【文献解读】ACS Sustain.Chem.Eng.单细胞蛋白制备的新型生物塑料作为包装材料的潜力

背景介绍

动植物产品中的蛋白质因其易于成膜与生物可降解性而广泛应用于食品包装。目前，基于蛋白质的生物塑料主要是从植物（如小麦麸质(WG)，大豆，豌豆，玉米醇溶蛋白，棉籽蛋白等）和动物(乳清，酪蛋白等)中获得的。然而，依赖动植物蛋白进行生物塑料的生产将会给高蛋白价值的食品供应链带来巨大压力，此外，随着人口的日益增加，粮食问题也日益严峻。单细胞蛋白（SCP）是一种新型的替代蛋白质来源，主要提取自死的和干燥的单细胞微生物，如细菌、真菌和藻类，这些微生物可在农业废物与工业副产品中培养。若能将其开发应用为新型生物塑料,不仅不必与食品生产竞争，也符合资源的可持续化利用。

鉴于此，来自瑞典皇家理工学院的Shuvra Singha 等人评估了单细胞蛋白（SCP）基生物塑料薄膜替代现有植物/动物蛋白膜和石油基塑料的可行性。

图文解读

单细胞蛋白薄膜的制备

通过简单的研磨/共混/干燥/模压制得蛋白膜：首先通过微生物发酵从马铃薯淀粉废料中提取单细胞蛋白（SCP），利用研钵和研杵将片状蛋白质样品(图S1)研磨成粉末。向粉末中加入25 wt%的甘油(25/75-甘油/SCP)，随后使用研钵和研杵彻底研磨10分钟，以确保两种组分的均匀混合(图S1)。然后让混合物在室温(20℃)下干燥4-5小时。之后，用研钵和研杵再次研磨该材料，以获得最终蛋白质/甘油混合物的细粉。最后在Fontijne Press TP 400仪器中，在三种不同的温度(110、120和130℃)和压制时间(5、10和15min)下，以250 KN的力对粉末进行压缩成型。样品根据压制条件命名，即SCP/Gly-X-Y，例如SCP/Gly-11010。样品组成和压制条件总结在表S1中。

Figure S1. The SCP flakes (top) and after grinding with glycerol (bottom).

单细胞蛋白薄膜的性能表征

从SCP膜的表观形貌来看制备的薄膜呈褐色，半透明(图1)，压制条件的选择没有在薄膜的总体外观上呈现出明显的差异。用场发射扫描电子显微镜只能观察到少数细胞壁完整的单细胞(图2A)，这表明大多数细胞被分解为连续的介质/基质，类似于在防油纸中分解纤维素纸浆纤维的情况。横截面图像(图2B)也显示了一些完整的细胞。

所有的膜都由相同的蛋白质/甘油组成，因此在膜的性质中观察到的变化仅由加工条件控制，即压制时间和温度。从SCP膜的拉伸试验表明：所有薄膜的刚度(杨氏模量)和强度(最大应力)(与压制时间无关)总体上随着压制温度的升高而增加(图3)。此外，除110℃时的强度、延展性和韧性外，随着压制时间的增加，所有膜的力学性能变差。相比与其它甘油增塑的蛋白质材料，其强度与刚度类似，延展性较低。随温度的升高而发生的变化可能是由于热诱导的聚集，这在蛋白质中经常观察到。而随压制时间的增加所引起的力学性能下降则可能是由于某种退化。

基于蛋白质的膜与合成聚合物的水蒸气渗透性（WVP）比较如表1所示。一般来说，与聚乙烯、聚偏二氯乙烯和聚酯等合成聚合物相比，蛋白质薄膜的水蒸气阻隔性能较差。这是由于蛋白质的亲水官能团，使得水蒸气分子的溶解度更大，从而具有更高的渗透性。然而，基于SCP的膜的WVPs与其他基于蛋白质的膜相似或更低(表1)。这可能是由于基于SCP的蛋白质中存在高含量的非极性氨基酸部分，此外，膜样品中脂质(蛋白质未脱脂)的存在也有助于提高基质的疏水性从而降低水的溶解度。因此，基于SCP的薄膜替代现有动物/植物蛋白膜是可行的。

一般来说，蛋白质膜在干燥条件下是很好的氧气屏障，因为它们能够形成广泛的氢键网络，阻止氧气通过。这一特性在改善某些食物的保质期时尤为重要，表2的数据可将图5中的SCP/Gly薄膜的氧透过率（OP）与一些蛋白质基薄膜和合成聚合物进行比较。从表中可以看出，不同处理条件下SCP基薄膜的OP值无显著差异，数值范围为175 ~ 205 cm³μm m⁻²day⁻¹kPa⁻¹(图5)。随着挤压时间和温度的变化，分子结构(如聚集)的变化对氧透过率没有显著影响。在相同的甘油含量、温度和相对湿度下，OP值略高于乳清分离蛋白(WPI)、β-乳球蛋白和WG等其他蛋白基膜，需要注意的是，SCP/Gly膜的蛋白质含量比上述比较蛋白材料少，脂质含量相对较高。并且，与其他蛋白质膜相似，SCP基薄膜比合成聚合物如低/高密度聚乙烯(LDPE和HDPE)表现出更好的OP阻隔性能。因此，通过对单细胞提纯蛋白质含量来进一步提高OP具有商业应用的可能性。

总结

作者以马铃薯废料为原料，利用培养的单细胞制备了一种新型的蛋白质塑料，采用压缩成型技术在三种不同的压制温度和时间下制备了薄膜。基于SCP膜的WVP虽然与其他蛋白质膜相似，但OP值略高，通过增加膜的蛋白质含量也许可以将其进一步提高(蛋白质含量高的材料会有广泛的氢键网络，从而降低O2渗透)。此外，其OP值明显优于LDPE、HDPE等常见塑料包装材料。作者还对比了SCP材料的降解性能，发现其与家用可堆肥袋相似。值得注意的是，蛋白质材料的一个重大优点是它们不会引起类似于微塑料的问题，相反，还可以作为植物和动物的营养来源。综合结果表明，基于SCP的生物塑料薄膜具有替代环境要求高的植物/动物蛋白衍生产品、其他生物聚合物薄膜(多糖)和合成聚合物的可持续发展潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/d0gc04273k

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