一种小麦面筋蛋白纳米纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种小麦面筋蛋白纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

静电纺丝技术是聚合物溶液通过高压静电作用克服表面张力，在喷丝口形成泰勒锥(taylorcone)并且高速喷射出带电射流，经过力学拉伸和溶剂挥发后固化形成纳米纤维结构的一种技术。静电纺丝纤维材料具有比表面积大、孔径小、孔隙率高等优点，能够方便高效地负载具有抗氧化、抗菌活性的物质，因此在食品包装领域展现出了优越的特性和巨大的应用潜力。

小麦面筋蛋白是小麦淀粉工业和酒精工业的加工副产物，蛋白质含量高达75％，主要由麦胶蛋白、麦谷蛋白、清蛋白、球蛋白组成。小麦面筋蛋白具有营养价值高、价格低、生物相容性好、生物可降解等优势，而且吸水性、粘弹性、成膜性、乳化性均较强，与水混合后可显著提高面团的强度，常常应用于焙烤食品、类肉制品、宠物食品、鱼类饲料等领域。由于富含分子间/内的双硫键，小麦面筋蛋白制备的食品级天然薄膜具有良好的柔韧性和阻隔性，并能被生物降解，无污染，可替代化学合成材料应用于食品包装，延长食品的保质期。

公开号为cn101377023a的中国专利文献公开了一种利用小麦面筋蛋白生产纳米级纤维的方法，包括如下步骤：(1)小麦面筋蛋白的提取；(2)麦谷蛋白的提取；(3)麦胶蛋白的提取；(4)麦谷蛋白和高聚物的混合静电纺丝，制备纳米级纤维；(5)麦胶蛋白和高聚物的混合静电纺丝，制备纳米级纤维。该方法将小麦面筋蛋白经过提取、分离后与聚合物混纺制得纳米纤维。然而该提取分离过程较为复杂，且选择的高聚物为聚乙烯醇，生物相容性和生物可降解性相对较差。

公开号为cn106676669a的中国专利文献公开了一种小麦面筋蛋白和聚乙烯醇复合纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)小麦面筋蛋白的提取；(2)纺丝溶液的制备；(3)高压静电纺丝。该发明以小麦面筋蛋白和聚乙烯醇为原料，采用高压静电纺丝工艺，制得平均直径为280nm的小麦面筋蛋白/聚乙烯醇复合纳米纤维，在一定程度上改善了小麦面筋蛋白的可电纺性，获得了光滑均一的纳米纤维。然而，由于聚乙烯醇为合成材料，混合电纺会降低生物相容性以及生物可降解性，因此限制了纳米纤维在食品领域的应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种小麦面筋蛋白纳米纤维及其制备方法和应用，该小麦面筋蛋白纳米纤维具有水稳定性和抗菌功能，是以小麦面筋蛋白为原料通过静电纺丝获得，具有良好的生物相容性和使用安全性，并且生物可降解。

具体技术方案如下：

一种小麦面筋蛋白纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将小麦面筋蛋白和月桂酸单甘油酯溶解于溶剂中，得到电纺溶液；

(2)将所述的电纺溶液进行静电纺丝，得到小麦面筋蛋白纳米纤维。

月桂酸单甘油酯是一种优良的食品乳化剂，其hlb值为5.2，同时也是一种安全、高效、广谱的抗菌剂，天然存在于母乳、椰子油和美洲蒲葵中，也可由来源于天然油脂的月桂酸和甘油直接酯化得到。

本发明所采用的月桂酸单甘油酯为非离子型表面活性剂，一方面能够降低电纺溶液的表面张力并改变其粘度，改善小麦面筋蛋白的可电纺性；另一方面能通过静电纺丝分散在小麦面筋蛋白纳米纤维上，赋予其良好的水稳定性和抑菌功能，使制得的小麦面筋蛋白纳米纤维在食品包装领域中有着广阔的应用前景。

优选的，以小麦面筋蛋白的质量为基准，所述的月桂酸单甘油酯的添加量为1～20％；进一步优选为4～16％。

电纺溶液中，小麦面筋蛋白的浓度对电纺溶液的可电纺性有决定性的影响。小麦面筋蛋白的浓度过大时，静电纺丝过程因电纺溶液的黏度过大而无法顺利进行；小麦面筋蛋白的浓度过小时，则电纺溶液中分子间缠结不够或没有缠结，导致射流无法有效抵抗电场力的作用而发生断裂。

优选的，所述的电纺溶液中，小麦面筋蛋白的质量百分比浓度为20～30％；进一步优选为20～25％。

溶剂的选择对小麦面筋蛋白的电纺性能有很大的影响。小麦面筋蛋白是一种复合蛋白，溶解性能比较复杂，所选的溶剂首先需要能够较大程度地溶解和分散小麦面筋蛋白，其次还需要具有良好的挥发性来保证静电纺丝的进行，此外还需要考虑其无毒性可用于食品。

优选的，所述的溶剂为乙酸水溶液；进一步优选的，所述乙酸水溶液的体积百分比浓度为40～60％。

静电纺丝过程中，需要控制的纺丝参数主要包括：电压、接收器与喷头间的接收距离、进液流速等，纺丝参数在一定程度上会影响所制备的纳米纤维的形态特征。

优选的，步骤(2)中，静电纺丝的电压为15～25kv，接收距离为10～15cm，进液流速为0.25～0.5ml/h。

本发明还提供了一种由上述制备方法制备的小麦面筋蛋白纳米纤维；还提供了该小麦面筋蛋白纳米纤维在食品包装中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)通过添加月桂酸单甘油酯来改善小麦面筋蛋白的可电纺性，制备形态均匀的小麦面筋蛋白纳米纤维；

(2)月桂酸单甘油酯和小麦面筋蛋白之间通过氢键作用，赋予了纳米纤维良好的水稳定性和抑菌功能；

(3)所用的小麦面筋蛋白、月桂酸单甘油酯以及乙酸溶剂均为食品级，具有良好的生物相容性和使用安全性，且都是生物可降解材料；

(4)本发明的小麦面筋蛋白纳米纤维的制备工艺简单，条件温和，成本低，适用于工业生产。

附图说明

图1为实施例1制备的小麦面筋蛋白纳米纤维的扫描电镜图；

图2为实施例1制备的小麦面筋蛋白纳米纤维浸泡于水中7天后经过冷冻干燥后的扫描电镜图；

图3为实施例2制备的小麦面筋蛋白纳米纤维的扫描电镜图；

图4为实施例2制备的小麦面筋蛋白纳米纤维浸泡于水中7天后经过冷冻干燥后的扫描电镜图；

图5为实施例3制备的小麦面筋蛋白纳米纤维的扫描电镜图；

图6为实施例3制备的小麦面筋蛋白纳米纤维浸泡于水中7天后经过冷冻干燥后的扫描电镜图；

图7为实施例4制备的小麦面筋蛋白纳米纤维的扫描电镜图；

图8为实施例4制备的小麦面筋蛋白纳米纤维浸泡于水中7天后经过冷冻干燥后的扫描电镜图；

图9为对比例1制备的小麦面筋蛋白纳米纤维的扫描电镜图；

图10为对比例1制备的小麦面筋蛋白纳米纤维浸泡于水中7天后经过冷冻干燥后的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

将2.5g小麦面筋蛋白和0.1g月桂酸单甘油酯溶于10ml的50％乙酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到均匀混合的电纺溶液。

将上述所得的电纺溶液利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5ml，针头规格为平头，20g。电压为15kv，进液流速0.5ml/h，接收距离10cm，采用转鼓接收，得到小麦面筋蛋白纳米纤维，标记为g4，其扫描电镜图如图1所示。

将所得到的小麦面筋蛋白纳米纤维于室温下在水中浸泡7天，然后取出冷冻干燥，进行扫描电镜观察，如图2所示。将所得到的小麦面筋蛋白纳米纤维裁剪成直径为12mm的膜片，分别贴在涂布好的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌(菌液浓度为10^-8cfu)平板上，37℃培养24h，通过抑菌圈大小来评估抑菌性强弱。

如图1所示，实施例1得到的小麦面筋蛋白纳米纤维平均直径为187.1nm，形态均匀，无串珠状结构。浸水7天后，纳米纤维出现溶胀现象，但仍保持网络状纤维形态，如图2所示。

实施例2

将2.5g小麦面筋蛋白和0.2g月桂酸单甘油酯溶于10ml的50％乙酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到均匀混合的电纺溶液。

将上述所得的电纺溶液利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5ml，针头规格为平头，20g。电压为15kv，进液流速0.5ml/h，接收距离10cm，采用转鼓接收，得到小麦面筋蛋白纳米纤维，标记为g8，其扫描电镜图如图3所示。

将所得的小麦面筋蛋白纳米纤维进行水稳定性(扫描电镜图如图4所示)和抑菌性的测试，其操作步骤与实施例1一致。

如图3所示，实施例2得到的小麦面筋蛋白纳米纤维平均直径为149.0nm，形态均匀，无串珠状结构。浸水7天后，纳米纤维出现溶胀现象，但仍保持网络状纤维形态，如图4所示。

实施例3

将2.5g小麦面筋蛋白和0.3g月桂酸单甘油酯溶于10ml的50％乙酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到均匀混合的电纺溶液。

将上述所得的电纺溶液利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5ml，针头规格为平头，20g。电压为15kv，进液流速0.5ml/h，接收距离10cm，采用转鼓接收，得到小麦面筋蛋白纳米纤维膜，标记为g12，其扫描电镜图如图5所示。

将所得的小麦面筋蛋白纳米纤维进行水稳定性(扫描电镜图如图6所示)和抑菌性的测试，其操作步骤与实施例1一致。

如图5所示，实施例3得到的小麦面筋蛋白纳米纤维平均直径为248.0nm，形态均匀，无串珠状结构。浸水7天后，纳米纤维出现溶胀现象，但仍保持网络状纤维形态，如图6所示。

实施例4

将2.5g小麦面筋蛋白和0.4g月桂酸单甘油酯溶于10ml的50％乙酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到均匀混合的电纺溶液。

将上述所得的电纺溶液利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5ml，针头规格为平头，20g。电压为15kv，进液流速0.5ml/h，接收距离10cm，采用转鼓接收，得到小麦面筋蛋白纳米纤维，标记为g16，其扫描电镜图如图7所示。

将所得的小麦面筋蛋白纳米纤维进行水稳定性(扫描电镜图如图8所示)和抑菌性的测试，其操作步骤与实施例1一致。

如图7所示，实施例4得到的小麦面筋蛋白纳米纤维平均直径为270.8nm，形态均匀，无串珠状结构。浸水7天后，纳米纤维出现溶胀现象，但仍保持网络状纤维形态，如图8所示。

对比例1

将2.5g小麦面筋蛋白溶于10ml的50％乙酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到均匀混合的电纺溶液。

将上述所得的电纺溶液利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5ml，针头规格为平头，20g。电压为15kv，进液流速0.5ml/h，接收距离10cm，采用转鼓接收，得到不含月桂酸单甘油酯的小麦面筋蛋白纳米纤维膜，标记为g0，其扫描电镜图如图9所示。

将所得的小麦面筋蛋白纳米纤维进行水稳定性(扫描电镜图如图10所示)和抑菌性的测试，其操作步骤与实施例1一致。

如图9所示，对比例1得到的小麦面筋蛋白纳米纤维平均直径为310.7nm，形态不均匀，且有串珠状结构。浸水7天后，纳米纤维形态完全瓦解并消失，如图10所示。

实施例1、2、3、4以及对比例1制得的小麦面筋蛋白纳米纤维对金黄色葡萄球菌以及大肠杆菌的抑菌效力评估如表1所示。

表1

注：a，b，c，d代表了显著性差异，其中p＜0.05。

如表1所示，对比例1得到的小麦面筋蛋白纳米纤维无抑菌效力，但实施例1、2、3、4所得到的小麦面筋蛋白纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均产生了抑制效果；而且，随着月桂酸单甘油酯添加量的提高，纳米纤维的抑菌圈直径逐渐增大，即抑菌效力越显著。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。