聚氧化乙烯对大豆分离蛋白静电纺丝影响的研究

严江殷，万芝力，李庆全，杨晓泉

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)

近年来，生物可降解材料的研究与应用越来越受到关注。大豆分离蛋白(soy protein isolate，SPI)作为一种可再生资源，来源丰富，具有良好的生物相容性、生物降解性和加工性，在食品工业、农业、生物科学和生物技术中有着巨大的应用空间［1］。静电纺丝(以下简称电纺)技术是一种基于电水动力学的技术［2］，可制备纳米级或微米级聚合物纤维。目前，电纺技术在玉米醇溶蛋白［3－5］、乳清蛋白［6－7］等的应用研究较多，关于SPI电纺纤维的研究则尚少，且多数研究所得纤维中 SPI的含量不高［8－11］。SPI是一种球状蛋白质，蛋白分子之间的交联度小，使得单独SPI溶液由于黏度过低而无法进行电纺，加入高分子聚合物如聚氧化乙烯 poly(ethylene oxide)(PEO)［8］、聚乙烯醇 poly(vinyl alcohol)(PVA)［9－11］等可以增加分子间的交联度，提高溶液黏度，从而得到电纺纤维。PEO是一种水溶性的生物相容性高分子聚合物，具有良好的可纺性［12］。本文以水为溶剂，探讨以SPI为基料的SPI/PEO电纺纤维，为新型生物可降解材料提供绿色原料。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低温脱脂大豆粕 山东禹王有限公司，粉碎过80目筛后储存于4℃下密闭容器中。豆粉蛋白质含量为55.5%±0.4%，氮溶指数84.0%;聚氧化乙烯，分子量500ku;所用化学试剂均为分析纯。

静电纺丝机1008型 北京康森特科技公司;扫描电子显微镜TM 3000 日本日立公司;动态接触角测试仪DCAT21 德国Dataphysics公司;哈克旋转流变仪RHS600 德国 HAAKE公司;电导率仪DDS－307型 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大豆分离蛋白的制备 采用碱溶酸沉法［13］制备大豆分离蛋白，杜马斯定氮法测得蛋白含量为90.80% ±0.26%(w/w)，SDS－PAGE检测纯度可达90%以上。

1.2.2 SPI/PEO共混溶液 称取一定量的SPI和PEO，加入蒸馏水使其浓度为10wt%，分别配制SPI/PEO 共混比为 100/0、90/10、80/20、70/30、60/40。于室温下磁力搅拌至完全溶解，得到均匀的纺丝溶液，待用。

1.2.3 电纺 电纺在温度为35℃，相对湿度45%的环境中进行。电纺过程工艺参数设置如下:电压为15k V，溶液流速为1.5mL/h，接收距离为10cm。

1.2.4 溶液性质测定 于25℃测定溶液的黏度和电导率，用Wilhelmy法测定溶液的表面张力。

1.2.5 SPI/PEO复合电纺纤维电镜表征 对电纺纤维进行形貌观察，并用图像处理软件ImageJ估算纤维直径，在图中任选30条纤维，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 SPI/PEO共混比对电纺纤维形成的影响

图1显示的是10wt%SPI/PEO共混溶液在电压15k V、溶液流速1.5mL/h、接收距离10cm条件下的电纺纤维图。在溶液浓度一定时，随着SPI与PEO的共混比的减小，即PEO在共混溶液中含量的增加，所得到的电纺纤维的形貌有了很大的改善。单独SPI在任何电压和流速下都不能形成纤维。随着PEO添加量增加，收集物呈现从颗粒到纤维的变化趋势。当SPI/PEO共混比为90/10时，无法进行电纺，只能得到球状颗粒;SPI/PEO共混比为80/20时，得到串珠状纤维，纤维直径为(182±49)nm;SPI/PEO共混比为70/30时，得到连续较均一形貌的纤维，纤维直径为(244±29)nm，分布较窄;到60/40时，得到连续纤维，但纤维直径分布不太均匀，纤维直径为(340±113)nm。以上分析表明，随着PEO在共混溶液中含量的增加，改善了SPI溶液的可纺性，得到的纤维形貌较好，直径分布均匀，而继续增加PEO的量会导致纤维直径分布出现不均。

在电纺条件一定的情况下，电纺溶液的性质是影响纤维形貌的主要参数。不同SPI/PEO共混比的溶液，其粘度、表面张力和电导率均不同。结合表1可知，要获得电纺纤维，SPI/PEO共混溶液粘度必须高于0.1Pa·s(SPI/PEO共混比为80/20、70/30和60/40)，保证其分子有足够的分子缠结，阻止溶液破裂成液滴，从而实现颗粒到纤维的转变［15］。低于该数值，如 SPI/PEO共混比为 90/10时，黏度只有0.049Pa·s，高分子间相互作用较弱，不能形成纤维。当溶液粘度增加至0.455Pa·s，即SPI/PEO共混比为60/40时，高分子间的相互作用过大增加了射流的不稳定性，从而使纤维的形貌变差，直径分布不均。

图1 不同SPI/PEO共混比对电纺纤维形貌和纤维直径分布的影响Fig.1 Effect of SPI/PEO mass ratios on morphology and diameter distribution of electrospun fibers

研究表明，纤维直径随着溶液电导率的增加会显著地减小［14］。实验结果显示，SPI/PEO共混比从60/40到80/20时，溶液电导率从1.23ms·m－1增加至1.73ms·m－1，纤维直径则由(340±113)nm 减小到(182±49)nm。但是SPI/PEO共混比为80/20和90/10时，纤维形貌较差，甚至不能形成纤维。这是因为电导率增大使得射流受到的电场力增大，导致射流量增加，喷射流不稳定，且在空中固化不完全［15］，使得纤维上出现串珠或呈球状颗粒。

各纺丝溶液的表面张力虽然没有明显差异，但表面张力的增大会使喷射流趋于不稳定，从而影响纤维的形貌［16］。比较可以得到纤维的三个SPI/PEO共混比溶液的表面张力，共混比为70/30时的表面张力是最小的，有利于得到连续均一的纤维。

表1 10wt%SPI/PEO共混溶液的性质Table 1 Properties of 10wt%SPI/PEO blended solution

2.2 电压的影响

电压是影响电纺过程中的一个重要因素，电压的增大，可使射流获得更大的加速度，对形成的纤维有更大的拉伸应力，有利于得到更细的纤维［17］。但电压过高会造成射流不稳定，使纤维在其径向形成珠状颗粒［18］。在溶液流速为1.5mL/h、接收距离为10cm的条件下，对SPI/PEO共混比70/30的溶液在不同外加电压下进行电纺。从图2可以看出，溶液在12、15、18k V的电压下都可以形成纤维。电压为12k V时，纤维部分粘连，直径不均匀，且有串珠;电压为15kV时，得到了均匀性较好的纤维，纤维直径变小;电压为18kV时，纤维虽细，但有大量颗粒产生。随着电压的增大，纤维直径减小，从(378±210)nm(12k V)减小至(238±47)nm(18kV)。因此，选用15k V的电压为宜。

2.3 流速的影响

图2 不同电压对SPI/PEO电纺纤维形貌的影响Fig.2 Effect of different voltages on morphology of electrospun SPI/PEO fibers

流速的大小会影响喷射速度和溶液的传输速率。流速适当时，溶剂挥发有足够的时间［19］，可得到光滑连续的纤维。流速继续增大，纤维束得不到充分拉伸，纤维的直径也随之变大。在电压为15kV、接收距离为10cm的条件下，对SPI/PEO共混比70/30的溶液在不同溶液流速下进行电纺。从图3可以看出，当溶液流速为1mL/h时，纤维断裂不连续，存在缺陷;当溶液流速为1.5mL/h时，可以得到连续的纤维;当溶液流速为2mL/h时，大量串珠产生。因此，适宜的溶液流速为1.5mL/h。

图3 不同流速对SPI/PEO电纺纤维形貌的影响Fig.3 Effect of different flow rates on morphology of electrospun SPI/PEO fibers

2.4 接收距离的影响

接收距离与射流在空中的运行时间直接相关。适宜的距离下，射流具有更长的运行时间和空间，溶剂有充分的挥发时间，纤维直径变细;并且能够更加充分地对纤维进行拉伸［20］，使纤维变细，且连续均匀不粘连。在电压为15kV、溶液流速为1.5mL/h的条件下，对SPI/PEO共混比70/30的溶液在不同接收距离下进行电纺。从图4可以观察到，当接收距离为7cm时，纤维直径粗大，并粘连在一起;接收距离增大为10cm时，纤维纤细而连续，形貌良好;继续增大接收距离至13cm，纤维形貌没有太大的变化。因此，确定接收距离为10cm。

图4 不同接收距离对SPI/PEO电纺纤维形貌的影响Fig.4 Effect of different distances from tip to collector on morphology of electrospun SPI/PEO fibers

3 结论

10wt%SPI/PEO共混溶液在SPI/PEO共混比为70/30时具有良好的可纺性。电压、溶液流速和接收距离均会对纤维的形貌产生明显的影响。通过调整各种参数可以减少串珠、断丝等的形成，从而得到具有良好形貌的连续均一纤维。本文初步确定10wt%SPI/PEO共混溶液在SPI/PEO共混比为70/30时的最佳纺丝电压为15kV，接收距离为10cm，溶液流速为1.5mL/h。

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