靜電紡絲玉米醇溶蛋白-肉桂醛水果保鮮膜的制備及應(yīng)用

范鑫，楊婷，王藝瑜，黃峻榕

（陜西科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

水果的損耗會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]，據(jù)統(tǒng)計，我國果蔬的腐爛率高達(dá)20%~30%[2]。造成水果損耗的主要原因包括機械損傷[3]、植物激素[4]、微生物污染[5]等。乙烯是促進(jìn)水果后熟的重要植物激素，可由呼吸躍變型水果自發(fā)產(chǎn)生。乙烯吸附機理包括：（1）利用高比表面能的物理吸附，如納米纖維[6]或多孔材料等[7-8]；（2）利用活性官能團(tuán)的化學(xué)吸附，如高錳酸鉀、O3、ClO2、H2O2等強氧化劑的氧化催化反應(yīng)清除[9]，TiO2、金屬鈀、鉑等材料的光催化反應(yīng)清除[10-11]。但現(xiàn)有的乙烯吸附方法存在吸附容量小、易解吸、對環(huán)境有害等問題。因此，亟待開發(fā)一種高效綠色的乙烯吸附材料。

靜電紡絲技術(shù)是一種方法簡單、工藝可控的納米纖維制備方法，其制備機理為電紡液滴在高靜壓的作用下被瞬時拉伸，并伴隨溶劑揮發(fā)，最終形成納米纖維。目前，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥[12]、能源[13]和傳感器[14]等領(lǐng)域。玉米醇溶蛋白（zein）是生產(chǎn)玉米淀粉的副產(chǎn)物，因缺少賴氨酸、色氨酸等必需氨基酸而導(dǎo)致其營養(yǎng)價值和食用價值低。玉米醇溶蛋白含有大量的活性官能團(tuán)，可作為吸附乙烯的潛在材料，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，導(dǎo)致其功能性下降，使用壽命縮短。肉桂醛來源于中藥桂枝和肉桂，是一種苯丙烯類含醛有機化合物，為無色或淡黃色黏稠狀液體，已被研究證明具有抗菌作用，且抑菌作用穩(wěn)定性良好[15]。

基于上述研究背景，本研究選用玉米醇溶蛋白和肉桂醛作為靜電紡絲電紡液，制備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）水果保鮮膜。通過熒光光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、水接觸角測定儀、高分辨率掃描電子顯微鏡和氣體檢測儀等表征Z-CA 膜的性能，考察Z-CA膜在水果保鮮應(yīng)用中的應(yīng)用價值，以期為開發(fā)水果抑菌保鮮膜提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

香蕉：產(chǎn)地為云南省紅河州；玉米醇溶蛋白、肉桂醛（95%）：上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；尿素：天津市永大化學(xué)試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate ，SDS）：科昊生物工程有限責(zé)任公司；5，5'-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）[5.5'-dithiobis（2- nitrobenzoic acid），DTNB]：上海麥克林生化科技有限公司；所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TL-Pro 高壓靜電紡絲機：中國通力維納公司；Fluoro Max-4 熒光分光光度計：日本Horiba 公司；TA.Plus 物性分析儀：英國SMS 公司；Verios 460 高分辨率掃描電子顯微鏡：美國FEI 公司；TGA Q500 熱重分析儀：美國TA 公司；VERTE70 傅里葉變換紅外光譜儀：德國PE 公司；NDJ- 8S 黏度計：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；DSA 100 視頻接觸角測量儀：德國KRUSS公司；VOC 氣體檢測儀：美國華瑞集團(tuán)。

1.3 試驗方法

1.3.1 Z-CA 膜的制備

將5 g zein 溶于20 mL 80% 乙醇中，攪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，使肉桂醛的濃度分別為0、450、500、550、600 mg/mL，將其作為電紡液利用靜電紡絲機制備納米纖維膜，電紡參數(shù)為針頭20 號、流速2 mL/h、電壓16 kV、紡絲時間30 min、接收距離10 cm。上述所得纖維膜命名為Z-0CA膜、Z-450CA 膜、Z-500CA 膜、Z-550CA 膜、Z-600CA 膜，其中各電紡膜的平均厚度為0.12 mm。

1.3.2 Z-CA 溶液性質(zhì)的表征

1.3.2.1 內(nèi)源性熒光測定

參考任曉鋒[16]的內(nèi)源性熒光測定方法，用80% 乙醇溶液稀釋Z-CA 溶液至0.4 mg/mL，使用熒光分光光度計掃描樣品，設(shè)置激發(fā)波長為370 nm，發(fā)射波長為450 nm，激發(fā)狹縫寬3.0 nm，發(fā)射狹縫寬3.0 nm。

1.3.2.2 黏度測定

使用旋轉(zhuǎn)黏度測量法測定樣品黏度，該方法利用黏度計的轉(zhuǎn)子與流體之間產(chǎn)生的剪切和阻力之間的關(guān)系而得出黏度值。選用2 號轉(zhuǎn)子（直徑=18.7 mm）進(jìn)行黏度測定，探頭轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min。

1.3.2.3 總巰基含量測定

參考朱文慧等[17]總巰基含量測定方法，使用DTNB比色法測定玉米醇溶蛋白中總巰基的含量，將不同肉桂醛濃度的Z-CA 溶液用80% 乙醇溶液稀釋至0.2 mg/mL，取0.5 mL 稀釋樣品與2 mL 尿素-SDS 溶液混勻后，加入50 μL 100 nmol/L DTNB 溶液，混勻室溫避光反應(yīng)15 min，測量412 nm 處混合溶液的吸光度，并按照以下公式計算Z-CA 溶液的總巰基含量。

式中：X為總巰基含量，nmol/mg；A為412 nm 處測量混合溶液的吸光度；ξ 為巰基摩爾消光系數(shù)，13 600 L/（mol·cm）；D為稀釋倍數(shù)；C為蛋白質(zhì)溶液質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.3.3 Z-CA 膜性能表征

1.3.3.1 傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）測定

將樣品與干燥的溴化鉀按質(zhì)量比為1∶100 混合并進(jìn)行研磨、過篩和壓片，掃描范圍為4 000~400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.3.2 熱重測定

利用熱重分析儀測定Z-CA 膜的熱穩(wěn)定性和熱分解性，溫度范圍為20~600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氣氛補償為氮氣（N2），升溫方式為程序升溫。

1.3.3.3 掃描電子顯微鏡測定

使用高分辨率掃描電子顯微鏡觀察電紡Z-CA 膜的微觀形貌。樣品在真空下進(jìn)行鍍金30 s，使其具有導(dǎo)電性后放入掃描電鏡下進(jìn)行觀察，電壓2 kV，放大至10 000 倍觀察Z-CA 膜的形貌。納米纖維膜直徑的大小利用Nano Measurer 軟件分析。

1.3.3.4 乙烯吸附性能測定

參考Fan 等[18]的方法，將Z-CA 膜剪制成5 cm×5 cm的正方形并將其放入采氣袋中，充入0.255~0.271 mg/L乙烯氣體，進(jìn)行乙烯吸附性能試驗。5 h 后，用揮發(fā)性有機化合物檢測器測定袋內(nèi)乙烯殘留濃度，檢測精度為0.008~1.620 mg/L 異丁烯標(biāo)定點的+3%。

1.3.3.5 疏水性測定

Z-CA 膜的疏水性通過接觸角的大小來評估。測定方法為座滴法，液滴平衡時間為3 s，測試溫度為25 ℃。

1.3.3.6 抑菌性能測定

參考薩仁高娃[19]抑菌圈測定方法并進(jìn)行改進(jìn)，研究含有不同肉桂醛濃度Z-CA 膜對革蘭氏陰性大腸桿菌（Escherichia.coli）和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌（Staphylococcus.aureus）的抑菌性。用濾紙片輔助將所制備不同肉桂醛濃度Z-CA 膜剪制為半徑10 mm 圓片，并在紫外燈下照射數(shù)小時后備用。用移液槍取50 μL 菌液均勻涂布在TSA 平板上（菌液濃度約為108CFU/mL），再將所剪制的濾紙片置于平板上，于37 ℃培養(yǎng)24 h 后，測量抑菌圈直徑的大小。

1.3.4 Z-CA 膜的香蕉保鮮試驗

將同一批香蕉樣品與不同肉桂醛濃度的Z-CA 膜放置于相同封閉環(huán)境（25 ℃、相對濕度50%）中貯藏，使用電紡接收基底紙巾作為對照試驗，記錄香蕉表面變化情況，當(dāng)任意一組香蕉表皮完全褐變時作為終點。借助物性分析儀測定香蕉果皮和果肉硬度，測試探頭的前、中、后速度均為1 mm/s。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 軟件進(jìn)行方差分析，Duncan 多重比較檢驗法進(jìn)行顯著性分析（P值設(shè)置為0.05），每個測定至少重復(fù)測試3 次，試驗所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用Origin 2021 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 zein 和肉桂醛之間的相互作用

Z-CA 膜的熒光光譜圖如圖1 所示。

圖1 Z-CA 膜的熒光光譜Fig.1 Fluorescence spectra of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

由圖1 可知，未添加肉桂醛的zein 熒光強度最低，添加肉桂醛之后熒光強度增高，但是隨著肉桂醛濃度的增大，樣品溶液熒光強度逐漸降低，波長出現(xiàn)紅移，說明高濃度肉桂醛對zein 有熒光猝滅作用。上述現(xiàn)象是由于肉桂醛與zein 存在相互作用，導(dǎo)致蛋白分子伸展，暴露出不同的生色基團(tuán)部分，熒光強度升高；隨著肉桂醛濃度增大，這種相互作用逐漸增強，導(dǎo)致熒光強度逐漸降低。這種現(xiàn)象可能是由于氫鍵作用、疏水相互作用或共價作用導(dǎo)致的[20]。

本研究借助紅外光譜進(jìn)一步明確肉桂醛和zein之間的相互作用類型，不同Z-CA 膜的傅里葉變換紅外光譜如圖2 所示。

圖2 Z-CA 膜的傅里葉變換紅外光譜Fig.2 FT-IR spectra of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

由圖2 可知，Z-CA 膜與純zein 膜的特征峰相似，沒有出現(xiàn)新的峰。此外，添加肉桂醛后Z-CA 膜的酰胺I 帶、酰胺II 帶（1 450 cm-1）特征峰發(fā)生藍(lán)移，這可能是氫鍵與分子構(gòu)象變化的共同作用。結(jié)合上述熒光結(jié)果分析，zein 與肉桂醛之間以氫鍵相互作用結(jié)合。

利用熱重分析法（thermogravimetry analysis，TGA）分析測定不同Z-CA 膜的熱穩(wěn)定性和熱分解性，如圖3所示。

圖3 Z-CA 膜的熱重曲線Fig.3 Thermogravimetry（TG）curves of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

從圖3 能夠看出，Z-CA 膜的失重過程分為兩個階段：第一個階段的失重溫度在70~110 ℃，主要為Z-CA膜復(fù)合膜中殘留的乙醇和結(jié)合水的蒸發(fā)，產(chǎn)生質(zhì)量損失；第二階段的失重溫度在125~320 ℃。隨著CA 濃度的增加，熱分解溫度越低，熱穩(wěn)定性越差，這是由于肉桂醛屬于熱不穩(wěn)定性物質(zhì)，加入肉桂醛量越多，熱穩(wěn)定性越差。

2.2 Z-CA 膜的性能表征

蛋白基納米材料的微觀形貌對其乙烯吸附性能具有重要作用[21]。Z-CA 膜的掃描電鏡圖和Z-CA 溶液黏度見圖4。

圖4 Z-CA 膜的掃描電鏡圖和黏度Fig.4 Scanning electron microscope（SEM）images of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）and viscosity of Z-CA solution

如圖4a 所示，未添加肉桂醛的Z-0CA 膜中呈現(xiàn)大量的串珠狀；添加肉桂醛的Z-CA 膜呈現(xiàn)規(guī)則均勻的纖維形貌（圖4b~圖4e）；隨著肉桂醛濃度的增加，Z-CA膜纖維直徑逐漸增加。這是由于玉米醇溶蛋白與肉桂醛之間存在氫鍵交聯(lián)，增加了溶液的黏度，從而使纖維形貌更加均勻且纖維直徑逐漸增大。隨著肉桂醛濃度的增加，Z-CA 溶液黏度逐漸增大，其中Z-0CA 溶液黏度最低，為（244.50±3.21）mPa·s；Z-600CA 溶液黏度最高，為（300.67±4.27）mPa·s。

玉米醇溶蛋白中的巰基會與乙烯快速發(fā)生不可逆反應(yīng)，即“點擊反應(yīng)”，從而提高蛋白膜的乙烯吸附性能[21]。Z-CA 溶液的總巰基含量如圖5 所示。

圖5 Z-CA 溶液的總巰基含量Fig.5 Total sulfhydryl content of zein-cinnamaldehyde solution

如圖5 所示，隨著肉桂醛濃度的增加，溶液中總巰基含量逐漸增加，這是由于肉桂醛與玉米醇溶蛋白存在氫鍵相互作用，促使蛋白結(jié)構(gòu)舒展，暴露出更多的活性官能團(tuán)。其中，Z-600CA 溶液總巰基含量最高，為（25.4±0.22）nmol/mg。

Z-CA 膜的乙烯吸附性能如圖6 所示。

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

如圖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。這是由于肉桂醛使zein 結(jié)構(gòu)舒展，暴露更多活性官能團(tuán)，提升其乙烯吸附性能。同時，添加肉桂醛后，Z-CA 膜的乙烯吸附效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中，Z-550CA 膜乙烯吸附效率最高，為[（7.73±1.57）mg/（m3·h）]。這是由于肉桂醛除了使zein 結(jié)構(gòu)舒展，也會導(dǎo)致溶液黏度增加。例如，當(dāng)肉桂醛濃度為600 mg/mL 時，電紡液黏度增加，導(dǎo)致納米纖維直徑增加，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。

水果保鮮膜具有一定的疏水性和抑菌性是保證其高效發(fā)揮作用的前提。Z-CA 膜的疏水性如圖7 所示。

圖7 Z-CA 膜的水接觸角Fig.7 Water contact angle of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）

如圖7 所示，隨著肉桂醛濃度的增加，Z-CA 膜的水接觸角越大，疏水性越好。其中，Z-0CA 膜的水接觸角為（121.63±8.22）°，Z-600CA 膜的水接觸角為（134.45±0.85）°。這可能是由于肉桂醛和玉米醇溶蛋白都為疏水性物質(zhì)，兩者相互混合產(chǎn)生協(xié)同作用，增加纖維膜的疏水性。

Z-CA 膜的抑菌性能如圖8 所示。

圖8 Z-CA 膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑Fig. 8 Inhibition zone diameter of zein-cinnamaldehyde fruit preservation film（Z-CA film）against Staphylococcus aureus and Escherichia coli

如圖8 所示，肉桂醛對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有良好的抑制作用[22]，隨著CA 濃度的增加，ZCA 膜的抑菌圈直徑逐漸增大，其中Z-600CA 膜的抑菌性能最佳，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為（6.85±0.48）cm 和（5.02±0.63）cm，這是由于肉桂醛對細(xì)菌具有良好的抑菌性，且濃度越大，抑菌性能越好[23]。

2.3 Z-CA 膜的香蕉保鮮試驗

香蕉與不同Z-CA 膜在室溫貯藏10 d 過程中的變化情況如圖9 所示。

圖9 貯藏10 d 前后的外觀照片、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

由圖9a 可知，對照組香蕉樣品在10 d 后外觀呈現(xiàn)出嚴(yán)重的褐變和腐爛現(xiàn)象，而放置Z-CA 膜（尤其是放置Z-550CA 膜）的香蕉樣品較好地保持了香蕉樣品原本外觀形貌，香蕉表皮褐變面積較少。如圖9b~圖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。這是由于Z-550CA 膜具有最高的乙烯吸附效率以及良好的抑菌性能。上述現(xiàn)象表明，Z-550CA 膜能有效降低香蕉表皮的褐變，以及延緩香蕉果皮和果肉硬度的下降，具有良好的保鮮作用。

3 結(jié)論

本文采用靜電紡絲技術(shù)制備了玉米醇溶蛋白-肉桂醛水果保鮮膜，通過評價不同肉桂醛濃度的Z-CA膜的微觀形貌、乙烯吸附性能、疏水性和抑菌性，確定了肉桂醛最佳添加量為550 mg/mL。Z-550CA 膜具有良好的纖維形貌、乙烯吸附效率、疏水性、對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈分別為（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變，延緩香蕉果皮和果肉硬度的下降，有效延長香蕉的貨架期和貯藏品質(zhì)。研究結(jié)果為Z-CA 膜的進(jìn)一步保鮮應(yīng)用提供了參考。