超声辅助玉米醇溶蛋白基乙烯吸附膜的制备及其香蕉保鲜性能

范鑫，李宇鑫，邝吉卫，杨婷，刘苗苗，曹云刚，黄峻榕

超声辅助玉米醇溶蛋白基乙烯吸附膜的制备及其香蕉保鲜性能

陕西科技大学食品科学与工程学院，西安 710021

【目的】乙烯是影响水果品质及货架期的关键植物激素。本研究利用高场强超声波（HIU）对玉米醇溶蛋白（zein）进行物理改性处理，使其蛋白结构舒展，内部活性官能团暴露；利用超声改性zein膜中的活性官能团（如巯基等）与乙烯发生“点击反应”吸附乙烯，从而达到延长水果货架期的目的。【方法】将5 g zein溶于80%醋酸溶液中，选用频率为20 kHz、功率为400 W的超声波经不同时长（0、5、15和30 min）的预处理后，分别取2 mL蛋白溶液移至培养皿（55.0 cm2）中，放置于40℃烘箱干燥24 h，分别得到zein-0膜、zein-5膜、zein-15膜、zein-30膜，通过圆二光谱、内源性荧光、粒径电位仪和扫描电镜分析不同条件超声处理后蛋白结构及形貌的变化；借助物性分析仪和VOC检测仪表征zein膜的力学性能和乙烯吸附性能。以香蕉为研究对象，将超声处理后的zein膜与香蕉放置于同一塑封袋中，室温密闭放置10 d，基于香蕉表皮的褐变程度、香蕉果肉的硬度变化和香蕉失重率分析zein膜延长水果货架期的性能。【结果】高场强超声波处理对蛋白质的高级结构具有修饰作用，频率为20 kHz、功率为400 W超声处理15 min后，zein的平均粒径降低（1 013.3±6.9 nm），-螺旋结构的比例降低（45.86%），-折叠结构的比例升高（12.20%），上述现象表明适度超声处理使zein结构舒展。同时，zein-15膜的乙烯吸附性能与zein-0膜（未经超声处理）相比增加了9.486 mg·m-3·h-1，阻氧性能与zein-0膜相比增加了0.75×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。本研究以呼吸跃变型水果的香蕉为代表，zein-15膜能有效降低香蕉的失重率，延缓香蕉表皮的褐变和香蕉果肉硬度的降低，延长了香蕉的货架期。【结论】一定条件的超声处理（20 kHz、400 W、15 min）能够诱导zein结构舒展，暴露出更多的活性官能团，提高其乙烯吸附性能。zein-15膜具有良好的阻氧性和力学性能，有效延长了香蕉的货架期和乙烯吸附膜的使用寿命。

超声处理；结构修饰；玉米醇溶蛋白膜；乙烯吸附剂；货架期

0 引言

【研究意义】我国水果的损耗率约为20%—30%，造成了巨大的经济损失[1]。乙烯（C2H4）作为一种促进果实成熟的植物激素，对水果的贮藏品质和货架期具有决定性作用。目前，调控水果贮运过程中乙烯浓度的手段主要包括气调保鲜、乙烯吸附剂和乙烯受体竞争剂等。其中，现有乙烯吸附剂存在重金属残留、吸附容量小、易解吸等问题[2]。因此，绿色、高效的乙烯吸附剂是降低水果损耗率的有效途径。玉米醇溶蛋白（zein）因缺少必需氨基酸、口感粗糙、水溶性差等问题，导致其食用价值低。Zein具有良好的疏水性、抑菌性和成膜性，已被广泛用于医药、环境、食品包装材料等领域[3]。此外，zein含有大量巯基等活性官能团，能与乙烯快速发生点击反应，因此可作为乙烯吸附剂的基材。然而，zein在氢键、非共价键和次级键的作用下，自交联形成蛋白聚集体[4]，空间结构高度紧密，大量活性基团被包覆于蛋白复杂结构内部[5]，限制了其应用。因此，本研究利用高场强超声波诱导zein结构舒展，暴露活性官能团，进而提升zein膜的乙烯吸附性和阻氧性，延长水果货架期。【前人研究进展】在果蔬贮运过程中，人们采用了多种方法来清除乙烯。其中，高锰酸钾（KMnO4）是目前使用最广泛的乙烯清除剂，其作用机理是氧化乙烯，但该方法存在有害金属残留的问题[6]。XUAN等[7]研究发现了一种非金属光催化剂石墨化氮化碳（C3N4）涂层，其在可见光照射下可对乙烯进行光降解，从而延长了水果的货架期。DO NASCIMENTO SOUSA等[8]制备由壳聚糖/沸石组成的致密多孔膜对乙烯进行吸附，但沸石吸附乙烯存在容易解吸的问题。上述乙烯吸附剂存在有害金属残留、成本高、效率低等问题。本研究以zein作为乙烯吸附基材，利用高场强超声波调控蛋白结构，制备绿色、高效的zein乙烯吸附剂。HU等[9]前期研究表明，适度高场强超声波可降低蛋白质聚合度，使蛋白结构舒展，暴露出大量活性官能团。任晓峰[10]研究发现zein表面疏水性随着超声波频率增加而增加，这是由于经过超声波处理后，多肽链伸展引起大量内部疏水性基团或氨基酸暴露于蛋白表面，导致蛋白表面疏水性增加。REN等[11]研究发现超声波处理对zein-壳聚糖复合物的二级结构没有影响，但显著降低了荧光发射强度，双频超声处理提高了zein-壳聚糖复合物的热稳定性，但对晶体结构没有影响。侯婷[12]研究发现超声波处理可以使zein的-折叠含量降低和-螺旋的含量增加，结晶度增大，提高以zein为基质的纳米薄膜包装材料的阻隔性能，并使其具有良好的热稳定性。综上所述，超声波处理可以使zein结构变化，提高其功能特性。【本研究切入点】虽然高场强超声对zein结构及功能特性的调控已有部分研究，但超声处理对zein聚集状态的影响，以及zein结构变化与乙烯吸附性能间的相关性尚缺乏系统研究，其内在调控机制也尚待明晰。【拟解决的关键问题】系统研究不同超声时间对zein结构的影响，明确超声辅助zein基乙烯吸附膜的制备方法，探究蛋白结构变化与zein膜乙烯吸附性能、力学性能、氧气透过性、香蕉货架期（香蕉表皮褐变率、香蕉果肉硬度和香蕉失重率）的内在联系，为有效延长香蕉货架期提供新思路及理论依据。

1 材料与方法

试验于2021年5月至2022年4月在陕西科技大学逸夫楼进行。

1.1 主要材料与试剂

玉米醇溶蛋白购置于上海源叶生物科技有限公司；无水乙酸、氢氧化钾均购于天津市富宇精细化工有限公司；其他化学试剂均为分析纯；香蕉购置于西安市未央区吉家超市。

1.2 主要仪器与设备

超声波细胞破碎仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；安东帕Litesizer™ 500纳米粒度及Zeta电位分析仪，奥地利Anton Paar公司；Fluoro Max-4荧光分光光度计，日本Horiba公司；圆二色光谱仪，英国Applied Photophysics公司；高分辨率扫描电镜，美国FEI Verios 460公司；物性分析仪，英国SMS公司。

1.3 试验方法

1.3.1 zein的超声改性及膜的制备 将5 g zein溶于80%的乙酸中以得到浓度为25%（wt）的蛋白溶液，在90℃条件下，用磁力加热搅拌器90℃搅拌1 h。冷却至室温后，将zein溶液分别进行0、5、15和30 min的超声处理（功率400 W，频率20 kHz，超声5 s，停止5 s）。移取2 mL zein溶液加入9.0 cm细胞培养皿（55.0 cm2），移入恒温箱中，在40℃下干燥24 h，分别得到zein-0、5、15和30膜。

1.3.2 超声处理后zein成膜液结构的表征

1.3.2.1 圆二色光谱测定 参考CAO等[13]的方法，将zein样品稀释至0.2 mg∙mL-1，采用圆二光谱仪分析超声改性zein二级结构的变化。试验温度：25℃，样品池光程：2 mm，灵敏度：100 mdeg∙cm-1，在180—260 nm扫描蛋白样品的圆二光谱。试验重复3次，每个样品扫描3次，取其平均值并扣除缓冲液背景，使用CDNN软件计算蛋白二级结构含量。

1.3.2.2 内源性荧光测定 参考任晓峰[10]的方法，将zein样品稀释为0.4 mg∙mL-1，设置激发波长为280 nm，利用Fluoro Max-4荧光分光光度计扫描样品在284—360 nm的发射光谱。激发狭缝宽3.0 nm和发射狭缝宽为2.5 nm。试验重复3次，每个样品扫描3次。相同条件下记录样品缓冲液发射光谱，并从样品发射光谱中扣除以排除干扰。

1.3.2.3 粒径和ζ电位的测定 参考REN等[11]的方法，将超声处理前后zein样品稀释至质量分数0.5 mg∙mL-1，使用激光纳米粒度仪测定。试验重复3次。

1.3.2.4 巯基含量测定 参考HU等[9]的方法，利用5,5-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）试剂测试。将zein溶于缓冲液（Tris 0.086 mol∙L-1，甘氨酸0.090 mol∙L-1，Na2EDTA 0.004 mol∙L-1，pH 8.0）中，室温震荡12 h后离心（20 000×，15 min），取3 mL上清液，加入0.03 mL DTNB试剂后迅速混匀，室温避光反应15 min后于波长412 nm的条件下比色。试验重复3次。

1.3.2.5 高分辨率扫描电镜（SEM）测定 参考XUAN等[7]的方法，使用高分辨率扫描电镜观察经液氮研磨后的zein形貌。样品在真空下进行镀金涂层，使其具有导电性后进行观察，颗粒大小利用Nano Measurer软件分析。

1.3.3 超声处理后zein膜性能表征

1.3.3.1 氧气透过率（oxygen permeability，OP）和二氧化碳透过率（carbon dioxide permeability，CDP）测定 超声处理zein膜的透过率根据ZHANG等[14]的方法测定，并稍作修改。首先，每个锥形瓶分别装入3 g脱氧剂（测量OP）和5 g氢氧化钾（测量CDP）。然后在瓶口（瓶口面积19.62 cm2）放置5 cm×5 cm左右的方形薄膜，用橡皮筋密封。然后，将准备好的测试瓶放入23℃的培养箱中放置48 h。OP和CDP的计算公式如下：

OP/CDP=（Δm×d）/（A×t×P）

式中，Δm：测试瓶的重量变化量（kg）；d：薄膜厚度（m）；A：薄膜的有效面积（m2）；t：时间间隔（s）。在测定OP时，P（Pa）为薄膜两侧氧气的分压差；在测定CDP时，P（Pa）为薄膜两侧二氧化碳的分压差。试验重复3次。

1.3.3.2 乙烯吸附性能测定 参考FAN等[15]的方法，将2 cm×2 cm的超声处理zein膜试样放入采气袋中，充入（183±11）mg∙m-3的乙烯气体，进行乙烯吸附速率试验。24 h后，用VOC检测器（PGM-7340）测定袋（宁波鸿谱仪器科技有限公司）内乙烯残留量，试验重复3次。

1.3.3.3 力学性能测定 参考侯婷[12]的方法，力学性能测试是使用英国SMS公司的物性分析仪进行的，使用A/MTG探头，前、中测试速度为1 mm∙s-1，后测试速度为10 mm∙s-1，位移100%，触发力为10 g，返回距离为 20 mm，速度 10 mm∙s-1，样品长为50 mm，宽为20 mm，对不同类型薄膜的4个试样进行抗拉强度和断裂伸长率的测定，试验重复5次。

1.3.4 超声处理后zein膜的香蕉试验

1.3.4.1 香蕉果实保鲜试验 将不同超声时间处理的zein膜与同批次采购的香蕉置于相同封闭环境（25℃、50% RH）中，参考FAN等[15]的方法，测试香蕉表皮的褐变程度、香蕉果肉的质构变化和香蕉失重率，每个指标重复测试5次，每次选择10个外观符合要求的香蕉。

1.3.4.2 香蕉失重率测定 香蕉分别和不同超声时间处理的zein膜放入塑封袋中，再将塑封袋置于20℃恒温培养箱中保存10 d。称量香蕉放置10 d前后的质量，计算香蕉的失重率，试验重复5次。

1.3.4.3 香蕉褐变率测定 计算放置10 d的香蕉表皮褐变率，试验重复5次。

褐变率（%）=香蕉褐变面积/香蕉总面积×100

1.3.4.4 香蕉质构测定 用物性分析仪（SMS有限公司，英国）测试放置10 d后香蕉的果肉硬度。在测试过程中，选择p/5探头，且探头的前、中、后速度均为1 mm∙s-1，且应垂直于香蕉表面。试验重复5次。

1.4 统计分析

试验数据采用SPSS软件进行方差分析（ANOVA）检验，采用Duncan多区间检验比较样本间差异，值设置为0.05。每个指标至少重复测试3次，试验数据以平均数±标准差（SD）表示，并使用Origin 8.5软件进行绘图。

2 结果

2.1 超声处理对zein结构的影响

2.1.1 Zein二级结构 蛋白的二级结构包括-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲，利用圆二色光谱仪可表征不同超声时间处理对zein二级结构的影响[16-17]。如图1-A所示，超声时间为0—30 min时，zein蛋白的二级结构发生变化。zein的-螺旋含量随着超声时间的延长呈先下降后上升的趋势，在超声15 min时，-螺旋结构含量最低，为45.86%；-折叠结构含量随着超声时间的延长呈先上升后下降，在超声15 min时，-折叠结构含量最高，为12.20%。

不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant difference (P＜0.05). The same as below

2.1.2 Zein三级结构 当激发波长为280 nm时，蛋白中的色氨酸和酪氨酸残基被激发并发出荧光[18]，因此，利用荧光光谱可以反映蛋白三级结构的变化特征[19-20]。由图1-B可知，未经超声处理（0 min）的zein荧光强度最高，表明zein中的酪氨酸残基处于更加疏水的环境中；超声处理时间为5和15 min时，zein的内源荧光强度显著降低，这是由于适度超声强度引起蛋白结构展开导致的；当超声时间延长到30 min时，zein的荧光强度显著增强，表明结构舒展的zein重新发生聚集。

2.1.3 Zein粒径分布和zeta电位 如图1-C所示，zein的粒径随着超声时间的延长呈现先下降后上升的趋势。未经超声处理的zein的粒径为（1 395.1± 20.6）nm，在超声时间为15 min时，zein粒径最小，为（1 013.3±6.9）nm（比未经超声处理的zein粒径降低了27.38%），超声时间延长至30 min时，粒径增大至（1 545.1±6.8）nm。zein的zeta电位随着超声时间的延长呈先上升后下降的趋势。当超声时间为0、5和15 min时，随着超声时间的延长，zein的zeta电位值从（0.3±0.09）mV（0 min）增加至（1.4±0.1）mV（15 min）；当超声时间延长至30 min时，zein的zeta电位值又降低至（0.8±0.13）mV。综上，当超声时间为0—15 min时，zein的粒径随超声时间的延长而减小，zeta电位随超声时间的延长而增加，上述结果表明适度超声使zein结构舒展；当超声时间为30 min时，zein的粒径增大、电位降低，表明过度超声使舒展的zein重新聚集。

2.1.4 Zein总巯基含量 如图1-D所示，未经超声处理的zein中总巯基含量约为（2.230±0.13）μmol∙L-1，随着超声处理时间的延长，总巯基的含量呈现先上升后下降的趋势。当超声时间为15 min时，总巯基含量最高，为（2.548±0.23）μmol∙L-1，相比未超声处理上升了14.26%；当超声时间30 min时，总巯基含量下降，为（2.446±0.14）μmol∙L-1，相比未超声处理下降了9.7%。

2.1.5 Zein微观结构 扫描电镜可用来观察蛋白的微观结构变化[21]。不同超声条件下zein的微观结构及平均粒径如图2所示。未经超声处理的zein的平均粒径为（45.90±9.24）nm，蛋白颗粒较大，且大小不均匀（图2-A、图2-E）。超声时间为15 min时，zein的平均粒径为（20.32±5.62）nm，颗粒的大小均匀且平均粒径最小（图2-C、图2-E）。超声时间为30 min时，zein的平均粒径为（58.82±20.187）nm，zein颗粒重新聚集，平均粒径增大且颗粒粒径大小差异最大（图2-D、图2-E）。结果表明，zein的聚集程度与超声处理时间密切相关，适度超声（15 min）使zein粒径降低且大小均匀，过度超声（30 min）可诱导zein颗粒重新聚集。

图2 不同超声处理zein的SEM图及zein颗粒的平均粒径

2.2 超声处理后zein膜的性能变化

2.2.1 超声辅助zein膜的阻气性能 OP和CDP对食品的保质期具有显著影响[22]。如图3所示，超声处理改变了zein膜的OP和CDP特性，随着超声时间的延长，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的OP和CDP逐渐降低。未经超声处理的zein-0膜OP为（2.55±0.14）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，当超声时间为15 min时，zein-15膜的OP最低，为（1.80±0.15）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1；当超声时间延长至30 min时，zein-30膜的OP增加至2.23±0.04×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。这表明适度超声条件（15 min）可以改变zein膜的透过率，增强其阻氧能力。当超声时间为30 min时，zein-30膜的OP升高。说明适度超声条件（15 min）可以改善zein膜的透过性，使其具有低透氧性。同时，未经超声处理的zein-0膜的CDP为（8.34±0.26）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，当超声时间为15 min时，zein-15膜的CDP降低至（2.55±0.09）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，超声时间延长至30 min时，zein-30膜的CDP升高至（4.29±0.15）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。

2.2.2 超声辅助zein膜的力学性能 图4表示不同超声条件处理zein膜的力学性能，抗拉强度（图4-A）反映了超声处理zein膜在拉断前承受最大应力值；断裂伸长率（图4-B）反映了超声处理zein膜受外力作用至拉断时，拉伸前后的伸长长度与拉伸前长度的比值。zein膜的抗拉伸强度和断裂伸长率均呈现先上升再下降的趋势。zein-0膜、zein-5膜、zein-15膜的抗拉伸强度和断裂伸长率随着超声处理时间的延长而增加，当超声时间为15 min时，zein-15膜的抗拉强度和断裂伸长率最大，分别为（40.13±5.6）MPa和（10.13±0.63）%；当超声时间延长至30 min时，zein-30膜的抗拉强度和断裂伸长率分别降低为（31.70±3.2）MPa和（4.70±0.2）%。

图3 不同超声时间处理zein膜的氧气透过率和二氧化碳透过率

图4 不同超声时间处理zein膜的力学性质断裂伸长率（A）、拉伸强度（B）

2.3 超声辅助zein膜的香蕉保鲜性能

超声处理前后，zein膜对香蕉在室温贮藏10 d过程中的褐变情况如图5-A所示。香蕉贮藏5、7和10 d后，对照组香蕉的表面出现褐变的范围大于放置有zein膜的香蕉表面。香蕉贮藏10 d后，对照组香蕉的褐变率为（82.54±6.5）%，放置有zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的香蕉褐变率随着超声时间的延长逐渐降低，其中，放置zein-15膜的香蕉褐变程度最低，为（45.63±3.5）%，当超声时间延长至30 min时，放置有zein-30膜的香蕉褐变率为（50.64±5.9）%（图5-B）。结果表明，使用超声处理后的zein膜可以显著抑制香蕉的褐变，这与zein膜阻氧性和乙烯吸附性有关（图5-C）。随着超声时间的延长，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的乙烯吸附量逐渐增大，zein-15膜的乙烯吸附量最大为（12.8±0.43）mg·m-3·h-1，zein-30膜的乙烯吸附量降低，为（9.83±0.52）mg·m-3·h-1，结果表明，适度超声条件（15 min）使zein膜具有较高的乙烯吸附性能，可以有效降低香蕉的褐变程度。图5-D表征了不同强度超声辅助zein膜对香蕉果肉硬度的影响，对照组香蕉果肉的硬度最低，为（61.25±3.6）g，随着超声时间的延长，放置有zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的香蕉果肉硬度逐渐增高，放置有zein-15膜的香蕉硬度最高，为（78.80±2.43）g，放置有zein-30膜的香蕉硬度降低为（68.41±3.12）g。与此同时，在香蕉放置5 d时，失重率无显著差异；放置10 d时，对照组失重率最高，为41.20%。随着超声时间的延长，香蕉的失重率呈现先降低再升高的趋势，其中放置zein-15膜的香蕉失重率最低，为11.11%（图5-E）。综上，由于zein-15膜具有较高的乙烯吸附性和阻氧性，有效降低了香蕉的表面褐变程度（比对照组降低了44.72%）、失重率（比对照组降低了73.03%），提高了香蕉果肉硬度（比对照组增加了28.65%），延长了香蕉的货架期。

图5 不同zein膜处理后的香蕉照片（A）、香蕉放置10 d后的褐变率（B）、zein膜的乙烯吸附量（C）、香蕉硬度（D）、香蕉失重率（E）

3 讨论

3.1 超声处理改变了zein的结构

蛋白质的功能特性与其结构密切相关，超声诱导的zein结构改变表现为圆二色光谱及内源性色氨酸荧光光谱、zeta电位、平均粒径和总巯基含量的变化。当超声条件为400 W、0—15 min时，随着超声时间的延长，zein的-螺旋含量降低，-折叠含量增加，蛋白结构舒展均匀，说明适度超声处理（400 W、15 min）诱导蛋白结构舒展；而30 min的过度超声作用会使zein的-螺旋含量增加，-折叠含量降低，将已经舒展的蛋白质分子重新聚集在一起，这是由于超声时间延长引起蛋白结构重新聚集。孙烨等[23]采用超声条件为230 W-20 min和230 W-40 min的超声处理zein，结果表明，与未经超声处理的zein相比，短时间超声处理时（230 W-20 min），zein的-螺旋含量降低，-折叠含量增加；而较长时间超声处理时（230 W-40 min），zein的-螺旋含量增加，-折叠含量降低，与本研究有相同的趋势。ZOU等[24]研究表明超声处理后贻贝肌浆蛋白的-螺旋和-转角百分率略有下降，而-折叠和无规则卷曲百分率略有上升。JIANG等[25]发现超声处理使黑豆蛋白的-螺旋结构降低，-折叠结构升高。上述研究表明，超声处理可以改变蛋白的二级结构。

蛋白质的三级结构比二级结构对其功能性质有更直接的影响。疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力，对维持蛋白质的三级结构起着主要作用。超声时间为0、5和15 min时，随着超声时间的延长，zein的荧光强度显著降低，这是由于超声波和局部高温高压的机械作用和空化作用所致。在超声作用下，zein的疏水内部被打开，蛋白被拉伸，在分子水平上暴露疏水氨基酸残基，表现为zein的荧光强度降低，说明超声后zein的三级结构发生改变。当超声时间延长到30 min时，zein的荧光强度显著增强，表明结构舒展的zein重新发生聚集。李朝蕊等[26]报道了超声功率为600 W，随着超声时间增加至40 min，豌豆蛋白的荧光强度逐渐降低；当超声时间为60 min时，荧光强度显著上升。因此，过度超声处理会使蛋白结构重新聚集，荧光强度增加。

蛋白的平均粒径反映了其溶液稳定性[27]。一般来说，颗粒的平均粒径越低，表明溶液的稳定性越好[19]。适度超声条件（15 min）可以使zein溶液的粒径减小，这是由于超声空化作用产生的机械剪切力破坏了蛋白结构，使zein结构更加舒展；zein间的静电斥力增强，抑制了蛋白质的聚集，使蛋白质的粒径减小[28]。当超声时间为30 min时，zein溶液的粒径增加和zeta电位降低，这说明过度超声处理会减弱zein间的静电斥力，促使颗粒重新聚集。TIAN等[29]使用超声波处理（150 W，10 min、20 min、30 min）有效降低了大豆分离蛋白的粒径，使其更易于水解。ZOU等[30]研究发现超声功率为150 W时，肌动球蛋白的粒径最小，电位最高。

天然的zein由于自交联形成聚集体，大量活性基团包被于蛋白内部，限制了其应用。超声处理可以使zein结构舒展，促使其活性基团（巯基）暴露，进而与乙烯发生化学“点击反应”[31]，提高其乙烯吸附效率。当超声时间为15 min时，总巯基含量最高，这是由于适度超声使zein结构舒展，巯基暴露。当超声时间为30 min时，巯基含量又呈现降低趋势，这说明过度超声会导致热效应，使zein发生氧化，自由基相互结合，使巯基转化为二硫键，zein再次聚集[32]。MA等[33]研究发现随着超声波振幅增大，-乳球蛋白中的游离巯基含量同样呈现先增加后减少。

3.2 适度超声能够增强zein膜对香蕉的保鲜性能

Zein具有优异的成膜能力[19]，然而研究发现通过流延法制备形成的蛋白膜易脆，导致其在食品包装材料的应用受限[34]。通过力学性能的试验发现，较短（5 min）或较长（30 min）时间的超声处理不能提高对zein膜的拉伸强度。相比于zein-0膜，经15 min超声处理后，zein-15膜的力学性能提升。这是由于超声波能对zein产生空穴作用，使蛋白结构舒展，膜的柔韧性增强、抗拉强度提高、弹性增强，从而使膜的断裂伸长率增大。这意味着适当的超声处理时间可以使超声处理zein膜具有更好的机械性能。同样地，孙旸等[35]经过超声处理大豆分离蛋白后（1 000 W、10 s），大豆分离蛋白膜的拉伸性能得到了提高。梁栋等[36]将超声波技术应用于壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜的制备中，发现复合膜的力学性能在超声功率为29 W，超声时间24 min时最佳。

同时，超声时间0—15 min时，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的阻氧能力和阻二氧化碳能力与超声时间成正比，但超声时间为30 min时，zein-30膜的阻氧和阻二氧化碳性能又表现出下降趋势。这表明适度超声处理（15 min）可增强zein结构中的极性相互作用，形成更好的阻氧和阻二氧化碳屏障，低O2能抑制乙烯生成和酶促褐变，从而延长香蕉的货架期。ZHANG等[14]将壳聚糖和zein按比例混合，结果表明加入zein后，壳聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜具有更高的阻氧性。侯婷[12]用多模式超声设备制备zein/纳米二氧化硅复合膜并提高了复合膜阻隔性能。适度超声（15 min）使zein膜具有较高的乙烯吸附性能，这是由于适度超声（15 min）处理暴露更多的活性基团，增加活性官能团与乙烯的作用位点；过度超声（30 min）使蛋白重新聚集，吸附效率降低。目前尚未发现有关超声改性蛋白提高其乙烯吸附方面的研究，笔者课题组前期构建了取向zein基纳米纤维（zNFs-Ag@PT）过滤膜，对PM0.3的去除效率高达99.30%[37]，为本研究提供了思路。

玉米醇溶蛋白基纳米颗粒可食性薄膜在水果和肉类保鲜中的实际应用已被报道，如：XAVIER等[38]研究发现，含有zein纳米颗粒的壳聚糖薄膜包装可以延长牛肉糜在冷藏条件下的保质期。ZHANG等[39]研究制备的以zein果胶纳米颗粒为稳定剂的魔芋葡甘聚糖膜可以有效延长草莓的保质期。本研究结合超声波处理的方式对zein结构进行改性处理，使其聚集度降低，活性基团充分暴露，增加其与乙烯的作用位点，提高zein膜的乙烯吸附效率；同时，利用zein膜的阻氧性，降低香蕉的酶促褐变，从而达到延长香蕉货架期的目的。

4 结论

不同强度的超声处理改变了zein的结构，从而增强了其乙烯吸附性、阻氧性、力学性能等功能特性，有效延长了香蕉货架期。其中，频率为20 kHz、功率为400 W、超声处理15 min的zein溶液中，-螺旋的含量减少，蛋白结构舒展、暴露出更多的活性基团；同时，zein-15膜具有良好的力学性能、乙烯吸附性能、阻氧和阻二氧化碳性能，从而有效延缓香蕉表面的褐变、香蕉果肉硬度降低和香蕉失重。因此，利用超声改性可以使zein结构舒展，活性官能团充分暴露，增强zein膜的功能特性，对扩大zein膜在延长水果货架期中的应用具有重要的价值。

[1] 何艳秋. 壳寡糖对草莓保鲜作用及机制研究[D]. 大连: 大连海洋大学, 2017.

HE Y Q. Effect of chitooligosaccharides on strawberry preservation and its mechanism [D]. Dalian: Dalian Ocean University, 2017. (in Chinese)

[2] HYUN J E, LEE S Y. Effect of modified atmosphere packaging on preserving various types of fresh produce. Journal of Food Safety, 2018, 38(1): e12376.

[3] GlUSAC J, FISHMAN A. Enzymatic and chemical modification of zein for food application. Trends in Food Science & Technology, 2021, 112: 507-517.

[4] 朱慧, 李运通, 陈桂芸, 陈野. 挤压喷雾生产香菇粉工艺优化及产品理化性质. 食品科学, 2017, 38(14): 250-255.

ZHU H, LI Y T, CHEN G Y, CHEN Y. Optimization of blasting extrusion processing for production ofpowder and its physicochemical properties. Food Science, 2017, 38(14): 250-255. (in Chinese)

[5] XIANG F, XIA Y T, WANG Y, WANG Y X, WU K, NI X W. Preparation of konjac glucomannan based films reinforced with nanoparticles and its effect on cherry tomatoes preservation. Food Packaging and Shelf Life, 2021, 29: 100701.

[6] 林燕, 张平, 任朝辉, 朱志强, 封丽. 适合果蔬流通乙烯吸收剂的研究. 食品工业科技, 2010, 31(6): 296-297, 309.

LIN Y, ZHANG P, REN Z H, ZHU Z Q, FENG L. Study on the ethylene absorbent that fit for fruit and vegetables circulate. Science and Technology of Food Industry, 2010, 31(6): 296-297, 309. (in Chinese)

[7] XUAN H Y, ZHU Y X, REN J Y, GE L Q. Intrinsic self-healing and biocompatibility of carbon nitride coatings via inhibiting or degrading ethylene for fruit preservation. Journal of Materials Science, 2019, 54(12): 9282-9290.

[8] DO NASCIMENTO SOUSA S D, SANTIAGO R G, SOARES MAIA D A, DE OLIVEIRA SILVA E, VIEIRA R S, BASTOS-NETO M. Ethylene adsorption on chitosan/zeolite composite films for packaging applications. Food Packaging and Shelf Life, 2020, 26: 100584.

[9] HU H, WU J H, LI C, Eunice C Y, ZHU L, ZHANG F, XU X Y, FAN G, WANG L F, HUANG X J, PAN S Y. Effects of ultrasound on structural and physical properties of soy protein isolate (SPI) dispersions. Food Hydrocolloids, 2013, 30(2): 647-655.

[10] 任晓锋. 扫频超声预处理对玉米醇溶蛋白特性及其酶法制备ACE抑制肽的影响[D]. 镇江: 江苏大学, 2014.

REN X F. Effects of sweeping frequency ultrasound on properties of zein and preparation of ACE-inhibitory peptides on enzymatic from zein [D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2014. (in Chinese)

[11] REN X F, HOU T, LIANG Q F, ZHANG X, HU D, XU B G, CHEN X X, CHALAMAIAH M, MA H L. Effects of frequency ultrasound on the properties of zein-chitosan complex coacervation for resveratrol encapsulation. Food Chemistry, 2019, 279: 223-230.

[12] 侯婷. 玉米醇溶蛋白/纳米二氧化硅复合膜的超声波制备技术研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2020.

HOU T. Study on ultrasonic preparation technology of zein/nano- silica composite film [D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2020. (in Chinese)

[13] CAO Y G, LI Z R, FAN X, LIU M M, HAN X R, HUANG J R, XIONG Y L. Multifaceted functionality of L-arginine in modulating the emulsifying properties of pea protein isolate and the oxidation stability of its emulsions. Food & Function, 2022, 13(3): 1336-1347.

[14] ZHANG L M, LIU Z L, WANG X Y, DONG S, SUN Y, ZHAO Z T. The properties of chitosan/zein blend film and effect of film on quality of mushroom (). Postharvest Biology and Technology, 2019, 155: 47-56.

[15] FAN X, RONG L S, LI Y X, CAO Y G, KONG L S, ZHU Z B, HUANG J R. Fabrication of bio-based hierarchically structured ethylene scavenger films via electrospraying for fruit preservation. Food Hydrocolloids, 2022, 133: 107837.

[16] LI M, YANG R, FENG X C, FAN X J, LIU Y P, XU X L, ZHOU G H, ZHU B W, ULLAH N, CHEN L. Effects of low-frequency and high-intensity ultrasonic treatment combined with curdlan gels on the thermal gelling properties and structural properties of soy protein isolate. Food Hydrocolloids, 2022, 127: 107506.

[17] ZHAO H B, CHEN J, HEMAR Y, CUI B. Improvement of the rheological and textural properties of calcium sulfate-induced soy protein isolate gels by the incorporation of different polysaccharides. Food Chemistry, 2020, 310: 125983.

[18] LI H, XU Y, SUN X, WANG S H, WANG J W, ZHU J X, WANG D F, ZHAO L L. Stability, bioactivity, and bioaccessibility of fucoxanthin in zein-caseinate composite nanoparticles fabricated at neutral pH by antisolvent precipitation. Food Hydrocolloids, 2018, 84: 379-388.

[19] YUAN Y K, MA M J, XU Y, WANG D F. Surface coating of zein nanoparticles to improve the application of bioactive compounds: a review. Trends in Food Science & Technology, 2022, 120: 1-15.

[20] CHEN W Q, MA H L, WANG Y Y. Recent advances in modified food proteins by high intensity ultrasound for enhancing functionality: Potential mechanisms, combination with other methods, equipment innovations and future directions. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 85: 105993.

[21] LAVOISIER A, AGUILERA J M. Effect of a whey protein network formed by cold gelation on starch digestibility. Food Biophysics, 2019, 14(2): 214-224.

[22] CAZÓN P, VÁZQUEZ M, VELAZQUEZ G. Novel composite films based on cellulose reinforced with chitosan and polyvinyl alcohol: effect on mechanical properties and water vapour permeability. Polymer Testing, 2018, 69: 536-544.

[23] 孙烨, 李英浩, WULANDARI, 吕丽爽, 张秋婷. 超声波预处理对玉米醇溶蛋白结构及其Pickering乳液稳定性的影响. 食品与发酵工业, 2021, 47(1): 97-106.

SUN Y, LI Y H, WULANDARI, Lü L S, ZHANG Q T. Ultrasonic pretreatment improves the stability of zein and Pickering emulsion. Food and Fermentation Industries, 2021, 47(1): 97-106. (in Chinese)

[24] ZOU H N, ZHAO N, SUN S, DONG X R, YU C P. High-intensity ultrasonication treatment improved physicochemical and functional properties of mussel sarcoplasmic proteins and enhanced the stability of oil-in-water emulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2020, 589: 124463.

[25] JIANG L Z, WANG J, LI Y, WANG Z J, LIANG J, WANG R, CHEN Y, MA W J, QI B K, ZHANG M. Effects of ultrasound on the structure and physical properties of black bean protein isolates. Food Research International, 2014, 62: 595-601.

[26] 李朝蕊, 韩馨蕊, 范鑫, 黄峻榕, 曹云刚, 熊幼翎. 超声对豌豆分离蛋白结构及乳化性能的调控效应. 中国农业科学, 2021, 54(22): 4894-4905. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.22.015.

LI Z R, HAN X R, FAN X, HUANG J R, CAO Y G, XIONG Y L. Regulation effects of ultrasound on the structure and emulsification properties of pea protein isolate. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(22): 4894-4905. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.22.015. (in Chinese)

[27] MOORE J, CERASOLI E. Particle light scattering methods and applications. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry. Amsterdam: Elsevier, 2010: 2077-2088.

[28] MIRMOGHTADAIE L, SHOJAEE ALIABADI S, HOSSEINI S M. Recent approaches in physical modification of protein functionality. Food Chemistry, 2016, 199: 619-627.

[29] TIAN R, FENG J R, HUANG G, TIAN B, ZHANG Y, JIANG L Z, SUI X N. Ultrasound driven conformational and physicochemical changes of soy protein hydrolysates. Ultrasonics Sonochemistry, 2020, 68: 105202.

[30] ZOU Y, XU P P, WU H H, ZHANG M H, SUN Z L, SUN C, WANG D Y, CAO J X, XU W M. Effects of different ultrasound power on physicochemical property and functional performance of chicken actomyosin. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 113: 640-647.

[31] KAZYBAYEVA D S, IRMUKHAMETOVA G S, KHUTORYANSKIY V V. Thiol-ene “click reactions” as a promising approach to polymer materials. Polymer Science, Series B, 2022, 64(1): 1-16.

[32] ALAVI F, CHEN L Y, EMAM-DJOMEH Z. Effect of ultrasound- assisted alkaline treatment on functional property modifications of faba bean protein. Food Chemistry, 2021, 354: 129494.

[33] MA S, WANG C N, GUO M R. Changes in structure and antioxidant activity of-lactoglobulin by ultrasound and enzymatic treatment. Ultrasonics Sonochemistry, 2018, 43: 227-236.

[34] SOLIMAN E A, KHALIL A A, DERAZ S F, EL-FAWAL G, ELRAHMAN S A. Synthesis, characterization and antibacterial activity of biodegradable films prepared from Schiff bases of zein. Journal of Food Science and Technology, 2014, 51(10): 2425-2434.

[35] 孙旸, 孙春玉, 陈光, 张广智. 不同功率超声波处理对大豆分离蛋白膜性能和结构的影响. 吉林农业大学学报, 2010, 32(6): 693-696.

SUN Y, SUN C G, CHEN G, ZHANG G Z.Study oneffects of properties and structure of soy protein isolate films by ultrasonic power. Journal of Jilin Agricultural University, 2010, 32(6): 693-696. (in Chinese)

[36] 梁栋, 张华江, 王旭, 王胜男, 李亮, 魏春丽, 孟灵楠. 超声改性对可食性壳聚糖-大豆分离蛋白复合膜的影响. 食品工业科技, 2014, 35(19): 49-53.

LIANG D, ZHANG H J, WANG X, WANG S N, LI L, WEI C L, MENG L N. Effect of ultrasonic modification on edible chitosan-soy protein isolated membrane. Science and Technology of Food Industry, 2014, 35(19): 49-53. (in Chinese)

[37] FAN X, RONG L S, KONG L S, LI Y X, HUANG J R, CAO Y G, ZHONG W H. Tug-of-war-inspired bio-based air filters with advanced filtration performance. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(7): 8736-8744.

[38] XAVIER L O, SGANZERLA W G, ROSA G B, DA ROSA C G, AGOSTINETTO L, DE LIMA VEECK A P, BRETANHA L C, MICKE G A, DALLA COSTA M, BERTOLDI F C, BARRETO P L M, NUNES M R. Chitosan packaging functionalized withessential oil loaded zein: a proposal for meat conservation. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 169: 183-193.

[39] ZHANG S K, HE Z Y, XU F Z, CHENG Y, WATERHOUSE G I N, SUN-WATERHOUSE D, WU P. Enhancing the performance of konjac glucomannan films through incorporating zein–pectin nanoparticle-stabilized oregano essential oil pickering emulsions. Food Hydrocolloids, 2022, 124: 107222.

Preparation of Ultrasound-Assisted Zein Ethylene Scavenger Film and Its Preservation Property of Bananas

School of Food Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021

【Objective】Ethylene is an important plant hormone that has a key influence on the quality and shelf life of fruit. In this study, zein was modified to transform into a stretched structure and consequently expose its internal active functional groups by the high-field intensity ultrasound treatment (HIU). Numerous functional groups (-SH) exposed in modified zein film could rapidly react with ethylene via a click reaction, resulting in an extended shelf life of the fruit. 【Method】 The 5 g zein was dissolved in acetic acid-DI water (4:1) solution. The zein solutions were sonicated for 0, 5, 15, and 30 min at an ultrasonic power of 400 W and dried in a drying oven at 40℃ for 24 h to obtain the zein-0 film, zein-5 film, zein-15 film, and zein-30 film. The structures of zein before and after HIU treatment were analyzed by circular dichroism spectroscopy, endogenous fluorescence, particle size potentiometer, and scanning electron microscope. The mechanical and ethylene adsorption properties of zein-based films were characterized by the texture analyzer and the VOC detector. Bananas were used as the climacteric fruit samples to investigate the effectiveness of the zein films as ethylene scavengers. The ultrasonic treated zein film and banana samples were placed in the same plastic sealing bag and then stored at room temperature for 10 d. The performance for extending shelf life was evaluating by browning rate, the flesh hardness, and the weight loss rate of bananas.【Result】The HIU treatment (20 kHz, 400 W, 15 min) could effectively stretch the structure of zein. The particle size of the zein and the content of the α-helix were decreased to 1013.3±6.9 nm, and 45.86%, respectively, and the content of the-sheet increased to 12.20%. Compared with the zein-0 film, the ethylene adsorption capacity and oxygen resistance of the zein-15 film were increased by 9.486 mg·m-3·h-1and 0.75×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1, respectively. The results including the browning rate, the flesh hardness, and the weight loss rate of bananas indicated that the zein-15 film could effectively extend the shelf-life of bananas. 【Conclusion】The HIU treatment (20 kHz, 400 W, 15 min) could effectively induce to stretch the zein structure and expose more functional groups, resulting in an improved ethylene adsorption performance of zein. The zein-15 film presented a better ethylene adsorption capacity, oxygen permeability, and mechanical property, leading to an extended shelf life of bananas and its life as the ethylene scavenger.

ultrasonic treatment; structural modification; zein film; ethylene scavenger; shelf life

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.012

2022-06-03；

2022-11-15

国家自然科学基金（32001762，32272380）、陕西省重点研发计划一般项目（2021NY-146）、陕西省教育厅服务地方专项计划（22JC007）

通信作者范鑫，E-mail：fanxin2019@sust.edu.cn

（责任编辑 赵伶俐）