蛋白质-多糖双层膜：界面相互作用与功能特性的调控机制研究

《Biomacromolecules》：Protein–Polysaccharide Bilayer Films: Influence of Protein and Cross-Linker on Interfacial and Functional Properties

本综述系统探讨了酪蛋白/明胶与羧甲基纤维素（CMC）通过物理（静电作用）或化学（柠檬酸、BTCA交联剂）交联构建的双层膜体系。研究揭示了界面相互作用对机械性能（如拉伸强度）、阻隔特性（水蒸气渗透性WVP）和热稳定性的关键影响，其中单宁酸（TA）作为相容剂显著增强层间粘附力。该工作为生物基材料在可持续包装领域的应用提供了理论依据和技术路径。

1. 1.
   引言
   天然聚合物（如蛋白质和多糖）衍生的薄膜作为化石基和非生物降解聚合物的实用替代品，因其可生物降解性和丰度受到广泛关注。蛋白质（如明胶和酪蛋白）与多糖（如羧甲基纤维素CMC）通过静电作用和氢键结合，可形成功能互补的双层结构。然而，高成本和有限的可扩展性限制了其大规模生产。多层结构材料、聚合物共混、添加剂和规模化加工等策略可提高成本效益并优化性能。双层膜结合了多糖的机械强度和蛋白质的疏水特性，在食品包装等领域具有应用潜力。有效界面相互作用对于确保层间粘附力和材料性能至关重要，在某些情况下需要相容剂（如单宁酸TA）增强组分间亲和力。
2. 2.
   材料与方法
   2.1. 材料
   使用羧甲基纤维素钠盐（CMC）、明胶（GEL）、酪蛋白钠盐（CA）、甘油、单宁酸（TA）、1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）、柠檬酸、次磷酸钠（SHP）和五水硫酸铜等试剂，所有实验均使用超纯水。

2.2. 成膜溶液

CMC层通过将聚合物溶解在水中制备2 wt%溶液，添加交联剂（柠檬酸或BTCA）和催化剂次磷酸钠（重量比2:1），相容剂TA（5 wt%）和甘油（15 wt%）后搅拌。蛋白质层将酪蛋白或明胶溶解为20 wt%溶液，添加甘油（30 wt%）并调节pH值（酪蛋白pH>8，明胶pH 3.0/4.5/8.0）。

2.3. 双层膜的连续流延

通过KTF-S涂布机分两步制备自支撑蛋白-CMC薄膜：先将CMC溶液流延至聚酯基材，经95°C烘箱干燥后，再流延蛋白质层（70°C干燥）。薄膜根据组分标记为GEL_pH3-CMC_C、CA-CMC_B等。

2.4. Zeta电位测量

使用ZEN 3600仪器在pH 2-11范围内测量0.1 wt%水溶液的表观Zeta电位。

2.5. 流变学分析

通过MCR 301流变仪在25°C下分析剪切粘度与剪切速率（0-1000 s^-1）的关系，计算流动指数（n）。

2.6. 石英晶体微天平与能量耗散（QCM-D）测量

依次注入水、蛋白质溶液、水冲洗、CMC溶液和水，监测频率和耗散变化以评估分子间亲和力。

2.7. 定性分层测试

使用高粘性胶带手动剥离双层膜样本，观察分层情况。

2.8. 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）

通过JMS 6510显微镜观察薄膜截面和表面形貌，样本经液氮脆断和铂涂层处理。

2.9. 平衡水分含量（EMC）

将样本置于90%相对湿度环境中24小时，通过质量变化计算EMC。

2.10. 水蒸气渗透性（WVP）

基于ASTM E96-80的重量法，测量水蒸气透过率并计算WVP。

2.11. 水接触角

通过座滴法测量薄膜表面润湿性，计算60秒内的平均接触角。

2.12. 机械性能

根据ASTM D638-14进行单轴拉伸试验，测定拉伸强度（TS）、断裂伸长率（EB）和弹性模量（E）。

2.13. 热重分析（TGA）

使用Q500仪器在25-500°C范围内（10°C·min^-1）分析热降解行为。

2.14. 统计分析

通过ANOVA和Tukey检验（p=0.05）进行数据显著性分析。

1. 3.
   结果与讨论
   3.1. 水溶液中分子间相互作用研究
   CMC在pK_a以上带负电（ζ电位-10 mV），明胶溶液在pH 3（正电）、4.5（中性）和8（负电）下呈现不同电荷特性。流变学显示明胶溶液在pH 3和8接近牛顿流体，而pH 4.5和酪蛋白溶液呈现假塑性。QCM-D表明CMC与明胶在pH 8时亲和力最高（Δf=-107 Hz），静电吸引力并非主要作用机制，蛋白质构象和疏水区域暴露更关键。

3.2. 双层膜中的界面相互作用

明胶-CMC薄膜层间粘附紧密，无法手动分离，而酪蛋白-CMC体系（CA-CMC_C和CA-CMC_B）易分层。添加TA后（CA-CMC_BT）层间粘附力显著增强。SEM显示明胶-CMC截面均匀连续，酪蛋白-CMC存在明显界面线，但无裂纹或气泡。

3.3. 双层膜的物理化学性质

明胶-CMC体系的EMC约为5%，低于酪蛋白-CMC（30.7%）。GEL_pH3-CMC_C的WVP比中性pH体系低30%。BTCA交联的CMC层（CA-CMC_B）WVP降低20%，但EMC升高25%。TA的加入（CA-CMC_BT）同时降低WVP和EMC。接触角测量显示蛋白质面（约75°）比CMC面（35-46°）更疏水，BTCA交联使CMC面接触角增至81°。机械测试中明胶-CMC薄膜拉伸强度达20 MPa，酪蛋白-CMC因分层而性能下降。热重分析表明明胶-CMC的热稳定性（T_deg≈250°C）高于酪蛋白-CMC（≈230°C）。

1. 4.
   结论
   通过连续流延成功制备了明胶/酪蛋白-CMC双层膜，系统研究了界面相互作用。明胶-CMC体系具有强层间粘附、低吸湿性和良好机械性能，适用于食品包装。酪蛋白-CMC需借助TA实现有效粘附，交联剂选择影响阻隔性和力学性能。未来可通过表面改性和疏水添加剂进一步提升材料性能，推动生物基材料在循环经济中的应用。