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

(食品營養(yǎng)與安全教育部重點實驗室，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，其相對分子質(zhì)量為 25,000～45,000[1]，結(jié)構(gòu)為 9個相同重復(fù)單位經(jīng)反平行排列而形成的長條形螺旋狀結(jié)構(gòu)[2]，在蛋白分子的每個轉(zhuǎn)角處都連接有 1個谷氨酸，并由氫鍵相連接達到穩(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)鏈的含量遠大于極性側(cè)鏈，如賴氨酸、脯氨酸、丙氨酸[5]，在純水或無水乙醇中不溶解，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低于等電點時，蛋白粒子帶正電荷；pH 高于等電點時帶負電荷，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械性質(zhì)差，影響了其進一步應(yīng)用. 因此，對其改性以拓寬應(yīng)用領(lǐng)域成為近年來的熱點.

電誘導(dǎo)技術(shù)是指通過電信號指導(dǎo)膜自組裝過程的一種物理改性方法．該技術(shù)一直廣泛應(yīng)用于合金類金屬材料的防護涂層制作和集成電路的生產(chǎn)等.近年來，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自組裝過程進行調(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電場中可進行自組裝的技術(shù)特點，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的場強下通電，正、負電極表面均有玉米醇溶蛋白膠束層沉積，在負電極沉層較厚，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)電場處理的流延膜．所有的薄膜置于相對濕度(50±4)%、溫度(23±2)℃干燥器中保存待用．

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

1.2.2 膜機械性質(zhì)

將平衡后的電誘導(dǎo)膜與流延膜裁成 100,mm×60,mm 的長條，用螺旋測微器測量膜的厚度，每個長條隨機測 4個點，取平均值作為膜厚度．拉伸速率為10,mm/min．實驗室溫度保持在 20～23,℃，相對濕度(50±4)%,，每種試樣測量4次．

1.2.3 膜表面疏水性測定

選取膜的靜態(tài)接觸角，以此表征不同電場模式對膜的表面疏水性的影響．實驗利用JY-82A型視頻接觸角測定儀，先將薄膜未與電極或聚乙烯纖維板接觸的一面朝上，固定在實驗平臺上，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數(shù)乙醇下制備的誘導(dǎo)膜和流延膜表面，通過靜態(tài)接觸角測量儀記錄水滴下落過程，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，采用量角法測定接觸角大小，每張膜隨機測定 4個點，取平均值．

1.2.4 膜吸水性測定

測量膜的吸水率，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，稱得吸水后的質(zhì)量 m2；再將其放入60,℃的烘箱中 24,h后稱質(zhì)量 m3，每種試樣測量 4次，取平均值，按照式(1)計算吸水率．

1.2.5 膜水蒸氣透過率測定

將試樣裁成有效直徑為 10,mm 的圓片，用螺旋測微器測量膜的厚度，每個圓片隨機測 4個點，以平均值作為膜厚度，并將其密封在含 10,g無水 CaCl2測試杯上，置于相對濕度 90%,、溫度 25,℃的環(huán)境中96,h，每隔 24,h測試杯子的質(zhì)量，按照式(2)和式(3)計算膜的水蒸氣透過率．

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

1.2.6 膜熱穩(wěn)定性測定

稱取2～4,mg試樣放于鋁坩堝中密封，另取一個空密封坩堝作為參考．儀器校準銦(ΔH＝28.59,J/g，初始熔點 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

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)計分析

數(shù)據(jù)采用SAS Software統(tǒng)計分析軟件進行差異性分析，每個試樣測 4次，數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準差”表示．采用 t檢驗法進行顯著性分析，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]．實驗發(fā)現(xiàn)：隨沉積時間的增加，蛋白薄膜厚度持續(xù)增加；但若初始蛋白濃度過大，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；若通電時間過長，某一時刻殘留量過低，帶電粒子向兩極移動過快，導(dǎo)致溶液中間形成了帶電粒子的“真空帶”，使得沉積過程無法繼續(xù)進行；若功率過大，負極氧化反應(yīng)嚴重，影響負極薄膜性質(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，實驗選擇制備條件為：電場強度100,V，5,A/m2，通電 10,min，實驗初始溶液的蛋白質(zhì)量濃度為0.1,g/mL．

2.1 機械性能

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

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

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

當(dāng)乙醇體積分數(shù) 90%,時，電誘導(dǎo)膜的抗拉強度最大，達(40.6±0.8)MPa，斷裂伸長率為(7.3±0.3)%,，電誘導(dǎo)對材料力學(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，原來外部的親水基團變?yōu)槭杷鶊F[12]，蛋白質(zhì)的非共價鍵破壞程度增加，蛋白分子內(nèi)部的疏水基團暴露，表面形成疏水層．蛋白分子間的疏水作用力逐漸增加，抗拉強度與斷裂伸長率增加．整體上，電誘導(dǎo)膜機械性能增加，這是由于在電場力作用下，膠束粒徑有效降低，蛋白內(nèi)部交互作用增強，并在極板形成排列規(guī)律，且結(jié)構(gòu)更致密的薄膜．

2.2 表面接觸角測定

圖 4為 75%,～95%,乙醇體積分數(shù)下，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的表面接觸角變化規(guī)律．隨著乙醇體積分數(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趨勢．當(dāng)乙醇體積分數(shù)為 90%,時，電誘導(dǎo)膜的表面接觸角最大，為 69.39°±0.63°；75%,時電誘導(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?。@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)，更多親水性基團暴露，在正電極表面聚集時，親水基團朝外排列，使得電誘導(dǎo)改性后薄膜表面疏水性降低．

圖4 不同乙醇體積分數(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%,乙醇體積分數(shù)下，電誘導(dǎo)膜和普通流延膜的吸水性規(guī)律．

圖5 不同乙醇體積分數(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數(shù)的增大整體均呈現(xiàn)降低趨勢，整體上電誘導(dǎo)對阻濕性影響顯著(P＜0.05)，當(dāng)乙醇體積分數(shù) 90%,時，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，說明電誘導(dǎo)可以加強蛋白分子間交聯(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散．水蒸氣透過率的變化趨勢相同(圖6)．

圖6 不同乙醇體積分數(shù)下流延膜與電誘導(dǎo)膜的水蒸氣透過率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)鏈基團中顯正電性，—COO-顯負電，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)膜水蒸氣透過率與機械強度的改善現(xiàn)象．

2.5 熱穩(wěn)定性分析

不同乙醇體積分數(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．這說明電場力的作用使玉米醇溶蛋白薄膜穩(wěn)定性提高，電場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．

圖8 不同乙醇體積分數(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．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)用價值．

參考文獻：

［1］ 任婷婷，李艷娟，李書國. 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］ 吳國際，呂長波，魯傳華，等. 玉米醇溶蛋白的物理化學(xué)改性[J]. 中國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.