一、研究背景

近年来，由于可再生食品资源具有经济和环境效益，相关研究广泛关注其生物聚合物的应用，以食品聚合物为基础的纳米纤维引起了人们的极大关注。这为鱼类食品加工废料（如鱼皮、鱼鳞和鱼骨）创造了机会，因为这些废料提供了丰富的天然聚合物 I 型胶原蛋白（COL）来源。I 型胶原蛋白是一种具有稳定三螺旋结构的天然聚合物，由三个 α 亚基组成的右手三重超螺旋结构组成。由于 COL 具有非免疫原性、良好的生物相容性和生物可降解性，生物医学、制药、食品和化妆品行业对其进行了广泛的研究。I 型 COL 是器官和组织细胞外基质（ECM）的主要结构蛋白，在维持 ECM 的生物和结构完整性方面发挥着关键作用，并不断重塑以实现生理功能。因此，以 COL 为基础的材料目前在生物材料和食品包装制造中备受青睐。

电纺丝已被广泛用于制备量身定制的组织工程支架，因为获得的纤维将具有与组织中天然 ECM 相似的形态和结构特征。这些电纺纳米纤维表现出优异的可控形态，可以简单地生产出直径在亚纳米到微米范围内的连续纳米纤维，从而模仿天然 ECM 的结构。因此，作为原生 ECM 的主要成分，将 COL 电纺丝制成支架的方法日益受到关注。

要通过电纺丝制造 COL 支架，COL 必须在一定程度上变性，才能溶解并生成可电纺丝的溶液。之前的研究报告称，要获得可纺材料，蛋白质必须展开，产生随机线圈结构。为促进 COL 电纺纳米纤维的形成，人们使用了挥发性强且易挥发的有机溶剂，如 1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇（HFP）和 2.2.2-三氟乙醇（TFE）。然而，这些溶剂具有腐蚀性和毒性，会破坏 COL 的天然结构，导致 COL 变性为明胶，从而产生明胶纳米纤维而非 COL 纳米纤维。报告称，使用氟醇电纺 COL 会导致 α 链受损，三螺旋和纤维状结构被破坏，缺乏与明胶制备所得类似的内部结构或构型顺序。

 Liu、Teng、Chan 和 Chew报告称，使用 HFP 只保留了 12.51 % 的 COL 三螺旋部分。Fiorani 等人也报告说，使用 TFE 电纺 COL 纳米纤维作为溶剂，仅保留了 16% 的三螺旋部分。此外，虽然有毒溶剂会在纺丝过程中挥发，但其残留物可能会影响后续应用。因此，使用环保、无害的溶剂系统进行电纺丝对于保留 COL 的三螺旋结构和纳米纤维的后续应用至关重要。这对醋酸来说是一个很好的机会，欧盟曾鼓励将醋酸用作绿色溶剂，以取代有毒或有害溶剂。醋酸是一种环境友好型无毒溶剂，被公认为安全（GRAS），可从纤维素生物质（如农业残留物）中获得。

因此，使用醋酸作为溶剂可能有助于促进廉价和可再生原材料的开发。醋酸是一种常用的电纺丝溶剂，对纳米纤维的制备有积极影响。Stie、Jones、Sorensen、Jacobsen、Chronakis & Nielsen（2019）的研究表明，使用乙酸作为溶剂制备的壳聚糖/聚环氧乙烷纳米纤维可在水中保持 4 小时，并仍能保持其形状和纤维结构，而使用琥珀酸或柠檬酸作为溶剂则会导致壳聚糖/聚环氧乙烷纳米纤维垫在水中保持 4 小时后解体。Han、Youk、Min、Kang 和 Park（2008 年）首次使用乙酸/水混合溶剂制备出了长而均匀的醋酸纤维素（CA）纳米纤维，他们的研究表明，增加乙酸在混合溶剂中的比例可增加 CA 纳米纤维的直径。Vu、Morozkina、Uspenskaya 和 Olekhnovich（2022 年）的研究表明，使用乙酸作为溶剂对制备的聚乙烯醇（PVA）纳米纤维的化学性质没有影响，PVA 纳米纤维的机械强度随电纺丝溶液中乙酸浓度的增加而增加。因此，醋酸可用作分散 COL 的溶剂，用于制造 COL 基纤维。

普鲁兰（PUL）是一种微生物线性多糖，主要由重复的α-(1/6)连接麦芽三糖单元组成。PUL 是 GRAS 名单上的一种多糖，也可用作纺丝材料。PUL 还能与蛋白质形成氢键，在电纺丝过程中，通过氢键与蛋白质结合，改变聚合物溶液的性质，从而提高蛋白质的可纺性。

因此，在本研究中，我们以乙酸为溶剂，通过电纺丝制备了鱼类 COL/PUL 超细纤维。根据我们的假设，PUL 的引入将通过与 COL 形成氢键来改善电纺溶液的可纺性。我们研究了 COL 和 PUL 分子之间的相互作用（氢键），以及 COL 可纺性提高背后二级结构构象的变化。此外，还对 COL/PUL 超细纤维的结构和特性进行了表征。

二、摘要

胶原蛋白电纺纤维是一种很有前途的食品包装和组织工程材料。然而，传统的胶原蛋白电纺通常是将其溶解在有毒的有机试剂中进行的。本研究以醋酸为溶剂，通过电纺丝制备了胶原蛋白/普鲁兰（COL/PUL）超细纤维。与传统制备方法相比，该方法安全且不会产生有毒溶剂残留。PUL 的引入增加了溶液中分子的缠结程度，因此 COL/PUL 电纺溶液的粘度从 0.50 ± 0.01 Pa∙s 增加到 4.40 ± 0.08 Pa∙s ，电导率从 1954.00 ± 1.00 mS/cm 降低到 1372.33 ± 0.58 mS/cm。扫描电子显微镜分析证实，PUL 改善了 COL 的可纺性，在粘度大于 1.18 Pa∙s 的条件下，成功制备出了光滑、无缺陷的 COL/PUL 超细纤维，直径分别为 215.32 ± 40.56 nm 和 240.97 ± 53.93 nm。随着 PUL 比例的增加，分子内氢键成为 COL 和 PUL 之间的主要相互作用。分子间氢键含量从 52.05% 降至 36.45%，分子内氢键含量从 46.11% 增至 62.95%。COL 逐渐展开，α 螺旋的含量从 33.57% 降至 25.91%，无规线圈从 34.22% 增加到 40.09%。COL/PUL 超细纤维保留了超过 36% 的 COL 三螺旋部分，而用 2.2.2-三氟乙醇制备的 COL 纳米纤维仅保留了 16% 的 COL 三螺旋部分。这些结果可作为开发基于 COL 的绿色食品纤维的参考。

三、结论

本研究以 0.4 M 乙酸为溶剂，通过电纺丝成功制备了 COL/PUL 超细纤维。PUL的引入有利于增加COL和PUL的分子间缠结，从而提高了COL的可纺性，实现了超细纤维形态由纺锤状向光滑状的转变。随着 COL 电纺溶液可纺性的提高，蛋白质部分展开，三螺旋部分保留了 36% 以上。傅立叶变换红外分析结果表明，加入 PUL 后，COL/PUL 超细纤维倾向于通过分子间氢键的断裂形成分子内氢键。此外，二级结构分析表明，COL逐渐展开，α-螺旋和β-匝结构逐渐转变为β-片和无规线圈结构。

此外，超细纤维的拉伸强度和断裂伸长率与直径和形态有关。光滑、无缺陷、小直径的超细纤维具有出色的机械强度和断裂伸长率。总之，该研究在不使用有毒溶剂的情况下成功制备了 COL/PUL 超细纤维，并研究了改善可纺性的 COL 和 PUL 分子之间的相互作用，为开发基于 COL 的食品纤维提供了有用信息。

图1.SDS-PAGE 图样。(1）蛋白质标记；（2）大鼠尾部胶原蛋白；（3）红魟皮肤胶原蛋白。

图2.(C1-3) 超细纤维在 16000 × 放大倍率下的扫描电镜显微照片。

图3.16000 倍放大率下的（CP1-6）超细纤维的扫描电镜显微照片以及相应的直径分布直方图。