張思遠，高曉平，胡海娜，楊博琛，康 樂

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010081)

酪蛋白含有人體必需的8種氨基酸，具有“礦物質(zhì)載體”的美譽，是天然的大分子，富含營養(yǎng)物質(zhì)，具有促進蛋白質(zhì)吸收等多種優(yōu)異特性；在組織工程、醫(yī)用材料等多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-3]。

納米纖維因其比表面積大、孔隙率高等優(yōu)異性能受到了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。付文麗等[4-6]研究表明靜電紡絲技術(shù)設(shè)備簡單、操作簡便，可用于制備納米纖維膜。靜電紡絲過程中聚合物溶液在高壓靜電場力的牽引作用下，拉伸形成射流，制備出直徑在幾十納米到幾微米之間的納米纖維。朱敏聞等[7-9]通過靜電紡絲技術(shù)制備出膠原蛋白等蛋白納米纖維膜，可應(yīng)用于生物醫(yī)用、空氣過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域。

XIE等[10]指出酪蛋白因其呈球狀結(jié)構(gòu)無法單獨通過靜電紡絲技術(shù)制成納米纖維膜，需要加入聚乙烯醇或聚氧化乙烯等原料助紡。PATNI等[11-13]以酪蛋白為原料通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜，基于酪蛋白多氨基酸特點，紡制出具有良好生物相容性的纖維膜。上述研究均通過固定紡絲電壓與接收距離，調(diào)節(jié)酪蛋白與助紡溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)配比探究其對纖維膜性能的影響。目前尚未存在固定助紡溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下，探究酪蛋白質(zhì)量分數(shù)對纖維膜成膜影響的研究，也無探究紡絲電壓與接收距離參數(shù)對纖維膜影響的研究。

本文以酪蛋白和聚乙烯醇混合物為原料，設(shè)計正交試驗，運用靜電紡絲技術(shù)，紡制納米蛋白纖維膜。探究固定聚乙烯醇、酪蛋白質(zhì)量分數(shù)、紡絲電壓和接收距離等參數(shù)對納米纖維膜性能的影響。應(yīng)用透射電鏡、透氣性測試、傅里葉紅外光譜、X射線衍射、比表面積和孔隙率測試等手段表征分析纖維膜微觀結(jié)構(gòu)、透氣性、成膜性及穩(wěn)定性，以期拓展納米蛋白纖維膜方向的研究內(nèi)容。

1 試驗部分

1.1 材 料

試驗所用酪蛋白通過等電點沉淀法提取蒙牛袋裝純牛奶所得，聚乙烯醇(PVA)1799型(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，三乙醇胺(AR98%)(上海麥克林生化科技有限公司)。

1.2 紡絲液制備

酪蛋白自身的球形結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)部氫鍵阻止了酪蛋白分子在電場中運動，因此純酪蛋白無法通過靜電紡絲成膜，需要加入PVA助劑伴紡成膜。由預(yù)試驗得出，PVA質(zhì)量分數(shù)過高或過低均會使纖維膜成膜性變差。因此本試驗選用質(zhì)量分數(shù)為7%的聚乙烯醇作為助紡溶質(zhì)，將酪蛋白與7%PVA共混溶解于5%三乙酚胺水溶劑中，確保應(yīng)用靜電紡技術(shù)成功紡制納米纖維膜。在85 ℃水浴環(huán)境下磁力攪拌4 h，獲得均勻溶液，隔夜脫氣制備為靜電紡絲液。

1.3 納米纖維膜制備

以配制好的酪蛋白/PVA紡絲液為原料，應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)紡制納米纖維膜。在實際紡絲過程中，紡絲液質(zhì)量分數(shù)、紡絲電壓和接收距離為纖維膜成形主要影響因素，其余因素對成膜性影響較小?；谏鲜鲈蛞岳业鞍踪|(zhì)量分數(shù)、紡絲電壓和接收距離(紡絲針頭至接收滾筒距離)為影響因素，探究其變化對纖維膜性能的影響。

當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為2%時，無法形成纖維膜；酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%和5%時幾乎無紡絲液滴落，經(jīng)2 h紡絲后可形成良好可拆卸纖維膜，原料浪費較少；當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時有紡絲液滴落，經(jīng)2 h紡絲后可形成不可拆卸纖維膜，原料浪費較多；當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)達到8%時，紡絲液大量滴落，浪費嚴重且極難形成纖維膜。因此選用3%、5%和7%作為酪蛋白質(zhì)量分數(shù)變化值。

電壓低于20 kV時，紡絲液無法良好牽伸形成纖維膜；電壓高于27 kV時，高電壓會擊穿紡絲液對儀器形成高壓電擊從而破壞試驗儀器，因此選用23、25、27 kV作為電壓變化值。

當(dāng)接收距離超過15 cm時，紡絲液大量滴落，無法被滾筒接收；接收距離小于9 cm時，紡絲液不能有效牽伸，破壞微觀高比表面積結(jié)構(gòu)，因此選用9、12、15 cm作為接收距離變化值。

基于上述所得參數(shù)設(shè)計3因素3水平正交試驗，得因子水平參數(shù)表，見表1。在室溫下依據(jù)表中參數(shù)紡制納米纖維膜，紡絲時間為2 h，得表2正交試驗參數(shù)表。

表2 正交試驗參數(shù)表Tab.2 Parameters of orthogonal experiment

2 測試與表征

2.1 成纖狀況及纖維形態(tài)表征

應(yīng)用FEG-QUANTA-650環(huán)境掃描電鏡儀(美國FEI公司)分析紡絲工藝對纖維膜成膜性及其微觀纖維形態(tài)的影響。在電壓為12 kV，放大倍數(shù)分別為1 000和16 000倍試驗條件下觀察酪蛋白/PVA電紡纖維膜形態(tài)結(jié)構(gòu)，分析成纖狀況。同時計算纖維平均直徑、標(biāo)準差和直徑不勻率。

2.2 透氣性能測試

基于GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，應(yīng)用YG(B)461E織物透氣測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)測試纖維膜透氣性。

2.3 傅里葉紅外光譜(FTIR)測試

應(yīng)用IRTrancer-100傅里葉紅外測試儀(日本SHIMADZU CORPORATION公司)檢測4 000～800 cm-1范圍內(nèi)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜的傅里葉紅外光譜圖。分析酪蛋白質(zhì)量分數(shù)變化對纖維膜內(nèi)部交聯(lián)情況及基團影響。

2.4 X射線衍射(XRD)測試

應(yīng)用D/MAX-2500/PC X射線衍射儀(日本RIGAKO CORPORATION公司)檢測在40 kV、30 mA，角度區(qū)間為5°～40°(2θ)之間，步長為0.02°，計數(shù)時間為3 (°)/min條件下，酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜的X射線衍射圖。分析酪蛋白質(zhì)量分數(shù)變化對晶體結(jié)晶度及晶胞大小的影響。

2.5 比表面積和孔徑(BET)測試

應(yīng)用QUADRASORB-SI比表面積和孔徑分析儀(美國Quantachrome公司)分析在100℃下將酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜脫氣24 h后，檢測其在氮氣吸附和解吸等溫線77 K條件下的吸附和解吸結(jié)果，分析酪蛋白質(zhì)量分數(shù)變化對纖維膜孔徑分布及比表面積的影響。

3 結(jié)果和討論

3.1 成纖狀況及纖維形態(tài)分析

不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)紡絲液紡制的納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1示出，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，未成纖大晶粒數(shù)量逐步變多，整體有序性與成纖性逐漸變差，當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%和5%時，變化不明顯，當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時，纖維膜變得無序且多晶粒。

圖1 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)圖(×1 000)Fig.1 Microstructure of nanofiber membranes spun with different casein mass fraction spinning solution

隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，酪蛋白不易成膜特性隨之加劇，使液滴電紡能力下降。正交試驗納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，纖維所含數(shù)量有所降低但整體良好。當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%和5%(試驗1#～6#)時，纖維直徑變異系數(shù)不明顯，而在酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%(試驗7#、8#、9#)時，同時出現(xiàn)217 nm和994 nm直徑纖維，變異系數(shù)明顯。

同因酪蛋白自身不易成膜特性，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，成纖不勻性隨之增大。結(jié)合表3不同質(zhì)量分數(shù)的酪蛋白紡絲液紡制納米纖維膜纖維直徑數(shù)據(jù)可知，纖維直徑不勻性隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高而逐漸升高，當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%(試驗7#、8#、9#)時，不勻性達到50%。

當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%(試驗1#、2#、3#)時，隨接收距離的增大，酪蛋白不易成膜特性隨之加劇，其與隨紡絲電壓的提升可在一定程度上促進纖維成纖共同作用，產(chǎn)生隨紡絲電壓與距離的升高，纖維直徑先變小后變大，標(biāo)準差逐步變大，CV值先變大后變小的現(xiàn)象。其中紡絲電壓為23 kV，接收距離為9 cm時(試驗1#)紡制的納米纖維膜具備良好纖維直徑(457.06 nm)，最低CV值(21.77%)與標(biāo)準差(99.52 nm)為該質(zhì)量分數(shù)下最優(yōu)參數(shù)。

圖2 正交試驗納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)圖(×16 000)Fig.2 Microstructure diagram of nanofiber membrane by orthogonal experiment

表3 納米纖維膜纖維直徑數(shù)據(jù)表Tab.3 Nanofiber membrane fiber diameter data

接收距離與紡絲電壓同樣對成膜造成影響。當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%(試驗4#、5#、6#)時，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)的升高，紡絲液需在25 kV紡絲電壓以上，才能對紡絲液充分牽伸進而紡絲出良好纖維膜，因此出現(xiàn)隨紡絲電壓升高，纖維直徑平均值、標(biāo)準差和CV值均下降的趨勢。其中紡絲電壓為27 kV，接收距離為9 cm時(試驗6#)紡制的納米纖維膜具備最低纖維直徑(507.20 nm)，CV值(24.38%)與標(biāo)準差(123,66 nm)為該質(zhì)量分數(shù)下最優(yōu)參數(shù)。

當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%(試驗7#、8#、9#)時，因酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高造成不易成膜特性加劇，造成其各參數(shù)纖維膜均無法良好成形的結(jié)果。同時因隨紡絲電壓升高與距離增加，紡絲過程會變得相較穩(wěn)定，雖仍無法良好成形但可以形成更多粗纖；產(chǎn)生隨參數(shù)變化纖維直徑平均值與標(biāo)準差呈現(xiàn)上升趨勢，CV值呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。

基于上述分析可知，酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，產(chǎn)生的不易成膜特性嚴重影響纖維膜成膜性、纖維直徑與CV值，當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%與5%時成膜均良好，含大量纖維且CV值較低；當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時成膜性差，纖維含量少且CV值高。紡絲電壓與接收距離同樣對纖維膜產(chǎn)生重要影響，紡絲電壓與接收距離適宜才能令紡絲液充分牽伸同時保證成膜性良好，紡絲出良好纖維膜。

3.2 透氣性能分析

在相同紡絲時間下，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，纖維膜不易成膜特性逐步增大，纖維膜致密性逐步變差，而納米纖維膜成膜越好，纖維堆疊越密致，透氣量越小。如圖3透氣數(shù)據(jù)圖所示，納米纖維膜透氣性能隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高與堆疊致密性減弱而逐漸增大。

基于上述分析結(jié)合圖2正交試驗納米纖維膜微觀結(jié)構(gòu)圖與圖3透氣數(shù)據(jù)圖可知，纖維膜透氣性與纖維膜成纖狀況及纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)有緊密關(guān)聯(lián)，纖維平均直徑越小，細纖維越多，纖維膜堆疊越致密，纖維膜透氣量越小。隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)的升高，纖維膜透氣量增大。

圖3 透氣數(shù)據(jù)圖Fig.3 Air permeability data diagram

3.3 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

當(dāng)紡絲液中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%，5%與7%時，紡制的納米纖維膜FTIR光譜圖如圖4所示。由圖可知，不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)納米纖維膜的傅里葉圖整體基本相似。因纖維膜中均存在酪蛋白且纖維膜中酪蛋白隨紡絲液中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高而增多，光譜圖在1 640與1 540 cm-1處均表征出—CONH—(酰胺)特征吸收帶，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，酰胺吸收峰增大且變陡。因酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯(lián)，隨酪蛋白增多，氫鍵交聯(lián)增多，產(chǎn)生游離羥基與分子間氫鍵隨之增多，造成不飽和烴基與飽和烴基數(shù)量差異減少，致使光譜圖在3 600～3 200 cm-1處均顯示游離羥基及氫鍵吸收峰且隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高逐漸向低波數(shù)方向移動并逐漸展寬減緩。

圖4 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜FTIR光譜圖Fig.4 FTIR spectra of fiber membranes with different casein concentrations

基于上述分析可知，隨紡絲液酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，纖維膜酪蛋白含量增多，酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯(lián)增多，微觀結(jié)合更緊密。

3.4 X射線衍射(XRD)分析

當(dāng)紡絲液中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%與7%時，紡制的納米纖維膜X射線衍射圖如圖5所示。由圖5可知，不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)納米纖維膜的X射線衍射圖整體基本相似。隨著酪蛋白質(zhì)量分數(shù)的升高，PVA與酪蛋白氫鍵結(jié)合增多且更緊密，PVA為主體的晶粒數(shù)量逐漸減小，酪蛋白為主體的晶粒數(shù)量逐漸增多。如表4不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜X射線數(shù)據(jù)表所示，隨著紡絲液中酪蛋白含量增加，主峰峰值角逐漸增大且峰線整體趨勢逐漸減緩、展寬。次峰峰值角逐漸減小且峰線整體趨勢逐漸尖銳并在7%酪蛋白質(zhì)量分數(shù)時次峰峰值高于19.32°處主峰峰值。因PVA與酪蛋白氫鍵結(jié)合時會破壞原有PVA聚合度，使整體聚合度降低被分裂形成更小晶胞，產(chǎn)生隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高結(jié)晶度和晶粒尺寸隨之減小的結(jié)果。

圖5 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜X射線衍射圖Fig.5 X-ray of fiber films with different casein mass fraction

表4 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜X射線衍射數(shù)據(jù)表Tab.4 X-ray date of fiber films with different casein mass fraction

基于上述X射線衍射分析結(jié)合傅里葉紅外光譜分析可知，PVA與酪蛋白氫鍵結(jié)合越緊密。同時因酪蛋白與PVA的氫鍵結(jié)合將破壞PVA原有聚合結(jié)構(gòu)，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，晶體結(jié)晶度會隨之降低，晶胞尺寸減小，晶體微觀穩(wěn)定性下降。

3.5 比表面積和孔徑(BET)分析

當(dāng)紡絲液中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%與7%時，紡制的納米纖維膜吸附-解吸等溫線如圖6所示。由圖可知，不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)納米纖維膜的吸附-解吸等溫線整體基本相似，均為V型等溫線，滯后環(huán)均為H4型滯后環(huán)，這表明所制備納米纖維膜均為介孔結(jié)構(gòu)，具有良好的孔隙率與比表面積，孔徑均為介孔級孔徑。結(jié)合圖7不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜孔徑分布圖可知，當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%與5%時，纖維膜基本均為3.75 nm左右小直徑孔隙，解吸過程較為完全，吸附-解吸等溫線為狹長狀。當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時，纖維膜在7.67 nm處出現(xiàn)了大量大直徑孔隙，解吸過程并不完全，吸附-解吸等溫線為展開狀，產(chǎn)生脫吸附后滯性。

圖6 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜吸附-解吸等溫線圖Fig.6 Adsorption-desorption isotherms of fiber membranes with different casein mass fraction

圖7 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜孔體積分布圖Fig.7 Pore size distribution of fiber membrane at different casein mass fraction

當(dāng)紡絲液中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%與7%時，紡制的不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜比表面積和孔徑數(shù)據(jù)如表5所示。因孔數(shù)量越多、孔徑直徑越大，比表面積和孔體積越大，呈現(xiàn)隨著酪蛋白質(zhì)量分數(shù)增大，比表面積、孔體積和孔徑直徑均呈增大趨勢。

表5 不同酪蛋白質(zhì)量分數(shù)纖維膜比表面積和孔徑數(shù)據(jù)表Tab.5 Data of specific surface area and pore size of fiber membranes with different casein mass fraction

當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%時，制備的納米纖維、孔徑直徑、比表面積和孔體積均最小。當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%時，孔體積和比表面積大幅升高，但孔徑直徑幾乎不變，可知孔徑數(shù)量得到大幅提升。當(dāng)酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時，制備的納米纖維膜孔數(shù)量、孔徑直徑、比表面積和孔體積均最大。

基于上述分析可知，紡制的納米纖維膜均具備良好介孔結(jié)構(gòu)。酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%時制備的納米纖維膜在充分提高孔數(shù)量，比表面積大小和孔體積的情況下仍保持孔徑整體大小及穩(wěn)定性不變，是具有最良好的微觀孔徑結(jié)構(gòu)的纖維膜。

4 結(jié) 論

以酪蛋白和聚乙烯醇(PVA)為原料，通過靜電紡絲技術(shù)制備紡絲液紡制納米纖維膜，利用透射電鏡、透氣性測試、傅里葉紅外光譜、X射線衍射、比表面積和孔隙率表征手段對纖維膜性能進行表征，分析酪蛋白質(zhì)量分數(shù)，接收距離和紡絲電壓3因素變化對纖維膜成膜性、微觀結(jié)構(gòu)等性能影響。得到如下結(jié)論：

①在固定PVA質(zhì)量分數(shù)為7%情況下，酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為3%與5%時可形成良好納米纖維膜，酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為7%時纖維膜成膜性較差。

②纖維膜透氣性與纖維膜微觀結(jié)構(gòu)與成膜性有主要關(guān)聯(lián)，平均纖維直徑越小，纖維膜越致密，纖維膜透氣量更小。

③酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯(lián)結(jié)合，隨酪蛋白質(zhì)量分數(shù)升高，氫鍵交聯(lián)增多，微觀結(jié)合更緊密，結(jié)晶度隨之降低，晶胞尺寸減小，晶體穩(wěn)定性下降。

④各酪蛋白質(zhì)量分數(shù)下制備納米纖維膜均為介孔結(jié)構(gòu)，具備良好孔隙率與較高比表面積。其中酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%下制備的納米纖維膜具有最好微觀孔徑結(jié)構(gòu)。

⑤當(dāng)PVA質(zhì)量分數(shù)為7%，酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%時制備的納米纖維膜在具備大比表面積與孔體積的基礎(chǔ)上，孔隙直徑小，具備最好的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。酪蛋白與PVA良好氫鍵結(jié)合，結(jié)晶度較高為34.26%，晶粒尺寸較小為33 nm，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。酪蛋白質(zhì)量分數(shù)為5%時的最優(yōu)參數(shù)為：紡絲電壓27 kV,接收距離9 cm;紡制的納米纖維膜直徑為507.20 nm,CV值為24.38%，標(biāo)準差為123.66。