酪蛋白/聚乙烯醇纳米纤维膜制备与性能研究

张思远，高晓平，胡海娜，杨博琛，康 乐

(内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010081)

酪蛋白含有人体必需的8种氨基酸，具有“矿物质载体”的美誉，是天然的大分子，富含营养物质，具有促进蛋白质吸收等多种优异特性；在组织工程、医用材料等多个领域具有广泛应用[1-3]。

纳米纤维因其比表面积大、孔隙率高等优异性能受到了相关研究者的广泛关注。付文丽等[4-6]研究表明静电纺丝技术设备简单、操作简便，可用于制备纳米纤维膜。静电纺丝过程中聚合物溶液在高压静电场力的牵引作用下，拉伸形成射流，制备出直径在几十纳米到几微米之间的纳米纤维。朱敏闻等[7-9]通过静电纺丝技术制备出胶原蛋白等蛋白纳米纤维膜，可应用于生物医用、空气过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域。

XIE等[10]指出酪蛋白因其呈球状结构无法单独通过静电纺丝技术制成纳米纤维膜，需要加入聚乙烯醇或聚氧化乙烯等原料助纺。PATNI等[11-13]以酪蛋白为原料通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜，基于酪蛋白多氨基酸特点，纺制出具有良好生物相容性的纤维膜。上述研究均通过固定纺丝电压与接收距离，调节酪蛋白与助纺溶质质量分数配比探究其对纤维膜性能的影响。目前尚未存在固定助纺溶质质量分数下，探究酪蛋白质量分数对纤维膜成膜影响的研究，也无探究纺丝电压与接收距离参数对纤维膜影响的研究。

本文以酪蛋白和聚乙烯醇混合物为原料，设计正交试验，运用静电纺丝技术，纺制纳米蛋白纤维膜。探究固定聚乙烯醇、酪蛋白质量分数、纺丝电压和接收距离等参数对纳米纤维膜性能的影响。应用透射电镜、透气性测试、傅里叶红外光谱、X射线衍射、比表面积和孔隙率测试等手段表征分析纤维膜微观结构、透气性、成膜性及稳定性，以期拓展纳米蛋白纤维膜方向的研究内容。

1 试验部分

1.1 材 料

试验所用酪蛋白通过等电点沉淀法提取蒙牛袋装纯牛奶所得，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%)(上海麦克林生化科技有限公司)。

1.2 纺丝液制备

酪蛋白自身的球形结构和分子内部氢键阻止了酪蛋白分子在电场中运动，因此纯酪蛋白无法通过静电纺丝成膜，需要加入PVA助剂伴纺成膜。由预试验得出，PVA质量分数过高或过低均会使纤维膜成膜性变差。因此本试验选用质量分数为7%的聚乙烯醇作为助纺溶质，将酪蛋白与7%PVA共混溶解于5%三乙酚胺水溶剂中，确保应用静电纺技术成功纺制纳米纤维膜。在85 ℃水浴环境下磁力搅拌4 h，获得均匀溶液，隔夜脱气制备为静电纺丝液。

1.3 纳米纤维膜制备

以配制好的酪蛋白/PVA纺丝液为原料，应用静电纺丝技术纺制纳米纤维膜。在实际纺丝过程中，纺丝液质量分数、纺丝电压和接收距离为纤维膜成形主要影响因素，其余因素对成膜性影响较小。基于上述原因以酪蛋白质量分数、纺丝电压和接收距离(纺丝针头至接收滚筒距离)为影响因素，探究其变化对纤维膜性能的影响。

当酪蛋白质量分数为2%时，无法形成纤维膜；酪蛋白质量分数为3%和5%时几乎无纺丝液滴落，经2 h纺丝后可形成良好可拆卸纤维膜，原料浪费较少；当酪蛋白质量分数为7%时有纺丝液滴落，经2 h纺丝后可形成不可拆卸纤维膜，原料浪费较多；当酪蛋白质量分数达到8%时，纺丝液大量滴落，浪费严重且极难形成纤维膜。因此选用3%、5%和7%作为酪蛋白质量分数变化值。

电压低于20 kV时，纺丝液无法良好牵伸形成纤维膜；电压高于27 kV时，高电压会击穿纺丝液对仪器形成高压电击从而破坏试验仪器，因此选用23、25、27 kV作为电压变化值。

当接收距离超过15 cm时，纺丝液大量滴落，无法被滚筒接收；接收距离小于9 cm时，纺丝液不能有效牵伸，破坏微观高比表面积结构，因此选用9、12、15 cm作为接收距离变化值。

基于上述所得参数设计3因素3水平正交试验，得因子水平参数表，见表1。在室温下依据表中参数纺制纳米纤维膜，纺丝时间为2 h，得表2正交试验参数表。

表2 正交试验参数表Tab.2 Parameters of orthogonal experiment

2 测试与表征

2.1 成纤状况及纤维形态表征

应用FEG-QUANTA-650环境扫描电镜仪(美国FEI公司)分析纺丝工艺对纤维膜成膜性及其微观纤维形态的影响。在电压为12 kV，放大倍数分别为1 000和16 000倍试验条件下观察酪蛋白/PVA电纺纤维膜形态结构，分析成纤状况。同时计算纤维平均直径、标准差和直径不匀率。

2.2 透气性能测试

基于GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，应用YG(B)461E织物透气测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)测试纤维膜透气性。

2.3 傅里叶红外光谱(FTIR)测试

应用IRTrancer-100傅里叶红外测试仪(日本SHIMADZU CORPORATION公司)检测4 000～800 cm-1范围内酪蛋白质量分数分别为3%、5%和7%时制备的纳米纤维膜的傅里叶红外光谱图。分析酪蛋白质量分数变化对纤维膜内部交联情况及基团影响。

2.4 X射线衍射(XRD)测试

应用D/MAX-2500/PC X射线衍射仪(日本RIGAKO CORPORATION公司)检测在40 kV、30 mA，角度区间为5°～40°(2θ)之间，步长为0.02°，计数时间为3 (°)/min条件下，酪蛋白质量分数分别为3%、5%和7%时制备的纳米纤维膜的X射线衍射图。分析酪蛋白质量分数变化对晶体结晶度及晶胞大小的影响。

2.5 比表面积和孔径(BET)测试

应用QUADRASORB-SI比表面积和孔径分析仪(美国Quantachrome公司)分析在100℃下将酪蛋白质量分数分别为3%、5%和7%时制备的纳米纤维膜脱气24 h后，检测其在氮气吸附和解吸等温线77 K条件下的吸附和解吸结果，分析酪蛋白质量分数变化对纤维膜孔径分布及比表面积的影响。

3 结果和讨论

3.1 成纤状况及纤维形态分析

不同酪蛋白质量分数纺丝液纺制的纳米纤维膜微观结构如图1所示。由图1示出，随酪蛋白质量分数升高，未成纤大晶粒数量逐步变多，整体有序性与成纤性逐渐变差，当酪蛋白质量分数为3%和5%时，变化不明显，当酪蛋白质量分数为7%时，纤维膜变得无序且多晶粒。

图1 不同酪蛋白质量分数纳米纤维膜微观结构图(×1 000)Fig.1 Microstructure of nanofiber membranes spun with different casein mass fraction spinning solution

随酪蛋白质量分数升高，酪蛋白不易成膜特性随之加剧，使液滴电纺能力下降。正交试验纳米纤维膜微观结构如图2所示。随酪蛋白质量分数升高，纤维所含数量有所降低但整体良好。当酪蛋白质量分数为3%和5%(试验1#～6#)时，纤维直径变异系数不明显，而在酪蛋白质量分数为7%(试验7#、8#、9#)时，同时出现217 nm和994 nm直径纤维，变异系数明显。

同因酪蛋白自身不易成膜特性，随酪蛋白质量分数升高，成纤不匀性随之增大。结合表3不同质量分数的酪蛋白纺丝液纺制纳米纤维膜纤维直径数据可知，纤维直径不匀性随酪蛋白质量分数升高而逐渐升高，当酪蛋白质量分数为7%(试验7#、8#、9#)时，不匀性达到50%。

当酪蛋白质量分数为3%(试验1#、2#、3#)时，随接收距离的增大，酪蛋白不易成膜特性随之加剧，其与随纺丝电压的提升可在一定程度上促进纤维成纤共同作用，产生随纺丝电压与距离的升高，纤维直径先变小后变大，标准差逐步变大，CV值先变大后变小的现象。其中纺丝电压为23 kV，接收距离为9 cm时(试验1#)纺制的纳米纤维膜具备良好纤维直径(457.06 nm)，最低CV值(21.77%)与标准差(99.52 nm)为该质量分数下最优参数。

图2 正交试验纳米纤维膜微观结构图(×16 000)Fig.2 Microstructure diagram of nanofiber membrane by orthogonal experiment

表3 纳米纤维膜纤维直径数据表Tab.3 Nanofiber membrane fiber diameter data

接收距离与纺丝电压同样对成膜造成影响。当酪蛋白质量分数为5%(试验4#、5#、6#)时，随酪蛋白质量分数的升高，纺丝液需在25 kV纺丝电压以上，才能对纺丝液充分牵伸进而纺丝出良好纤维膜，因此出现随纺丝电压升高，纤维直径平均值、标准差和CV值均下降的趋势。其中纺丝电压为27 kV，接收距离为9 cm时(试验6#)纺制的纳米纤维膜具备最低纤维直径(507.20 nm)，CV值(24.38%)与标准差(123,66 nm)为该质量分数下最优参数。

当酪蛋白质量分数为7%(试验7#、8#、9#)时，因酪蛋白质量分数升高造成不易成膜特性加剧，造成其各参数纤维膜均无法良好成形的结果。同时因随纺丝电压升高与距离增加，纺丝过程会变得相较稳定，虽仍无法良好成形但可以形成更多粗纤；产生随参数变化纤维直径平均值与标准差呈现上升趋势，CV值呈现先上升后下降趋势。

基于上述分析可知，酪蛋白质量分数升高，产生的不易成膜特性严重影响纤维膜成膜性、纤维直径与CV值，当酪蛋白质量分数为3%与5%时成膜均良好，含大量纤维且CV值较低；当酪蛋白质量分数为7%时成膜性差，纤维含量少且CV值高。纺丝电压与接收距离同样对纤维膜产生重要影响，纺丝电压与接收距离适宜才能令纺丝液充分牵伸同时保证成膜性良好，纺丝出良好纤维膜。

3.2 透气性能分析

在相同纺丝时间下，随酪蛋白质量分数升高，纤维膜不易成膜特性逐步增大，纤维膜致密性逐步变差，而纳米纤维膜成膜越好，纤维堆叠越密致，透气量越小。如图3透气数据图所示，纳米纤维膜透气性能随酪蛋白质量分数升高与堆叠致密性减弱而逐渐增大。

基于上述分析结合图2正交试验纳米纤维膜微观结构图与图3透气数据图可知，纤维膜透气性与纤维膜成纤状况及纤维形态结构有紧密关联，纤维平均直径越小，细纤维越多，纤维膜堆叠越致密，纤维膜透气量越小。随酪蛋白质量分数的升高，纤维膜透气量增大。

图3 透气数据图Fig.3 Air permeability data diagram

3.3 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

当纺丝液中酪蛋白质量分数分别为3%，5%与7%时，纺制的纳米纤维膜FTIR光谱图如图4所示。由图可知，不同酪蛋白质量分数纳米纤维膜的傅里叶图整体基本相似。因纤维膜中均存在酪蛋白且纤维膜中酪蛋白随纺丝液中酪蛋白质量分数升高而增多，光谱图在1 640与1 540 cm-1处均表征出—CONH—(酰胺)特征吸收带，随酪蛋白质量分数升高，酰胺吸收峰增大且变陡。因酪蛋白和PVA通过氢键交联，随酪蛋白增多，氢键交联增多，产生游离羟基与分子间氢键随之增多，造成不饱和烃基与饱和烃基数量差异减少，致使光谱图在3 600～3 200 cm-1处均显示游离羟基及氢键吸收峰且随酪蛋白质量分数升高逐渐向低波数方向移动并逐渐展宽减缓。

图4 不同酪蛋白质量分数纤维膜FTIR光谱图Fig.4 FTIR spectra of fiber membranes with different casein concentrations

基于上述分析可知，随纺丝液酪蛋白质量分数升高，纤维膜酪蛋白含量增多，酪蛋白和PVA通过氢键交联增多，微观结合更紧密。

3.4 X射线衍射(XRD)分析

当纺丝液中酪蛋白质量分数分别为3%、5%与7%时，纺制的纳米纤维膜X射线衍射图如图5所示。由图5可知，不同酪蛋白质量分数纳米纤维膜的X射线衍射图整体基本相似。随着酪蛋白质量分数的升高，PVA与酪蛋白氢键结合增多且更紧密，PVA为主体的晶粒数量逐渐减小，酪蛋白为主体的晶粒数量逐渐增多。如表4不同酪蛋白质量分数纤维膜X射线数据表所示，随着纺丝液中酪蛋白含量增加，主峰峰值角逐渐增大且峰线整体趋势逐渐减缓、展宽。次峰峰值角逐渐减小且峰线整体趋势逐渐尖锐并在7%酪蛋白质量分数时次峰峰值高于19.32°处主峰峰值。因PVA与酪蛋白氢键结合时会破坏原有PVA聚合度，使整体聚合度降低被分裂形成更小晶胞，产生随酪蛋白质量分数升高结晶度和晶粒尺寸随之减小的结果。

图5 不同酪蛋白质量分数纤维膜X射线衍射图Fig.5 X-ray of fiber films with different casein mass fraction

表4 不同酪蛋白质量分数纤维膜X射线衍射数据表Tab.4 X-ray date of fiber films with different casein mass fraction

基于上述X射线衍射分析结合傅里叶红外光谱分析可知，PVA与酪蛋白氢键结合越紧密。同时因酪蛋白与PVA的氢键结合将破坏PVA原有聚合结构，随酪蛋白质量分数升高，晶体结晶度会随之降低，晶胞尺寸减小，晶体微观稳定性下降。

3.5 比表面积和孔径(BET)分析

当纺丝液中酪蛋白质量分数分别为3%、5%与7%时，纺制的纳米纤维膜吸附-解吸等温线如图6所示。由图可知，不同酪蛋白质量分数纳米纤维膜的吸附-解吸等温线整体基本相似，均为V型等温线，滞后环均为H4型滞后环，这表明所制备纳米纤维膜均为介孔结构，具有良好的孔隙率与比表面积，孔径均为介孔级孔径。结合图7不同酪蛋白质量分数纤维膜孔径分布图可知，当酪蛋白质量分数为3%与5%时，纤维膜基本均为3.75 nm左右小直径孔隙，解吸过程较为完全，吸附-解吸等温线为狭长状。当酪蛋白质量分数为7%时，纤维膜在7.67 nm处出现了大量大直径孔隙，解吸过程并不完全，吸附-解吸等温线为展开状，产生脱吸附后滞性。

图6 不同酪蛋白质量分数纤维膜吸附-解吸等温线图Fig.6 Adsorption-desorption isotherms of fiber membranes with different casein mass fraction

图7 不同酪蛋白质量分数纤维膜孔体积分布图Fig.7 Pore size distribution of fiber membrane at different casein mass fraction

当纺丝液中酪蛋白质量分数分别为3%、5%与7%时，纺制的不同酪蛋白质量分数纤维膜比表面积和孔径数据如表5所示。因孔数量越多、孔径直径越大，比表面积和孔体积越大，呈现随着酪蛋白质量分数增大，比表面积、孔体积和孔径直径均呈增大趋势。

表5 不同酪蛋白质量分数纤维膜比表面积和孔径数据表Tab.5 Data of specific surface area and pore size of fiber membranes with different casein mass fraction

当酪蛋白质量分数为3%时，制备的纳米纤维、孔径直径、比表面积和孔体积均最小。当酪蛋白质量分数为5%时，孔体积和比表面积大幅升高，但孔径直径几乎不变，可知孔径数量得到大幅提升。当酪蛋白质量分数为7%时，制备的纳米纤维膜孔数量、孔径直径、比表面积和孔体积均最大。

基于上述分析可知，纺制的纳米纤维膜均具备良好介孔结构。酪蛋白质量分数为5%时制备的纳米纤维膜在充分提高孔数量，比表面积大小和孔体积的情况下仍保持孔径整体大小及稳定性不变，是具有最良好的微观孔径结构的纤维膜。

4 结 论

以酪蛋白和聚乙烯醇(PVA)为原料，通过静电纺丝技术制备纺丝液纺制纳米纤维膜，利用透射电镜、透气性测试、傅里叶红外光谱、X射线衍射、比表面积和孔隙率表征手段对纤维膜性能进行表征，分析酪蛋白质量分数，接收距离和纺丝电压3因素变化对纤维膜成膜性、微观结构等性能影响。得到如下结论：

①在固定PVA质量分数为7%情况下，酪蛋白质量分数为3%与5%时可形成良好纳米纤维膜，酪蛋白质量分数为7%时纤维膜成膜性较差。

②纤维膜透气性与纤维膜微观结构与成膜性有主要关联，平均纤维直径越小，纤维膜越致密，纤维膜透气量更小。

③酪蛋白和PVA通过氢键交联结合，随酪蛋白质量分数升高，氢键交联增多，微观结合更紧密，结晶度随之降低，晶胞尺寸减小，晶体稳定性下降。

④各酪蛋白质量分数下制备纳米纤维膜均为介孔结构，具备良好孔隙率与较高比表面积。其中酪蛋白质量分数为5%下制备的纳米纤维膜具有最好微观孔径结构。

⑤当PVA质量分数为7%，酪蛋白质量分数为5%时制备的纳米纤维膜在具备大比表面积与孔体积的基础上，孔隙直径小，具备最好的传导结构。酪蛋白与PVA良好氢键结合，结晶度较高为34.26%，晶粒尺寸较小为33 nm，结构稳定。酪蛋白质量分数为5%时的最优参数为：纺丝电压27 kV,接收距离9 cm;纺制的纳米纤维膜直径为507.20 nm,CV值为24.38%，标准差为123.66。