性，与掩埋期间保持完整的低密度聚乙烯（LDPE）形成鲜明对比。该研究结果表明，酰化改性是提升大麻蛋白基生物塑料综合性能的有效策略，改性后的HP基生物塑料可望作为传统塑料的环保替代品，在可持续包装、农用覆盖膜和药用包衣等领域具有广阔的应用前景。
## 论文解读
### 一、研究背景与问题
石油基塑料因其价格低廉、易加工、耐机械应力和环境耐受性而被广泛用于包装行业，但其热氧化和光氧化过程会向食品释放有害物质，且这类材料降解缓慢，降解过程释放的危险化学品也造成严重的环境污染。海洋生物尤其易受影响，每年超过10万只动物因塑料缠绕或误食而死亡，塑料中的有毒化学物质进入食物链后可导致生殖和免疫系统损伤。尽管人们对塑料污染的意识不断增强，塑料产量仍在持续增长，低效的废物管理体系进一步加剧了环境污染、温室气体排放和生物多样性丧失。当前全球已有60多个国家实施限塑政策，根据Mordor Intelligence Research and Advisory（2024）预测，全球生物聚合物产量到2025年预计达到1258万吨。在众多生物聚合物中，植物蛋白因成本低、来源丰富、成膜性好和可生物降解等优势受到关注。工业大麻蛋白（HP）提取自油籽饼这一榨油副产物，其蛋白含量为34%–47.9%，特别是富含精氨酸、谷氨酸和含硫氨基酸的球蛋白和白蛋白具有良好的成膜潜力。然而，蛋白基薄膜的机械强度和水阻性仍低于合成塑料，限制了其应用。蛋白质的分子结构可以通过物理和化学方法进行修饰以增强其功能。酰化反应（acylation）是一种常见且有效的蛋白质化学改性方法，通过酰基基团与氨基的缩合反应实现。此前已有研究对菜籽蛋白、豌豆蛋白、大豆蛋白、黑麦蛋白和玉米醇溶蛋白等植物蛋白进行了脂肪酸氯化物的酰化改性，但鲜有研究涉及HP基薄膜，且据研究人员所知，尚无针对大麻蛋白的化学酰化改性及其成膜理化性质研究的报道。因此，本研究旨在通过Schotten–Baumann反应，使用葵酰氯作为中链脂肪酸对大麻蛋白进行酰化改性，并系统评估改性蛋白结构及所制备生物塑料薄膜的各项性能。
### 二、研究目的与主要技术方法
本研究的主要目的是：探究不同浓度DC（2.8、5、7.5 mM/g蛋白）对大麻蛋白酰化改性的效果；比较改性前后蛋白质的结构和分子相互作用；通过流延法制备蛋白基生物塑料薄膜，评价酰化改性对薄膜力学、光学、热学、阻隔和形态学性能的影响；评估薄膜在土壤中的生物降解性能。主要技术方法包括：碱提取-等电点沉淀法提取大麻蛋白；Schotten–Baumann反应进行酰化改性；邻苯二甲醛（OPA）法测定改性程度（degree of modification, DM）和蛋白质回收率；衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学结构和官能团变化；动态光散射（DLS）测定ζ-电位和粒径；万能拉力试验机测定拉伸性能；色度仪和紫外-可见分光光度计测定颜色和不透明度；称重法测定水分含量、溶解度、溶胀率和接触角及水蒸气透过率（WVP）；扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜微观结构；热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评价热性能；室内土壤掩埋实验测定生物降解率。样本来源方面，大麻蛋白粉购自英国大麻公司（The British Hemp Co., Warminster, UK），含50%蛋白。
### 三、主要研究结果
**1. 改性大麻蛋白的表征**
**改性程度、蛋白含量和蛋白回收率。** 通过OPA法测定显示，DC浓度从2.8 mM/g增加至7.5 mM/g时，改性程度从29.16%提高至60.53%，证实脂肪酸氯已成功接入蛋白质结构。蛋白含量从88.8%（未改性）降至76.5%（7.5 mM/g DC），蛋白回收率也从100%降至86.37%。这与Fetzer等人（2021）在菜籽蛋白和Qazanfarzadeh等人（2021）在黑麦蛋白酰化研究中的趋势一致。
**ζ-电位与粒径。** DLS测定表明，随着DC浓度增加，ζ-电位从?38.16 mV降至?45.62 mV，绝对值增大说明胶体系统稳定性提高；粒径先减小后增大，5 mM DC时粒径最小（319.49 nm），7.5 mM DC时粒径回升至378.12 nm，归因于大量酰基链的引入促进分子间疏水相互作用导致部分蛋白质聚集。
**FTIR光谱分析。** FTIR图谱显示改性前后谱图总体相似，但改性蛋白出现特征峰位移和强度变化：酰胺I带（1632 cm?1）、酰胺II带（1529 cm?1）及O–H/N–H伸缩峰的位置偏移和强度增大，证实蛋白质二级结构发生构象变化且–NH?基团参与了酰化反应；1700–1800 cm?1范围内未出现羰基伸缩峰，证明己烷洗涤成功去除了未反应的过量脂肪酸氯化物。
**2. 薄膜表征**
**力学性能与厚度。** 薄膜厚度无显著差异，说明无论蛋白是否改性均获得了均质薄膜。拉伸强度（TS）和杨氏模量（YM）在改性后显著提高，5 mM DC改性膜TS为3.9 MPa、YM为37.6 MPa，相比未改性膜（TS 2.1 MPa、YM 18.1 MPa）刚度提升约两倍；但7.5 mM DC时TS和YM略有下降，可能是过量引入的疏水基团干扰了氢键形成。断裂伸长率（EB）从206%（未改性）持续增加至384%（7.5 mM DC），表明酰化改性提高了薄膜柔韧性。
**颜色与光学性能。** 色度分析表明，随DC浓度增加薄膜L*值（亮度）从51.01增至58.18，a*值从14.49降至12.89，b*值无显著变化，总色差ΔE增大。不透明度从2.11增至3.33，归因于酰化导致薄膜交联更致密，有利于光敏产品的包装保护。
**水敏感性与阻隔性能。** 水分含量从28.76%（未改性）降至22.47%（7.5 mM DC），溶解度从43.82%降至30.12%，溶胀率从290%降至191%，水接触角从41.70°增至56.50°，WVP从2.17×10?1? g m?1 s?1 Pa?1降至1.34×10?1? g m?1 s?1 Pa?1。这些结果表明酰化反应通过消耗游离氨基、释放疏水性氨基酸残基并形成致密结构，显著降低了薄膜的水敏感性。但改性后的WVP仍高于LDPE（0.009×10?1? g m?1 s?1 Pa?1），水接触角也低于LDPE（70.66°），蛋白基薄膜在完全疏水性方面仍有提升空间。
**SEM微观形貌。** 表面图像显示未改性膜表面粗糙且存在较大孔洞，而改性膜表面更光滑均匀；截面图像显示改性膜的蛋白质基体结构更加致密、空隙更少，与WVP降低和力学性能提高的结果一致。
**TGA与DSC热性能。** TGA显示所有薄膜均有三个失重阶段（自由水蒸发90–120 °C、短链蛋白和甘油分解190–250 °C、蛋白链热降解280–550 °C）。5 mM DC改性膜的失重最低、Tonset最高（168.97 °C）、Tmax最高（310.07 °C）、残余焦炭最高（23.72%），热稳定性最佳；7.5 mM DC改性膜热稳定性反而下降，归因于过量疏水基团破坏蛋白紧密三级结构。DSC结果显示蛋白质变性温度（Td）从未改性的105 °C移至5 mM和7.5 mM DC改性膜的113 °C和118 °C，热稳定性增强；玻璃化转变温度（Tg）从?41 °C降至?55 °C，与EB增加趋势一致，表明结合脂肪酸对蛋白质基质产生了增塑效应。
**生物降解性。** 土壤掩埋实验显示，未改性膜10天后即失去结构完整性，而改性膜保持相对完整仅出现少量孔洞，说明酰化改性提高了薄膜抗微生物侵蚀能力。40天后所有薄膜均降解超过60%，而LDPE在实验结束时仍保持完整、无质量损失，证明HP基薄膜具备良好的土壤生物降解性。
### 四、总结与讨论
研究人员开展的酰化改性策略成功将脂肪酸氯化物共价结合到大麻蛋白分子上，有效改善了蛋白质基薄膜的综合性能：提高了力学强度和刚度、降低了水敏感性和水蒸气透过率、增强了热稳定性，同时保持了超过60%的土壤降解率。讨论部分指出，改性膜的性能改善主要归因于疏水酰基链的引入使蛋白质表面极性基团减少、疏水性增加，以及薄膜内部结构更致密。然而，过量改性（7.5 mM DC）会导致蛋白质过度聚集和热稳定性下降，因此5 mM/g DC被认为是最佳改性浓度。研究也指出了HP基薄膜工业化的挑战：大麻蛋白作为榨油副产物，其组成和功能特性随油提取方法和种子品种/产地变化较大，可能导致薄膜性能波动。未来应通过XRD和/或元素分析进一步深入了解酰化反应机理和薄膜结构，并使用原子力显微镜（AFM）研究薄膜表面形貌。
### 五、研究结论翻译
HP改性获得了成功，当蛋白质以7.5 mM/g的DC酰化时，改性程度达到60.53%，FTIR光谱中酰胺A（3284 cm?1）、酰胺I（1632 cm?1）和酰胺II（1529 cm?1）峰位的位移及其相应的强度变化也证实了这一点。蛋白质二级结构的改变及其极性基团在酰化反应中的参与，反映在水敏感性和疏水性的改善上。此外，扫描电子显微镜（SEM）分析显示，改性薄膜具有更光滑的表面和更小的孔隙，这导致水蒸气透过率降低，且5 mM/g HP基薄膜的刚度相比未改性样品提高两倍。DSC分析显示，玻璃化转变温度（Tg）随蛋白质改性程度的增加而降低，这导致链运动能力增强，从而在较高的蛋白质改性浓度下实现了更高的断裂伸长率。经40天土壤掩埋后，所有薄膜的降解率均超过60%，证实无论蛋白质改性程度高低，HP基薄膜均具有可生物降解性。这些发现凸显了HP基生物塑料作为传统塑料环保替代品的潜力，并说明了其在可持续包装、农用覆盖膜和制药领域的潜在应用价值。未来研究应通过XRD和/或元素分析以及AFM分别深入了解酰化反应和薄膜结构；此外，HP基薄膜工业化生产的主要挑战之一在于，由于HP是工业大麻籽油提取的副产物，其组成和功能特性可能随油的提取方法以及种子的品种/产地而存在较大差异。
