静电纺丝PET膜：用于乳蛋白过滤的优化与性能评估

《ACS Food Science & Technology》：Electrospun PET Membranes: Optimization and Performance Assessment for Dairy Protein Filtration

聚酯电纺膜通过参数优化实现蛋白质分离性能提升，25kV电压、14.95cm纤维间距和7mL/h流速制备的340μm膜具有15.65MPa杨氏模量，对乳清蛋白和水通量分别表现出标准阻隔和完全阻隔特性。

　　在食品加工和生物分离领域，蛋白质的高效分离是一个重要且具有挑战性的课题。为了满足这一需求，研究人员探索了多种膜材料和制造工艺，其中电纺丝技术因其能够制备出具有高孔隙率和微米级纤维直径的非织造纳米纤维膜，而受到广泛关注。本研究聚焦于使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为膜材料，结合电纺丝工艺进行蛋白质分离的应用开发与优化，特别是在乳制品加工中对酪蛋白和乳清蛋白的分离性能进行了评估。通过系统分析电纺丝参数对膜性能的影响，研究团队成功优化了膜的结构和过滤特性，为开发经济高效、可持续的蛋白质分离膜提供了新的思路。

PET作为一种广泛使用的聚合物材料，因其良好的化学稳定性、机械强度、生物相容性以及可回收性，成为膜材料的优选之一。此外，PET在天然状态下对蛋白质具有较低的吸附能力，这使其在减少膜污染方面具有潜在优势。然而，PET的疏水性可能会限制其在某些水性体系中的应用。为了解决这一问题，研究者通过在电纺丝过程中引入亲水性修饰剂，如氧化锌/γ-氧化铁氧体纳米颗粒，以改善膜的亲水性和抗污染能力。这些修饰不仅提升了膜的过滤性能，还为膜材料在食品工业中的进一步应用提供了可能。

本研究采用I-最优实验设计方法，对电纺丝过程中关键参数（电压、流速和针尖至集液盘的距离）进行了系统优化。通过调整这些参数，研究人员成功制备出具有均匀纤维直径的PET膜。优化后的膜表现出良好的机械性能，如杨氏模量为15.65 MPa，断裂伸长率为211.83%，表明其具备足够的柔韧性和强度，适用于压力驱动的过滤系统。此外，该膜的厚度为340 μm，显示出其在实际应用中具备良好的物理特性。

为了评估膜的过滤性能，研究团队进行了水渗透性测试，结果表明优化后的PET膜具有较高的内在渗透性和较低的水力阻力。这一特性对于提高过滤效率和减少能耗至关重要。随后，通过使用乳清蛋白和酪蛋白溶液进行过滤试验，研究人员观察到了显著的通量下降现象，且通量变化趋势与蛋白质类型和浓度密切相关。具体而言，酪蛋白表现出更强的截留能力和污染倾向，而乳清蛋白则因分子尺寸较小，对膜的污染影响相对较小。这种差异表明，PET膜在乳清蛋白的分离中具有较高的选择性和通量保持能力，而在酪蛋白的分离中则能够实现有效的截留，从而满足乳制品加工中对蛋白质分级的需求。

为了进一步分析膜污染机制，研究团队采用了Hermia模型对低浓度蛋白质溶液的通量变化进行了拟合。结果显示，对于0.25%的酪蛋白溶液，完全孔堵塞机制是主导的污染模式，而乳清蛋白则更倾向于标准孔堵塞机制。这一发现为理解不同蛋白质在膜上的行为提供了重要依据，并有助于优化膜的设计和使用条件。完全孔堵塞意味着蛋白质迅速填充膜孔，从而导致通量的快速下降，而标准孔堵塞则表明蛋白质逐渐沉积在孔内，形成更复杂的污染层。这种差异表明，PET膜在处理不同尺寸的蛋白质时表现出不同的过滤行为，为其在乳制品加工中的应用提供了依据。

值得注意的是，本研究还探讨了电纺丝参数对膜结构和性能的影响。电压的增加有助于形成更细的纤维，但其效果受到流速和针尖至集液盘距离的调节。流速的提高会导致纤维直径的增大，同时可能增加纤维尺寸分布的不均匀性。而针尖至集液盘距离的调整则影响了纤维的凝固时间和表面形态，从而对膜的渗透性和机械性能产生影响。这些参数的相互作用表明，电纺丝过程需要精细控制，以确保膜结构的均匀性和过滤性能的稳定性。

在实际应用中，PET膜的性能不仅取决于其物理结构，还受到过滤条件的影响。例如，研究发现，在较低压力下，膜的渗透性保持良好，而在较高压力下，水力阻力显著增加。这一现象可能与膜孔结构的压缩和污染物的沉积有关。此外，不同蛋白质溶液的通量下降速率和趋势也表明，膜的污染行为与蛋白质的分子大小、电荷性质以及在溶液中的聚集状态密切相关。因此，理解这些因素对于优化膜的过滤效率和延长其使用寿命至关重要。

研究团队通过实验和模型拟合，进一步揭示了膜污染的机制。对于乳清蛋白，由于其分子尺寸较小，污染主要发生在膜孔内部，导致孔径逐渐缩小，从而降低通量。而对于酪蛋白，其较大的分子尺寸和较高的聚集倾向使其更容易在膜孔入口处形成堵塞，从而导致通量的迅速下降。这些结果表明，PET膜在乳制品加工中可以作为高效的蛋白质分离材料，尤其适用于需要高截留率的酪蛋白分离过程，同时也能够实现乳清蛋白的有效回收。

此外，本研究还指出，PET膜的性能可以通过引入不同的添加剂或后处理技术进行进一步优化。例如，通过在膜表面修饰亲水性材料或引入抗污染涂层，可以显著改善膜的通量保持能力和抗污染性能。这些改进不仅有助于提高膜的过滤效率，还能够延长其使用寿命，降低更换频率和维护成本，从而在工业应用中实现更高的经济效益。

尽管本研究取得了显著成果，但仍有进一步研究的必要。例如，需要探索PET膜在交叉流过滤系统中的表现，以更接近实际工业条件。交叉流过滤能够有效减少膜污染，因为它通过剪切力防止污染物在膜表面沉积。此外，研究还应关注膜的清洗性能，以评估其在长期使用中的可再生性和可持续性。这些方面的深入研究将有助于推动PET膜在食品加工和生物分离领域的广泛应用。

总的来说，本研究通过系统的参数优化和性能评估，展示了电纺丝PET膜在蛋白质分离中的巨大潜力。其良好的机械性能、高渗透性以及对不同蛋白质的差异化截留能力，使其成为一种具有竞争力的膜材料。未来的研究应进一步探索其在不同蛋白质体系中的适用性，并结合工业需求进行规模化生产和实际应用测试。通过不断优化膜的结构和性能，PET膜有望成为乳制品加工和食品工业中蛋白质分离的重要工具。