玉米醇溶蛋白/纳米二氧化钛复合膜的制备及性质

陈 野，李 鹏，罗 垠

(天津市食品营养与安全重点实验室，天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457)

玉米醇溶蛋白/纳米二氧化钛复合膜的制备及性质

陈 野，李 鹏，罗 垠

(天津市食品营养与安全重点实验室，天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457)

用溶胶-凝胶法水解四异丙氧基钛(TTIP)制备纳米级二氧化钛(TiO2)粒子，利用该纳米TiO2粒子，用涂膜法制备玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜，分析膜中TiO2含量对复合膜性质的影响。复合膜中TiO2含量为14%时，复合膜的拉伸强度最大为35.2MPa，断裂伸长率为3.0%，水蒸气透湿率为169.9g/(m2·24h)；复合膜的光催化实验表明其具有较强的抗菌作用；扫描电子显微镜和原子间力显微镜观察复合膜结构，可以看出TiO2粒子均匀地分布于复合膜中。

溶胶-凝胶法；玉米醇溶蛋白；纳米TiO2；复合膜

玉米醇溶蛋白(Zein)是由平均相对分子质量为25000～45000的蛋白质组成的混合物，由于醇溶蛋白的氨基酸末端带有亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸等非极性憎水基团，增加了其疏水能力。因此，利用玉米醇溶蛋白可以制备具有一定耐水性的可生物降解性膜[1]。杜伟成等[2]研究了玉米醇溶蛋白的成膜工艺，玉米醇溶蛋白在80%己醇中溶解效果良好，在40℃恒温条件下可在光滑的不锈钢板上形成具有一定强度的可食性薄膜。李永馨等[3]进行了醇溶玉米蛋白膜的差热分析，其热分解温度为171℃。何慧等[4]研究了玉米醇溶蛋白膜在腌肉制品及果蔬中的保鲜作用，蛋白膜能有效延长腌肉制品的货架期。卢晓翔等[5]开发了利用玉米醇溶蛋白制备药物包衣的方法，缓释实验证明玉米醇溶蛋白良好的缓释效果。玉米醇溶蛋白制成的膜具有抗紫外线、保香、不透油、防静电，透明有光泽等特性，对细菌有一定抑制作用，能延长食品货架寿命[6]；此外，玉米醇溶蛋白成膜还具有成膜速度快、高温高湿下贮藏稳定、安全、对氧气与CO2的隔绝性强以及防潮性极好等特点[7]。但是膜的耐水性及机械力学安定性较差[8]，不能满足作为包装材料的耐水性、力学强度以及产品货架期等要求。

抗菌包装是指在包装材料中添加一定抗菌剂，使抗菌成分通过接触包装材料表面附着的微生物并通过抑制其生长、繁殖或直接将其杀灭，从而延长食品货架期的一种活性包装[9]。利用石油来源塑料与纳米TiO2生产的复合膜已有一些研究，虽有良好的综合性质，但是不符合绿色包装、保护环境的要求；利用天然产物(生物质)与纳米TiO2生产的复合膜，由于天然产物本身的不耐水或弱耐水性，制成的复合膜在包装食品时易从环境和食品中吸水，从而降低了膜的强度[10]。因此，食品包装领域期待具有高耐水性利用天然产物生产的具有抗菌性的复合保鲜膜出现。

纳米TiO2是目前研究最为活跃的无机纳米材料之一，具有无毒、抗菌并分解细菌、防紫外线、超亲水和超亲油等特性[11-12]。将纳米TiO2引入玉米醇溶蛋白膜，国内外尚未见报道。TiO2比表面很大，表面能很高，自身极易团聚，在制备纳米功能复合材料过程中，很难与其他成分混合均匀，往往易发生相分离，出现纳米微粒自聚现象而不以纳米级水平分散于基体中[13]。因此，当务之急是制备出分散性、稳定性良好的纳米功能复合材料。

四异丙氧基钛(titanium-tetra-isopropoxide，TTIP)是钛的中间体，应用溶胶-凝胶法，将TTIP溶解于无水乙醇中，加入一定量的盐酸和水(乙醇与盐酸物质的量比不小于20∶1)，通过钛醇盐的水解反应就能沉淀出锐钛矿微晶状的纳米级TiO2粒子[14]。玉米醇溶蛋白可溶于一定浓度的乙醇中，将溶液涂布于塑料胶片上，烘干处理，待乙醇蒸发后形成膜[15]。

二氧化钛与玉米醇溶蛋白都能溶在乙醇溶液中，本实验利用此特点，应用溶胶-凝胶法制备出纳米级TiO2粒子与玉米醇溶蛋白在乙醇溶液中混合，涂膜法制备Zein/TiO2复合膜，研究TiO2含量对复合膜机械性质的影响，同时观察TiO2粒子在复合膜中的分布规律，探讨TiO2粒子的抗菌效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

四异丙氧基钛(TTIP) 上海天莲精细化工有限公司；玉米醇溶蛋白 日本昭和产业株式会社；浓盐酸、无水乙醇、甲基橙、甘油 天津市北方天医化学试剂厂；大肠杆菌 天津科技大学食品工程与生物技术学院菌种保藏室。

1.2 仪器与设备

电热恒温水浴锅、磁力加热搅拌器 北京长风仪器仪表有限公司；分析天平 美国双杰兄弟有限公司；电热鼓风干燥箱 天津天宇实验仪器有限公司；电子数显卡尺 上海国根量具有限公司；室内温湿度计 深圳明高五金制品有限公司；722E型可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司；RGF5型电子万能实验机 深圳市瑞格尔仪器有限公司； 200扫描电子显微镜 捷克Quanta公司；NanoScope Ⅲa SPM原子间力显微镜 美国维易科公司；DSC60差示扫描量热仪 日本岛津制作所；全温振荡培养箱 哈尔滨东联电子技术卡发有限公司；恒温恒湿培养箱 天津市华北实验仪器有限公司。

1.3 制备玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜

1.3.1 溶胶-凝胶法水解有机钛制备纳米TiO2粒子

将5g TTIP溶解于25mL无水乙醇中，加入一定量的盐酸和水(盐酸与TTIP物质的量的比分别为1∶10、2∶10、3∶10)，搅拌溶液1h，通过钛醇盐的水解反应就能沉淀出TiO2锐钛矿微晶。

1.3.2 高耐水性玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜制备

2g玉米醇溶蛋白边搅拌边缓慢加入上一步纳米TiO2水解液中形成混合溶液，同时加入25%～40%的甘油作为可塑剂，加热混合液至60℃，持续搅拌，保温10min，将混合溶液倒于塑料片上，45℃干燥约30min，成膜。经计算，制成的玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜中纳米TiO2的含量约为7%、14%和21%(对应于盐酸与TTIP物质的量的比为1∶10、2∶10、3∶10)。

1.4 复合膜性质

1.4.1 拉伸强度和断裂伸长率[16]

试验片长度为115mm，测定用试件为哑铃形，其有效长度为33mm，有效宽度为6mm。每种配比的试验片制成5个试件，以20mm/min的速度进行拉伸试验，得出拉伸强度和断裂伸长率的数据，5个测试值取平均数。实验室环境保持温度20～23℃、相对湿度(50±2)%。1.4.2水蒸气透湿率的测定[17]

将膜做成直径为25mm的圆片，密封在测试杯上，杯里放置无水CaCl2，然后置于相对湿度(70±2)%、温度25℃的环境中，每隔24h，测试杯子的质量。

计算公式如下：

式中：WVP为水蒸气透过系数/(g·m·24h·kPa/ mm2)；WVTR为水蒸气透湿率(g/(hm2·24h))；Δm为水蒸气迁移量/g；A为膜的面积/mm2；t为测定时间/h；L为膜厚/mm；ΔP为膜两侧的水蒸气压差/kPa；纯水在25℃时的饱和水蒸气压为3.1671kPa。

1.4.3 光催化性能

选择甲基橙作为光催化降解的模拟物，定量配制0、2、4、6、8、10mg/L溶液于试管中，称取玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜0.5g，将复合膜放入试管中，静止30min后，用可见分光光度计测定吸光度，得出标准曲线方程为y=0.0039χ＋0.0059，R2=0.93。

在试管中放入配制好的质量浓度为10mg/L的甲基橙溶液20mL作为光催化降解的模拟有机污染物。然后，分别取TiO2含量为7%、14%和21%的玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜0.5g放入试管的底部。以功率为30W的消毒紫外线灯平放于试管上部作为催化光源，甲基橙的溶液面距灯管20cm，分别经过0.5、1.0.、1.5、2.0、2.5h的降解，用可见分光光度计测量甲基橙的吸光度，以确定复合膜的光催化活性。溶液化学反应速率和催化活性的关系用反应物的浓度的一级动力学方程来表征，即ln(C0/C)=kt，式中，t为反应时间，k为催化剂反应速率常数，C0为溶液的初始浓度，C为t时刻溶液的浓度，根据比尔定理，反应物溶液的浓度与吸光度成正比,于是得到ln(A0/A)=kt，这里A0为溶液的初始吸光度，A为t时刻溶液的吸光度。由ln(A0/A)=ln(C0/C)就可以计算出复合膜光催化降解甲基橙溶液的反应速率常数k，从而判断出复合膜的光催化效率[18]。

1.4.4 扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy，SEM)观察

利用高真空镀机对膜试验片表面铂装饰，压力为13.33Pa，铂离子厚度为250～500nm，加速电压为20kV，SEM观察膜试验片的结构。

1.4.5 原子间力显微镜(atomic force microscopy，AFM)观察

任取玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜剪成1～2mm2的试验片，用双面胶固定在样品台上，应用AFM，轻敲模式观察复合膜的结构。

1.4.6 热特性分析

采用差动式扫描量热法(differential scanning calorimeter，DSC)将膜粉碎，取5mg，封入坩埚中，将其放入差示扫描量热仪的样品槽中，样品从室温升温至250℃，升温速度5℃/min，观察膜的热特性曲线。

1.4.7 抑菌性能表征

1.4.7.1 试验片制作

用打孔器将复合膜打成若干个直径为10mm的小圆片。由于TiO2有超强的灭菌作用，所以不用担心被杂菌污染。

1.4.7.2 培养基的制备

LB培养基：蛋白胨1g，酵母浸出汁0.5g，NaCl 1g，水100mL。pH7.5、121℃灭菌20min；马铃薯固体培养基：秤取20g马铃薯去皮，切成块加100mL水，煮沸30min(注意火力的控制，可适当补水)，用纱布过滤，滤液加2g糖，补足水至100mL，pH自然，琼脂2g，装入三角瓶，121℃灭菌20min。

1.4.7.3 大肠杆菌的富集培养

在无菌室中将菌种接至LB培养基中，设置全温振荡培养箱参数为37℃、100r/min，摇瓶培养15h。

1.4.7.4 抑菌圈试验

将大肠杆菌用接种环接种在已灭菌的马铃薯固体培养基平板上，涂布均匀。然后将2片相同的试验片铺在平板上，使其紧密附着在培养基上，盖上盖子，放入37℃恒温恒湿培养箱，10～18h后观察有无抑菌圈，测量并记录。

2 结果与分析

2.1 机械性质

表1 复合膜的拉伸强度Table 1 Effect of TiO2 content on tensile strengths of zein/nano-TiO2 composite filmsMPa

表1、2为添加不同比例的甘油时复合膜的拉伸强度与断裂伸长率。甘油含量为25%时，膜的拉伸强度随TiO2含量的增多而减小，断裂伸长率逐渐升高；甘油含量为30%时，膜的拉伸强度随TiO2含量的增多而减小，而断裂伸长率变化不大；甘油含量为35%时，TiO2含14%时膜的拉伸强度最大，而此时的断裂伸长率最低。

当TiO2含量为7%时，生成的TiO2粒子较小、比表面积大、对高分子链的吸附能力强，由于含量低、粒间距大，所以对拉伸强度的增强作用不明显；随着TiO2含量的增加，纳米粒子数量也增加，体系中物理交联点增多，拉伸强度逐渐提高；当TiO2含量达到14%时，TiO2以单个粒子分散在复合膜基体中，且粒径较小，所以纳米效应明显，增强作用更佳；进一步增加TiO2含量，粒子粒径增大，但是有些粒子发生团聚，造成纳米效应减弱，TiO2对基体的增强作用反而会降低。

2.2 水蒸气透湿率

由图1可以看出，各TiO2含量的复合膜在同一相对湿度下的透湿率下几乎一致。按照水蒸气透湿率的检测标准[8]，制备的各TiO2含量复合膜置于相对湿度(70±2)%、温度25℃的环境中，经测定、计算，其水蒸气透湿率为(169.9±3.7)g/(m2·24h)。随着相对湿度的升高，复合膜的水蒸气透湿率也相应增加，且增加的幅度越来越大，相对湿度(81±2)%时达到(379±4.6)g/(m2·24h)，这是由于在高湿环境下甘油的吸湿性显著增强，因此复合膜的透湿性主要与甘油的含量有关，而与TiO2的含量无关。

图1 不同TiO2含量复合膜在不同相对湿度下的水蒸气透湿率Fig.1 Effect of TiO2content and relative humidity on water vapor permeability of composite films

2.3 光催化性能的测定

当TiO2薄膜受到近紫外光照射后，薄膜中产生光生电子和孔穴，它们在空间电荷层的作用下发生有效分离，孔穴迁移到TiO2薄膜的表面，并与TiO2薄膜表面的羟基作用生成氢氧自由基。氢氧自由基具有强氧化性，可将几乎所有的有机物氧化分解为无机物，从而起到杀菌的作用。

图2 复合膜在日光灯照射下的光催化吸光度Fig.2 Effect of fluorescent lamp illumination time on photocatalytic absorbance of zein/nano-TiO2composite films

图3 复合膜在紫外灯照射下的光催化吸光度Fig.3 Effect of UV lamp illumination time on photocatalytic absorbance of zein/nano-TiO2composite films

图2、3分别表示复合膜在日光灯和紫外灯照射下的光催化吸光度变化规律，复合膜的光催化强度随时间而升高，第1次测试时，吸光度2h达到最大值，第2次测试时，2.5h达到最大值。实验每张膜分别做了3次的光催化降解实验，第1次2.5h，第2、3次时间为3h，3h后溶液的吸光度就无法测出，这是由于TiO2的催化效应消失殆尽。随着测试次数的增加，复合膜的吸光度有所降低，这可能是由于单体TiO2从膜中部分溶出而导致的现象。相比于日光灯，第2次测定复合膜在紫外灯照射下比第1次的吸光度有了明显减小，这是由于紫外灯对TiO2的催化能力比日光灯更强的缘故。

表3 复合膜光催化降解甲基橙溶液的反应速率常数kTable 3 Reaction rate constants of potocatalytic degradation of methyl orange solution catalyzed by zein/nano-TiO2composite films

表3反映了复合膜光催化降解甲基橙溶液的反应速率常数k的变化，k的值由ln(A0/A)=ln(C0/C)计算得出，k的变化反映出复合膜的光催化效率，甲基橙是公认的难降解有机物，对于甲基橙的降解能力可以反映出制备的复合膜的抗菌性能。从表3可看出，随着测试次数的增加和测试时间的延长，复合膜的反应速率常数k呈下降趋势，这是由于在实验初期光催化降解了大部分的甲基橙，也可以说在初期大部分的菌被杀灭，随着时间增加，催化效率降低，常数k值逐渐变小，直至全部的甲基橙被降解，菌被全部杀灭，这符合光催化降解动力学。

2.4 纳米TiO2/玉米醇溶蛋白复合膜的结构

图4 复合膜(含14% TiO2)SEM图像Fig.4 SEM image of zein/nano-TiO2composite film containing 14% of TiO2

图5 复合膜(含14% TiO2)AFM图像Fig.5 AFM image of zein/nano-TiO2composite film containing 14% of TiO2

由扫描电子显微镜观察的复合膜的结构(图4)可见，白色小颗粒为TiO2粒子的聚集体，均匀地分布于复合膜中，复合膜具有微孔结构，微孔也均布于膜中，起到通气的作用。由于甘油是亲水物质，在成膜过程中结合水分子，水分子在成膜过程的干燥过程中转化为气态逸出，从而使膜形成了带有微孔的结构。由图5原子间力显微镜观察复合膜的结构中亮点部分为纳米TiO2，其粒径在58nm左右，均匀地分布在膜中。

2.5 热特性

图6 复合膜的DSC曲线图Fig.6 DSC curves of zein/nano-TiO2composite films with various contents of TiO2

由图6可看出，复合膜的熔点随TiO2含量的增大而降低，而其他的峰型基本相似，复合膜在175℃以下没有出现放热峰，表明在此温度下复合膜具有热稳定性。

2.6 抑菌性能表征

图7 复合膜对大肠杆菌的抑菌圈图像Fig.7 Inhibition zone image of zein/nano-TiO2composite films against Escherichia coli

由图7可以看出，在试验片周围明显出现了约2mm宽的抑菌圈，表明复合膜对大肠杆菌有较强的抑菌作用。

3 结 论

制备的玉米醇溶蛋白/纳米TiO2复合膜的拉伸强度随TiO2含量的增多而最大，14%时达到最大值；复合膜的透湿性主要与膜中甘油的含量有关，与TiO2的含量无关；TiO2的光催化作用在2～2.5h达到最强状态，此时复合膜的抗菌作用最强；SEM和AFM观察结果表明，TiO2粒子以纳米级均匀地分布于复合膜中；DSC分析显示复合膜的熔点随TiO2含量的增大而降低，在175℃以下具有热稳定性；抑菌圈实验表明复合膜对大肠杆菌有比较强的抑制作用。复合膜有望作为新型绿色抗菌包装材料，延长乳制品、果蔬、肉类食品的保存期，消除传统包装带来的白色污染。

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Preparation and Properties of Zein/Nano-TiO2Composite Films

CHEN Ye，LI Peng，LUO Yin
(Tianjin Key Laboratory of Food Nutrition and Safety, College of Food Engineering and Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

A method for preparation of zein/nano-TiO2composite films was presented using hydrolysis of titanium isopropoxide (TTIP) by the sol-gel method to prepare Nano-TiO2particles and subsequent casting. Zein/nano-TiO2composite films with different TiO2 contents were tested for their properties. The largest tensile strength of 35.2 MPa, an elongation rate at break of 3.0% and a water vapor permeability of 169.9 g/(m2·24 h) were found at the TiO2 content of 14%. Photocatalytic experiments indicated that the composite film had strong antibiotic activity. Observations under scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) revealed that TiO2particles were evenly distributed in the composite film.

sol-gel method；zein；nano-TiO2；composite film

TQ321.4

A

1002-6630(2011)14-0056-05

2010-10-18

国家自然科学基金面上项目(31071634)

陈野(1968—)，男，教授，博士，研究方向为生物质可降解塑料。E-mail：chenye@tust.edu.cn