综述：淀粉样蛋白（Amyloid-Like）组装驱动的功能材料助力轻工业可持续发展

《SusMat》：Amyloid-Like Protein Assembly-Driven Functional Materials for Enabling the Sustainable Development of Light Industry

　　

轻工业作为国民经济的重要组成部分，其可持续发展正面临环境污染、资源短缺和高能耗等问题。淀粉样蛋白（Amyloid-Like Protein，ALP）组装驱动的功能材料凭借优异的生物相容性、可降解性、多功能性和良好的环境友好性，为轻工业的可持续发展提供了新解决方案。本文系统综述了ALP组装的基础理论与调控策略，重点介绍了ALP组装在食品、包装、纺织、轻工废水处理、日用化工和生物催化等领域的研究进展。此外，分析了该材料在应用中面临的挑战，如材料稳定性、规模化生产和性能调控，并提出了相应的解决方案。最后，展望了ALP材料的未来研究方向和在轻工业中的应用前景。

1 引言

轻工业涵盖食品、纺织、造纸、家电及日用化工等领域，直接关系民生需求，在经济增长、就业创造及生活水平提升方面贡献显著。2024年中国主要轻工业细分行业规模以上企业数量达136614家，营业收入合计23万亿元，利润总额约1.5万亿元，其中白酒酿造行业营业收入利润率高达28.8%，展现出巨大的产业规模与经济贡献。然而，造纸、纺织印染、日用化工及食品包装等关键轻工领域的快速发展，正面临日益严峻的环境污染、资源供应紧张及过度能源消耗等挑战，严重制约其可持续进程并对生态系统与人类健康构成威胁。传统应对措施存在固有局限：环境治理方面，环保原料成本高导致企业接受度低，末端治理技术效率低且成本高昂，中小型企业难以负担；资源利用方面，化学试剂带来的健康风险、可再生资源的技术与成本壁垒、产品设计短视导致的回收体系不完善等问题突出；节能降耗方面，节能技术研发投入高、中小企业资金压力大及工艺优化的技术与资金瓶颈限制了措施的有效性。在此背景下，亟需探索新的有效路径。2012年研究人员发现三(2-羧乙基)膦盐酸盐（Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride，TCEP）可还原蛋白质分子内二硫键，触发蛋白质从α-螺旋向β-折叠转变并形成不溶性ALP聚集体。这一发现推动了ALP在废水处理、生物催化、食品保鲜、包装及纺织等轻工领域的广泛研究，自2018年以来相关出版物数量与引用频率均大幅增长。ALP组装具备环境友好、原料可再生及制备条件温和等绿色属性，形成的功能薄膜兼具透明、可扩展、可调、稳定、广谱粘附、生物相容及可降解等优势，并可赋予抗菌、防污及矿化等多功能性。通过通用性的基底表面修饰与功能化策略，ALP材料可从源头上替代或升级传统轻工业中高污染、高资源消耗及高能耗的材料与工艺，满足从轻工业原材料、生产到应用的整个产业链绿色发展需求。例如，ALP组装可通过功能化食品原料延长保质期，减少储存阶段原料浪费与能耗；也可在生产阶段赋予产品多功能性，降低服役期的环境负荷与能耗，如防污性能可通过减少洗涤剂使用降低相关能耗与环境冲击。随着学科交叉融合，ALP基功能材料已在多个轻工领域取得应用进展，为实现全球可持续发展目标提供了新途径。

2 传统轻工业功能材料概述

传统轻工业功能材料主要包括天然高分子材料、无机非金属材料、金属材料及化学合成材料四大类，各具独特性能与应用场景，但在环境可持续性、健康安全、性能表现、多功能集成及成本控制等方面均面临挑战。按功能属性分类，这些材料服务于不同轻工领域：纺织材料用于服装与家纺面料；包装材料满足食品、日用品、物流及礼盒等需求；日用品材料用于餐具、厨具、箱包及皮革制品生产；其他还包括生物催化剂、生物基材料、粘合剂及过滤材料等。轻工产品对材料的性能要求多样，包括多功能性、安全性、场景适应性、用户体验及低成本。例如，纺织品需具备透气性、亲肤性及耐磨性，食品包装需气密性与可降解性；因涉及直接接触人体或食品储存，材料必须符合严格安全标准；户外产品材料需防水抗紫外线，高频使用材料需耐磨抗老化；实际应用中还需兼顾柔软触感、美观及色彩稳定性；同时需平衡环境可持续性与经济可行性，推动产业绿色发展。传统材料受限于性能不足、功能单一、环境约束、高能耗及同质化竞争，正向性能增强、多功能集成及绿色化方向发展。通过跨学科协作与新兴技术应用，突破传统材料短板，有望支撑轻工业可持续发展。

3 面向轻工业的ALP材料

ALP组装依赖于二硫键还原触发的蛋白质分子相变，具有快速界面组装、广谱基底粘附及可调组装行为等优势，为轻工业应用提供了重要基础。ALP材料可通过精准功能化实现对传统轻工业功能材料的表面修饰并赋予多样性功能，从根本上解决传统材料因固有性能限制带来的可持续发展瓶颈。其原料源于可再生资源，消除了资源稀缺风险；制备过程温和高效，无高能耗环节，符合绿色制造原则；所得ALP材料具备优异生物降解性，可有效缓解废弃物处置带来的环境污染。凭借优异的生物相容性、可降解性及多功能性，ALP组装驱动的功能材料在食品工业、包装工业、纺织工业、轻工废水处理、日用化工及生物催化等多个轻工领域展现出广阔应用前景。ALP相关核心缩写包括：ALP指淀粉样蛋白；PTL指相变溶菌酶（Phase-Transitioned Lysozyme）；PTB指相变牛血清白蛋白（Phase-Transitioned Bovine Serum Albumin）；PTF指蛋白薄膜（Protein Thin Films）；CRIPA指化学选择性反应诱导的蛋白质聚集（Chemoselective Reaction-Induced Protein Aggregation）；TRIPA指巯基调控的界面蛋白质聚集（Thiol-Regulated Interfacial Protein Aggregation）；CAW指任意涂覆（Coating-At-Will）；HFP指高纤维化倾向（High Fibrillation Propensity）。

3.1 机制

3.1.1 组装机制

ALP形成遵循二硫键断裂、构象重排及有序聚集三步过程。天然球状蛋白通过分子内二硫键维持α-螺旋等原有结构，还原剂（如TCEP、半胱氨酸）切断二硫键后，蛋白质解折叠，疏水残基暴露，表面极性基团外露形成不稳定中间体。为降低自由能，解折叠中间体通过分子间氢键重排为短程有序β-折叠结构，进而通过动力学控制途径（寡聚化）或热力学控制途径（结晶化）形成多样化结构，包括二维纳米膜、三维球形聚集体及介晶。动力学途径中，寡聚体在界面发生相分离形成二维纳米膜，体相溶液中伴随形成三维球形聚集体；热力学途径中，短程有序β-折叠经链松弛获得长程生长能力，进一步组装为核心壳结构纳米晶体，再经介观融合与自组装构建三维介晶。与传统致病淀粉样纤维不同，ALP为短程有序β-折叠聚集体（纳米级有序，小于100 nm），无细胞毒性且可降解。

3.1.2 粘附机制

ALP材料具有多尺度、广谱粘附特性，可作为通用修饰平台。解折叠蛋白质首先通过α-螺旋极性残基相互作用锚定在各类基底表面，包括金属、聚合物、生物组织、水凝胶及微生物等。粘附后，α-螺旋转化为β-折叠，通过氢键、静电作用及疏水作用的协同效应形成连续纳米膜。粘附行为由官能团协同效应、二级结构动态演变及组装单元多态性共同调控。含苯基、氨基及羧基等多种基团的共聚物比单基团均聚物表现出更高的界面粘附力与剪切强度；BSA研究中，α-螺旋主导的初始粘附强度是多层β-折叠膜的六倍；溶菌酶全长纤维比刚性肽段纤维具有更高的剪切强度与环境稳定性，归因于柔性构象调整增加了界面接触。ALP薄膜通过多种结合机制实现粘附，粘附强度因基底类型而异，Janus薄膜疏水性空气接触面粘附力强于亲水性水接触面。

3.2 可调性

为满足轻工业多样化功能需求，研究人员通过化学修饰、还原剂调控及工艺调控实现ALP组装的精准调节。化学修饰通过在组装前将功能片段偶联至单体蛋白，或在组装后对蛋白涂层进行修饰，定制ALP基材料并赋予新功能，例如将亲水性聚合物聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）或两性离子聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)（poly(sulfobetaine methacrylate)，pSBMA）偶联至蛋白质以构建抗吸附界面。还原剂调控通过调节还原剂类型、浓度等控制蛋白质二硫键断裂程度，强还原剂（如TCEP）完全裂解分子内二硫键，诱导蛋白质快速形成致密纳米膜；弱还原剂（如半胱氨酸）选择性裂解部分二硫键，保留蛋白质生物活性。组装工艺调控通过优化反应条件或制备工艺控制ALP材料的聚集形态、微观结构及宏观性能，快速成膜法可在1至5分钟内形成均匀纳米膜；结晶调控法可制备微米级蛋白质单晶；复合组装法则通过与多糖或纳米颗粒复合提高涂层机械强度与多功能性。

3.3 应用

近年来，随着材料科学、生物化学与工程学的学科交叉融合，ALP基功能材料在轻工业应用中取得了显著进展。在食品工业，ALP基涂层通过抗菌、阻氧阻水及抗氧化能力的协同作用实现保鲜，PTL-海藻酸钠-纤维素纳米晶体复合涂层对水果腐败菌抑制率超过90%，氧气透过率为22 cm³μm/m²/day/kPa，水蒸气透过率为4 g mm/m²/day，DPPH自由基清除率达71%，ABTS自由基清除率近100%，可将草莓、枇杷、冬枣及金桔的保质期分别延长至10天、16天、21天及30天。ALP基梯度表面比色传感器（Gradient Surface Colorimetric Sensor，GSCS）可实现湿度与腐胺检测，湿度检测限低至0.075%相对湿度（Relative Humidity，RH），腐胺检测限为0.236 ppb，灵敏度是反射光谱的五倍，可准确追踪虾类腐败过程。PTB-HA抗污传感器检测庆大霉素的检测限为1.8 ng/mL，BSA吸附量仅为0.2 ng/cm²，大肠杆菌粘附减少92.6%。在包装工业，PTL/巴西棕榈蜡复合涂层构建微纳粗糙低表面能结构，对水、酸奶及蜂蜜的接触角大于150°，滑动角小于10°，有效消除液体食品残留；PTL基复合涂层可减少聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）输液管与血袋中邻苯二甲酸酯类增塑剂迁移约92%；PTL/聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）复合涂层可实现隐形荧光标记，具备高光稳定性与维生素C触发可擦除性；PTL基复合材料还可显著降低水蒸气、氧气及油脂透过率，并在巴氏杀菌奶储存测试中表现出对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抗菌活性。在纺织工业，ALP可直接在各种纤维表面自组装形成均匀涂层，耐洗性超过50次循环；PTL-pSBMA复合涂层通过两性离子水化层与微纳粗糙界面的协同作用实现水下超疏油，兼容丝绸、棉、聚酯及维纶等主要纺织面料且不改变外观；PTL-二硫化钼（MoS₂）复合材料可将纺织品紫外线防护系数提高316%；PTL介导的化学镀铜可使聚酯（Polyethylene Terephthalate，PET）织物实现超过50 dB的电磁屏蔽与红外隐身功能；PTL涂层还可解决羊毛等天然纤维的疏水性与吸湿性差问题，并通过引入银纳米颗粒或壳寡糖赋予织物抗菌性能。在轻工废水处理领域，ALP材料依赖β-折叠组装结构稳定性与丰富的氨基、羧基及巯基等官能团，通过吸附、螯合及还原的协同作用实现重金属去除、贵金属回收、有机污染物吸附及乳化油与有毒化学品去除，具备可控孔径（1至3 nm）、大比表面积、高机械稳定性、可降解性及可回收性等优势。PTB/羧甲基纤维素复合吸附剂可在pH 6.5条件下10分钟内将多种重金属离子浓度降至ppb级别；微生物转谷氨酰胺酶（Microbial Transglutaminase，mTGase）催化的TA-PTL@羊毛织物对铅与铜离子的去除率达97.32%，五次重复使用后吸附效率仍保持在95%以上；PTL膜对金离子的吸附容量达1034.4 mg/g，可自发还原为95.8 wt%纯金单质，无需额外还原剂。在日用化工领域，PTB防晒产品皮肤滞留率超过92%，防水性能较商业产品提高2至10倍，可减少90%以上成分泄漏，具备超过80%的生物降解性且无刺激性；ALP基水下胶粘剂具备广谱粘接通用性与环境稳定性，适用于管道、玻璃器皿、家具、餐具、塑料、儿童玩具及食品接触产品等多种日常基材的应急修补；纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNC）/PTL复合涂层形成水下超疏油界面，仅需简单水洗即可去除近100%的油渍，在日常清洁中可节省57.7%的水与83.3%的能源。在生物催化领域，PTL可在酵母细胞与微纳米颗粒表面形成稳定涂层，包裹PTL的酵母在离心重悬与zymolyase降解中保持形态完整，固定化酵母代谢效率稳定；PTL通过多相互作用协同与结构设计实现酶的稳定锚定与构象保护，提升催化活性、稳定性与传质效率，已应用于食品加工、抗生素降解及重金属吸附等轻工场景。

4 挑战

尽管ALP组装驱动的功能材料在轻工业领域展现出巨大应用潜力，但实验室研究向工业转化仍受限于未解决的具体技术瓶颈。长期结构与性能稳定性是首要问题，实际生产与服役环境中的湿度、温度变化、紫外线辐射、机械损伤、极端pH条件及微生物降解等因素均会影响ALP材料性能，老化动力学评估、材料结构崩解临界条件及适配不同应用场景的耐久性标准尚未系统建立。虽然化学交联、与耐候材料复合组装及表面功能改性等策略可增强环境耐久性，但这些方法在工业级条件与复杂应用环境下的稳定性仍需系统评估。实验室研究与工业生产之间的规模不匹配构成另一技术瓶颈，轻工业应用需求为吨级生产，对生产效率、批次稳定性及成本有严格要求，而大多数实验室制备过程局限于毫升级。相关技术问题主要体现在ALP组装与连续流水线生产的兼容性、大体积系统中ALP组装的质量传递限制，以及规模化工艺与成本的矛盾。此外，不同轻工领域对材料需求多样，ALP材料需通过合理的分子设计实现功能定制，而非仅依靠工艺参数调整或小幅性能优化。ALP组装、界面粘附及调控的机制尚未完全阐明，ALP与还原剂（如TCEP）在人体内的长期安全性也未得到充分验证，这构成了毒理学与监管层面的约束。刺激响应型ALP材料的开发既是挑战也是前景，虽已实现少量实验室制备，但响应灵敏度、可逆性、稳定性、响应动力学及成本等商业化所需指标仍需系统优化。

5 展望

ALP组装介导的功能材料在推动轻工业绿色、高效及可持续发展方面发挥着重要作用。未来研究应聚焦于以下方向：在新材料体系方面，探索更多经济的ALP组装蛋白质来源，如农业废弃物蛋白（大豆蛋白、玉米醇溶蛋白等）、微生物合成蛋白及海洋生物蛋白（海藻等），并研究更优生物相容性的还原剂等先进组装策略。在实际应用拓展方面，需增强材料在实际应用复杂条件下的稳定性与长效性，开展多功能集成研究，如抗菌、防污及智能响应能力，深入挖掘ALP材料在轻工业领域的应用潜力。跨学科融合是另一重点，应加强材料科学、工程学、环境科学、人工智能及生物工程等领域的合作，推动ALP材料在轻工业的广泛应用与产业化，例如结合材料科学设计多功能ALP材料，结合工程学实现实验室到工厂的产业化转化，结合环境科学开发生态友好型ALP材料，结合人工智能优化组装参数，结合生物工程改造蛋白质结构。最终，工业化是终极研究目标，需要加强产学研合作，降低生产成本，最终实现轻工业领域ALP材料的规模化制备。持续的创新研究将推动轻工业的可持续转型。