玉米醇溶蛋白溶解与纺丝成型过程中的多级结构演变机制与调控研究

Zein, an amphipathy cereal globulin with abundant resources and unique structure, produces fibrous materials with important scientific significance and application value. However, few reports concerning the conformation and aggregation structure transition of zein during spinning process. Our recent study showed that in the process of dissolution and spinning, the stability, spinnability and fiber properties of zein sol are closely related to its molecular structure evolution. The present proposal will focus on the molecular structure and solution properties of zein, reveal the influence factors and regulation means of high-concentration zein spinning solution in stability and gelation and rheological characteristic. We will investigate the conformational changes of zein through mutiple spectral, microstructure and dynamic analysis, and the effection mechanism of spinning, solidification, stretching and post-treatment parameters to the fiber properties. The current study reveals the internal and external factors and mechanism of restricting the performance of zein protein fiber, optimizes the dissolution and spinning parameters, and will provide further leads in helping to develop novel protein-based fibrous materials.

玉米醇溶蛋白是一种资源丰富、结构独特的两亲性谷物球蛋白，以其为原料制备蛋白纤维新材料非常有科学意义和应用价值，但多年来对玉米醇溶蛋白纤维成型过程中的构象与聚集态结构转变鲜有报道。我们最近研究发现，玉米醇溶蛋白的浓溶液和溶胶体系的稳定性、可纺性及纤维性能与蛋白质分子在溶解和纺丝成型过程中的多级结构演变密切相关。本课题拟针对玉米醇溶蛋白独特的分子结构及溶液特性，开展高浓度纺丝液流变性、稳定性及凝胶化的影响因素与调控方法研究，通过光谱、微观结构和动态性能分析阐明纺丝、凝固、牵伸和交联定型等过程中的蛋白质多级结构演变，揭示纺丝液组成、纺丝成型及后处理等过程对纤维结构与性能的影响机制。课题通过发现和揭示制约玉米醇溶蛋白纤维性能的内外因素与作用机制，优化探索最佳溶解与纺丝参数，对基于天然蛋白的利用和开发新型的生物基蛋白纤维具有重要的理论指导与技术支持作用。

项目以自然界资源丰富的玉米醇溶蛋白为原料，针对玉米醇溶蛋白的高效提取、在不同溶剂条件下的、溶液体系中微纳自组装结构、流变特性、溶液纺丝等进行了系统研究，在玉米醇溶蛋白的溶液特性、自组装结构演变、溶液稳定性及调控、纺丝探索等都取得了重要的进展。（1）研究开发了玉米醇溶蛋白的提取、分离及多种玉米蛋白结构解析。通过优化提取方法与技术，通过优化提取方法与技术制备高纯度的玉米醇溶蛋白，并具有较高的收率（45%）；病对不同结构的玉米醇溶蛋白（α-、β-和γ-zein）的蛋白多级结构进行研究。（2）初步阐明了玉米醇溶蛋白溶液特性与自组装机理。采用热诱导法研究玉米醇溶蛋白的自组装过程及结构变化，阐明玉米醇溶蛋白分子链的各种分子间和分子内的相互作用、及其构象及聚集态结构的自组装演变行为，为后续研究浓纺丝溶液的蛋白结构演变奠定基础。（3）研究制备了稳定的玉米醇溶蛋白湿法纺丝液。通过研究水溶解体系下玉米醇溶蛋白溶解过程和溶液稳定性的影响，优化制备高稳定性的玉米醇溶蛋白纺丝液。（4）研究制备了玉米醇溶蛋白凝胶溶液。研究了玉米醇溶蛋白凝胶纺丝溶液的制备方法，并探索了多元醇增塑剂对凝胶形成的影响，对纺丝过程的温度等参数设定与工艺控制提供了理论依据。（5）初步研究阐明了玉米醇溶蛋白凝胶溶液的流变特性及增塑剂的影响作用。针对不同增塑剂对玉米醇溶蛋白水合物的塑化作用及流变特性进行了研究，优选了二元醇（丁二醇、丙二醇）作为凝胶纺丝增塑剂。（6）探索了玉米醇溶蛋白溶液的可纺丝性能。利用小型的湿法纺丝设备进行了初步探索试验，玉米醇溶蛋白能顺利形成纤维结构。通过湿法纺丝实验验证了玉米醇溶蛋白可以作为一种新型的纺丝原料进行应用，为生物可降解纯玉米蛋白纤维新材料的开发奠定了基础。（7）探索了玉米醇溶蛋白酶解及高附加值多肽制备。探索利用生物酶法降解玉米醇溶蛋白及生成的多肽结构，为筛选具有抗氧化活性等功能的活性肽积累了经验。研究成果为玉米醇溶蛋白的基础与应用奠定了重要的理论基础和技术支撑，为新一代玉米醇溶蛋白生物基纤维材料及相关生物可降解材料的开发提供了重要科学依据。