低温等离子体改性玉米醇溶蛋白基膜表面亲水性的研究

陈桂芸，赵爽，何适，焦婷，李书红，陈野

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

随着石化资源和全球变暖问题的日益严重，生物降解材料引起了人们的广泛关注。蛋白质是一类以氨基酸为基本单元构成的生物可降解材料，由于其结构中存在-COOH与-NH2，大部分蛋白质属于两性聚电解质。蛋白质的来源广泛，依据其溶解性，可分为醇溶性蛋（玉米醇溶蛋白，小麦醇溶蛋白等）和水溶性蛋白（酪蛋白，明胶，丝蛋白，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与良好的成膜性，成为近年来食品包装领域研究的热点。玉米醇溶蛋白是玉米黄粉的加工副产物，不溶于水、无水醇类，而可溶于60%～90%的醇－水溶液、强碱、丙二醇以及多种有机溶剂混合液[2]。玉米醇溶蛋白膜表面光滑，防油，具有较低的水蒸汽渗透性，因此在食品包装、营养递送等领域具有开发潜力[3]。

课题前期已利用逐步添加法与流延法制备了玉米醇溶蛋白/壳聚糖抗菌复合膜，相较纯玉米醇溶蛋白膜，复合膜表面结构更为致密，力学性质明显增强，并具备较强抗菌特性[4]。虽然多糖的加入提高了蛋白膜表面亲水性，但改善效果有限，因此利用一定技术对其表面亲水性进行进一步的改善，对玉米醇溶蛋白基食品包装材料的表面印刷，防污等效果以及商业化应用有重要意义。

低温等离子体是指在低温状态下，利用外加电压将气体分子击穿，产生包括电子、离子、原子和自由基在内的混合体，它是一种简单、安全、绿色的非热处理技术。目前，已经被广泛用于改善的聚合物材料（如PP、PET、PC）的表面润湿性和黏附性，对材料的主体结构影响较小[5－6]。有研究发现，等离子体中的高能粒子可以通过干法刻蚀改善表面粗糙度，形成拓扑结构，打破共价键，引发各种化学反应，利用空气作为气氛，在表面引入羟基、羧基、羰基等含氧基团[7－9]。目前，有关等离子体修饰生物聚合物膜的研究比较广泛，但有关蛋白质膜方面的改性研究较少。

本研究利用空气介质阻挡型低温等离子体对壳聚糖含量4%的玉米醇溶蛋白基膜进行表面处理，利用响应面法对蛋白膜表面亲水性进行优化，分析处理对表面形貌，化学成分影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原料与试剂

玉米醇溶蛋白（纯度94.7%）：江苏高邮日星药用辅料有限公司；壳聚糖（脱乙酰度90%）：浙江金壳药业有限公司；无水乙醇、冰乙酸均为分析纯。

1.1.2 主要仪器

DBD－50型空气介质阻挡等离子设备：南京苏曼等离子科技有限公司；JY－82A视频接触角测定仪：承德鼎盛试验机检测设备公司；Quanta200型扫描电子显微镜捷克FEI公司；VECTOR22傅立叶变换红外光谱仪：布鲁克仪器公司；DSC－600A差示扫描量热仪：日本岛津制作所。

1.2 试验方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白基膜的制备

取一定量壳聚糖溶于2%醋酸溶液，静置24 h使之充分水合。搅拌条件下缓慢加入无水乙醇，配制成乙醇体积分数为80%的壳聚糖/醋酸/乙醇溶液体系，调节pH值至5.0±0.1，将一定量玉米醇溶蛋白溶于上述溶液，玉米醇溶蛋白质量浓度为100 mg/mL，壳聚糖质量分数为玉米醇溶蛋白的4%，65℃水浴加热10 min，静置消泡后，流延法成膜，室温干燥24 h。制备好的玉米醇溶蛋白基膜置于相对湿度（50±4）%，温度（23±2）℃干燥器中平衡48 h后，进行表面处理。

1.2.2 低温等离子体表面处理

以空气作为反应气氛，在常压条件下，选用空气介质阻挡型低温等离子体对玉米醇溶蛋白基膜进行表面处理。先将蛋白基膜平铺于低温等离子体设备的下石英介质表面，调节基板间距为2 mm～10 mm，处理功率为 0～200 W，处理时间为 0～180 s。

1.2.3 蛋白基膜表面接触角的测定

通过JY－82A视频接触角测定仪记录水滴下落过程，软件拍照速率5张/s，连续记录10 s，采用软件量角法测定平均接触角。在考察单因素时，改变处理时间（0、30、60、90、120 s）、处理功率（0、50、100、150、200 W）和基板间距（0、2、4、6、8 mm），以蛋白基膜表面接触角作为单因素指标，确定低温等离子体处理的最佳的处理时间、处理功率和基板间距。

1.2.4 响应面优化试验

在处理时间（X1）、处理功率（X2）、基板间距（X3）单因素试验的基础上，以蛋白基膜表面疏水性为指标，以处理时间、处理功率和基板间距为试验因素，进行三因素三水平响应面试验，对等离子处理蛋白基膜的条件进行优化。因素水平表如表1所示。

表1 试验因素水平表Table 1 Test factor and level table

1.2.5 低温等离子体处理后的蛋白基膜扫描电子显微镜观察

将低温等离子体处理后的蛋白基膜液氮脆断，用镊子固定到样品台上，喷金镀膜处理5 min，真空度为200 Pa，加速电压为20 kV，观察蛋白基膜的表面结构，放大倍数为5 000。

1.2.6 低温等离子体处理后的蛋白基膜的傅里叶红外光谱测定

直接将薄膜状样品置于光谱仪扫描区进行测试，光谱范围 400 cm－1～4 000 cm－1，扫描次数 32 次，分别率4 cm－1。

1.3 数据统计分析

利用Design－Expert 8.0.6软件进行响应面试验的设计与分析。利用SPSS17.0统计分析软件进行各试样间差异性分析，每个试样测3次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 处理时间对蛋白基膜接触角的影响

在处理功率为100 W、基板间距为6 mm、处理时间分别为 0、30、60、90、120 s的条件下，蛋白基膜的表面接触角如图1所示。

图1 处理时间对蛋白基膜接触角的影响Fig.1 Effect of treatment time on the contact angle of zein-based films

由图1可知，处理时间在0～60 s范围内时，蛋白基膜接触角随处理时间的增加而减小，当处理时间为60 s时，蛋白基膜接触角达到最小值，为（40.73±0.92）°。处理时间大于60 s后，接触角呈现波动式的增加趋势，可能是因为短时间的等离子处理使蛋白膜表面粗糙度增加，亲水性基团暴露，而过长的处理时间致使蛋白质表面的粗糙结构加剧，亲水性基团被破坏，故确定处理时间为60 s。

2.1.2 处理功率对蛋白基膜接触角的影响

在处理时间为60 s、基板间距为6 mm、处理功率分别为 0、50、100、150、200 W 的条件下，蛋白基膜的接触角如图2所示。

图2 处理功率对蛋白基膜接触角的影响Fig.2 Processing power effects the contact angle of zein-based films

由图2可知，在处理功率在0～100 W范围内，蛋白基膜接触角随着处理功率的增加而减小，100 W～150 W范围内，整体上接触角保持恒定，没有显著性变化，在150 W～200 W范围内，蛋白基膜接触角随着处理功率的增加而增加。因而确定处理功率为125W。

2.1.3 基板间距对蛋白基膜接触角的影响

在处理时间为60 s、处理功率为100 W、基板间距分别为0、2、4、6、8 mm的条件下，蛋白基膜的接触角如图3所示。

图3 基板间距对蛋白基膜接触角的影响Fig.3 The effect of substrate distance on the contact angle of zeinbased films

由图3可知，在基板间距在0～8 mm的范围内，蛋白基膜接触角随着基板间距的增加先减小后增大，在基板间距为4 mm时，蛋白基膜接触角达到最小值，为（40.47±1.81）°，因而确定处理时的基板间距为4 mm。

2.2 响应面试验结果与分析

根据单因素试验结果，利用Design－Expert 8.0.6软件进行响应面优化试验，设计方案如表2。以处理时间、处理功率、基板间距为响应变量，蛋白基膜接触角为响应值对表2进行方差分析，模型显著性及数据结果见表3。

将试验结果使用Design－Expert 8.0.6数理统计软件进行回归拟合，可得到响应值Y和各个因子（X1，X2，X3）之间的二次多元回归方程模型为：

表2 响应面试验方案及结果Table 2 The test scheme and results

对此回归模型进行方差分析，结果如表3所示。

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

由表3方差分析可知，该模型显著性检验P<0.000 1，表明该模型具有统计学意义。模型的R2adj（校正决定系数）值为0.957 3，说明有95.73%的数据符合拟合模型，模型预测值拟合情况良好，可以良好的解释等离子改性对复合材料表面接触角大小的变化。

根据回归分析结果做出相应的曲面图，观察处理时间、处理功率和基板间距对蛋白基膜接触角的影响，结果如图4所示。

图4 RSM模型自变量X1，X2，X3的响应面图Fig.4 Response surface of X1，X2，X3in RSM model

响应面优化模型模拟优化结果得出等离子体对复合材料表面处理，使得接触角最小的条件为处理时间为58.90 s，处理功率为111.27 W，基板间距为4.27 mm，模拟条件下最小值为28.05°。结合实际操作仪器灵敏度，对最佳条件进行适当调整，调整后处理时间为60 s，处理功率为110 W，基板间距为4.3 mm，此时接触角为（30.32±0.89）°（验证试验重复 3次）。验证试验结果基本符合模拟预测值，说明优化试验正确、有效。

2.3 低温等离子体处理前后蛋白基膜扫描电镜分析

等离子处理前后蛋白基膜的扫描电镜表面见图5。

图5 等离子处理前后蛋白基膜的扫描电镜表面Fig.5 Scanning electron microscope images of zein-based films before and after cold plasma treatment

由图5可知，未处理的蛋白基膜表面光滑，平整，可以观察到几个的小孔洞，这可能是成膜液中的残留的气体导致的。经低温等离子处理后，蛋白基膜表现由光滑变为粗糙，出现大量点状或者片状的凸起结构，这是由于等离子处理对蛋白基膜的刻蚀作用和沉积作用。适当的粗糙结构有利于提高表面的亲水性。这与之前的接触角结果是一致的。

2.4 低温等离子体处理前后蛋白基膜的傅里叶红外光谱分析

通过红外光谱分析低温等离子体对蛋白基膜表面化学结构的影响。图6为处理前后蛋白基膜的红外光谱变化。

图6 等离子处理前后蛋白基膜的红外光谱图Fig.6 The Fourier transform infrared spectrum of zein-based films before and after cold plasma treatment

对比可以看出，等离子体处理前后蛋白基膜的图谱有显著的差别。玉米醇溶蛋白在3 300 cm-1处的宽吸收峰由-NH2和-OH伸缩振动引起，经等离子体处理后，该吸收峰蓝移到3 292 cm-1，并且，峰强度增加，说明等离子处理可能使蛋白基膜表面形成了更多亲水基团。在玉米醇溶蛋白酰胺I带（1600 cm-1～1700 cm-1）与酰胺 II带（1500 cm-1～1 600 cm-1）并没观察到峰位置的偏移，但1 538 cm-1处峰强增加，说明等离子处理可能对蛋白质二级结构产生了影响。1308cm-1与1096cm-1处为C-O振动，经等离子处理后，在1 308 cm-1处有新峰生成，表明等离子处理产生了含氧基团，或是处理导致了蛋白质原本被包埋的含氧极性基团暴露。整体上这些结构的变化表明等离子体处理可能在蛋白基膜表面暴露了含氧基团，并且可能发生了交联作用而形成了更多的氢键。

3 结论

本研究成功利用低温等离子技术对玉米醇溶蛋白基膜进行了表面处理，有效的提高玉米醇溶蛋白基膜的表面亲水性。另外，从扫描电镜图像可以看出等离子体处理可以提高膜表面粗糙程度，形成交联结构，从红外图谱也证明出等离子体处理可以提高蛋白基膜表面含氧极性基团含量与氢键含量，有效的解释了蛋白亲水性提高的原因。总之，经等离子体处理的玉米醇溶蛋白基膜的亲水性显著提高，有成为商业化应用的可食食品包装材料资源的潜力。