等離子體輔助玉米醇溶蛋白電誘導沉積成膜的工藝優化

董 爽，李曉宇，郭 鵬，陳 野，李宏軍

等離子體輔助玉米醇溶蛋白電誘導沉積成膜的工藝優化

董 爽1，李曉宇1，郭 鵬1，陳 野2，李宏軍1※

（1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；2. 天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

天然玉米醇溶蛋白（Zein）具有良好成膜特性，但其在成膜過程中蛋白無序排列導致膜結構不穩定，限制了實際應用。該研究基于玉米醇溶蛋白的電荷特性，將玉米醇溶蛋白置于平行勻強電場下，誘導蛋白有序自組裝排列并沉積成膜，且在誘導液中引入低溫等離子體預處理以提高誘導效率。分別探究了玉米醇溶蛋白濃度、溶液pH值以及電流密度對蛋白沉積率的影響，并通過Box-Behnken優化試驗獲得了最佳沉積工藝為Zein濃度139.5 mg/mL，Zein溶液pH 值為8.17，電流密度14.3 A/m2，在優化條件下，玉米醇溶蛋白的沉積率可達1.120 mg/cm2，顯著高于未經等離子體處理的沉積率0.483 mg/cm2，表明等離子體輔助可有效提高電誘導中玉米醇溶蛋白的沉積率。掃描電子顯微鏡圖像顯示采用等離子體輔助電誘導制備的沉積膜表面更平整、光滑。傅里葉紅外光譜分析表明，電誘導可使玉米醇溶蛋白二級結構中-轉角和無規則卷曲結構向-折疊及-螺旋結構轉化。研究結果為電誘導玉米醇溶蛋白成膜技術提供參考，有利于拓展低溫等離子體在蛋白質領域的應用。

膜；電誘導；等離子體；玉米醇溶蛋白；沉積率

0 引 言

玉米醇溶蛋白（Zein）多存在于玉米胚芽中，占玉米中蛋白質的60%～68%[1-2]，目前主要采用濕法從玉米淀粉加工的副產物玉米黃粉中提取[3]。其分子結構中包含有9個相鄰平行或反平行排列的螺旋結構單元，螺旋首尾處以谷氨酰胺相連，構成了大小為130 ?×30 ?×12 ?的棱柱[4-5]。玉米醇溶蛋白分子中包含大量的非極性氨基酸[6-7]，一般不溶于水，可溶于60%～95%的醇水溶液、強堿、丙二醇等有機溶劑混合液[8]。天然玉米醇溶蛋白具有理想的成膜特性[9]，使其在可降解包裝材料、藥物包埋與緩釋、醫學組織支架等領域有著廣闊的應用前景。然而，玉米醇溶蛋白在醇水溶液中以無規則線團形式存在，成膜過程中蛋白無序排列導致蛋白膜結構不穩定[10]，薄膜存在力學性能和耐水性差等問題，限制了玉米醇溶蛋白的實際應用，導致其目前大多作為低價值的飼料蛋白出售[11]，亟需探尋高效的改性方法以提高工業利用率。

電誘導沉積成膜技術是基于帶電粒子所帶電荷的性質和強弱，在電場力作用下發生自發性的遷移，形成穩定、有序的聚集體并沉積在電極板或其他形式的載體上，形成功能性質良好的生物薄膜材料[10,12-13]。目前電誘導沉積技術在生物傳感器[14]、表面抗菌涂層[15-16]、藥物控釋[17]等領域有著廣闊的應用前景。與其他蛋白質類似，玉米醇溶蛋白的末端氨基、末端羧基及側鏈的游離基團可在溶劑中發生兩性解離。當處于一定pH值條件下，玉米醇溶蛋白在溶液中解離后使分子表面帶有電荷，如果此時將其置于平行電場內，帶電荷的蛋白可以實現向正極或負極泳動，且能自組裝排列吸附在相應的電極板上，如果延長反應時間，可以實現層層堆疊最終形成沉積膜[18]。在電誘導過程中，玉米醇溶蛋白遷移的方向取決于蛋白分子所帶的凈電荷數，若調節溶液pH值小于等電點時，則玉米醇溶蛋白帶正電，在電場中向負極方向沉積，相反，若調節溶液pH值為大于等電點時，則玉米醇溶蛋白帶負電荷，在電場中向正極方向沉積。玉米醇溶蛋白在體積分數為80%乙醇溶液中，pH值在2～12范圍內隨著pH值的升高，玉米醇溶蛋白電位由+16.2 mV（pH值為2）降低至-30.1 mV（pH值為12）[10]，證明在pH值升高的過程中，玉米醇溶蛋白粒子由正電荷向負電荷轉變。在pH值為5.97時所帶凈電荷數為0，該pH值為玉米醇溶蛋白的等電點。王君予[10]分別在玉米醇溶蛋白膜制備和干燥過程中引入外加電場，利用電誘導下蛋白成膜液中帶點粒子的遷移運動改變蛋白膜內部結構。研究發現，平行電場的改性效果要優于垂直電場，膜的功能特性均有改善。徐慧等[13,19]分別探究了不同乙醇濃度和電流密度下，電場誘導對玉米醇溶蛋白澆鑄成膜過程的影響。結果顯示在電場和乙醇濃度協同作用下，玉米醇溶蛋白分子有序排列形成均勻網絡狀結構，通過調節乙醇濃度和電流密度可獲得具有一定機械強度，同時具有親/疏水特性的玉米醇溶蛋白膜。綜上可知，通過電誘導制備的玉米醇溶蛋白膜理化性質較傳統流延法成膜更為均勻，膜結構緊密，性能穩定。

然而，在電誘導過程中，天然玉米醇溶蛋白膠束尺寸較大（150～550 nm）[20]，且分布不均、易聚集，降低了電誘導過程中蛋白質分子的運動性以及沉積效果，限制了其在電誘導沉積成膜中的應用。基于前期研究發現[21]，采用低溫等離子體處理3 min后，玉米醇溶蛋白膠束粒徑由（231.25±2.38）nm降低至（177.16±3.07）nm。此外，處理后粒徑尺寸的均勻性有明顯提高，膠束之間的聚集程度有降低。低溫等離子體體系中含有電子、離子、自由基、光子等多種活性粒子，這些粒子絕大多數攜帶較高能量（200～4 000 kJ/mol）[22-23]，往往高于常見有機物化學鍵的鍵能以及蛋白分子間作用力，如疏水作用力（4.2～8.4 kJ/mol）、氫鍵（8.4～20.9 kJ/mol）、二硫鍵（209.5～418.1 kJ/mol）、范德華力（0.4～4.0 kJ/mol）等。因此，通過等離子體中高能粒子撞擊玉米醇溶蛋白膠束，可以破壞蛋白質分子鏈之間的分子間作用力，降低分子的聚集程度，形成尺寸更小的玉米醇溶蛋白膠束。此外，研究發現等離子體處理后，玉米醇溶蛋白溶液的黏度下降，電導率顯著提高（<0.05）[21]。這表明等離子體預處理后的玉米醇溶蛋白溶液具有更理想的粒徑尺寸和電化學特性，可能利于提高在電誘導過程中蛋白自組裝動力及薄膜沉積效率。

雖然實驗室在前期研究中已證明了玉米醇溶蛋白膠束在平行外置電場力作用下可自組裝定向排列并沉積在相應電極板表面[24]，但沉積技術中玉米醇溶蛋白濃度、玉米醇溶蛋白溶液pH值以及電流密度等因素對蛋白沉積效果的影響仍未知曉。此外，采用等離子體預處理有助于提高蛋白電誘導沉積效率的猜想仍未得到驗證。本文采用等離子體輔助電誘導玉米醇溶蛋白沉積成膜，分別探究玉米醇溶蛋白濃度、溶液pH值以及電流密度對蛋白沉積率的影響，通過Box-Behnken優化試驗獲得了優化沉積工藝。在此基礎上對沉積膜進行表面形貌掃描、表面元素組成及蛋白二級結構分析，進一步探究等離子體預處理及電場誘導作用下蛋白微觀結構的變化。本研究擬為電誘導玉米醇溶蛋白成膜技術提供參考，并有利于拓展低溫等離子體在蛋白質大分子領域的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白（純度>95%），日本和光純藥工業株式會社；無水乙醇（分析純），天津市北方天醫化學試劑廠；氧化銦錫（Indium-Tin Oxide，ITO）涂層導電玻璃，珠海Kaivo光電科技有限公司。

1.2 儀器與設備

CTP-2000K型低溫等離子體處理儀，南京蘇曼等離子科技有限公司；DYY-6C型電泳儀，北京六一生物科技有限公司。AL204型分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。PHS-3E型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司。SUI1510型掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社。Inca X-Max能譜分析儀，牛津儀器（上海）有限公司。NICOLET IS50型傅里葉紅外光譜儀，美國尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白誘導液的等離子體預處理方法

稱量一定量的玉米醇溶蛋白粉末，溶解于體積分數80%乙醇中。搖床振蕩30 min，充分溶解后60 ℃水浴加熱10 min。取出待冷卻至室溫（25.0±0.1）℃。參考Dong等[25]報道的等離子體處理參數，處理條件為輸入電壓65 V，輸入電流（1.0±0.2）A，處理時長為3 min。將等離子體預處理后的誘導液密封并置于4 ℃下靜置12 h待用。

1.3.2 平行勻強電場誘導玉米醇溶蛋白自組裝沉積成膜方法

基于蛋白質分子兩性解離的特點，調節溶液pH值在玉米醇溶蛋白等電點（pI=5.97）前后可使蛋白分子帶有正電荷或負電荷，進而在平行勻強電場誘導下實現向負極或正極遷移。電場誘導玉米醇溶蛋白沉積成膜的機理如圖1所示。試驗發現，ITO電極板負極在電場中極易氧化變黑，降低玉米醇溶蛋白沉積膜品質。因此，本試驗通過調節溶液pH值大于5.97，使玉米醇溶蛋白帶負電荷，并收集正極電極板上的沉積膜。

圖1 電誘導玉米醇溶蛋白自組裝成膜機理

調整玉米醇溶蛋白誘導液為不同pH值，以ITO導電玻璃（2.0 cm×3.0 cm，ITO涂層0.15～0.20m）為電極，將兩塊電極板的導電面相對放置，固定間距為3.0 cm，平行插入誘導液中，使電極板垂直于誘導液，聯入電泳儀。在不同電流密度下對玉米醇溶蛋白溶液進行電誘導沉積成膜，誘導時間為1 min。結束后將沉積膜立即取出并干燥至恒定質量，置于50%±2%相對濕度環境中平衡7 d后進行表征和分析。

1.3.3 單因素試驗

固定電誘導玉米醇溶蛋白沉積成膜工藝的基本條件為玉米醇溶蛋白濃度100 mg/mL，玉米醇溶蛋白溶液pH值為8，電流密度為10 A/m2。在基本條件下，分別探究玉米醇溶蛋白濃度（30、50、100、125、150 mg/mL）、玉米醇溶蛋白溶液pH值（6、7、8、9、10）、電流密度（5、7、10、15、20 A/m2）對電極板上玉米醇溶蛋白沉積率的影響，所有試驗重復3次并對結果取平均值。

1.3.4 沉積率（Deposition Rate，DR）測定

沉積率（DR，mg/cm2）為電誘導成膜后，單位面積ITO電極板上玉米醇溶蛋白沉積的質量。精準稱量ITO電極板的質量（1，mg）和玉米醇溶蛋白溶液經電誘導后ITO電極板的質量（2，mg），按公式（1）計算DR：

式中DR為玉米醇溶蛋白在ITO板上的沉積率，mg/cm2；1為未誘導的ITO電極板質量，mg；2為電誘導蛋白沉積后的ITO電極板質量，mg；為 ITO電極板的表面積，cm2。

1.3.5 微觀形貌掃描

對優化工藝條件下的玉米醇溶蛋白膜（即等離子體輔助電誘導玉米醇溶蛋白膜）進行微觀形貌表征，并以同等成膜條件下未經等離子體預處理或未經電誘導的蛋白膜作為對照。將膜樣品進行真空噴金后固定于樣品臺上，采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對沉積膜表面微觀形貌進行觀察并拍照，加速電壓為5.0 kV。

1.3.6 表面化學元素測定

采用與SEM連用的X射線能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）對優化工藝條件下的玉米醇溶蛋白膜表面化學元素進行測定，以同等成膜條件下未經電誘導的蛋白膜為對照，每個樣品隨機選擇5個位置進行掃描，結果取平均值。

1.3.7 紅外二級結構分析

采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜（Attenuated Total Reflection-Fourier Transform Infrared Spectroscopy，ATR-FTIR）對優化工藝條件下的玉米醇溶蛋白膜進行掃描，以同等成膜條件下未經電誘導的蛋白膜為對照。掃描次數為32次，分辨率為4 cm-1，光譜掃描范圍為400～4 000 cm-1。參考Fellows等[26]的方法，應用OMNIC 8.4及Peakfit 4.12軟件對酰胺I區（1 600～1 700 cm-1）光譜進行傅里葉自去卷積（Fourier Self-Deconvolution，FSD）和峰擬合等數據處理，計算樣品中各二級結構組分的相對百分含量。

1.3.8 數據分析

采用SPSS 16.0和Origin 8.0軟件對數據進行統計學分析并作圖，采用Design-Expert 8.0軟件進行Box-Behnken試驗設計。

2 結果與分析

2.1 各因素對玉米醇溶蛋白沉積率的影響

電誘導工藝中各因素對玉米醇溶蛋白沉積率的影響如圖2所示。由圖2a結果可知，在一定濃度范圍（30～125 mg/mL）內，沉積率隨著玉米醇溶蛋白溶液濃度的增加而增加。在蛋白濃度為125 mg/mL 時達到沉積率最大值。玉米醇溶蛋白濃度越高，單位體積溶液中帶電粒子數越多，溶液電導率提高，進而提高了蛋白沉積率。但當蛋白濃度提高到150 mg/mL時，沉積率反而有所降低（<0.05）。這是由于當蛋白質濃度過大時形成的膠束聚集程度較高，在此影響下溶液的黏度較大進而使電誘導中溶液的遷移阻力大，自組裝動力較弱，最終導致沉積率有所降低。

a. 玉米醇溶蛋白濃度對沉積率的影響a. Effects of zein concentration on deposition rateb. 玉米醇溶蛋白溶液pH值對沉積率的影響b. Effects of pH value of zein solution on deposition ratec. 電流密度對沉積率的影響c. Effects of electric current density on deposition rate

注：圖中小寫字母不同表示在＜0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences at<0.05 level.

圖2 電誘導因素對玉米醇溶蛋白沉積率的影響

Fig.2 Effects of different electric induction factors on the deposition rate of zein

溶液pH值通過影響玉米醇溶蛋白的電荷性質及電荷數量進而影響沉積效率。當pH值在6～10范圍內，隨著pH值的增加沉積率呈現先增加后降低的趨勢（圖2b）。當溶液pH值為6時，接近于玉米醇溶蛋白等電點5.97，此時蛋白攜帶電荷數量較少，在勻強電場中受到的誘導作用力較弱，因此沉積率為最小值。隨著溶液pH值的提高，pH值逐漸偏離等電點，此時玉米醇溶蛋白的末端羧基、末端氨基以及側鏈游離基團更多發生解離，蛋白所帶電荷數量增加進而使玉米醇溶蛋白在電場下的遷移效率更高。當溶液pH值為9和10時，蛋白質在強堿性環境下出現了一定程度的變性，導致多肽鏈部分展開[27]，蛋白質分子結構失穩進而導致沉積率的降低（圖2b）。

相比之下，電流密度對沉積率的影響相對較小（>0.05），僅在15 A/m2時沉積率（(1.055±0.030) mg/cm2）顯著高于其他樣品（<0.05）（圖2c）。當進一步提高電流密度至20 A/m2時，沉積率反而下降。電流密度反映的是導電面上負載的電流大小，其影響著玉米醇溶蛋白在電場中受到的驅動力強弱。較低的電流密度下（5～10 A/m2），蛋白自組裝動力較弱，因此玉米醇溶蛋白沉積率相對較低，僅在15 A/m2時達到最大值。但當電流密度達到20 A/m2時，蛋白受到的電場力較強，一定程度上破壞了網狀結構[13]，降低了薄膜的均勻性，從而導致沉積率不升反降。

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面設計與結果

基于單因素試驗結果選擇合適的水平，根據Box-Behnken試驗設計原理，以玉米醇溶蛋白濃度（）、玉米醇溶蛋白溶液pH值（）、電流密度（）三個因素為自變量，以Zein沉積率（）為響應值，對沉積工藝進行響應面優化，試驗設計及結果如表1所示。

表1 響應面試驗設計及響應值

2.2.2 回歸模型建立與方差分析

對試驗數據進行多元回歸模型擬合，得到二次多項式回歸方程

=1.1+0.054+0.068+0.019-0.045-0.037

-0.013-0.042-0.132-0.0192（2）

對上述模型進行方差分析，結果如表2所示。由表2可知，回歸模型極顯著（<0.01）而失擬項不顯著（>0.05，模型決定系數2=0.949 7，變異系數為3.41，表明該回歸方程具有較高的擬合度且誤差較小。一次項、和二次項2對沉積率的影響為極顯著（<0.01），交互項和二次項2對沉積率的影響大小為顯著（<0.05）。此外，各因素對玉米醇溶蛋白沉積率影響排序從大到小為（Zein溶液pH值）、（Zein濃度）、（電流密度）。

表2 回歸方程顯著性檢驗與方差分析結果

2.2.3 各因素交互作用分析與最優條件驗證

圖3為各因素之間的響應面圖，其中，Zein濃度和Zein溶液pH值對沉積率影響顯著，曲面陡峭，呈橢圓形，與方差分析結果一致。通過對試驗模型分析并結合試驗的可操作性，得到玉米醇溶蛋白沉積的優化沉積工藝為Zein濃度139.5 mg/mL，Zein溶液pH值8.17，電流密度14.3 A/m2，在此條件下經過3次重復試驗，玉米醇溶蛋白平均沉積率為1.120 mg/cm2，與預測值相對誤差<5%，表明該模型合理、準確。另外，為證明等離子體的作用效果，試驗進行了優化沉積工藝條件下未經等離子體預處理的沉積膜，測得沉積率為0.483 mg/cm2，證明等離子體預處理可有效提高電誘導下玉米醇溶蛋白的沉積率。

2.3 玉米醇溶蛋白沉積膜的微觀形貌

為進一步分析等離子體預處理以及電場誘導在玉米醇溶蛋白沉積成膜中的作用，通過SEM對玉米醇溶蛋白膜進行微觀形貌掃描。由圖4可知，不同處理方式的3個樣品SEM圖有顯著差異。圖4a為未經等離子體預處理的沉積膜，其表面分布著較多密集的圓形孔洞，且表面附著較多小尺寸顆粒物。這是由于未經過等離子體處理的玉米醇溶蛋白膠束粒徑大小不均，且平均徑較大[20]。在電誘導力作用下表現出不同的遷移速率，影響了沉積膜的均勻性。此外，膠束粒徑的不均勻性影響了成膜液中溶劑揮發速率，導致較多孔洞和顆粒物出現。由圖4b可知，經等離子體預處理但未經電誘導的玉米醇溶蛋白膜表面不平整，存在較多褶皺。未經電誘導的玉米醇溶蛋白膠束排列相對無序，其成膜過程僅為物理性吸附，玉米醇溶蛋白與成膜介質間的結合力較弱，容易剝離。圖4c是基于最優沉積工藝的等離子體預處理電誘導沉積膜，相比之下，該膜的表面形貌較為平整、光滑，有少量顆粒物附著于表面。經過等離子體預處理后，玉米醇溶蛋白膠束大小更均勻，且聚集度降低，在電場誘導下呈現規律性排布，進而提高了蛋白質網絡結構的有序性和沉積膜的均勻性。徐慧等[19]也報道過類似結論，在玉米醇溶蛋白澆筑成膜過程中引入電誘導，SEM觀察發現薄膜粗糙度有明顯降低，斷面無孔隙出現，表明玉米醇溶蛋白在電場作用下可形成有序排列，進而影響了膜的微觀形貌。

圖3 各因素互相作用響應面圖

a. 未經等離子體預處理的玉米醇溶蛋白膜a. Electric induced deposited zein film without plasma pretreatmentb. 未經電誘導的玉米醇溶蛋白膜b. Naturally deposited zein film with plasma pretreatmentc. 等離子體輔助電誘導玉米醇溶蛋白膜c. Electric induced deposited zein film with plasma pretreatment

2.4 玉米醇溶蛋白沉積膜的表面元素

采用EDS分別對未經電誘導的玉米醇溶蛋白膜、電誘導玉米醇溶蛋白沉積膜、ITO導電玻璃的表面元素進行掃描和分析，表面化學元素組成及相對含量結果如表3所示。由表3可知，未經電誘導的玉米醇溶蛋白膜主要由C、N、O、In等元素組成，另外還含有少量Na、S、Si元素。而經過電誘導后，玉米醇溶蛋白沉積膜表面主要存在C、N、O、Na、S 5種元素，In元素和Si元素含量降為0。In元素來自于ITO導電玻璃的銦錫涂層（厚度0.155～0.205m）[28]，Si元素來自于ITO導電玻璃的基材SiO2，該兩種元素分別占總體的23.63%±0.20%和27.92%±0.09%（表3）。未經電誘導的zein膜表面發現的In元素和Si元素很有可能是由于未經電誘導的蛋白膜厚度較薄或是分布不均勻導致在能譜掃描時檢測到了部分ITO玻璃的成分。此外，通過對比表3可知，相比之下電誘導zein沉積膜元素組成的標準偏差普遍小于未誘導玉米醇溶蛋白膜，這表明采用電誘導制備的玉米醇溶蛋白沉積膜其表面元素的均勻性要高于未誘導，這與2.3節中SEM結果一致。

表3 等離子體輔助玉米醇溶蛋白沉積膜的表面元素組成及相對百分含量

2.5 玉米醇溶蛋白沉積膜的二級結構

為了獲得玉米醇溶蛋白沉積膜化學基團及二級結構信息，采用FTIR對玉米醇溶蛋白膜進行表征，FTIR光譜和酰胺I區峰擬合圖如圖5所示，二級結構相對含量的結果如表4所示。根據蛋白質中的重復結構單元的振動，其紅外圖譜可劃分為9個特征吸收區域，分別是酰胺A區、酰胺B區和酰胺I～VII區[29]。由圖5可知，玉米醇溶蛋白在波數3 295 cm-1（酰胺A區）附近存在較寬闊的吸收峰，其對應蛋白中O-H伸縮振動結構。波數范圍1 200～1 480 cm-1為蛋白的指紋圖譜帶[30]，歸屬于C-H、N-H振動以及酰胺結構的異構體。波數范圍1 600～1 700 cm-1為蛋白的酰胺I區，對應C=O伸縮振動。波數范圍1 500～1 600 cm-1為蛋白的酰胺II區，歸屬于C-N伸縮振動和N-H彎曲振動。對比圖5可知，未誘導和電誘導的玉米醇溶蛋白膜FTIR圖譜整體差異不大，未出現新峰以及明顯的峰位偏移，表明電場誘導對玉米醇溶蛋白主體結構無較大影響。

圖5 FTIR紅外光譜及酰胺I區峰擬合圖

表4 二級結構的相對含量

在FTIR光譜中，酰胺I區對蛋白分子結構中的微小振動和氫鍵類型極度敏感，可用來分析二級結構信息及蛋白質空間構象[31]。通過對酰胺I區光譜進行基線校正、傅里葉自去卷積和高斯-洛倫茲函數峰擬合等數據處理，獲得蛋白質各二級結構單元的相對百分含量。由表4結果可知，電誘導玉米醇溶蛋白沉積膜的-折疊含量由未誘導的30.43%提高至40.59%，-螺旋含量由未誘導的11.40%增加至12.40%。而-轉角和無規則卷曲結構含量降低，經過誘導后的蛋白膜中-轉角含量較未誘導下降了10.41個百分點。FTIR結果表明電誘導可導致玉米醇溶蛋白二級結構中-轉角和無規則卷曲結構向-折疊及-螺旋結構轉化，-折疊及-螺旋結構在蛋白質二級結構中屬于相對緊密、穩定、有序的結構[32]，這表明電誘導后蛋白膜空間結構的有序性和穩定性有所提高。此外，氫鍵是維系蛋白質二級結構的主要作用力，電誘導后二級結構的變化意味著玉米醇溶蛋白肽鏈骨架中氫鍵數量的增加，使玉米醇溶蛋白多肽鏈在空間上進一步折疊和螺旋，形成更穩定、有序的二級結構。

3 結 論

本文確定了等離子體輔助玉米醇溶蛋白電誘導自組裝沉積成膜的優化工藝為Zein濃度139.5 mg/mL，Zein溶液pH 值8.17，電流密度14.3 A/m2，在此條件下，玉米醇溶蛋白的沉積率可達1.120 mg/cm2。各因素對玉米醇溶蛋白沉積率影響大小排序為溶液pH值、玉米醇溶蛋白濃度、電流密度。掃描電子顯微鏡表明采用等離子體輔助電誘導制備的沉積膜表面平整、光滑，蛋白膠束在電場作用下有序排列使沉積膜結構具有更高的穩定性和有序性。傅里葉變換紅外光譜分析得出電誘導可使玉米醇溶蛋白二級結構中-轉角和無規則卷曲結構向-折疊及-螺旋結構轉化。通過等離子體輔助制備的玉米醇溶蛋白電誘導沉積膜可作為基底材料適用于生物傳感器、仿生材料、可控釋藥物遞送系統等應用，對于提高玉米醇溶蛋白應用價值具有一定參考意義。后續可通過添加適量增塑劑來實現玉米醇溶蛋白膜與導電面的剝離，進一步提高應用價值。

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Optimization of the preparation of electric induced deposited zein film assisted by plasma pretreatment

Dong Shuang1, Li Xiaoyu1, Guo Peng1, Chen Ye2, Li Hongjun1※

(1.,,255000,; 2.,,300457,)

Zein is one of the most important food compositions as-Generally Recognized As Safe (GRAS). Wet milling was often used to extract the zein from the processing byproducts of corn starch. The current zein is widely applied as the low-value feed protein, due mainly to the low water solubility and the less essential amino acids. A high proportion of hydrophobic amino acids and abundant disulfide bonds can be expected to greatly contribute to the better film-forming property of zein. However, the practical application of zein can be confined to the disordered arrangement in the form of random strands in the aqueous ethanol solution, leading to the unstable structure of zein film. Fortunately, the uniform electric induction assisted with the cold plasma pretreatment can be applied to induce the zein micelles to be self-assembly deposited on the Indium Tin Oxide (ITO) glass substrate using the amphoteric dissociation. Smaller particle size and better electrochemical characteristics can be achieved for the zein film after the cold plasma pretreatment. The deposition efficiency of zein can also be improved during the electric induction process. In this study, an optimal preparation was proposed for the electric-induced deposited zein film that was assisted by plasma pretreatment. Specifically, the plasma pretreatment conditions were set to obtain the proper particle size of zein micelles, with the generation voltage of 65 V, the input current of (1.0±0.2) A, and the treatment duration of 3 min. The influence of electric induction parameters was studied under the treatment condition of the zein concentration (30, 50, 100, 125, and 15.0 mg/mL), pH values (6, 7, 8, 9, and 10), and electriccurrentdensity (5, 7, 10, 15, and 20 A/m2). A Box-Behnken experiment was also carried out to optimize the largest deposition rate on the ITO glass substrate. The single factor experiment showed that the deposition rate of zein film increased with the increasing concentration and pH of zein solution. The optimal conditions were achieved as follows: the zein concentration of 139.5 mg/mL, the zein solution pH of 8.17, and the electriccurrentdensity of 14.3 A/m2. The deposition rate of zein reached 1.120 mg/cm2under the optimal conditions, which was significantly higher than the sample without the plasma pretreatment (0.483 mg/cm2). It infers that the plasma treatment effectively enhanced the deposition rate of zein during electric induction. Scanning Electron Microscope (SEM) images indicated that smoother and much more uniform surface morphology was achieved in the electric-induced deposited zein film that was assisted by plasma pretreatment, compared with the untreated. Energy Dispersive Spectrum (EDS) analysis showed the In or Si element was not found in the electric-induced deposited zein film with the plasma pretreatment. More importantly, there was a similar profile of Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) spectra between the induced and untreated films, indicating no remarkable influence of the electric-induced deposition on the main structure of zein. The secondary structure of the protein was also drawn from the peak analysis of the amide I region (1 600-1 700 cm-1). It was found that the-turn and random coil were transformed into the much more ordered-folding and-helix structure. In conclusion, the finding can lay the theoretical foundations to fabricate the zein film using electric induction. The high-value utilization of zein can be expected in the development of cold plasma in the protein modification field. The microstructure of electric-induced deposited zein film can also be further modified for specific use in the subsequent investigation.

films; electric induction; plasma; zein; deposition rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035

TQ321.4

A

1002-6819(2022)-16-0322-08

董爽，李曉宇，郭鵬，等. 等離子體輔助玉米醇溶蛋白電誘導沉積成膜的工藝優化[J]. 農業工程學報，2022，38(16)：322-329.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035 http://www.tcsae.org

Dong Shuang, Li Xiaoyu, Guo Peng, et al. Optimization of the preparation of electric induced deposited zein film assisted by plasma pretreatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 322-329. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035 http://www.tcsae.org

2021-11-26

2022-07-27

國家自然科學基金資助項目（31901607）

董爽，博士，副教授，研究方向為植物蛋白質高值化利用。Email：dongshuangsdut@126.com

李宏軍，博士，教授，研究方向為農產品加工與利用。Email：lhj6812@163.com