静电纺丝玉米醇溶蛋白-肉桂醛水果保鲜膜的制备及应用

范鑫，杨婷，王艺瑜，黄峻榕

（陕西科技大学 食品科学与工程学院，陕西 西安 710021）

水果的损耗会造成巨大的经济损失[1]，据统计，我国果蔬的腐烂率高达20%~30%[2]。造成水果损耗的主要原因包括机械损伤[3]、植物激素[4]、微生物污染[5]等。乙烯是促进水果后熟的重要植物激素，可由呼吸跃变型水果自发产生。乙烯吸附机理包括：（1）利用高比表面能的物理吸附，如纳米纤维[6]或多孔材料等[7-8]；（2）利用活性官能团的化学吸附，如高锰酸钾、O3、ClO2、H2O2等强氧化剂的氧化催化反应清除[9]，TiO2、金属钯、铂等材料的光催化反应清除[10-11]。但现有的乙烯吸附方法存在吸附容量小、易解吸、对环境有害等问题。因此，亟待开发一种高效绿色的乙烯吸附材料。

静电纺丝技术是一种方法简单、工艺可控的纳米纤维制备方法，其制备机理为电纺液滴在高静压的作用下被瞬时拉伸，并伴随溶剂挥发，最终形成纳米纤维。目前，已广泛应用于生物医药[12]、能源[13]和传感器[14]等领域。玉米醇溶蛋白（zein）是生产玉米淀粉的副产物，因缺少赖氨酸、色氨酸等必需氨基酸而导致其营养价值和食用价值低。玉米醇溶蛋白含有大量的活性官能团，可作为吸附乙烯的潜在材料，并且其具有良好的成膜性和疏水性。然而，zein 膜因其自身特性易受到微生物侵染，导致其功能性下降，使用寿命缩短。肉桂醛来源于中药桂枝和肉桂，是一种苯丙烯类含醛有机化合物，为无色或淡黄色黏稠状液体，已被研究证明具有抗菌作用，且抑菌作用稳定性良好[15]。

基于上述研究背景，本研究选用玉米醇溶蛋白和肉桂醛作为静电纺丝电纺液，制备兼具良好乙烯吸附性和抑菌性的玉米醇溶蛋白-肉桂醛（zein-cinnamaldehyde，Z-CA）水果保鲜膜。通过荧光光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、水接触角测定仪、高分辨率扫描电子显微镜和气体检测仪等表征Z-CA 膜的性能，考察Z-CA膜在水果保鲜应用中的应用价值，以期为开发水果抑菌保鲜膜提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

香蕉：产地为云南省红河州；玉米醇溶蛋白、肉桂醛（95%）：上海源叶生物科技有限公司；无水乙醇：天津市富宇精细化工有限公司；尿素：天津市永大化学试剂有限公司；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate ，SDS）：科昊生物工程有限责任公司；5，5'-二硫代双（2-硝基苯甲酸）[5.5'-dithiobis（2- nitrobenzoic acid），DTNB]：上海麦克林生化科技有限公司；所用化学试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

TL-Pro 高压静电纺丝机：中国通力维纳公司；Fluoro Max-4 荧光分光光度计：日本Horiba 公司；TA.Plus 物性分析仪：英国SMS 公司；Verios 460 高分辨率扫描电子显微镜：美国FEI 公司；TGA Q500 热重分析仪：美国TA 公司；VERTE70 傅里叶变换红外光谱仪：德国PE 公司；NDJ- 8S 黏度计：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DSA 100 视频接触角测量仪：德国KRUSS公司；VOC 气体检测仪：美国华瑞集团。

1.3 试验方法

1.3.1 Z-CA 膜的制备

将5 g zein 溶于20 mL 80% 乙醇中，搅拌至玉米醇溶蛋白完全溶解，再向溶液中添加不同含量的肉桂醛，使肉桂醛的浓度分别为0、450、500、550、600 mg/mL，将其作为电纺液利用静电纺丝机制备纳米纤维膜，电纺参数为针头20 号、流速2 mL/h、电压16 kV、纺丝时间30 min、接收距离10 cm。上述所得纤维膜命名为Z-0CA膜、Z-450CA 膜、Z-500CA 膜、Z-550CA 膜、Z-600CA 膜，其中各电纺膜的平均厚度为0.12 mm。

1.3.2 Z-CA 溶液性质的表征

1.3.2.1 内源性荧光测定

参考任晓锋[16]的内源性荧光测定方法，用80% 乙醇溶液稀释Z-CA 溶液至0.4 mg/mL，使用荧光分光光度计扫描样品，设置激发波长为370 nm，发射波长为450 nm，激发狭缝宽3.0 nm，发射狭缝宽3.0 nm。

1.3.2.2 黏度测定

使用旋转黏度测量法测定样品黏度，该方法利用黏度计的转子与流体之间产生的剪切和阻力之间的关系而得出黏度值。选用2 号转子（直径=18.7 mm）进行黏度测定，探头转速设置为30 r/min。

1.3.2.3 总巯基含量测定

参考朱文慧等[17]总巯基含量测定方法，使用DTNB比色法测定玉米醇溶蛋白中总巯基的含量，将不同肉桂醛浓度的Z-CA 溶液用80% 乙醇溶液稀释至0.2 mg/mL，取0.5 mL 稀释样品与2 mL 尿素-SDS 溶液混匀后，加入50 μL 100 nmol/L DTNB 溶液，混匀室温避光反应15 min，测量412 nm 处混合溶液的吸光度，并按照以下公式计算Z-CA 溶液的总巯基含量。

式中：X为总巯基含量，nmol/mg；A为412 nm 处测量混合溶液的吸光度；ξ 为巯基摩尔消光系数，13 600 L/（mol·cm）；D为稀释倍数；C为蛋白质溶液质量浓度，mg/mL。

1.3.3 Z-CA 膜性能表征

1.3.3.1 傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）测定

将样品与干燥的溴化钾按质量比为1∶100 混合并进行研磨、过筛和压片，扫描范围为4 000~400 cm-1，分辨率为4 cm-1。

1.3.3.2 热重测定

利用热重分析仪测定Z-CA 膜的热稳定性和热分解性，温度范围为20~600 ℃，升温速率为10 ℃/min，气氛补偿为氮气（N2），升温方式为程序升温。

1.3.3.3 扫描电子显微镜测定

使用高分辨率扫描电子显微镜观察电纺Z-CA 膜的微观形貌。样品在真空下进行镀金30 s，使其具有导电性后放入扫描电镜下进行观察，电压2 kV，放大至10 000 倍观察Z-CA 膜的形貌。纳米纤维膜直径的大小利用Nano Measurer 软件分析。

1.3.3.4 乙烯吸附性能测定

参考Fan 等[18]的方法，将Z-CA 膜剪制成5 cm×5 cm的正方形并将其放入采气袋中，充入0.255~0.271 mg/L乙烯气体，进行乙烯吸附性能试验。5 h 后，用挥发性有机化合物检测器测定袋内乙烯残留浓度，检测精度为0.008~1.620 mg/L 异丁烯标定点的+3%。

1.3.3.5 疏水性测定

Z-CA 膜的疏水性通过接触角的大小来评估。测定方法为座滴法，液滴平衡时间为3 s，测试温度为25 ℃。

1.3.3.6 抑菌性能测定

参考萨仁高娃[19]抑菌圈测定方法并进行改进，研究含有不同肉桂醛浓度Z-CA 膜对革兰氏阴性大肠杆菌（Escherichia.coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus.aureus）的抑菌性。用滤纸片辅助将所制备不同肉桂醛浓度Z-CA 膜剪制为半径10 mm 圆片，并在紫外灯下照射数小时后备用。用移液枪取50 μL 菌液均匀涂布在TSA 平板上（菌液浓度约为108CFU/mL），再将所剪制的滤纸片置于平板上，于37 ℃培养24 h 后，测量抑菌圈直径的大小。

1.3.4 Z-CA 膜的香蕉保鲜试验

将同一批香蕉样品与不同肉桂醛浓度的Z-CA 膜放置于相同封闭环境（25 ℃、相对湿度50%）中贮藏，使用电纺接收基底纸巾作为对照试验，记录香蕉表面变化情况，当任意一组香蕉表皮完全褐变时作为终点。借助物性分析仪测定香蕉果皮和果肉硬度，测试探头的前、中、后速度均为1 mm/s。

1.4 统计分析

试验数据采用IBM SPSS Statistics 软件进行方差分析，Duncan 多重比较检验法进行显著性分析（P值设置为0.05），每个测定至少重复测试3 次，试验所有数据以平均值±标准差表示，使用Origin 2021 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 zein 和肉桂醛之间的相互作用

Z-CA 膜的荧光光谱图如图1 所示。

图1 Z-CA 膜的荧光光谱Fig.1 Fluorescence spectra of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

由图1 可知，未添加肉桂醛的zein 荧光强度最低，添加肉桂醛之后荧光强度增高，但是随着肉桂醛浓度的增大，样品溶液荧光强度逐渐降低，波长出现红移，说明高浓度肉桂醛对zein 有荧光猝灭作用。上述现象是由于肉桂醛与zein 存在相互作用，导致蛋白分子伸展，暴露出不同的生色基团部分，荧光强度升高；随着肉桂醛浓度增大，这种相互作用逐渐增强，导致荧光强度逐渐降低。这种现象可能是由于氢键作用、疏水相互作用或共价作用导致的[20]。

本研究借助红外光谱进一步明确肉桂醛和zein之间的相互作用类型，不同Z-CA 膜的傅里叶变换红外光谱如图2 所示。

图2 Z-CA 膜的傅里叶变换红外光谱Fig.2 FT-IR spectra of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

由图2 可知，Z-CA 膜与纯zein 膜的特征峰相似，没有出现新的峰。此外，添加肉桂醛后Z-CA 膜的酰胺I 带、酰胺II 带（1 450 cm-1）特征峰发生蓝移，这可能是氢键与分子构象变化的共同作用。结合上述荧光结果分析，zein 与肉桂醛之间以氢键相互作用结合。

利用热重分析法（thermogravimetry analysis，TGA）分析测定不同Z-CA 膜的热稳定性和热分解性，如图3所示。

图3 Z-CA 膜的热重曲线Fig.3 Thermogravimetry（TG）curves of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

从图3 能够看出，Z-CA 膜的失重过程分为两个阶段：第一个阶段的失重温度在70~110 ℃，主要为Z-CA膜复合膜中残留的乙醇和结合水的蒸发，产生质量损失；第二阶段的失重温度在125~320 ℃。随着CA 浓度的增加，热分解温度越低，热稳定性越差，这是由于肉桂醛属于热不稳定性物质，加入肉桂醛量越多，热稳定性越差。

2.2 Z-CA 膜的性能表征

蛋白基纳米材料的微观形貌对其乙烯吸附性能具有重要作用[21]。Z-CA 膜的扫描电镜图和Z-CA 溶液黏度见图4。

图4 Z-CA 膜的扫描电镜图和黏度Fig.4 Scanning electron microscope（SEM）images of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）and viscosity of Z-CA solution

如图4a 所示，未添加肉桂醛的Z-0CA 膜中呈现大量的串珠状；添加肉桂醛的Z-CA 膜呈现规则均匀的纤维形貌（图4b~图4e）；随着肉桂醛浓度的增加，Z-CA膜纤维直径逐渐增加。这是由于玉米醇溶蛋白与肉桂醛之间存在氢键交联，增加了溶液的黏度，从而使纤维形貌更加均匀且纤维直径逐渐增大。随着肉桂醛浓度的增加，Z-CA 溶液黏度逐渐增大，其中Z-0CA 溶液黏度最低，为（244.50±3.21）mPa·s；Z-600CA 溶液黏度最高，为（300.67±4.27）mPa·s。

玉米醇溶蛋白中的巯基会与乙烯快速发生不可逆反应，即“点击反应”，从而提高蛋白膜的乙烯吸附性能[21]。Z-CA 溶液的总巯基含量如图5 所示。

图5 Z-CA 溶液的总巯基含量Fig.5 Total sulfhydryl content of zein-cinnamaldehyde solution

如图5 所示，随着肉桂醛浓度的增加，溶液中总巯基含量逐渐增加，这是由于肉桂醛与玉米醇溶蛋白存在氢键相互作用，促使蛋白结构舒展，暴露出更多的活性官能团。其中，Z-600CA 溶液总巯基含量最高，为（25.4±0.22）nmol/mg。

Z-CA 膜的乙烯吸附性能如图6 所示。

图6 Z-CA 膜的乙烯吸附效率Fig.6 Ethylene adsorption of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

如图6 所示，添加肉桂醛之后Z-CA 膜的乙烯吸附效率大于未添加肉桂醛Z-0CA 膜。这是由于肉桂醛使zein 结构舒展，暴露更多活性官能团，提升其乙烯吸附性能。同时，添加肉桂醛后，Z-CA 膜的乙烯吸附效率呈现先增加后降低的趋势，其中，Z-550CA 膜乙烯吸附效率最高，为[（7.73±1.57）mg/（m3·h）]。这是由于肉桂醛除了使zein 结构舒展，也会导致溶液黏度增加。例如，当肉桂醛浓度为600 mg/mL 时，电纺液黏度增加，导致纳米纤维直径增加，膜材料的比表面能下降，降低了Z-CA 膜的物理乙烯吸附作用。

水果保鲜膜具有一定的疏水性和抑菌性是保证其高效发挥作用的前提。Z-CA 膜的疏水性如图7 所示。

图7 Z-CA 膜的水接触角Fig.7 Water contact angle of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

如图7 所示，随着肉桂醛浓度的增加，Z-CA 膜的水接触角越大，疏水性越好。其中，Z-0CA 膜的水接触角为（121.63±8.22）°，Z-600CA 膜的水接触角为（134.45±0.85）°。这可能是由于肉桂醛和玉米醇溶蛋白都为疏水性物质，两者相互混合产生协同作用，增加纤维膜的疏水性。

Z-CA 膜的抑菌性能如图8 所示。

图8 Z-CA 膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径Fig. 8 Inhibition zone diameter of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）against Staphylococcus aureus and Escherichia coli

如图8 所示，肉桂醛对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有良好的抑制作用[22]，随着CA 浓度的增加，ZCA 膜的抑菌圈直径逐渐增大，其中Z-600CA 膜的抑菌性能最佳，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为（6.85±0.48）cm 和（5.02±0.63）cm，这是由于肉桂醛对细菌具有良好的抑菌性，且浓度越大，抑菌性能越好[23]。

2.3 Z-CA 膜的香蕉保鲜试验

香蕉与不同Z-CA 膜在室温贮藏10 d 过程中的变化情况如图9 所示。

图9 贮藏10 d 前后的外观照片、香蕉果皮硬度和果肉硬度Fig.9 Appearance photos，skin hardness，and flesh hardness of bananas before and after 10 days of storage

由图9a 可知，对照组香蕉样品在10 d 后外观呈现出严重的褐变和腐烂现象，而放置Z-CA 膜（尤其是放置Z-550CA 膜）的香蕉样品较好地保持了香蕉样品原本外观形貌，香蕉表皮褐变面积较少。如图9b~图9c 所示，放置Z-550CA 膜的香蕉在第10 天具有最高的果皮硬度（323.09±4.89）g 和果肉硬度（214.09±5.93）g。这是由于Z-550CA 膜具有最高的乙烯吸附效率以及良好的抑菌性能。上述现象表明，Z-550CA 膜能有效降低香蕉表皮的褐变，以及延缓香蕉果皮和果肉硬度的下降，具有良好的保鲜作用。

3 结论

本文采用静电纺丝技术制备了玉米醇溶蛋白-肉桂醛水果保鲜膜，通过评价不同肉桂醛浓度的Z-CA膜的微观形貌、乙烯吸附性能、疏水性和抑菌性，确定了肉桂醛最佳添加量为550 mg/mL。Z-550CA 膜具有良好的纤维形貌、乙烯吸附效率、疏水性、对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别为（5.68±0.39）cm 和（4.73±0.05）cm。此外，Z-550CA 膜能有效降低香蕉表皮的褐变，延缓香蕉果皮和果肉硬度的下降，有效延长香蕉的货架期和贮藏品质。研究结果为Z-CA 膜的进一步保鲜应用提供了参考。