江南大学和南京农业大学合作在Nature Communications发表关于食品包装膜的重要成果
- 2026-06-08 08:12:45
江南大学和南京农业大学合作在Nature Communications发表关于食品包装膜的重要成果
江南大学和南京农业大学合作在Nature Communications发表关于食品包装膜的重要成果 近日，江南大学和南京农业大学合作在Nature子刊《Nature Communications》发表了题为“Silk-Inspired Design and Manufacturing of Robust Plantymers”的研究性论文。江南大学化学与材料工程学院Yijie Wang为第一作者，江南大学化学与材料工程学院东为富教授和南京农业大学食品科技学院李岫峰副教授为共同通讯作者。 
植物基生物聚合物是极具潜力的化石基聚合物可持续替代材料，能够减少人类对不可再生资源的依赖，缓解塑料污染问题。这类源自可再生植物原料的聚合物，相较于人工合成聚合物，通常具备更优异的生物降解性与生物相容性，十分适用于食品相关领域及医用器械。尽管存在与食物供给潜在竞争的关注，但大范围推广应用的主要阻碍在于自身性能短板。具体表现为机械强度偏低、阻湿与阻隔气体性能较差、产品品质不稳定，相较于聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)等生物基单体合成的生物聚合物，市场竞争力偏弱。植物基生物聚合物材料性能提升的核心难题在于：目前人们尚未充分掌握加工工艺对其复杂微观、纳米结构的影响规律，而这决定其性能。 天然生物聚合物材料的复杂加工工艺，与其分子序列协同演化，受这类天然加工工艺的启发，可研发由植物生物聚合物构成的新型材料。蛛丝纺丝便是典型案例。和多种天然蛋白材料类似，蛛丝纤维的强度源于β 折叠纳米晶构成的高密度物理交联结构，该结构占蛛丝总体积的 10%~15%。纳米晶在蛛丝蛋白网络中同时连接多缕，让蛛丝韧性远超钢材。蜘蛛将液态纺丝原液固化成纤维时，会施加稳定且强劲的机械作用力。纺丝原液承受 300-700 MPa的机械应力，促使蛛丝蛋白二级结构从 α 螺旋向 β 折叠转变，最终实现纤维强化。其他生物体内也存在借助机械力诱导蛋白构象变化、调控材料性能的机制。例如栉蚕可分泌蛋白粘液用于捕猎，粘液中的蛋白受机械作用快速形成纳米、微米级纤维丝，进而聚集形成宏观纤维。受蛛丝启发的蛋白及聚合物纺丝技术已得到广泛探究，例如使用微流控装置。这与超高强度合成纤维纺丝高度类似，纺丝过程的外力促使链排列，赋予材料出众的力学性能与耐用性。 蛛丝纺丝近期备受关注的一大独有特性，是纺丝原液会发生液液相分离(LLPS)。目前已证实，液液相分离是助力剪切力诱导 α 螺旋向 β 折叠转变的关键中间态。天然蛛丝中，内在无序结构域在介导液液相分离过程中起到核心作用，可构建出浓度高且具备流动性的环境，满足 β 折叠纳米晶的组装条件。 近年来，蛋白质的LLPS在其他研究领域也广受关注，特别是因为其在从内在无序蛋白(IDPs)形成无膜胞内区室中的作用。LLPS普遍能够促使蛋白质更易受机械力影响而发生构象改变。多种由IDPs构成的凝聚体，在受到机械剪切作用时，会快速从黏稠液态转变为固态，同时蛋白质二级结构也随之发生变化。目前尚存未解问题：凝聚体中 β 折叠的形成程度，与最终材料力学性能之间的内在关联。 富含蛋白质的凝聚体也逐渐成为制备各类功能材料的理想前驱体。例如，LLPS在天然蛋白黏附体系中起到关键作用。经LLPS形成的富蛋白相呈黏性流体状态，与贫蛋白相界面张力低，便于加工制成纤维与薄膜材料。 本文以玉米醇溶蛋白为研究模型，证实凝聚体态可使该蛋白在机械力作用下实现 α 螺旋向 β 折叠的结构转变，进而提升玉米醇溶蛋白薄膜与纤维的使用性能。蛛丝蛋白例如丝素蛋白经过氨基酸序列演化，纺丝过程中能够高效完成 α 螺旋至 β 折叠的结构转化，最终赋予纤维优异的力学特性。本研究并非旨在复刻蛛丝的力学性能，而是借鉴蛛丝纺丝机理，探索优化可再生蛋白原料制备植物基材料的加工工艺。 玉米醇溶蛋白是玉米主要的贮藏蛋白，属于谷物醇溶蛋白家族，早已被应用于材料制备领域。研究表明，经剪切调控制备的玉米醇溶蛋白凝聚体植物聚合物，各项性能指标已可与化石基合成纤维相媲美。 众所周知，玉米醇溶蛋白在水 / 乙醇等二元溶剂体系中会发生液液相分离。本文提出假设：凝聚体态能够让以无规卷曲和 α 螺旋结构为主的玉米醇溶蛋白，更易在机械力作用下形成分子内 β 折叠结构。凝聚态下蛋白被浓缩且仍保持液态，既能将力高效传递到蛋白质，又可保留蛋白质运动性，这二者对于蛋白构象转变来说是需要的。这一加工方式，区别于溶液流延制膜等稀分散体系加工，也与挤出、压塑等浓溶液及浓分散体系加工存在明显差异。 该研究结合LLPS形成的凝聚与机械外力作用，改良玉米醇溶蛋白，制备出新型植物聚合物材料，所得薄片与纤维力学性能大幅提升。通过调控水乙醇溶剂体系，触发玉米醇溶蛋白发生LLPS，形成保留流动性的富蛋白相，借助剪切作用制备薄膜和纤维，模仿蛛丝强化机理。成品材料刚度可媲美蛛丝，同时具备优良的隔氧阻湿能力。试验证实该植物聚合物薄膜能有效延缓香蕉褐变。此项研究表明，天然启发的聚合物加工路径，可简便高效地制备高性能植物基生物聚合物材料。 
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分子对接与分子动力学黄酮类化合物
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