CN117966297A - 一种利用微流控纺丝技术制备植物蛋白纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种利用微流控纺丝技术制备植物蛋白纤维的方法，以植物蛋白为原料的纤维及其制备方法，所述纤维的原料选自大豆蛋白、米糠蛋白、豌豆蛋白、小麦面筋蛋白和玉米醇溶蛋白，制备方法采用微流控纺丝技术，通过优化微流控纺丝过程中的工艺参数，制得了植物蛋白纤维材料；通过该方法制备的植物蛋白纤维具有光滑的表面结构，优异的力学特性，良好的可消化性，较高的抗氧化活性和较低的致敏性；该纤维具有原料廉价易得、机械性能高、生物活性强、生产方法简单、适于大规模推广和应用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及食品生物技术领域，尤其涉及植物蛋白纤维的制备方法及其功能特性。
背景技术
结构蛋白作为一种天然蛋白，在蚕丝、蜘蛛丝等功能性生物材料的生产中起着至关重要的作用。天然蛋白质中的β-折叠和α-螺旋等二级结构赋予了蛋白质基材料独特的生物学功能和优异的力学性能。由于天然蛋白质纤维具有非凡功能特性，因此研究人员对制备仿生蛋白质基生物材料产生了极大的兴趣。目前制备蛋白质基纤维的主要方法有静电纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝和干法纺丝。然而，这些方法在制备蛋白质基纤维的过程中往往涉及高压、高温和有毒试剂，这也限制了蛋白质基纤维在组织工程、食品卫生、生物材料等方面的应用。
微流控纺丝具有纺丝均匀、可纺丝材料丰富、安全环保、制备方便等优点，近年来被应用于蛋白基纤维的制备。中国专利申请CN110656387A披露了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，将牛血清蛋白和戊二醛溶液分别注入同轴双通道微流控纺丝芯片的第一微管和第二微管，在注射泵的推动下让两者混合交联，并从出口挤出进入凝固浴，通过转筒收集器收集得到纤维。中国专利申请CN111334883A披露了一种天然蛋白纤维的制备及其应用方法，以天然蛋白如牛血清蛋白、胶原蛋白、禽类蛋清蛋白或牛奶蛋白为原料，戊二醛作为交联剂，分别注入同轴双通道微流控纺丝芯片的第一微管和第二微管，并通过优化纺丝工艺中的参数，获得了力学性能优异的纤维材料，该材料可用于手术缝合。
虽然微流控纺丝技术制备的蛋白基纤维具有良好的力学性能和功能特性，这也促进了其在生物医学、纳米材料和食品化学等领域的应用。然而，目前利用微流控纺丝技术制备蛋白质纤维的原材料大多是动物蛋白和球形蛋白，这些蛋白具有不柔性和不刚性等缺点。因此，这些蛋白不是制造结构蛋白纤维的最佳原料。此外，动物蛋白的价格相对昂贵，制备过程容易污染环境，不符合全球可持续发展的理念。因此，利用天然蛋白制备功能性生物纤维仍然是一个非常具有挑战性的课题。从自然资源中提取廉价的蛋白质，并将其制备成具有优异性能的蛋白质基纤维是一个非常具有吸引力的目标。
发明内容
基于以上理论，本发明拟要解决的问题在于开发一种适用于天然植物蛋白的微流控纺丝技术，本发明得到的植物蛋白基质的生物纤维具有致密的表面结构，较高的力学性能和良好的消化特性。
本发明第一方面提供了一种制备植物蛋白纤维的制备方法，包括：1.一种适用于制备植物蛋白纤维的微流控纤维纺丝方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
A)制备过程中所用的植物蛋白，使其达到符合标准的纯度；
B)准备微流控纺丝芯片，使其通道尺寸从入口到出口逐渐减小，入口宽度和出口宽度分别为1～3mm和0.1～0.3mm；
C)将纳米纤维素溶解在[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，然后加入植物蛋白；将混合物在室温下充分搅拌30min，得到纺丝液；
D)将纺丝液吸入注射器中，在注射泵的推动下缓慢注射到微流控纺丝芯片中；将芯片出口浸入凝固浴中使混合物瞬间凝固形成纤维；
E)凝固后的植物蛋白纤维在超纯水中洗涤去除表面杂质；
F)将植物蛋白纤维在干燥后收集。
在一个具体的实施方式中，所述纺丝液是将纳米纤维素和植物蛋白分别溶于[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，所述纺丝液中的纳米纤维(CN)的质量体积浓度为1％～3％；优选的，所述纳米纤维素质量体积浓度为2％。
在另外一个具体的实施方式中，所述纺丝液是将纳米纤维素和植物蛋白分别溶于[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，所述纺丝液中的植物蛋白的质量体积浓度为9％～11％；优选的，所述纺丝液中的植物蛋白的质量体积浓度为10％。
在另外一个具体的实施方式中，所述凝固浴为稀硫酸溶液；优选的，所述的稀硫酸的浓度为4％～6％；更优选的所述的稀硫酸的浓度为5％。
本发明的第二个方面提供一种适用于制备植物蛋白纤维，其特征在于，由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备得到。
本发明的第三个方面提供所述的植物蛋白纤维在制备功能性纤维、药物输送、组织工程和食品健康等领域具有潜在应用。
与现有技术相比，本发明提供了一种适用于植物蛋白纤维成型的微流控纺丝技术，包括：A)先将纳米纤维素溶解于[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，并充分混匀；B)再将植物蛋白溶于已经溶于纳米纤维素的[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液，并充分混匀，得到纺丝液。C)在注射泵的作用下将纺丝液推进微流控芯片并挤出进入凝固浴中，收集得到植物蛋白纤维。
本发明选取植物蛋白材料作为纺丝材料，同时结合设计的新型微流控芯片，通过调整纺丝参数，制备出表面结构致密，力学性能较高和消化特性良好的植物蛋白纤维。本发明所制备的植物蛋白纤维材料具有较高的力学特性和功能特性，促进了植物蛋白纤维材料在功能材料和生物医学等方面的应用；本发明的植物蛋白纤维可应用于药物递送、伤口敷料、生物支架和食品健康等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中的微流控纺丝整体流程示意图；
图2为本发明实施例中的微流控芯片示意图；
图3为本发明实施例1中的植物蛋白纤维成丝图；
图4为本发明实施例5、6、7、8和9的蛋白纤维表观结构图：A、F、K、P、U为SP/CN，B、G、L、Q、V为RBP/CN，C、H、M、R、W为PP/CN，D、I、N、S、X为WG/CN，E、J、O、T、Y为ZP/CN；
图5为本发明实施例5、6、7、8和9的蛋白纤维力学性能图A为强度，B为抗拉强度，C为弹性模量，D为断裂伸长率；
图6为本发明实施例5、6、7、8和9的蛋白纤维消化性能图：A为游离氨基酸含量，B为总抗氧化活性，C为DPPH清除活性，D为ABTS清除率，E为植物蛋白致敏物含量，F为植物蛋白致敏物含量。
具体实施方式
以下通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
实施例1以不同浓度的纳米纤维素(CN)制备植物蛋白纤维
1、制备纺丝液
纳米纤维素与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度分别为0％、1％、1.5％和2％，之后在混合液中分别加入大豆蛋白(SP)、米糠蛋白(RBP)、豌豆蛋白(PP)、小麦面筋蛋白(WG)或玉米醇溶蛋白(ZP)，纺丝液中的植物蛋白浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道(图2)挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，过程示意图如图1所示。
3、在凝固浴中观察植物蛋白纤维的成丝是否连续均匀。
结果如图3所示，结果显示：随着CN含量的增加，五种植物蛋白纤维均由无序状变得成丝均匀且连续。
实施例2以不同浓度的植物蛋白制备植物蛋白纤维
1、制备纺丝液
纳米纤维素与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度分别为2％，之后在混合液中加入大豆蛋白(SP)、米糠蛋白(RBP)、豌豆蛋白(PP)、小麦面筋蛋白(WG)或玉米醇溶蛋白(ZP)，纺丝液中的植物蛋白浓度为4％、6％、8％、10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min。
在凝固浴中观察植物蛋白纤维的成丝是否连续均匀；结果图表1所示：
表1不同浓度植物蛋白获得植物蛋白纤维的表现
结果显示，在10％浓度下，采用本申请的方法可以获得连续且均匀的植物蛋白纤维。
实施例3以不同纺丝液流速制备植物蛋白纤维
1、制备纺丝液
纳米纤维素与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度分别为2％，之后在混合液中加入大豆蛋白(SP)、米糠蛋白(RBP)、豌豆蛋白(PP)、小麦面筋蛋白(WG)或玉米醇溶蛋白(ZP)，纺丝液中的植物蛋白浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度分别为0.4mL/min、0.6mL/min、0.8mL/min或1mL/min。
3、在凝固浴中观察植物蛋白纤维的成丝是否连续均匀。结果如表2所示：
表2不同挤出流速形成植物蛋白纤维情况
结果显示，不同的蛋白在通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度在1mL/min时，均能形成连续的纤维。
实施例4以不同浓度的H2SO4凝固浴制备植物蛋白纤维
1、制备纺丝液
纳米纤维素与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度分别为2％，之后在混合液中加入大豆蛋白(SP)、米糠蛋白(RBP)、豌豆蛋白(PP)、小麦面筋蛋白(WG)或玉米醇溶蛋白(ZP)，纺丝液中的植物蛋白浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道分别挤入2％、3％、4％和5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min。
3、在凝固浴中观察植物蛋白纤维的成丝是否连续均匀，结果如表3所示：
表3不同H2SO4凝固浴浓度对于植物蛋白纤维形成的影响
实施例5以大豆蛋白为原料制备大豆蛋白纤维(SP/CN)
1、制备纺丝液
纳米纤维素(CN)与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度为2％，之后在混合中加入大豆蛋白(SP)，纺丝液中SP的浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，纺丝液浓度120mg/mL。
3、表观结构检测：用扫描电镜观察SP/CN的微观表面形态。用经硫黄素T溶液(125μmoL/L)染色后的SP/CN放在共聚焦激光扫描显微镜下观察SP/CN的荧光特性。利用偏振光学显微对SP/CN的形态特性进行了测定(结果如图4中A、F、K、P、U所示)。
结果显示：SP/CN表面光滑有序，结构均匀致密，蛋白在SP/CN中分布均匀，聚集紧密；此外，SP/CN显示出强双折射，表明SP/CN呈结晶状。
4、检测力学性能：随机选取3根SP/CN，进行力学拉伸测试。SP/CN在35℃下干燥3h后，用万能试验机测定SP/CN的力学性能。万能试验机中两个夹片之间的量规长度为10mm，测试速度为2mm/min，检测结果如图5A-D中SP/CN所示。
结果显示：SP/CN的抗拉强度为0.71MPa，弹性模量为9.60MPa，相应的断裂伸长率为8.91％。
5、消化特性检测：SP/CN经模拟胃消化和胃消化后测定其消化液中的总氨基酸含量、抗氧化活性和致敏性(结果如图6A-F中的SP/CN所示)。
结果显示：随着消化时间的增加，SP/CN的消化液中氨基酸含量显著增加，总抗氧化能力、DPPH清除能力和ABTS清除率也明显增加，说明SP/CN在消化过程中具有明显的抗氧化活性。此外，在胃和肠消化阶段，与天然蛋白质相比，SP/CN的致敏性明显降低。
实施例6以米糠蛋白为原料制备米糠蛋白纤维(RBP/CN)
1、制备纺丝液
纳米纤维素(CN)与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度为2％，之后在混合中加入米糠蛋白(RBP)，纺丝液中RBP的浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，纺丝液浓度120mg/mL。
3、表观结构检测：用扫描电镜观察RBP/CN的微观表面形态。用经硫黄素T溶液(125μmoL/L)染色后的RBP/CN放在共聚焦激光扫描显微镜下观察RBP/CN的荧光特性。利用偏振光学显微对RBP/CN的形态特性进行了测定(结果如图4中B、G、L、Q、V所示)。结果显示：RBP/CN表面光滑有序，结构均匀致密，蛋白在RBP/CN中分布均匀，聚集紧密；此外，RBP/CN显示出强双折射，表明RBP/CN呈结晶状。
4、检测力学性能：随机选取3根RBP/CN，进行力学拉伸测试。RBP/CN在35℃下干燥3h后，用万能试验机测定RBP/CN的力学性能。万能试验机中两个夹片之间的量规长度为10mm，测试速度为2mm/min(结果如图5A-D中RBP/CN所示)。
结果显示：RBP/CN的抗拉强度为0.83MPa，弹性模量为14.53MPa，相应的断裂伸长率为5.49％。
5、消化特性检测：RBP/CN经模拟胃消化和胃消化后测定其消化液中的总氨基酸含量、抗氧化活性和致敏性(结果如图6A-F中RBP/CN所示)。
结果显示：随着消化时间的增加，RBP/CN的消化液中氨基酸含量显著增加，总抗氧化能力、DPPH清除能力和ABTS清除率也明显增加，说明RBP/CN在消化过程中具有明显的抗氧化活性。此外，在胃和肠消化阶段，与天然蛋白质相比，RBP/CN的致敏性明显降低。
实施例7以豌豆蛋白为原料制备豌豆蛋白纤维(PP/CN)
1、制备纺丝液
纳米纤维素(CN)与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度为2％，之后在混合中加入豌豆蛋白(PP)，纺丝液中PP的浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，纺丝液浓度120mg/mL。
6、表观结构检测：用扫描电镜观察PP/CN的微观表面形态。用经硫黄素T溶液(125μmoL/L)染色后的PP/CN放在共聚焦激光扫描显微镜下观察PP/CN的荧光特性。利用偏振光学显微对PP/CN的形态特性进行了测定(结果如图4中C、H、M、R、W所示)。
结果显示：PP/CN表面光滑有序，结构均匀致密，蛋白在PP/CN中分布均匀，聚集紧密；此外，PP/CN显示出强双折射，表明PP/CN呈结晶状。
4、检测力学性能：随机选取3根PP/CN，进行力学拉伸测试。PP/CN在35℃下干燥3h后，用万能试验机测定PP/CN的力学性能。万能试验机中两个夹片之间的量规长度为10mm，测试速度为2mm/min(结果如图5A-D中PP/CN所示)。
结果显示：PP/CN的抗拉强度为1.39MPa，弹性模量为26.57MPa，相应的断裂伸长率为6.41％。
5、消化特性检测：PP/CN经模拟胃消化和胃消化后测定其消化液中的总氨基酸含量、抗氧化活性和致敏性(结果如图6A-F中PP/CN所示)。
结果显示：随着消化时间的增加，PP/CN的消化液中氨基酸含量显著增加，总抗氧化能力、DPPH清除能力和ABTS清除率也明显增加，说明PP/CN在消化过程中具有明显的抗氧化活性。此外，在胃和肠消化阶段，与天然蛋白质相比，PP/CN的致敏性明显降低。
实施例8以小麦面筋蛋白为原料制备小麦面筋蛋白纤维(WG/CN)
1、制备纺丝液
纳米纤维素(CN)与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度为2％，之后在混合中加入小麦面筋蛋白(WG)，纺丝液中WG的浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，纺丝液浓度120mg/mL。
3、表观结构检测：用扫描电镜观察WG/CN的微观表面形态。用经硫黄素T溶液(125μmoL/L)染色后的WG/CN放在共聚焦激光扫描显微镜下观察WG/CN的荧光特性。利用偏振光学显微对WG/CN的形态特性进行了测定(图图4中D、I、N、S、X所示)。
结果显示：WG/CN表面光滑有序，结构均匀致密，蛋白在WG/CN中分布均匀，聚集紧密；此外，WG/CN显示出强双折射，表明WG/CN呈结晶状。
4、检测力学性能：随机选取3根WG/CN，进行力学拉伸测试。WG/CN在35℃下干燥3h后，用万能试验机测定WG/CN的力学性能。万能试验机中两个夹片之间的量规长度为10mm，测试速度为2mm/min(结果如图5A-D中WG/CN所示)。
结果显示：WG/CN的抗拉强度为1.60MPa，弹性模量为35.98MPa，相应的断裂伸长率为3.34％。
5、消化特性检测：WG/CN经模拟胃消化和胃消化后测定其消化液中的总氨基酸含量、抗氧化活性和致敏性(结果如图6A-F中WG/CN所示)。
结果显示：随着消化时间的增加，WG/CN的消化液中氨基酸含量显著增加，总抗氧化能力、DPPH清除能力和ABTS清除率也明显增加，说明WG/CN在消化过程中具有明显的抗氧化活性。此外，在胃和肠消化阶段，与天然蛋白质相比，WG/CN的致敏性明显降低。
实施例9以玉米醇溶蛋白为原料制备玉米醇溶蛋白纤维(ZP/CN)
1、制备纺丝液
纳米纤维素(CN)与[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液混合，使纺丝液中CN的浓度为2％，之后在混合中加入玉米醇溶蛋白(ZP)，纺丝液中ZP的浓度为10％。
2、纺丝、凝固浴
将纺丝液通过微流控通道挤入5％H2SO4凝固浴中形成纤维，纺丝液挤出速度1mL/min，纺丝液浓度120mg/mL。
4、表观结构检测：用扫描电镜观察ZP/CN的微观表面形态。用经硫黄素T溶液(125μmoL/L)染色后的ZP/CN放在共聚焦激光扫描显微镜下观察ZP/CN的荧光特性。利用偏振光学显微对ZP/CN的形态特性进行了测定(如图4中E、J、O、T、Y所示)。
结果显示：ZP/CN表面光滑有序，结构均匀致密，蛋白在ZP/CN中分布均匀，聚集紧密；此外，ZP/CN显示出强双折射，表明ZP/CN呈结晶状。
4、检测力学性能：随机选取3根ZP/CN，进行力学拉伸测试。ZP/CN在35℃下干燥3h后，用万能试验机测定ZP/CN的力学性能。万能试验机中两个夹片之间的量规长度为10mm，测试速度为2mm/min(如图5A-D中ZP/CN所示)。
结果显示：ZP/CN的抗拉强度为0.39MPa，弹性模量为6.01MPa，相应的断裂伸长率为7.41％。
5、消化特性检测：ZP/CN经模拟胃消化和胃消化后测定其消化液中的总氨基酸含量、抗氧化活性和致敏性(如图6A-F中ZP/CN所示)。
结果显示：随着消化时间的增加，ZP/CN的消化液中氨基酸含量显著增加，总抗氧化能力、DPPH清除能力和ABTS清除率也明显增加，说明ZP/CN在消化过程中具有明显的抗氧化活性。此外，在胃和肠消化阶段，与天然蛋白质相比，ZP/CN的致敏性明显降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于制备植物蛋白纤维的微流控纤维纺丝制备方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
A)制备过程中所用的植物蛋白，使其达到符合标准的纯度；
B)准备微流控纺丝芯片，使其通道尺寸从入口到出口逐渐减小，入口宽度和出口宽度分别为1～3mm和0.1～0.3mm；
C)将纳米纤维素溶解在[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，然后加入植物蛋白；将混合物在室温下充分搅拌30min，得到纺丝液；
D)将纺丝液吸入注射器中，在注射泵的推动下缓慢注射到微流控纺丝芯片中；将芯片出口浸入凝固浴中使混合物瞬间凝固形成纤维；
E)凝固后的植物蛋白纤维在超纯水中洗涤去除表面杂质；
F)将植物蛋白纤维在干燥后收集。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液是将纳米纤维素和植物蛋白分别溶于[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，所述纺丝液中的纳米纤维(CN)的质量体积浓度为1％～3％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素质量体积浓度为2％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液是将纳米纤维素和植物蛋白分别溶于[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4溶液中，所述纺丝液中的植物蛋白的质量体积浓度为9％～11％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中的植物蛋白的质量体积浓度为10％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凝固浴为稀硫酸溶液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的稀硫酸的浓度为4％～6％。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的稀硫酸的浓度为5％。
9.一种植物蛋白纤维，其特征在于，由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的植物蛋白纤维在制备功能性纤维、药物输送、组织工程和食品健康等领域具有潜在应用。
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|---|---|---|---|
| CN202410119192.1A CN117966297A (zh) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | 一种利用微流控纺丝技术制备植物蛋白纤维的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117966297A true CN117966297A (zh) | 2024-05-03 |
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Family Applications (1)
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| CN202410119192.1A Pending CN117966297A (zh) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | 一种利用微流控纺丝技术制备植物蛋白纤维的方法 |
Country Status (1)
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