塑料污染与石油资源枯竭的双重危机，正迫使科学家寻找可持续的替代材料。植物基生物聚合物因可再生、可降解而备受关注，然而其力学性能差、阻隔性弱等问题长期制约了实际应用。若要调控植物基生物聚合物的力学行为，必须对其微观和纳米尺度结构进行精细控制。蜘蛛的吐丝过程便是一种典型的机制：它巧妙结合了液-液相分离（LLPS）与机械力，驱动α-螺旋前体蛋白转化为β-折叠结构，从而形成高强度的纤维。

 

受此启发，江南大学东为富教授和南京农业大学、瓦赫宁根大学合作开发出一种全新的加工策略：通过诱导玉米醇溶蛋白发生液-液相分离形成凝聚体，再施加机械力，成功制备出力学性能媲美丝绸、阻隔性接近PLA（聚乳酸）的“植物丝”薄膜与纤维（Plantymer）（图1）。相关论文以“Silk-Inspired Design and Manufacturing of Robust Plantymers”为题，5月11日发表在Nature Communications上，为高性能生物基材料的制造提供了全新思路。

 

实验

 

步骤：先将玉米醇溶蛋白粉末溶于 80% 乙醇水溶液，超声辅助溶解并调节 pH；缓慢加水将乙醇体积分数调至约 47%，触发液 - 液相分离形成凝聚体分散液；通过静置或离心获得浓缩玉米醇溶蛋白凝聚体；采用涂膜器在 PET 基底上刮涂凝聚体制备薄膜，控制剪切速率与 pH，烘干后剥离得到自支撑膜；采用重力牵引法，让凝聚体从不同高度下落拉伸制备纤维，收集后干燥保存；同时采用溶液流延法制备对照玉米醇溶蛋白膜，并按对应方法制备大豆蛋白膜、酪蛋白酸钠膜、聚乳酸膜用于对比。

 

测试表征方法：通过万能试验机与动态热机械分析仪测试薄膜与纤维的拉伸性能；利用傅里叶变换红外光谱、圆二色谱分析蛋白二级结构；采用扫描电镜、原子力显微镜、偏光显微镜、小角 X 射线散射观察形貌与取向；测试吸水率、水接触角、氧气透过率表征阻隔性能；按照欧盟标准检测食品迁移性；通过土壤模拟实验评估降解性；以香蕉保鲜实验验证应用效果。

 

图文解析

 

研究首先利用玉米来源的醇溶蛋白作为模型。该蛋白在特定浓度乙醇-水混合溶剂中发生液-液相分离，形成富含蛋白的液态凝聚体。这种凝聚体流动性好、黏度可控，且蛋白分子仍能自由扩散。与传统溶液浇铸法相比，该预凝聚态为后续机械力诱导结构重组奠定了基础。

 

图1. 制备玉米醇溶蛋白凝聚体并制造纤维和自支撑薄膜的流程示意图。 步骤A概述了凝聚相的形成。步骤B展示了剪切诱导的机械力如何促进更好的薄膜形成。步骤C展示了纤维拉伸如何带来更优异的纤维性能。剪切和拉伸作用重构了蛋白质的微观结构，并诱导玉米醇溶蛋白凝聚体中β-折叠纳米晶体的形成。 

 

在薄膜制备中，团队采用标准涂膜器对凝聚体施加可控剪切。研究发现，随涂布速度增加（剪切速率从100 s⁻¹升至500 s⁻¹），薄膜的杨氏模量和断裂强度显著提升，而断裂应变基本恒定（图2A、2B）。当剪切速率达到500 s⁻¹时，薄膜在平行于剪切方向上的力学性能最佳（图2A）。此外，提高凝聚体pH至8.6也有助于增强薄膜（图2C），这与其黏度降低、分子链更易取向有关。材料性能对比数据表明，凝聚体基玉米醇溶蛋白薄膜与纤维的杨氏模量与天然蚕丝、木材处于同一量级，显著优于聚乙烯等传统塑料，具备替代常规高分子材料的力学基础。

 

图2. 由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的薄膜和纤维的力学性能。 (A) 传统溶液浇铸法与凝聚体法制备的玉米醇溶蛋白薄膜的代表性应力-应变曲线。对于凝聚体基薄膜，拉伸试验沿两个方向进行：平行和垂直于薄膜制备时的剪切方向。(B) 不同剪切速率下制备的凝聚体基薄膜的杨氏模量和断裂强度。(C) 不同pH值下制备的凝聚体基薄膜的杨氏模量和断裂强度。(D) 不同拉伸距离下获得的凝聚体基纤维的代表性应力-应变曲线及(E)杨氏模量和断裂强度。(F) 不同pH值下获得的纤维的杨氏模量和断裂强度。(G) 本工作中由凝聚体制备的玉米醇溶蛋白薄膜和纤维与已报道的生物材料及非生物材料的力学性能对比。 

 

对于纤维制备，团队采用重力辅助拉伸法，让凝聚体从不同高度垂直下落并自然拉丝。随着拉伸距离从0.25米增加至1米，纤维的拉伸比提高，杨氏模量与断裂强度也随之上升（图2D、2E）。值得注意是，纤维力学性能对pH的依赖与薄膜相反：低pH（3.7）下制备的纤维更强（图2F）。偏振光显微镜（图3E）、小角X射线散射及扫描电镜（图3F-3H）结果一致表明，拉伸过程中纤维内部形成了高度取向的纳米原纤维结构，并表现出明显双折射现象。

 

 

图3. 由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的薄膜和纤维的形貌。 (A) 由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的薄膜照片。剪切凝聚体形成的薄膜的(B)表面和(C)横截面的扫描电镜图像。(D) 剪切玉米醇溶蛋白凝聚体形成的薄膜多层结构示意图。(E) 由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的纤维的偏光显微镜图像。拉伸玉米醇溶蛋白凝聚体获得的纤维的(F)表面和(G)横截面的扫描电镜图像。(H) 具有内部原纤维结构的纤维示意图。 

 

为验证机械力诱导结构转变的关键假设，研究团队利用傅里叶变换红外光谱对蛋白质二级结构进行分析。结果显示，相较于未处理粉末或溶液浇铸薄膜，剪切后的凝聚体薄膜中β-折叠含量显著增加（图4A、4B）。β-折叠占比与剪切速率成正比（图4C），并与薄膜力学性能高度相关。纤维样品同样如此：拉伸距离越大（图4E）或pH越低（图4F），β-折叠比例越高，力学性能越优。这表明，机械力确实推动了醇溶蛋白从α-螺旋向β-折叠的转化，从而形成类似丝蛋白的纳米晶体交联网络。此外，为了确定液-液相分离是否对于材料性能的提升及蛋白质二级结构的转变至关重要，研究人员开展了对照实验：将饱和溶液（浓度约为 50 mg/mL）置于相同的剪切处理流程中进行处理。结果显示，与未经剪切处理的对照组相比，该溶液在薄膜性能或 β-折叠结构的形成方面均未呈现出显著差异，这一结果证实凝聚体前驱体的不可或缺性。

 

图4. 利用傅里叶变换红外光谱进行蛋白质二级结构分析。 (A) 凝聚体法剪切后得到的玉米醇溶蛋白薄膜的平均红外光谱及酰胺I带的二级结构解卷积图。(B) 玉米醇溶蛋白粉末、溶液浇铸薄膜、未剪切凝聚体及剪切后凝聚体薄膜的二级结构含量。(C) 不同剪切速率下或(D)不同pH值下由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的薄膜的二级结构含量。(E) 不同拉伸距离下或(F)不同pH值下由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的纤维的二级结构含量。 

 

针对食品包装这一潜在应用方向，团队对凝聚体基薄膜进行了一系列性能测试（图5）。水吸收实验表明，该薄膜吸水量远低于溶液浇铸玉米蛋白膜和大豆蛋白膜（图5B）。接触角测量结果进一步证实其表面疏水性增强（图5E）。氧气透过率测试显示，其阻氧性能接近PLA，显著优于传统蛋白膜（图5C）。迁移测试中，薄膜与食品模拟物Tenax接触后，总迁移量远低于欧盟10 mg/dm²的限值（图5D）。热重分析还表明，凝聚体薄膜的玻璃化转变温度达 96.5 摄氏度，热分解温度为 264 摄氏度，均高于溶液浇铸膜，热稳定性更优。在60°C加速保藏实验中，包裹凝聚体薄膜的香蕉在五天内几乎未发生褐变，而裸露香蕉已严重氧化（图5F）。

 

图5. 玉米醇溶蛋白凝聚体薄膜在食品包装应用中的评估。 (A) 由玉米醇溶蛋白凝聚体制备的大面积薄膜照片。(B) 凝聚体基薄膜与溶液浇铸薄膜及大豆蛋白薄膜的吸水率对比。(C) 凝聚体基薄膜与溶液浇铸薄膜、酪蛋白酸钠薄膜及PLA薄膜的氧气透过率对比。(D) 使用Tenax进行的食品迁移分析。(E) 水滴滴加在不同蛋白薄膜上的接触角。(F) 凝聚体基玉米醇溶蛋白薄膜用于食品保鲜的演示。有包装和无包装的香蕉在五天内的外观变化记录。

 

在模拟土壤环境中进行了降解性能测试，30 天内质量损失达60%-80%，具备良好生物降解性。

 

 

总之，本文首次将蜘蛛丝的液 - 液相分离与机械力协同组装机制应用于玉米醇溶蛋白等植物蛋白，建立简单高效的仿丝加工新路线；通过调控凝聚体状态与机械力参数，实现蛋白二级结构与微观取向的精准控制，突破传统植物蛋白材料力学与阻隔性能瓶颈；开发的纯植物基聚合物可完全生物降解，在食品包装、生物医用等领域具备替代化石基塑料的潜力，为可持续生物基材料设计提供通用新策略。