低溫等離子體改性玉米醇溶蛋白基膜表面親水性的研究

陳桂蕓，趙爽，何適，焦婷，李書紅，陳野

（食品營養(yǎng)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

隨著石化資源和全球變暖問題的日益嚴(yán)重，生物降解材料引起了人們的廣泛關(guān)注。蛋白質(zhì)是一類以氨基酸為基本單元構(gòu)成的生物可降解材料，由于其結(jié)構(gòu)中存在-COOH與-NH2，大部分蛋白質(zhì)屬于兩性聚電解質(zhì)。蛋白質(zhì)的來源廣泛，依據(jù)其溶解性，可分為醇溶性蛋（玉米醇溶蛋白，小麥醇溶蛋白等）和水溶性蛋白（酪蛋白，明膠，絲蛋白，乳清蛋白，大豆蛋白等）[1]。其中，醇溶性蛋白由于具有水不溶性與良好的成膜性，成為近年來食品包裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。玉米醇溶蛋白是玉米黃粉的加工副產(chǎn)物，不溶于水、無水醇類，而可溶于60%～90%的醇－水溶液、強(qiáng)堿、丙二醇以及多種有機(jī)溶劑混合液[2]。玉米醇溶蛋白膜表面光滑，防油，具有較低的水蒸汽滲透性，因此在食品包裝、營養(yǎng)遞送等領(lǐng)域具有開發(fā)潛力[3]。

課題前期已利用逐步添加法與流延法制備了玉米醇溶蛋白/殼聚糖抗菌復(fù)合膜，相較純玉米醇溶蛋白膜，復(fù)合膜表面結(jié)構(gòu)更為致密，力學(xué)性質(zhì)明顯增強(qiáng)，并具備較強(qiáng)抗菌特性[4]。雖然多糖的加入提高了蛋白膜表面親水性，但改善效果有限，因此利用一定技術(shù)對(duì)其表面親水性進(jìn)行進(jìn)一步的改善，對(duì)玉米醇溶蛋白基食品包裝材料的表面印刷，防污等效果以及商業(yè)化應(yīng)用有重要意義。

低溫等離子體是指在低溫狀態(tài)下，利用外加電壓將氣體分子擊穿，產(chǎn)生包括電子、離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體，它是一種簡單、安全、綠色的非熱處理技術(shù)。目前，已經(jīng)被廣泛用于改善的聚合物材料（如PP、PET、PC）的表面潤濕性和黏附性，對(duì)材料的主體結(jié)構(gòu)影響較小[5－6]。有研究發(fā)現(xiàn)，等離子體中的高能粒子可以通過干法刻蝕改善表面粗糙度，形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，打破共價(jià)鍵，引發(fā)各種化學(xué)反應(yīng)，利用空氣作為氣氛，在表面引入羥基、羧基、羰基等含氧基團(tuán)[7－9]。目前，有關(guān)等離子體修飾生物聚合物膜的研究比較廣泛，但有關(guān)蛋白質(zhì)膜方面的改性研究較少。

本研究利用空氣介質(zhì)阻擋型低溫等離子體對(duì)殼聚糖含量4%的玉米醇溶蛋白基膜進(jìn)行表面處理，利用響應(yīng)面法對(duì)蛋白膜表面親水性進(jìn)行優(yōu)化，分析處理對(duì)表面形貌，化學(xué)成分影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

玉米醇溶蛋白（純度94.7%）：江蘇高郵日星藥用輔料有限公司；殼聚糖（脫乙酰度90%）：浙江金殼藥業(yè)有限公司；無水乙醇、冰乙酸均為分析純。

1.1.2 主要儀器

DBD－50型空氣介質(zhì)阻擋等離子設(shè)備：南京蘇曼等離子科技有限公司；JY－82A視頻接觸角測(cè)定儀：承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備公司；Quanta200型掃描電子顯微鏡捷克FEI公司；VECTOR22傅立葉變換紅外光譜儀：布魯克儀器公司；DSC－600A差示掃描量熱儀：日本島津制作所。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白基膜的制備

取一定量殼聚糖溶于2%醋酸溶液，靜置24 h使之充分水合。攪拌條件下緩慢加入無水乙醇，配制成乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%的殼聚糖/醋酸/乙醇溶液體系，調(diào)節(jié)pH值至5.0±0.1，將一定量玉米醇溶蛋白溶于上述溶液，玉米醇溶蛋白質(zhì)量濃度為100 mg/mL，殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為玉米醇溶蛋白的4%，65℃水浴加熱10 min，靜置消泡后，流延法成膜，室溫干燥24 h。制備好的玉米醇溶蛋白基膜置于相對(duì)濕度（50±4）%，溫度（23±2）℃干燥器中平衡48 h后，進(jìn)行表面處理。

1.2.2 低溫等離子體表面處理

以空氣作為反應(yīng)氣氛，在常壓條件下，選用空氣介質(zhì)阻擋型低溫等離子體對(duì)玉米醇溶蛋白基膜進(jìn)行表面處理。先將蛋白基膜平鋪于低溫等離子體設(shè)備的下石英介質(zhì)表面，調(diào)節(jié)基板間距為2 mm～10 mm，處理功率為 0～200 W，處理時(shí)間為 0～180 s。

1.2.3 蛋白基膜表面接觸角的測(cè)定

通過JY－82A視頻接觸角測(cè)定儀記錄水滴下落過程，軟件拍照速率5張/s，連續(xù)記錄10 s，采用軟件量角法測(cè)定平均接觸角。在考察單因素時(shí)，改變處理時(shí)間（0、30、60、90、120 s）、處理功率（0、50、100、150、200 W）和基板間距（0、2、4、6、8 mm），以蛋白基膜表面接觸角作為單因素指標(biāo)，確定低溫等離子體處理的最佳的處理時(shí)間、處理功率和基板間距。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在處理時(shí)間（X1）、處理功率（X2）、基板間距（X3）單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以蛋白基膜表面疏水性為指標(biāo)，以處理時(shí)間、處理功率和基板間距為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，對(duì)等離子處理蛋白基膜的條件進(jìn)行優(yōu)化。因素水平表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Test factor and level table

1.2.5 低溫等離子體處理后的蛋白基膜掃描電子顯微鏡觀察

將低溫等離子體處理后的蛋白基膜液氮脆斷，用鑷子固定到樣品臺(tái)上，噴金鍍膜處理5 min，真空度為200 Pa，加速電壓為20 kV，觀察蛋白基膜的表面結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為5 000。

1.2.6 低溫等離子體處理后的蛋白基膜的傅里葉紅外光譜測(cè)定

直接將薄膜狀樣品置于光譜儀掃描區(qū)進(jìn)行測(cè)試，光譜范圍 400 cm－1～4 000 cm－1，掃描次數(shù) 32 次，分別率4 cm－1。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Design－Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析。利用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行各試樣間差異性分析，每個(gè)試樣測(cè)3次，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 處理時(shí)間對(duì)蛋白基膜接觸角的影響

在處理功率為100 W、基板間距為6 mm、處理時(shí)間分別為 0、30、60、90、120 s的條件下，蛋白基膜的表面接觸角如圖1所示。

圖1 處理時(shí)間對(duì)蛋白基膜接觸角的影響Fig.1 Effect of treatment time on the contact angle of zein-based films

由圖1可知，處理時(shí)間在0～60 s范圍內(nèi)時(shí)，蛋白基膜接觸角隨處理時(shí)間的增加而減小，當(dāng)處理時(shí)間為60 s時(shí)，蛋白基膜接觸角達(dá)到最小值，為（40.73±0.92）°。處理時(shí)間大于60 s后，接觸角呈現(xiàn)波動(dòng)式的增加趨勢(shì)，可能是因?yàn)槎虝r(shí)間的等離子處理使蛋白膜表面粗糙度增加，親水性基團(tuán)暴露，而過長的處理時(shí)間致使蛋白質(zhì)表面的粗糙結(jié)構(gòu)加劇，親水性基團(tuán)被破壞，故確定處理時(shí)間為60 s。

2.1.2 處理功率對(duì)蛋白基膜接觸角的影響

在處理時(shí)間為60 s、基板間距為6 mm、處理功率分別為 0、50、100、150、200 W 的條件下，蛋白基膜的接觸角如圖2所示。

圖2 處理功率對(duì)蛋白基膜接觸角的影響Fig.2 Processing power effects the contact angle of zein-based films

由圖2可知，在處理功率在0～100 W范圍內(nèi)，蛋白基膜接觸角隨著處理功率的增加而減小，100 W～150 W范圍內(nèi)，整體上接觸角保持恒定，沒有顯著性變化，在150 W～200 W范圍內(nèi)，蛋白基膜接觸角隨著處理功率的增加而增加。因而確定處理功率為125W。

2.1.3 基板間距對(duì)蛋白基膜接觸角的影響

在處理時(shí)間為60 s、處理功率為100 W、基板間距分別為0、2、4、6、8 mm的條件下，蛋白基膜的接觸角如圖3所示。

圖3 基板間距對(duì)蛋白基膜接觸角的影響Fig.3 The effect of substrate distance on the contact angle of zeinbased films

由圖3可知，在基板間距在0～8 mm的范圍內(nèi)，蛋白基膜接觸角隨著基板間距的增加先減小后增大，在基板間距為4 mm時(shí)，蛋白基膜接觸角達(dá)到最小值，為（40.47±1.81）°，因而確定處理時(shí)的基板間距為4 mm。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design－Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案如表2。以處理時(shí)間、處理功率、基板間距為響應(yīng)變量，蛋白基膜接觸角為響應(yīng)值對(duì)表2進(jìn)行方差分析，模型顯著性及數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

將試驗(yàn)結(jié)果使用Design－Expert 8.0.6數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸擬合，可得到響應(yīng)值Y和各個(gè)因子（X1，X2，X3）之間的二次多元回歸方程模型為：

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 The test scheme and results

對(duì)此回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for regression equation

由表3方差分析可知，該模型顯著性檢驗(yàn)P<0.000 1，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。模型的R2adj（校正決定系數(shù)）值為0.957 3，說明有95.73%的數(shù)據(jù)符合擬合模型，模型預(yù)測(cè)值擬合情況良好，可以良好的解釋等離子改性對(duì)復(fù)合材料表面接觸角大小的變化。

根據(jù)回歸分析結(jié)果做出相應(yīng)的曲面圖，觀察處理時(shí)間、處理功率和基板間距對(duì)蛋白基膜接觸角的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 RSM模型自變量X1，X2，X3的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of X1，X2，X3in RSM model

響應(yīng)面優(yōu)化模型模擬優(yōu)化結(jié)果得出等離子體對(duì)復(fù)合材料表面處理，使得接觸角最小的條件為處理時(shí)間為58.90 s，處理功率為111.27 W，基板間距為4.27 mm，模擬條件下最小值為28.05°。結(jié)合實(shí)際操作儀器靈敏度，對(duì)最佳條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后處理時(shí)間為60 s，處理功率為110 W，基板間距為4.3 mm，此時(shí)接觸角為（30.32±0.89）°（驗(yàn)證試驗(yàn)重復(fù) 3次）。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本符合模擬預(yù)測(cè)值，說明優(yōu)化試驗(yàn)正確、有效。

2.3 低溫等離子體處理前后蛋白基膜掃描電鏡分析

等離子處理前后蛋白基膜的掃描電鏡表面見圖5。

圖5 等離子處理前后蛋白基膜的掃描電鏡表面Fig.5 Scanning electron microscope images of zein-based films before and after cold plasma treatment

由圖5可知，未處理的蛋白基膜表面光滑，平整，可以觀察到幾個(gè)的小孔洞，這可能是成膜液中的殘留的氣體導(dǎo)致的。經(jīng)低溫等離子處理后，蛋白基膜表現(xiàn)由光滑變?yōu)榇植?，出現(xiàn)大量點(diǎn)狀或者片狀的凸起結(jié)構(gòu)，這是由于等離子處理對(duì)蛋白基膜的刻蝕作用和沉積作用。適當(dāng)?shù)拇植诮Y(jié)構(gòu)有利于提高表面的親水性。這與之前的接觸角結(jié)果是一致的。

2.4 低溫等離子體處理前后蛋白基膜的傅里葉紅外光譜分析

通過紅外光譜分析低溫等離子體對(duì)蛋白基膜表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。圖6為處理前后蛋白基膜的紅外光譜變化。

圖6 等離子處理前后蛋白基膜的紅外光譜圖Fig.6 The Fourier transform infrared spectrum of zein-based films before and after cold plasma treatment

對(duì)比可以看出，等離子體處理前后蛋白基膜的圖譜有顯著的差別。玉米醇溶蛋白在3 300 cm-1處的寬吸收峰由-NH2和-OH伸縮振動(dòng)引起，經(jīng)等離子體處理后，該吸收峰藍(lán)移到3 292 cm-1，并且，峰強(qiáng)度增加，說明等離子處理可能使蛋白基膜表面形成了更多親水基團(tuán)。在玉米醇溶蛋白酰胺I帶（1600 cm-1～1700 cm-1）與酰胺 II帶（1500 cm-1～1 600 cm-1）并沒觀察到峰位置的偏移，但1 538 cm-1處峰強(qiáng)增加，說明等離子處理可能對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。1308cm-1與1096cm-1處為C-O振動(dòng)，經(jīng)等離子處理后，在1 308 cm-1處有新峰生成，表明等離子處理產(chǎn)生了含氧基團(tuán)，或是處理導(dǎo)致了蛋白質(zhì)原本被包埋的含氧極性基團(tuán)暴露。整體上這些結(jié)構(gòu)的變化表明等離子體處理可能在蛋白基膜表面暴露了含氧基團(tuán)，并且可能發(fā)生了交聯(lián)作用而形成了更多的氫鍵。

3 結(jié)論

本研究成功利用低溫等離子技術(shù)對(duì)玉米醇溶蛋白基膜進(jìn)行了表面處理，有效的提高玉米醇溶蛋白基膜的表面親水性。另外，從掃描電鏡圖像可以看出等離子體處理可以提高膜表面粗糙程度，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從紅外圖譜也證明出等離子體處理可以提高蛋白基膜表面含氧極性基團(tuán)含量與氫鍵含量，有效的解釋了蛋白親水性提高的原因?？傊?jīng)等離子體處理的玉米醇溶蛋白基膜的親水性顯著提高，有成為商業(yè)化應(yīng)用的可食食品包裝材料資源的潛力。