電誘導(dǎo)自組裝玉米醇溶蛋白膜的制備與性質(zhì)

陳桂蕓，陳 野，徐 慧，趙 宇

(食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(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)

玉米醇溶蛋白是玉米胚芽的主要蛋白質(zhì)成分，其相對(duì)分子質(zhì)量為 25,000～45,000[1]，結(jié)構(gòu)為 9個(gè)相同重復(fù)單位經(jīng)反平行排列而形成的長(zhǎng)條形螺旋狀結(jié)構(gòu)[2]，在蛋白分子的每個(gè)轉(zhuǎn)角處都連接有 1個(gè)谷氨酸，并由氫鍵相連接達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．其中螺旋狀的外表面成疏水性，而頂部與底部富含谷氨酰胺表現(xiàn)為親水性[3]，玉米醇溶蛋白的雙親性是其自組裝的主要驅(qū)動(dòng)力[4]．玉米醇溶蛋白具有特殊的溶解性質(zhì)，由于分子含有大量的含硫氨基酸，且非極性側(cè)鏈的含量遠(yuǎn)大于極性側(cè)鏈，如賴(lài)氨酸、脯氨酸、丙氨酸[5]，在純水或無(wú)水乙醇中不溶解，而易溶于60%～90%,乙醇溶液或70%～80%,丙酮溶液．在乙醇溶液中，玉米醇溶蛋白帶電荷，當(dāng)溶液 pH低于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白粒子帶正電荷；pH 高于等電點(diǎn)時(shí)帶負(fù)電荷，并且電位越高，粒徑越小[6]．然而當(dāng)?shù)鞍琢Ｗ屿o電引力大于斥力，體系不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生蛋白凝聚現(xiàn)象[7]．

玉米醇溶蛋白成膜性良好，具有較好的阻濕性和生物降解性[8]，常用于可降解食品包裝材料．但傳統(tǒng)澆鑄法制備的薄膜機(jī)械性質(zhì)差，影響了其進(jìn)一步應(yīng)用. 因此，對(duì)其改性以拓寬應(yīng)用領(lǐng)域成為近年來(lái)的熱點(diǎn).

電誘導(dǎo)技術(shù)是指通過(guò)電信號(hào)指導(dǎo)膜自組裝過(guò)程的一種物理改性方法．該技術(shù)一直廣泛應(yīng)用于合金類(lèi)金屬材料的防護(hù)涂層制作和集成電路的生產(chǎn)等.近年來(lái)，制備納米材料、功能梯度材料[9]及蛋白質(zhì)、聚合物等軟物質(zhì)與電沉積的結(jié)合應(yīng)用在各領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注．在電誘導(dǎo)自組裝膜技術(shù)中，帶電分子可在電場(chǎng)力作用下自發(fā)遷移，依靠范德華力、疏水鍵作用力和氫鍵等微弱作用力對(duì)自組裝過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著溶劑中乙醇的蒸發(fā)，水分含量不斷增加，親水環(huán)境促進(jìn)了兩親性分子中疏水結(jié)合與結(jié)構(gòu)的自組裝[10]，形成穩(wěn)定并且結(jié)構(gòu)有序的聚集體，沉積在電極板上或其他載體上，達(dá)到一定規(guī)則排列的效果，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性質(zhì)良好的薄膜材料．

本文利用具有雙親性的帶電玉米醇溶蛋白分子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中可進(jìn)行自組裝的技術(shù)特點(diǎn)，制備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電誘導(dǎo)沉積膜，觀察微觀結(jié)構(gòu)，探究電誘導(dǎo)法處理前后薄膜理化性質(zhì)的變化，旨在為玉米醇溶蛋白在食品、醫(yī)藥中的應(yīng)用提供制備工藝和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與儀器

玉米醇溶蛋白(94.7%)，江蘇高郵日星藥用輔料有限公司；無(wú)水乙醇(分析純)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；丙三醇(分析純)，天津市化學(xué)試劑一廠．

1.2 方法

1.2.1 電誘導(dǎo)法制備玉米醇溶蛋白膜

將適量玉米醇溶蛋白溶于 75%,～95%,的乙醇溶液，加入20%,甘油，制成0.1,g/mL的玉米醇溶蛋白溶液，攪拌均勻，60,℃水浴 20,min后，將電極置于溶液中連入電路，如圖1所示．選用ITO導(dǎo)電玻璃作為電極，電極間距 25,mm，在 100,V、5,A/m2的場(chǎng)強(qiáng)下通電，正、負(fù)電極表面均有玉米醇溶蛋白膠束層沉積，在負(fù)電極沉層較厚，取出電極板，常溫條件下放置于通風(fēng)櫥中，干燥 1,h，輕輕將薄膜剝離，膜厚為 50～100,μm．同條件下處理溶液，利用流延法將溶液澆鑄于聚乙烯纖維板(150,mm×250,mm)上，常溫條件下放置于通風(fēng)櫥中，干燥 1,h，即得到未經(jīng)電場(chǎng)處理的流延膜．所有的薄膜置于相對(duì)濕度(50±4)%、溫度(23±2)℃干燥器中保存待用．

圖1 電誘導(dǎo)過(guò)程示意圖Fig. 1 Schema of electric induction process

1.2.2 膜機(jī)械性質(zhì)

將平衡后的電誘導(dǎo)膜與流延膜裁成 100,mm×60,mm 的長(zhǎng)條，用螺旋測(cè)微器測(cè)量膜的厚度，每個(gè)長(zhǎng)條隨機(jī)測(cè) 4個(gè)點(diǎn)，取平均值作為膜厚度．拉伸速率為10,mm/min．實(shí)驗(yàn)室溫度保持在 20～23,℃，相對(duì)濕度(50±4)%,，每種試樣測(cè)量4次．

1.2.3 膜表面疏水性測(cè)定

選取膜的靜態(tài)接觸角，以此表征不同電場(chǎng)模式對(duì)膜的表面疏水性的影響．實(shí)驗(yàn)利用JY-82A型視頻接觸角測(cè)定儀，先將薄膜未與電極或聚乙烯纖維板接觸的一面朝上，固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，調(diào)至薄膜表面水平，再將 5,μL去離子水滴豎直滴加在不同體積分?jǐn)?shù)乙醇下制備的誘導(dǎo)膜和流延膜表面，通過(guò)靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x記錄水滴下落過(guò)程，軟件拍照速度為每秒 5張，連續(xù)記錄 10,s，記錄液滴在膜表面的形狀變化，采用量角法測(cè)定接觸角大小，每張膜隨機(jī)測(cè)定 4個(gè)點(diǎn)，取平均值．

1.2.4 膜吸水性測(cè)定

測(cè)量膜的吸水率，以此表征膜的耐水性．將1.2.1節(jié)中的試樣剪裁成 30,mm×30,mm 的樣品，置于60,℃下預(yù)干燥 48,h，記錄質(zhì)量 m1；然后置于盛有純凈水的燒杯中浸漬 24,h后取出，用干燥潔凈紗布擦干膜表面水，稱(chēng)得吸水后的質(zhì)量 m2；再將其放入60,℃的烘箱中 24,h后稱(chēng)質(zhì)量 m3，每種試樣測(cè)量 4次，取平均值，按照式(1)計(jì)算吸水率．

1.2.5 膜水蒸氣透過(guò)率測(cè)定

將試樣裁成有效直徑為 10,mm 的圓片，用螺旋測(cè)微器測(cè)量膜的厚度，每個(gè)圓片隨機(jī)測(cè) 4個(gè)點(diǎn)，以平均值作為膜厚度，并將其密封在含 10,g無(wú)水 CaCl2測(cè)試杯上，置于相對(duì)濕度 90%,、溫度 25,℃的環(huán)境中96,h，每隔 24,h測(cè)試杯子的質(zhì)量，按照式(2)和式(3)計(jì)算膜的水蒸氣透過(guò)率．

式中：水蒸氣透過(guò)系數(shù)，g·m·d·kPa/mm2；水蒸氣透過(guò)率，g/(m2·d)；t 為測(cè)量時(shí)間，h；d 為膜的厚度，mm；Δp內(nèi)外水蒸氣壓差，kPa；A為膜的測(cè)試面積，mm2；Δm 為水蒸氣遷移量，g；純水在 25,℃時(shí)的飽和水蒸氣壓為3.167,1,kPa．

1.2.6 膜熱穩(wěn)定性測(cè)定

稱(chēng)取2～4,mg試樣放于鋁坩堝中密封，另取一個(gè)空密封坩堝作為參考．儀器校準(zhǔn)銦(ΔH＝28.59,J/g，初始熔點(diǎn) 156.60,℃)．室溫加熱至 200,℃，升溫速度10,℃/min．

1.2.7 膜微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

觀察薄膜的表面和橫斷面，將試樣液氮脆斷成大小為 2,mm×2,mm的碎片，用鑷子固定到樣品臺(tái)上，噴金鍍膜處理 5,min，真空度為 0.2,kPa，加速電壓為20,kV，放大倍率為5,000倍．

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SAS Software統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異性分析，每個(gè)試樣測(cè) 4次，數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示．采用 t檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析，不同字母表示組間有顯著性差異(P＜0.05)．

2 結(jié)果與分析

薄膜結(jié)構(gòu)受到溶液中玉米醇溶蛋白粒子的初始濃度、表面電位的分布均勻程度影響[11]．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨沉積時(shí)間的增加，蛋白薄膜厚度持續(xù)增加；但若初始蛋白濃度過(guò)大，導(dǎo)致電誘導(dǎo)玉米醇溶蛋白膜表面形成簇狀沉積，誘導(dǎo)膜表面粗糙；若通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，某一時(shí)刻殘留量過(guò)低，帶電粒子向兩極移動(dòng)過(guò)快，導(dǎo)致溶液中間形成了帶電粒子的“真空帶”，使得沉積過(guò)程無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行；若功率過(guò)大，負(fù)極氧化反應(yīng)嚴(yán)重，影響負(fù)極薄膜性質(zhì)，而正極所沉積的薄膜性質(zhì)幾乎不受還原反應(yīng)的影響．

基于此，實(shí)驗(yàn)選擇制備條件為：電場(chǎng)強(qiáng)度100,V，5,A/m2，通電 10,min，實(shí)驗(yàn)初始溶液的蛋白質(zhì)量濃度為0.1,g/mL．

2.1 機(jī)械性能

圖 2和圖 3分別為乙醇體積分?jǐn)?shù) 75%,、80%,、85%,、90%,、95%,條件下，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率．

圖2 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的抗拉強(qiáng)度Fig. 2 Effect of different ethanol concentrations on the tensile strength of the modified and cast films

圖3 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的斷裂伸長(zhǎng)率Fig. 3 Effect of different ethanol concentrations on the elongation of the modified and cast films

當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù) 90%,時(shí)，電誘導(dǎo)膜的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)(40.6±0.8)MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為(7.3±0.3)%,，電誘導(dǎo)對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)影響顯著(P＜0.05)．這是由于隨著乙醇濃度的增加，玉米醇溶蛋白的膠束結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生倒置，原來(lái)外部的親水基團(tuán)變?yōu)槭杷鶊F(tuán)[12]，蛋白質(zhì)的非共價(jià)鍵破壞程度增加，蛋白分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露，表面形成疏水層．蛋白分子間的疏水作用力逐漸增加，抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率增加．整體上，電誘導(dǎo)膜機(jī)械性能增加，這是由于在電場(chǎng)力作用下，膠束粒徑有效降低，蛋白內(nèi)部交互作用增強(qiáng)，并在極板形成排列規(guī)律，且結(jié)構(gòu)更致密的薄膜．

2.2 表面接觸角測(cè)定

圖 4為 75%,～95%,乙醇體積分?jǐn)?shù)下，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的表面接觸角變化規(guī)律．隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的表面接觸角均呈現(xiàn)先增大后降低的波動(dòng)趨勢(shì)．當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為 90%,時(shí)，電誘導(dǎo)膜的表面接觸角最大，為 69.39°±0.63°；75%,時(shí)電誘導(dǎo)膜的表面接觸角最小，為58.15°±0.96°．較流延膜，電誘導(dǎo)膜整體上表面接觸角變小．這是由于玉米醇溶蛋白為親疏水兩性分子，含有親水性和疏水性氨基酸殘基[13]，經(jīng)電誘導(dǎo)，更多親水性基團(tuán)暴露，在正電極表面聚集時(shí)，親水基團(tuán)朝外排列，使得電誘導(dǎo)改性后薄膜表面疏水性降低．

圖4 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的表面接觸角Fig. 4 Effect of different ethanol concentrations on the contact angle of the modified and cast films

2.3 阻濕性能

圖 5為 75%,～95%,乙醇體積分?jǐn)?shù)下，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的吸水性規(guī)律．

圖5 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的吸水率Fig. 5 Effect of different ethanol concentrations on the water absorption of the modified and cast films

吸水性隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大整體均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，整體上電誘導(dǎo)對(duì)阻濕性影響顯著(P＜0.05)，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù) 90%,時(shí)，吸水性最小．較流延膜，經(jīng)電誘導(dǎo)改性后玉米醇溶蛋白膜吸水性有所減小，說(shuō)明電誘導(dǎo)可以加強(qiáng)蛋白分子間交聯(lián)程度，形成更為致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙水分子吸收與擴(kuò)散．水蒸氣透過(guò)率的變化趨勢(shì)相同(圖6)．

圖6 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的水蒸氣透過(guò)率Fig. 6 Effect of different ethanol concentrations on the water vapour transmission of the modified and cast films

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

流延膜和電誘導(dǎo)膜的表面與斷面的微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示．

圖7 流延膜和電誘導(dǎo)膜的表面與斷面SEM圖Fig. 7 SEM images of the surface and section of the cast and modified films

由圖 7可知：流延膜表面粗糙，有堆疊現(xiàn)象，斷面松散，部分蛋白仍為橢球形顆粒．這是由于流延成膜過(guò)程中，分子受重力作用向下沉淀，溶劑中乙醇相先于水相揮發(fā)，造成溶液極性變大，蛋白空間結(jié)構(gòu)再次發(fā)生變形．相反，經(jīng)電誘導(dǎo)改性的誘導(dǎo)膜表面與斷面更為光滑、致密．這是由于玉米醇溶蛋白在溶液中兩性解離，側(cè)鏈基團(tuán)中顯正電性，—COO-顯負(fù)電，帶電膠束在基板層層規(guī)則的沉積，薄膜內(nèi)作用力均勻，形成的薄膜不會(huì)像傳統(tǒng)流延膜發(fā)生蛋白未溶解完全或蛋白膠束堆積成簇現(xiàn)象．該結(jié)果可良好解釋電誘導(dǎo)膜水蒸氣透過(guò)率與機(jī)械強(qiáng)度的改善現(xiàn)象．

2.5 熱穩(wěn)定性分析

不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的 DSC曲線如圖8所示．圖8中80-A表示80%,乙醇溶液下的流延膜，80-B表示 80%,乙醇溶液下的電誘導(dǎo)膜，90-A表示90%,乙醇溶液下的流延膜，90-B表示90%,乙醇溶液下的電誘導(dǎo)膜．由圖 8可知，90%,乙醇溶液制備的電誘導(dǎo)膜(B)和傳統(tǒng)流延膜(A)變性溫度均高于 80%,乙醇溶液制備的薄膜，90%,乙醇溶液制備的電誘導(dǎo)膜熱變性溫度提高到 122.37,℃，且電誘導(dǎo)膜的變性溫度大于普通流延膜．這說(shuō)明電場(chǎng)力的作用使玉米醇溶蛋白薄膜穩(wěn)定性提高，電場(chǎng)引起不同程度的疏水相互作用，形成緊湊的薄膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了更高的變形溫度，膜穩(wěn)定性增強(qiáng)．

圖8 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的DSC曲線Fig. 8 DSC curves of the modified and cast films

3 結(jié) 論

玉米醇溶蛋白帶電分子在電場(chǎng)中自組裝，所得電誘導(dǎo)沉積膜的理化性質(zhì)較傳統(tǒng)流延膜均有改善，薄膜結(jié)構(gòu)致密、性質(zhì)穩(wěn)定，并有親水性方向轉(zhuǎn)變趨勢(shì)．電誘導(dǎo)膜在食品保鮮、制備生物傳感器、生物相容性醫(yī)學(xué)材料、蛋白與電沉積技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用等方面有潛在應(yīng)用價(jià)值．

參考文獻(xiàn)：

［1］ 任婷婷，李艷娟，李書(shū)國(guó). 玉米醇溶蛋白的提取、功能特性及其應(yīng)用研究[J]. 糧油食品科技，2014，22(3)：6-10.

［2］ Wang Y，Su C P，Schulmerich M，et al. Characterization of core-shell structures formed by zein[J]. Food Hydrocolloids，2013，30(2)：487-494.

［3］ Lai H M，Geil P H，Padua G W. X-ray diraction characterization of the structure of zein-oleic acid fi lms[J].Journal of Applied Polymer Science，1999，71：1267-1281.

［4］ LoWik D W P M，Hest J C M V. Peptide based amphiphiles[J]. Chemical Society Reviews，2004，33(4)：234-245.

［5］ Shukla R，Cheryan M. Zein：The industrial protein from corn[J]. Industrial Crops & Products，2001，13(3)：171-192.

［6］ 吳磊燕. 玉米醇溶蛋白改性、界面特性及成膜性研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［7］ Sakuno M M，Shinya M，Shigeru K，et al. Adsorption and structural change of beta-lactoglobulin at the diacylglycerol-water interface[J]. Langmuir，2008，24(20)：11483-11488.

［8］ 吳國(guó)際，呂長(zhǎng)波，魯傳華，等. 玉米醇溶蛋白的物理化學(xué)改性[J]. 中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2011，15(25)：4665-4668.

［9］ 李莉，魏子棟，李蘭蘭. 電沉積納米材料研究現(xiàn)狀[J].電鍍與精飾，2004，26(3)：9-14.

［10］ Yi W，Padua G W. Formation of zein microphases in ethanol-water[J]. Langmuir，2010，26(15)：12897-12901.

［11］ Guo H X，Hein?m?ki J，Yliruusi J. Stable aqueous film coating dispersion of zein[J]. Journal of Colloid & Interface Science，2008，322(2)：478-484.

［12］ Kim S，Xu J. Aggregate formation of zein and its structural inversion in aqueous ethanol[J]. Journal of Cereal Science，2008，47(1)：1-5.

［13］ Wang Q，Wang J F，Geil P H，et al. Zein adsorption to hydrophilic and hydrophobic surfaces investigated by surface plasmon resonance[J]. Biomacromolecules，2004，5(4)：1356-1361.