酪蛋白作为牛奶蛋白的主要成分，具有良好的亲水性、生物相容性和功能性，在食品包装、组织再生、药物递送及化妆品等领域应用广泛。静电纺丝技术是制备纳米纤维的常用方法，可通过调控工艺参数、溶液特性和环境条件来定制纳米纤维的物理机械属性。然而，酪蛋白的低分子量和自聚集特性限制了其静电纺丝性能。κ- 卡拉胶是一种源自海藻的多糖，常被用作食品增稠剂和稳定剂。美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在《Food Hydrocolloids》期刊发表了关于κ-卡拉胶/酪蛋白纳米纤维的最新研究成果。该研究发现，添加 κ- 卡拉胶有望改善酪蛋白纳米纤维的性能，因此探究两者之间的相互作用及对纳米纤维性能的影响具有重要意义。

一、实验方法

1.1静电纺丝原液的制备

首先探索 κ- 卡拉胶在乙醇 / 水体系中的活化条件，初步实验表明其在 40 - 50% 乙醇水溶液中，加热至 60 - 80°C 时展现出较强的增稠 / 凝胶特性。随后，通过改变分散和混合温度（20°C 或 60°C），制备不同组合的 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白静电纺丝原液。同时，调整 κ- 卡拉胶在静电纺丝原液中的含量（0 - 2 wt%），研究其对纳米纤维性能的影响。

1.2 表征方法

运用多种仪器对静电纺丝原液及纳米纤维进行全面表征。使用 HR - 3 混合流变仪测量表观粘度，利用 pH 和电导率仪测定 pH 和电导率，采用 du Nouy 环精密张力计测量表面张力。借助扫描电子显微镜（SEM）观察纳米纤维的表面形态，使用 Image J 软件分析纤维直径、珠粒数量和面积等参数。通过表面面积分析仪测定纳米纤维的比表面积，运用差示扫描量热法（DSC）研究固体分散体的热性能，利用动态机械分析仪（DMA）测试纳米纤维的准静态力学性能。

二、实验结果与讨论

2.1 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白分散体特性及 EMs 的形态属性

κ- 卡拉胶在水体系中的活化条件已明确，但在含乙醇的分散体系中尚无定论。研究发现，κ- 卡拉胶在 50% v/v 乙醇 / 水混合物中的物理外观和表观粘度受浓度和温度影响显著。例如，0.3 - 0.4 % w/v 的 κ- 卡拉胶分散体加热至 80°C，冷却至 20°C 时会发生凝胶化。乙醇含量和温度的变化会改变 κ- 卡拉胶分散体的物理属性，这归因于溶剂化和氢键相互作用的改变。

制备和混合酪蛋白与 κ- 卡拉胶分散体的温度对静电纺丝纤维质量影响重大。当两者均在 60°C 制备并混合时，可获得沉积量最大、珠粒缺陷最少的静电纺丝纤维（图 1）。而在其他温度条件下制备和混合，会导致纤维变粗、珠粒增多、纤维间孔隙率增大等问题。这表明温度对酪蛋白聚集体的部分分散及 κ- 卡拉胶的构象转变至关重要，进而影响两者之间的相互作用和纺丝性能。

2.2 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白 EMs 的形态属性

随着 κ- 卡拉胶含量增加，静电纺丝原液的表观粘度和电导率升高。κ- 卡拉胶含量的变化对纳米纤维的形态产生显著影响（图 2）。不含 κ- 卡拉胶（K - 0）的 EMs 珠粒缺陷最多，平均纤维直径最小。当 κ- 卡拉胶含量为 1 wt%（K - 1）时，珠粒数量和面积达到最小值，平均纤维直径增大，比表面积增加。进一步增加 κ- 卡拉胶含量至 2 wt%，珠粒数量和面积再次增加，表面面积减小。这是由于 κ- 卡拉胶含量的变化会改变表面张力和相分离情况，从而影响纳米纤维的形态。

3.3 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白 EMs 的准静态机械性能

不含 κ- 卡拉胶的酪蛋白 EMs 质地脆，难以从铝箔上剥离，未对其机械性能进行评估。随着 κ- 卡拉胶含量从 0.5 wt% 增加到 1 wt%，弹性模量增加约 3 倍，拉伸强度增加 2 倍。K - 1 EMs 的珠粒缺陷显著减少，这有助于提升其机械性能。然而，当 κ- 卡拉胶含量进一步增加到 2 wt% 时，弹性模量和拉伸强度下降，断裂伸长率也大幅降低（图 3）。这表明适量的 κ- 卡拉胶可增强纳米纤维的机械性能，但过量添加会导致性能下降。

3.4 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白 EMs 的吸水性

不含 κ- 卡拉胶的酪蛋白 EMs（K - 0）在最初 5 h 内迅速吸附约 35 wt% 的水分，48 h 后最终水分含量达到约 56%。含 κ- 卡拉胶的静电纺丝垫在 48 h 内持续快速吸附水分，其中 1 wt%κ- 卡拉胶的 EMs 吸水性最强，48 h 时吸水率达到 140 wt%（图 4）。这与 1 wt%κ- 卡拉胶的 EMs 具有最大比表面积有关。吸水后，纤维会发生融合和膨胀，不同 κ- 卡拉胶含量的 EMs 表现出不同的形态变化。

3.5 固体 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白分散体的热行为

DSC 曲线显示，冷冻干燥的 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白固体分散体在 80 - 120°C 范围内存在一个宽的吸热峰，该峰归因于固体中水分的蒸发，峰温度（Tendo）与聚合物 - 水相互作用的能量有关。在所有 κ- 卡拉胶浓度下，60°C 制备的固体分散体的转变温度均高于 20°C 制备的，且焓变（ΔHendo）更低（图 5）。这表明在 60°C 混合时，κ- 卡拉胶以无序单链形式与酪蛋白结合，而在 20°C 混合时，κ- 卡拉胶可能以双螺旋构象存在。

四、研究结论

通过本研究可知，使用 50%（v/v）乙醇 / 水混合物，在 pH 10、混合温度 60°C 的条件下制备含 1 wt%κ- 卡拉胶（相对于总聚合物）的 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白分散体，可形成珠粒缺陷最少（2×10−3/μm2）、纤维间孔隙率为 52% 的 κ- 卡拉胶 / 酪蛋白 EMs。1 wt%κ- 卡拉胶 / 酪蛋白 EMs 的最大强度可达 0.2 MPa，模量为 12.4 MPa，结构稳定性良好。

研究结果表明，形成酪蛋白 / 卡拉胶静电纺丝纤维的机制包括：利用环境刺激促进酪蛋白与 κ- 卡拉胶的相互作用，使酪蛋白蛋白质聚集体解离为较小聚集体或单体，同时促使 κ- 卡拉胶从螺旋天然构象转变；使用低 κ- 卡拉胶相对含量可最大化酪蛋白与 κ- 卡拉胶的相互作用，而较高的多糖相对含量会促进多糖 - 多糖相互作用，产生机械性能较差的粗纤维。本研究成功制备了含酪蛋白 > 98 wt% 的独立 EMs，为其在食品、化妆品、包装和生物医学等领域的应用提供了理论依据和技术支持。未来研究可进一步拓展该纳米纤维在实际应用中的性能优化和功能拓展，推动相关领域的发展。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110855