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南京農(nóng)大胡冰教授團(tuán)隊(duì) Small：天然聚合物直徑分布異質(zhì)性增強(qiáng)可食用生物塑料膜性能
2024-12-16  來源：高分子科技

  構(gòu)建單元的形狀是控制與調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)形成與演化的重要參數(shù)。然而，由于天然聚合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以調(diào)控，其形狀如何影響宏觀材料的性能一直是物質(zhì)創(chuàng)新領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。


  近期，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院胡冰教授團(tuán)隊(duì)通過在殼聚糖基質(zhì)中原位誘導(dǎo)綠豆蛋白纖維化（圖1a），顯著地提高了復(fù)合膜中分散相密集結(jié)構(gòu)域的含量，構(gòu)建了可食用生物塑料膜。研究發(fā)現(xiàn)了綠豆蛋白纖維-殼聚糖膜對CO2/O2的透過選擇性系數(shù)達(dá)到130，是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值（圖1b,c）；具有與傳統(tǒng)石油基塑料膜相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，尤其是斷裂伸長率達(dá)到230%（圖1d），水分阻隔性強(qiáng)（圖1e）；具有熱塑封能力，制成方便購物袋，能夠裝盛5公斤物品（圖1f）；具有顯著的表面抗菌活性。應(yīng)用綠豆蛋白纖維-殼聚糖可食用生物塑料膜包裝保鮮水果，自發(fā)地形成了高CO2（圖1g）、低O2含量（圖1h）的密閉空間環(huán)境，有效地抑制了水果采后呼吸作用，延長貨架期，保持營養(yǎng)品質(zhì)（草莓貯藏9天的可食率達(dá)到85%,圖1i），實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)氣調(diào)包裝保鮮。綠豆蛋白纖維-殼聚糖可食用生物塑料膜可以循環(huán)利用并且完全降解。


圖1. 綠豆蛋白纖維-殼聚糖可食用生物塑料膜性能與全食物被動(dòng)氣調(diào)保鮮應(yīng)用


  為了進(jìn)一步地探明可食用生物塑料膜的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系機(jī)制，課題組篩選出豌豆蛋白，發(fā)現(xiàn)其纖維化自組裝能力顯著地低于綠豆蛋白（圖2a-c）。綠豆蛋白纖維呈現(xiàn)出典型的多形性：長線狀與短小蠕蟲狀纖維共存（圖2a）；然而，豌豆蛋白纖維主要呈現(xiàn)長線狀（圖2b）。更加重要的是，在其他條件相同的情況下，綠豆蛋白纖維-殼聚糖復(fù)合膜的CO2/O2透過選擇性系數(shù)(圖2d,e)和機(jī)械性能（強(qiáng)度、斷裂伸長率、阻水性）均極顯著地高于豌豆蛋白纖維-殼聚糖復(fù)合膜；相應(yīng)地，應(yīng)用綠豆蛋白纖維-殼聚糖復(fù)合膜包裝水果，自發(fā)形成的密閉空間環(huán)境中的CO2含量更高，O2含量更低，水果貯藏后的可食率更高，營養(yǎng)價(jià)值保持能力更強(qiáng)。豆類蛋白的纖維化能力越強(qiáng)，所形成的復(fù)合可食用生物塑料膜的性能及其被動(dòng)氣調(diào)包裝保鮮水果功能越強(qiáng)。


圖2. 豆類蛋白纖維形狀對可食用生物塑料膜性能與全食物被動(dòng)氣調(diào)保鮮的影響


  最終，應(yīng)用小角X射線散射（SAXS）原位表征兩種可食用生物塑料膜，發(fā)現(xiàn)復(fù)合蛋白質(zhì)纖維抑制了殼聚糖晶體的生長（圖3a,c）；綠豆蛋白纖維-殼聚糖復(fù)合膜中蛋白質(zhì)纖維直徑和殼聚糖晶體直徑的尺寸分布表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性特征（圖3a），膜表面粗糙（掃描電鏡, 圖3b）；豌豆蛋白纖維-殼聚糖復(fù)合膜中蛋白纖維直徑和殼聚糖晶體直徑的尺寸分布表現(xiàn)出明顯的同質(zhì)性特征（圖3c），膜表面平滑（掃描電鏡, 圖3d）。蛋白纖維直徑和殼聚糖晶體直徑的尺寸分布異質(zhì)性程度高，形成更加致密的天然聚合物空間排列微觀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空隙更加細(xì)密（圖3e），實(shí)現(xiàn)了可食用生物塑料膜更強(qiáng)的機(jī)械性能和更高的CO2/O2透過選擇性（CO2的動(dòng)力學(xué)直徑小于O2的動(dòng)力學(xué)直徑）。綜上，本研究闡明了天然聚合物直徑分布異質(zhì)性增強(qiáng)可食用生物塑料膜機(jī)械性能和氣體選擇性的機(jī)制。該工作以“Heterogeneity in Diameters of Protein Fibrils and Chitosan for a High CO2/O2 Selectivity and Desired Mechanical Properties of Edible Bioplastic Films”為題發(fā)表在《Small》上（Small 2024, 2405346; DOI: 10.1002/smll.202405346）。文章第一作者是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生石琪鑫。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。


圖3.蛋白纖維與多糖晶體直徑分布異質(zhì)性調(diào)節(jié)膜微觀結(jié)形成與演變機(jī)制


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于天然組分重組與未來食品構(gòu)建相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一？沙掷m(xù)與人類健康是全球發(fā)展的共同目標(biāo)，也是未來食品發(fā)展的主旨所在。為此團(tuán)隊(duì)發(fā)掘食品組分的自組裝潛力，變無序結(jié)合為有序組裝，調(diào)節(jié)分子互作行為，揭示多尺度微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)未來食品在品質(zhì)與營養(yǎng)健康方面的獨(dú)特功能和新穎用途。在過去的五年中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了原位誘導(dǎo)植物蛋白纖維化耦合多糖共分散的可食用生物塑料膜形成機(jī)制（J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 9884），闡明了天然聚合物直徑分布異質(zhì)性控制與調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)形成與演化規(guī)律（Small 2024, 2405346），增強(qiáng)可食用生物塑料膜機(jī)械性能和CO2/O2氣體透過選擇性，被動(dòng)氣調(diào)包裝保鮮生鮮農(nóng)產(chǎn)品，保持全食物營養(yǎng)品質(zhì)；發(fā)現(xiàn)了食品蛋白質(zhì)纖維介導(dǎo)的多酚小分子堆疊效應(yīng)（ACS Nano, 2018, 12, 3385），揭示了蛋白質(zhì)纖維—多酚“芯-殼”超分子跨多尺度結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，將食品蛋白質(zhì)基質(zhì)中多酚的負(fù)載量提高了40倍以上，保持感觀品質(zhì)澄清透明，顯著地增強(qiáng)了多酚調(diào)節(jié)腸道菌群、緩解炎癥、抑制高脂膳食誘導(dǎo)肥胖的功能，并且驗(yàn)證了腸道菌群發(fā)揮作用的因果關(guān)系（ACS Nano, 2020, 14, 2760; Biomater. Sci.-UK??, 2022, 10, 3597）；構(gòu)建了抑制高熱能食物誘導(dǎo)肥胖的油脂消化界面控制策略，揭示了不同微觀結(jié)構(gòu)特征蛋白質(zhì)纖維形成界面結(jié)構(gòu)通過抑制小腸中膽汁酸鹽的取代作用，物理屏蔽胰脂肪酶及其輔酶在油水界面的附著，從而控制油脂消化，減少油脂吸收、代謝的抗肥胖作用機(jī)制(ACS Nano, 2024, 18, 17969)。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202405346

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（責(zé)任編輯：xu）
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