一、研究背景

近年來(lái)，由于可再生食品資源具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，相關(guān)研究廣泛關(guān)注其生物聚合物的應(yīng)用，以食品聚合物為基礎(chǔ)的納米纖維引起了人們的極大關(guān)注。這為魚類食品加工廢料（如魚皮、魚鱗和魚骨）創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@些廢料提供了豐富的天然聚合物 I 型膠原蛋白（COL）來(lái)源。I 型膠原蛋白是一種具有穩(wěn)定三螺旋結(jié)構(gòu)的天然聚合物，由三個(gè) α 亞基組成的右手三重超螺旋結(jié)構(gòu)組成。由于 COL 具有非免疫原性、良好的生物相容性和生物可降解性，生物醫(yī)學(xué)、制藥、食品和化妝品行業(yè)對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。I 型 COL 是器官和組織細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要結(jié)構(gòu)蛋白，在維持 ECM 的生物和結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并不斷重塑以實(shí)現(xiàn)生理功能。因此，以 COL 為基礎(chǔ)的材料目前在生物材料和食品包裝制造中備受青睞。

電紡絲已被廣泛用于制備量身定制的組織工程支架，因?yàn)楂@得的纖維將具有與組織中天然 ECM 相似的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征。這些電紡納米纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的可控形態(tài)，可以簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出直徑在亞納米到微米范圍內(nèi)的連續(xù)納米纖維，從而模仿天然 ECM 的結(jié)構(gòu)。因此，作為原生 ECM 的主要成分，將 COL 電紡絲制成支架的方法日益受到關(guān)注。

要通過(guò)電紡絲制造 COL 支架，COL 必須在一定程度上變性，才能溶解并生成可電紡絲的溶液。之前的研究報(bào)告稱，要獲得可紡材料，蛋白質(zhì)必須展開，產(chǎn)生隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)。為促進(jìn) COL 電紡納米纖維的形成，人們使用了揮發(fā)性強(qiáng)且易揮發(fā)的有機(jī)溶劑，如 1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇（HFP）和 2.2.2-三氟乙醇（TFE）。然而，這些溶劑具有腐蝕性和毒性，會(huì)破壞 COL 的天然結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致 COL 變性為明膠，從而產(chǎn)生明膠納米纖維而非 COL 納米纖維。報(bào)告稱，使用氟醇電紡 COL 會(huì)導(dǎo)致 α 鏈?zhǔn)軗p，三螺旋和纖維狀結(jié)構(gòu)被破壞，缺乏與明膠制備所得類似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或構(gòu)型順序。

 Liu、Teng、Chan 和 Chew報(bào)告稱，使用 HFP 只保留了 12.51 % 的 COL 三螺旋部分。Fiorani 等人也報(bào)告說(shuō)，使用 TFE 電紡 COL 納米纖維作為溶劑，僅保留了 16% 的三螺旋部分。此外，雖然有毒溶劑會(huì)在紡絲過(guò)程中揮發(fā)，但其殘留物可能會(huì)影響后續(xù)應(yīng)用。因此，使用環(huán)保、無(wú)害的溶劑系統(tǒng)進(jìn)行電紡絲對(duì)于保留 COL 的三螺旋結(jié)構(gòu)和納米纖維的后續(xù)應(yīng)用至關(guān)重要。這對(duì)醋酸來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，歐盟曾鼓勵(lì)將醋酸用作綠色溶劑，以取代有毒或有害溶劑。醋酸是一種環(huán)境友好型無(wú)毒溶劑，被公認(rèn)為安全（GRAS），可從纖維素生物質(zhì)（如農(nóng)業(yè)殘留物）中獲得。

因此，使用醋酸作為溶劑可能有助于促進(jìn)廉價(jià)和可再生原材料的開發(fā)。醋酸是一種常用的電紡絲溶劑，對(duì)納米纖維的制備有積極影響。Stie、Jones、Sorensen、Jacobsen、Chronakis & Nielsen（2019）的研究表明，使用乙酸作為溶劑制備的殼聚糖/聚環(huán)氧乙烷納米纖維可在水中保持 4 小時(shí)，并仍能保持其形狀和纖維結(jié)構(gòu)，而使用琥珀酸或檸檬酸作為溶劑則會(huì)導(dǎo)致殼聚糖/聚環(huán)氧乙烷納米纖維墊在水中保持 4 小時(shí)后解體。Han、Youk、Min、Kang 和 Park（2008 年）首次使用乙酸/水混合溶劑制備出了長(zhǎng)而均勻的醋酸纖維素（CA）納米纖維，他們的研究表明，增加乙酸在混合溶劑中的比例可增加 CA 納米纖維的直徑。Vu、Morozkina、Uspenskaya 和 Olekhnovich（2022 年）的研究表明，使用乙酸作為溶劑對(duì)制備的聚乙烯醇（PVA）納米纖維的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有影響，PVA 納米纖維的機(jī)械強(qiáng)度隨電紡絲溶液中乙酸濃度的增加而增加。因此，醋酸可用作分散 COL 的溶劑，用于制造 COL 基纖維。

普魯蘭（PUL）是一種微生物線性多糖，主要由重復(fù)的α-(1/6)連接麥芽三糖單元組成。PUL 是 GRAS 名單上的一種多糖，也可用作紡絲材料。PUL 還能與蛋白質(zhì)形成氫鍵，在電紡絲過(guò)程中，通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合，改變聚合物溶液的性質(zhì)，從而提高蛋白質(zhì)的可紡性。

因此，在本研究中，我們以乙酸為溶劑，通過(guò)電紡絲制備了魚類 COL/PUL 超細(xì)纖維。根據(jù)我們的假設(shè)，PUL 的引入將通過(guò)與 COL 形成氫鍵來(lái)改善電紡溶液的可紡性。我們研究了 COL 和 PUL 分子之間的相互作用（氫鍵），以及 COL 可紡性提高背后二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象的變化。此外，還對(duì) COL/PUL 超細(xì)纖維的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了表征。

二、摘要

膠原蛋白電紡纖維是一種很有前途的食品包裝和組織工程材料。然而，傳統(tǒng)的膠原蛋白電紡?fù)ǔＪ菍⑵淙芙庠谟卸镜挠袡C(jī)試劑中進(jìn)行的。本研究以醋酸為溶劑，通過(guò)電紡絲制備了膠原蛋白/普魯蘭（COL/PUL）超細(xì)纖維。與傳統(tǒng)制備方法相比，該方法安全且不會(huì)產(chǎn)生有毒溶劑殘留。PUL 的引入增加了溶液中分子的纏結(jié)程度，因此 COL/PUL 電紡溶液的粘度從 0.50 ± 0.01 Pa?s 增加到 4.40 ± 0.08 Pa?s ，電導(dǎo)率從 1954.00 ± 1.00 mS/cm 降低到 1372.33 ± 0.58 mS/cm。掃描電子顯微鏡分析證實(shí)，PUL 改善了 COL 的可紡性，在粘度大于 1.18 Pa?s 的條件下，成功制備出了光滑、無(wú)缺陷的 COL/PUL 超細(xì)纖維，直徑分別為 215.32 ± 40.56 nm 和 240.97 ± 53.93 nm。隨著 PUL 比例的增加，分子內(nèi)氫鍵成為 COL 和 PUL 之間的主要相互作用。分子間氫鍵含量從 52.05% 降至 36.45%，分子內(nèi)氫鍵含量從 46.11% 增至 62.95%。COL 逐漸展開，α 螺旋的含量從 33.57% 降至 25.91%，無(wú)規(guī)線圈從 34.22% 增加到 40.09%。COL/PUL 超細(xì)纖維保留了超過(guò) 36% 的 COL 三螺旋部分，而用 2.2.2-三氟乙醇制備的 COL 納米纖維僅保留了 16% 的 COL 三螺旋部分。這些結(jié)果可作為開發(fā)基于 COL 的綠色食品纖維的參考。

三、結(jié)論

本研究以 0.4 M 乙酸為溶劑，通過(guò)電紡絲成功制備了 COL/PUL 超細(xì)纖維。PUL的引入有利于增加COL和PUL的分子間纏結(jié)，從而提高了COL的可紡性，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)纖維形態(tài)由紡錘狀向光滑狀的轉(zhuǎn)變。隨著 COL 電紡溶液可紡性的提高，蛋白質(zhì)部分展開，三螺旋部分保留了 36% 以上。傅立葉變換紅外分析結(jié)果表明，加入 PUL 后，COL/PUL 超細(xì)纖維傾向于通過(guò)分子間氫鍵的斷裂形成分子內(nèi)氫鍵。此外，二級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，COL逐漸展開，α-螺旋和β-匝結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;-片和無(wú)規(guī)線圈結(jié)構(gòu)。

此外，超細(xì)纖維的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率與直徑和形態(tài)有關(guān)。光滑、無(wú)缺陷、小直徑的超細(xì)纖維具有出色的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率?？傊撗芯吭诓皇褂糜卸救軇┑那闆r下成功制備了 COL/PUL 超細(xì)纖維，并研究了改善可紡性的 COL 和 PUL 分子之間的相互作用，為開發(fā)基于 COL 的食品纖維提供了有用信息。

圖1.SDS-PAGE 圖樣。(1）蛋白質(zhì)標(biāo)記；（2）大鼠尾部膠原蛋白；（3）紅魟皮膚膠原蛋白。

圖2.(C1-3) 超細(xì)纖維在 16000 × 放大倍率下的掃描電鏡顯微照片。

圖3.16000 倍放大率下的（CP1-6）超細(xì)纖維的掃描電鏡顯微照片以及相應(yīng)的直徑分布直方圖。