源自微藻的螺旋藻蛋白作为卓越的电纺基质：结构与功能的深入理解及其在可食用包装薄膜中的应用潜力

《Algal Research》：Microalgae–derived Spirulina protein as a superior electrospinning matrix: Structure–function insights and potential for edible packaging films

螺旋藻蛋白与普鲁兰复合电纺薄膜的制备及性能优化研究，采用高纯度螺旋藻蛋白（SPP90）替代乳清蛋白（WPI），显著提升界面活性（Emulsifying Activity Index达WPI两倍）、流变特性及纤维可纺性，纤维直径194.9nm，薄膜硬度23.4N、咀嚼性16.3N，纯度差异导致SPP70薄膜机械性能下降。为可持续食品包装提供新型全生物基材料解决方案。

　　

陈张|陈静荣|胡东林|吴若宇|林泽欣

福州大学先进制造学院，中国福建省晋江362200

摘要

静电纺丝技术能够制备出具有高比表面积和可调纳米结构的可食用薄膜，然而许多与食品相关的系统仍然依赖于合成载体（例如聚乙烯醇或聚环氧乙烷）或动物蛋白（例如乳清蛋白分离物WPI），并且这些薄膜在机械性能上较为脆弱。本研究使用高纯度的螺旋藻蛋白（SPP90）和普鲁兰糖来制备完全符合食品级标准的静电纺丝薄膜，并发现SPP90在界面活性、流变行为和可纺性方面优于WPI，从而制备出致密、均匀且质地优良的薄膜。SPP90的乳化活性指数约为WPI的两倍，泡沫稳定性为90%，粘度为77,846 mPa·s，热诱导凝胶的储能模量（G′）为213 Pa，这些特性表明其具有强分子间网络结构。这些特点有助于提高溶液稳定性和静电纺丝性能。疏水性氨基酸的富集以及层状结构的形成可能增强了蛋白质-多糖的缠结，形成了密集的弹性网络，从而提高了纤维强度。与WPI相比，基于SPP90的薄膜硬度（23.4 N）和咀嚼性（16.3 N）显著更高，纤维形态也更为细小（平均直径194.9 nm），显示出明显的结构-功能协同效应。相比之下，低纯度螺旋藻蛋白（SPP70）中的残留色素和酸性多糖似乎干扰了链的排列和缠结，导致纤维不均匀且硬度（6.4 N）和咀嚼性（2.0 N）较低。这些发现表明螺旋藻蛋白是一种功能性强、无动物源成分的替代品，有望用于可持续的食品包装应用。

引言

由多糖和蛋白质等生物基材料制成的可食用薄膜已成为石油基聚合物包装的可持续替代品[1]。特别是农产品及其副产品是蛋白质、多糖和其他生物分子的丰富且可再生的来源，这些成分可作为可食用材料中的结构和功能成分，符合当前的绿色化学原则。最近在提取和纯化技术方面的进展使得天然色素、酚类化合物和半纤维素多糖（如胭脂红酸、芒果苷和阿拉伯木聚糖）能够被可持续地回收并应用于食品和材料系统[2]、[3]、[4]。这些发展突显了农基生物分子作为可食用薄膜和涂层可持续构建块的更大潜力。尽管如此，可食用材料必须具备足够的结构完整性和机械稳定性，以承受运输和储存过程中的外部应力。然而，传统的可食用薄膜（如明胶或乳清蛋白薄膜）通常具有较差的疏水性、不足的韧性以及由于分子间相互作用弱和相分离导致的机械性能不佳，这限制了它们满足现代食品工业对包装材料性能的要求[5]。

传统的制造方法如溶剂浇铸、挤出、喷涂和压缩成型被广泛使用，但这些方法伴随着较高的环境风险、能耗高和效率低[6]。相比之下，静电纺丝技术作为一种有前景的技术，能够制备出具有可调纳米结构和优异机械性能的纤维状可食用薄膜。该方法利用高电压静电场克服溶液表面张力，引发泰勒锥的形成和连续的纤维拉伸，从而形成具有三维网络结构的纳米纤维膜[7]、[8]。与浇铸或挤出相比，静电纺丝制备的薄膜具有更高的表面积、孔隙率和响应性[9]。然而，成功的静电纺丝过程严重依赖于原材料的兼容性：蛋白质的溶解度、流变性能和界面活性决定了纺丝的稳定性[10]、[11]。同时，蛋白质和多糖之间的协同作用以及对工艺参数（如电压、溶液导电性）的精确控制对于形成稳定的射流和均匀的纤维至关重要[12]、[13]。乳清蛋白分离物（WPI）因其两亲性和强大的成膜能力而被广泛使用[14]，但其动物源性限制了其生产成本和碳排放。此外，迄今为止报道的大多数静电纺丝薄膜仍然依赖聚乙烯醇（PVA）或聚环氧乙烷（PEO）等合成聚合物作为主要载体，而蛋白质仅作为次要添加剂[15]、[16]。这样的系统既不完全可食用，也不符合清洁标签的要求，限制了其在食品包装中的工业应用。即使在WPI-普鲁兰（PUL）这样的蛋白质-多糖系统中，WPI的球状结构和有限的链缠结也意味着普鲁兰主要贡献了粘度，而WPI对纤维稳定性的贡献很小。因此，尽管WPI-PUL薄膜得到了广泛研究[17]，但它们的机械性能仍然相对较弱。这些限制表明需要具有独特分子结构的替代蛋白质基质，以直接支持纤维的形成和膜的强度。

螺旋藻是一种天然微藻资源，其干重中含有60-70%的蛋白质，由于其独特的藻蓝蛋白-藻胆体复合结构和天然生物活性成分[18]、[19]，被认为是一种有潜力替代动物蛋白的功能性材料。先前的研究表明，由螺旋藻蛋白制成的静电纺丝纤维膜已被用于明胶或合成聚合物系统中，以制备具有抗氧化和抗菌活性的静电纺丝纤维膜[20]、[21]、[22]。然而，在这些系统中，螺旋藻蛋白主要作为功能性添加剂使用，而不是作为主导的结构基质，膜的结构完整性仍然依赖于明胶或合成聚合物载体。此外，由于界面兼容性有限和分子链缠结不足，螺旋藻蛋白的加入往往会影响机械性能。例如，将螺旋藻蛋白加入明胶薄膜中会导致拉伸强度和断裂伸长率分别降低15%和23%[23]。这可能是由于螺旋藻蛋白的流变和界面性能较差（如乳化、发泡作用）阻碍了分子链的缠结和蛋白质间的相互作用，从而导致薄膜易碎、结构不连续和弹性低。为了解决这些问题，本研究专注于通过静电纺丝制备完全天然的螺旋藻蛋白/PUL纤维膜，通过调整蛋白质纯度来优化溶液性能，并阐明这些性能如何影响可纺性、纤维形态和机械性能。

系统评估了不同浓度下螺旋藻蛋白的功能特性（如乳化、发泡、流变性能），以确定允许稳定静电纺丝和连续纤维形成的组成范围。随后，利用静电纺丝技术制备了螺旋藻蛋白/PUL复合薄膜。通过测量不同蛋白质纯度和多糖混合比例下的粘度和导电性来评估溶液的可纺性，并将薄膜的形态特征（纤维直径、均匀性）和质地与基于WPI的对照组进行比较，以验证螺旋藻蛋白的适用性。此外，还阐明了蛋白质功能（流变、乳化）与薄膜性能之间的关联机制。与依赖合成聚合物（如PVA、PEO）或动物蛋白（如WPI和明胶）的传统静电纺丝系统不同，本研究提出螺旋藻蛋白作为一种完全可食用、基于植物的结构基质。其独特的分子结构不仅提高了可纺性和膜力学性能，还具备与食品保存相关的天然生物活性。

材料

WPI由上海源业生物科技有限公司（中国上海）提供，PUL由河南俊意科技生物有限公司（中国郑州）提供。螺旋藻粉由上海东升生物科技有限公司（中国上海）供应。Viscozyme? L购自Sigma（120 U·mL^?1，美国密苏里州圣路易斯）。其他化学品（分析级）购自中国药化试剂（上海）。

螺旋藻蛋白的提取与纯化

螺旋藻蛋白通过超声乙醇提取

螺旋藻蛋白的功能分析

系统评估了螺旋藻蛋白的功能特性，以确定其在包装材料中的潜在应用。使用标准分析方法评估了其乳化、发泡能力和流变性能等关键属性。这些特性对于理解螺旋藻蛋白在多相系统中的性能及其与其他生物聚合物的相互作用至关重要。结果将在以下小节中展示和讨论。

结论

本研究表明，螺旋藻蛋白可以作为主要的静电纺丝基质，普鲁兰糖作为可食用多糖载体，用于制备完全符合食品级标准的薄膜，同时避免使用合成聚合物载体。高纯度的螺旋藻蛋白（SPP90）比乳清蛋白分离物（WPI）具有更强的界面功能，其乳化活性指数约为WPI的两倍，能够实现稳定的射流和均匀无珠状的纤维（直径约195 nm）。

CRediT作者贡献声明

陈张：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资金获取、概念构思。陈静荣：撰写——初稿、正式分析、数据管理。胡东林：撰写——初稿、实验研究。吴若宇：撰写——初稿、实验研究。林泽欣：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、实验研究。

作者声明

我们在此证明所有作者均已审阅并批准了提交的最终稿件。我们保证本文是作者们的原创作品，未曾在其他地方发表，也未被其他出版机构考虑发表。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“新蛋白质资源探索与开发”项目的支持，该项目由中国泰兴市的东升生物技术有限公司资助（00802114）。我们还要感谢LetPub（www.letpub.com.cn）在本文准备过程中提供的语言帮助。