花生分離蛋白-聚乳酸共混溶液性質(zhì)及靜電紡絲納米纖維形貌的研究

姚 飛，陳復生

河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

相較于傳統(tǒng)紡絲方法，靜電紡絲技術能夠制備出連續(xù)的直徑為微米級甚至納米級的纖維，近年來日益受到關注。靜電紡絲主要原理是通過施加電壓的噴嘴使聚合物溶液表面帶有分布均勻的電荷[1]，當電場強度足以克服聚合物溶液的表面張力時，就會形成射流向反電極方向移動。在液體射流運動期間，溶劑蒸發(fā)，有固體纖維以無規(guī)則取向的非織造墊的形式沉淀在電極上[2-4]。靜電紡絲技術最主要的優(yōu)點是操作簡便、成本低廉，同時還可以控制纖維直徑、表面積、高寬比等，此外，在紡絲液里加入各類功能活性物質(zhì)，可以在多個領域發(fā)揮作用[5]。傳統(tǒng)上通常利用合成聚合物進行紡絲，隨著環(huán)境與資源的壓力日益加大，越來越多的研究集中于天然聚合物的紡絲。由于天然聚合物具有可再生和可持續(xù)的特性，從這些來源獲得的纖維同時具有生物相容性和生物降解性，這使得諸如多糖和蛋白質(zhì)之類的天然聚合物成為靜電紡絲的理想材料[6]。在食品工業(yè)中，天然聚合物纖維不僅可作為活性包裝材料，實現(xiàn)抗菌、抗氧化等功能，還可以作為保健品或藥物的包衣材料，應用于胃腸道的控制釋放[7]。

以蛋白質(zhì)[8]和多糖[9]等天然聚合物作為原料，通過靜電紡絲技術制備的納米纖維不僅具有納米纖維的各種性能優(yōu)勢，還有良好的安全性和降解性?；ㄉ蛛x蛋白是重要的天然蛋白，來源十分豐富，且可加工性、生物降解性以及生物相容性等性能都非常好，可以用作靜電紡絲的蛋白原料。靜電紡絲技術在玉米醇溶蛋白[10]、大豆蛋白[11]、膠原蛋白[12]、乳清蛋白[13-14]等中的應用研究較多，然而關于花生分離蛋白(PPI)的靜電紡絲納米纖維的研究尚少。由于蛋白質(zhì)復雜的二級和三級結(jié)構(gòu)，直接用蛋白進行靜電紡絲比較困難[15]，而且所得納米纖維的機械強度比較差，難以實際應用，常將蛋白質(zhì)與一些有機聚合物混合進行靜電紡絲。因此，本研究旨在以花生分離蛋白為原料，采用靜電紡絲方法制備納米纖維，為其在食品包裝、空氣過濾、創(chuàng)傷敷料、組織工程等領域的潛在應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花生：正陽縣三農(nóng)種業(yè)有限公司；聚乳酸：醫(yī)療級，Mw=100 000，濟南岱罡生物科技有限公司；石油醚：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；六氟異丙醇(HFIP):上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設備

分析天平(BS210S)：德國Sartorius公司；全自動液壓榨油機(6YZ-180):鞏義市天元機械有限公司；恒溫數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋(FJS-6):常州市頂新實驗儀器公司；冷凍干燥機(LGJ-25C):四環(huán)福瑞科儀科技發(fā)展(北京)有限公司；表面張力計(DCAT21):德國Dataphysics公司；數(shù)顯電導率儀(DSS-11 A):上海晶磁儀器有限公司；哈克流變儀(DHR-1):美國TA儀器公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7800F):日本JSM公司；靜電紡絲機(DF02):佛山輕子精密測控技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 花生分離蛋白的提取

利用液壓榨油機將花生在室溫、55 MPa的壓力下壓榨65 min，獲得冷榨花生餅；花生餅粉碎后經(jīng)石油醚脫除殘余油脂，過80目篩得脫脂花生粉(DPF)。參考矯麗媛等[16]的方法并稍做調(diào)整。將DPF與蒸餾水以1∶10(g/mL)的料液比均勻混合，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至9.0，在50 ℃下攪拌100 min后，于4 000g轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液，再利用1 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)上清液pH至花生蛋白等電點，攪拌30 min，于4 000g轉(zhuǎn)速下離心20 min，下層沉淀水洗至中性，冷凍干燥后得PPI。

1.3.2 紡絲共混溶液的制備

用天平稱取適量的花生分離蛋白(PPI)和聚乳酸(PLLA)，按照質(zhì)量比1∶1混合，以六氟異丙醇為溶劑，配制質(zhì)量濃度為0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 g/mL的紡絲溶液，45 ℃下水浴，攪拌12 h，得到PPI-PLLA共混溶液。

1.3.3 電導率和表面張力測定

在室溫下，采用數(shù)顯電導率儀(電極常數(shù)1.0)，用蒸餾水先將電導率儀進行校準，然后將電極插入待測溶液，待穩(wěn)定后讀取數(shù)值即為溶液電導率。采用Wilhelmy平板法，用表面張力計測定溶液表面張力。

1.3.4 黏度的測定

采用哈克流變儀測定在25 ℃下黏度隨剪切速率的變化。選擇平行板間距0.2 mm,直徑為25 mm的平行板測試系統(tǒng)，剪切速率為0.1～1 000 s-1。

1.3.5 靜電紡絲

將配制好的PPI-PLLA共混溶液倒入10 mL注射器中，之后在注射泵上安裝好注射器，進行高壓電源和針頭的連接，適當?shù)卣{(diào)整接收滾筒與針頭間距。相關的測試參數(shù)包括: 紡絲速度0.6 mL/h，電壓16 kV，針尖與接收滾筒間距12 cm，環(huán)境的濕度45%～50%，紡絲溫度25 ℃。最后將收集到的纖維膜置于常溫干燥箱中干燥備用。

1.3.6 納米纖維膜的形貌表征

通過掃描電子顯微鏡觀察不同質(zhì)量濃度的PPI-PLLA 納米纖維膜的表面形貌特征。每幅圖像的最大施加電壓為5 kV，放大倍數(shù)3 000。選用Image Plus Pro 6作為SEM圖像的分析軟件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果采用3次平行試驗的平均值±標準差表示。同時使用SPSS 20數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析，P≤0.05表示差異顯著，用Origin 8.5進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對電導率、表面張力的影響

在靜電紡絲條件一定的情況下，根據(jù)表1可知，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的升高，表面張力在16.81～18.31 mN/m之間，無明顯變化，這是因為溶液表面張力只與溶劑組成有關[17-20]。隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度升高，溶液電導率降低。這主要是由于蛋白質(zhì)中氨基酸上的氨基帶有正電，在提高溶液的質(zhì)量濃度后會降低蛋白質(zhì)展開程度。此外，聚乳酸質(zhì)量濃度增加，聚乳酸與蛋白之間的相互作用導致蛋白本身的聚電解質(zhì)特性降低。研究表明，提高聚乳酸的質(zhì)量濃度會增加溶液黏度，電導率減小，溶液具有更好的可紡性，從而獲得缺陷少甚至無缺陷的纖維產(chǎn)物[21-23]。

表1 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對電導率、表面張力的影響

2.2 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對黏度的影響

圖1是質(zhì)量濃度為0.06～0.14 g/mL的PPI-PLLA共混溶液的黏度隨剪切速率的變化。根據(jù)圖1可知，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加，溶液的表觀黏度增高，當質(zhì)量濃度為0.06 g/mL時，溶液的表觀黏度最??；質(zhì)量濃度為0.14 g/mL時，溶液表觀黏度最大。PPI-PLLA共混溶液的黏度隨著剪切速率的增大明顯下降，可以觀察到溶液出現(xiàn)明顯的剪切變稀現(xiàn)象，呈現(xiàn)較為典型的非牛頓流體特征。這主要是因為PLLA大分子中存在著比較多的纏結(jié)點，當提高剪切速率之后，對于分子間的纏結(jié)點而言，其破壞速率將會超過它的重建速率，從而降低了剪切黏度。

圖1 不同質(zhì)量濃度的PPI-PLLA共混溶液黏度-剪切速率對數(shù)曲線

2.3 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對靜電紡絲納米纖維形貌結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知，PPI-PLLA共混溶液除了質(zhì)量濃度為0.06、0.08 g/mL時，纖維牽伸不完全，成纖維能力差，存在串珠、纖維間發(fā)生粘連，其他質(zhì)量濃度的成纖性能較好,纖維具有較為光滑的外表面，不存在串珠，具有較好的牽伸效果。5種不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液制得的納米纖維的平均直徑和變異系數(shù)如表2所示。

從表2可以看出，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加，納米纖維的平均直徑逐漸增加。共混溶液除了質(zhì)量濃度為0.06、0.08 g/mL時，所制備的納米纖維會發(fā)生明顯的粘連現(xiàn)象，分布均勻性較低，而用其他質(zhì)量濃度的共混溶液來進行靜電紡絲，獲得的纖維具有較為均勻的直徑。對于靜電紡絲技術而言，共混溶液質(zhì)量濃度是非常重要的一個影響因素。共混溶液的質(zhì)量濃度越大，其表觀黏度將會越高(如圖1所示)，所得納米纖維的直徑及形貌都會受到溶液黏度的顯著影響。共混溶液質(zhì)量濃度不超過其臨界值，則其中的分子鏈將無法發(fā)生有效纏結(jié)[24]，導致溶液紡絲困難；當超過該臨界纏結(jié)質(zhì)量濃度之后，分子鏈間才能夠緊密地纏結(jié)，通過靜電作用得到泰勒錐，最終制得連續(xù)性較高的纖維[25]。隨著共混溶液質(zhì)量濃度的提高，其中的高分子鏈將會發(fā)生顯著的纏結(jié)，相應地提升了溶液黏度，同時減少了串珠結(jié)構(gòu)，在不同的纖維間沒有粘連現(xiàn)象發(fā)生，相同流量下溶液的溶質(zhì)也變多，納米纖維平均直徑逐漸增大。另外，隨著共混溶液質(zhì)量濃度的增加，溶劑含量減少，在紡絲過程中噴射流的揮發(fā)量減小，這也是纖維直徑較大的原因[26]。當PPI-PLLA共混溶液的質(zhì)量濃度在0.10～0.14 g/mL之間，可紡性較好。而在較低質(zhì)量濃度下纖維直徑較小，然而，當共混溶液質(zhì)量濃度進一步降低時，微球開始出現(xiàn)在紡絲膜中，直到它們成為微球為止[27]。

圖2 不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液靜電紡絲納米纖維SEM圖

表2 不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液制備的納米纖維平均直徑及變異系數(shù)

3 結(jié)論

通過靜電紡絲技術成功地制備了PPI-PLLA納米纖維，分析了共混溶液的表觀黏度、電導率以及表面張力等溶液性質(zhì)以及纖維微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，溶液黏度增加和電導率降低，有助于形成形貌良好且直徑均勻的納米纖維。共混溶液質(zhì)量濃度在纖維形成條件中起關鍵作用。在一定范圍內(nèi)，當PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度小于0.10 g/mL時，溶液可紡性較差。大于0.10 g/mL時，纖維直徑會隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加而增大，從而確定最佳紡絲溶液的質(zhì)量濃度為0.10 g/mL。用此質(zhì)量濃度制備的納米纖維具有光滑的表面和分布均勻的直徑，有利于提高整個納米纖維的比表面積、孔隙率。本研究為納米纖維在食品包裝、空氣過濾、創(chuàng)傷敷料、組織工程等領域的潛在應用價值和前景奠定了理論基礎。