董爽，陈野，马成业，郭鹏

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049； 2.天津科技大学 食品科学与工程学院，天津 300457)

玉米醇溶蛋白(zein)是玉米淀粉生产过程中重要的副产物，约占玉米中总蛋白质的45%～50%[1]，具有独特的成膜性。玉米醇溶蛋白膜安全无毒、隔氧、抗紫外线、防静电、抑菌、可降解，是理想的食品和药品包装材料[2-3]。然而，未经改性的玉米醇溶蛋白膜耐水性差，吸水后容易发生溶胀，导致透明度的下降及形变[4]。此外，类似于其他天然蛋白质材料，玉米醇溶蛋白膜的力学性能较差，柔韧度低[5]，限制了其工业化应用，亟需找到合适的改性方法改善玉米醇溶蛋白膜的功能性质。

材料的阻水性往往取决于最外层结构，在天然蛋白质膜表面接枝无机耐水性涂层是一种常见地提高膜耐水性途径。聚己内酯(polycaprolactone, PCL)是一种半结晶性的脂肪族聚酯，具有良好的耐水性、热塑性、延展性、生物相容性[6]，可在玉米醇溶蛋白膜表面接枝形成耐水涂层；但传统液相接枝法制备的zein/PCL复合膜存在PCL与zein两相间接枝不紧密、PCL分布不均匀且容易剥离的问题，接枝效果不理想。采用合适的表面处理技术对玉米醇溶蛋白膜进行改性，提高PCL接枝效率，将有利于提高zein基膜的应用价值。

等离子体是由带电离子、自由基、电子、光子、中子等多种激发态粒子组成的集合体，整体呈电中性。低温等离子体表面改性技术可在保证材料主体结构不受影响的前提下，在较低的反应温度下(室温～103K)作用于表层几百纳米深度，赋予材料某些特定性能。低温等离子体改性具有高效、清洁、无化学残留等优点，近年来多用于提高材料表面接枝率、润湿性、表面能以及修饰化学结构等[7-9]。前期研究发现，低温等离子体表面处理可显著影响玉米醇溶蛋白膜表面极性和化学元素组成[10]。等离子体高能活性粒子对材料表面轰击时可产生刻蚀作用，导致材料表面粗糙程度的提高，进而增加了与接枝物的接触面积；另一方面，等离子体处理产生了大量的自由基，造成材料表面化学键断裂，形成接枝位点，具有较高的反应活性。已有许多研究证明等离子体具有引发聚乙烯、聚丙烯、亚麻等材料表面接枝反应的作用[11-14]，因此推测等离子体预处理在提高PCL在zein膜表面的接枝率方面具有潜在应用价值。

本研究采用低温等离子预处理辅助制备zein/PCL复合膜，通过单因素试验考察等离子体处理时间、处理电压、接枝液浓度以及接枝时间对PCL接枝率的影响，通过响应面优化获得PCL最佳接枝工艺。在此基础上，对最佳工艺制备的zein/PCL复合膜的耐水性、机械性质以及土壤降解性进行表征。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米醇溶蛋白(纯度95%)，日本和光纯药工业株式会社；聚己内酯(纯度98%)，上海遐瑞医药科技有限公司；无水乙醇(分析纯)，天津市北方天医化学试剂厂；二氯甲烷(分析纯)，天津市红岩试剂厂；其他化学试剂均为分析纯。

CTP-2000K型介质阻挡低温等离子体处理仪(南京苏曼等离子科技有限公司)；JY-82A型视频接触角测试仪(承德鼎盛试验机检测设备公司)；WDW-20H型电子式万能试验机(济南中路昌试验机制造公司)；AL204型分析天平(梅特勒-托利多仪有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 低温等离子体辅助制备zein/PCL复合膜的工艺

介质阻挡低温等离子体辅助制备zein/PCL复合膜的工艺如图1所示。

图1 低温等离子体辅助zein/PCL复合膜的制备工艺

成膜液制备：采用浇铸法制备玉米醇溶蛋白膜[15]。取一定量的zein粉末溶解于体积分数为80%的乙醇溶液，配制成质量浓度为15%的蛋白质溶液。置于25.0 ℃摇床内震荡30 min保证溶解充分，然后将zein溶液在60.0 ℃水浴中加热10 min，趁热倒入聚乙烯模具(150 mm×250 mm)，每个模具25 mL成膜液，水平放置于60.0 ℃烘箱中通风干燥24 h后揭下。存放于相对湿度(relative humidity, RH)50%±2%环境下平衡一周。

低温等离子体处理：采用介质阻挡为低温等离子体的放电方式，将平衡好的zein膜裁剪成大小为35 mm×50 mm的矩形样品条，固定于石英介质片上，置于反应釜中进行不同条件等离子体表面处理，处理温度为(25.0±0.5)℃。

PCL接枝：称量一定量的PCL溶解于二氯甲烷中，配制成一定浓度的PCL接枝液。将处理后的zein膜迅速投入PCL接枝液中，置于25.0 ℃恒温摇床(转速110 r/min)中进行接枝反应。接枝后，用二氯甲烷对复合膜表面进行反复冲洗以去除未接枝的PCL残留液。待zein/PCL复合膜自然干燥后，存放于RH为 50%±2%的环境下平衡一周。

1.2.2 PCL接枝率的测定

称量接枝前的zein膜质量(g)，记为m0，接枝后zein/PCL复合膜烘干至恒重并称重，质量(g)记为mg。接枝率(grafting rate, GR)定义为单位面积zein膜上PCL重量增加的百分比(%)[14]，按公式(1)计算：

GR=[(mg-m0)/m0]×100。

(1)

1.2.3 单因素试验

固定低温等离子体辅助zein/PCL复合膜的制备工艺基本参数为：等离子体处理电压65 V，等离子体处理时间30 s，接枝液质量浓度为3.0%，接枝时间60 min。在基本参数下，分别考察等离子体处理电压(35、50、65、80、100 V)、等离子体处理时间(5、15、30、45、60 s)、PCL接枝液质量浓度(0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)和接枝时间(10、30、60、90、120 min)4个因素对PCL接枝率的影响。

1.2.4 响应面优化试验

根据单因素的试验结果，采用Design-Expert 8.0.6软件对接枝工艺进行Box-Behnken优化设计。以接枝率(%)为响应值(Y)，对接枝工艺进行4因素3水平响应面优化，得到最优接枝工艺。试验各因素编码和水平设置见表1。

表1 Box-Behnken设计因素水平表

1.2.5 Zein/PCL复合膜性能评价

吸水性：参照Dong等人[15]的方法测定。

表面接触角：采用躺滴法[10]测量膜表面接触角，将zein/PCL膜水平固定于测试台上，室温下将超纯水滴在样品膜表面，应用量角法测量接触角度数。

机械性质：将测试膜裁成100 mm×10 mm大小的样品条，设置拉伸速率为50 mm/min，夹具上下间距为50 mm，待样品断裂后得出薄膜的抗拉强度(TS)及断裂伸长率(EB)。每组取五个样品，记录均值。

土壤降解性：取田间土壤，磨碎后过8目筛网去除石块等杂物。称取500 g于500 mL烧杯中，将膜样品贴壁填埋于土壤中，置于温度为(25.0±0.5)℃，RH为50%±2%的培养箱中进行培养并观察，每间隔7d对样品膜进行拍照记录。

1.3 数据处理

采用SPSS16.0和Origin8.0软件对实验数据进行统计分析并作图，所有实验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 等离子体处理电压对PCL接枝率的影响

不同低温等离子体处理电压下PCL的接枝率如图2所示。由结果可知，随着等离子体处理电压的增加，PCL接枝率呈现先增加后降低的趋势，在50 V处理时达到最大值28.74%±0.87%。等离子体处理后的PCL接枝率均显著高于未处理(12.67%±0.51%)(p<0.05)，表明低温等离子体预处理可以有效提高PCL在zein膜表面的接枝率。等离子体对材料表面的改性主要是基于低温等离子体产生自由基和刻蚀作用[16]。处理电压的增加提高了单位放电体积内的电子能量及放电细丝的密度，进而导致低温等离子体产生的自由基增加以及刻蚀作用增强。前期研究表明，等离子体处理能够增加zein膜表面粗糙程度[10]，这使zein与PCL之间的接触面积增大。同时，等离子体生成更多的自由基参与到接枝反应中，进一步提高了接枝率。当处理电压进一步增大时(>50 V)，接枝率反而有所下降。这是由于此时等离子体中带电粒子的能量较高，空气中的含氧、含氮基团与zein表面化学键之间的交联反应成为主导反应，导致PCL与zein间的接枝位点减少，从而阻碍了接枝反应。因此，选择等离子体处理电压为50 V。

图2 等离子体处理电压对PCL接枝率的影响

2.1.2 等离子体处理时间对PCL接枝率的影响

1 研究对象 收集某妇幼保健医疗中心2011年4月-2016年6月收治的宫腔粘连患者共161例，其中轻度粘连50例、中度粘连54例及重度粘连57例。

不同等离子体处理时间下PCL的接枝率如图3所示。随着等离子体处理时间的延长，PCL接枝率逐渐增加，在30 s时达到最大值后有所下降且趋于平稳。自由基浓度影响着接枝物在材料表面的接枝效率[17]。随着zein膜在等离子体放电空间中暴露时间的延长，zein膜表面自由基浓度逐渐提高，这些自由基进一步被氧化形成PCL接枝位点。然而，当处理时间超过30 s时，蛋白膜表面自由基的活化、刻蚀作用与材料表面的交联反应达到动态平衡，接枝率趋于稳定。因此，选择等离子体处理时间为30 s。

图3 等离子体处理时间对PCL接枝率的影响

2.1.3 接枝液浓度对PCL接枝率的影响

不同PCL接枝率浓度下PCL的接枝率如图4所示。由结果可知，当PCL浓度为0.5%～3.0%时，接枝率随PCL浓度的增加而显著增加(p<0.05)。接枝液体系中被接枝物质浓度的增加，提高了材料表面与接枝物的接触几率，理论上接枝率呈正相关增长。然而，当PCL浓度达到5.0%和7.0%时，溶液黏度较高导致PCL流动性降低，导致PCL不均匀且不完全的接枝。因此，选择接枝液浓度为3.0%。

图4 接枝液浓度对PCL接枝率的影响

2.1.4 接枝时间对PCL接枝率的影响

不同接枝时间下PCL的接枝率如图5所示。由结果可知，在接枝时间10～60 min时，随着时间的延长接枝率逐渐增加。当接枝时间为60～120 min时，接枝率趋于平稳，随接枝时间的变化不明显。zein膜在接枝液中浸泡时间越长，与PCL的结合越充分，接枝率越高；但zein膜表面自由基浓度及接枝位点数量是有限的，当接枝时间较长时(>60 min)，接枝位点数量趋于饱和，即使延长接枝时间也不会结合更多的PCL。综合考虑接枝效果和效率，选择接枝时间为60 min。

图5 接枝时间对PCL接枝率的影响

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验优化分析

在单因素试验基础上，分别以等离子体处理电压、等离子体处理时间、接枝液浓度和接枝时间为自变量A、B、C、D，以接枝率为响应值(Y)，按照表1的设计进行响应面试验，试验方案和结果见表2。

表2 响应面试验设计及响应值

采用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行回归分析，并建立二次响应回归模型，拟合得到二次回归方程为

Y(%)=29.17+1.17A-0.10B+5.94C-

0.001667D-1.30AB-1.33AD-1.74BC-

0.60BD-0.94CD-3.40A2-

1.66B2-8.18C2-0.41D2。

对回归方程进行方差分析，结果见表3。PCL接枝工艺中，各因素交互作用的三维曲面图见图6。由表3可知，回归模型极显著(p<0.01)且失拟项不显著(p>0.05)，表明该模型拟合度良好，具有统计学意义。此外，模型的R-Squared为0.9383，表明有93.83%的数据符合该拟合模型。C.V.值为8.94，表明试验的可行性和精密度较高。

结合表3和图6可知，因素C、交互项BC、二次项A2和C2对PCL接枝率影响极显著(p<0.01)，其余项不显著(p>0.05)。各因素对PCL接枝率的影响顺序为：接枝液浓度(C)>等离子体处理电压(A)>等离子体处理时间(B)>接枝时间(D)。

图6 各因素交互作用对PCL接枝率影响的三维响应面图

表3 回归方程方差分析

2.2.3 最佳工艺组合及验证

根据响应面优化模型预测结合操作可行性，得到PCL的最佳接枝工艺为：等离子体处理电压为56.2 V，等离子体处理时间为26 s，PCL溶液浓度为3.89%，接枝时间为30.11 min。在此条件下，经过3次平行试验，得到PCL的接枝率为30.35%±0.74%，接近模拟预测值，说明该模型获得的最佳接枝工艺准确、可靠。

2.3 Zein/PCL复合膜的耐水性和机械性

对最优工艺下制备的zein/PCL复合膜的吸水性、接触角、力学性质进行评价，结果见表4。由结果可知，纯zein膜具有较高的吸水率(22.58%±1.68%)，这与蛋白质分子亲疏水性基团的空间排列有关[18]。PCL吸水率仅为1.65%±0.21%，作为脂肪族聚酯，其表现出较高的耐水性。通过低温等离子体辅助接枝后，zein/PCL复合膜的吸水率降低至6.54%±1.81%，相比纯zein膜有显著降低(p<0.05)。由接触角结果可知，zein/PCL复合膜的接触角相比纯zein膜(78.20°±2.59°)提高了22.47°。吸水率和接触角结果证明，低温等离子体辅助制备的zein/PCL复合膜耐水性比纯zein膜有显著提高。

由表4中力学参数结果可知，PCL膜断裂伸长率高达536.42%±0.61%，表现出良好的柔韧性。PCL分子链中的C-C键和C-O键的旋转性使其具有理想的延展性[19]。相比于纯zein膜，低温等离子体辅助制备的zein/PCL复合膜的抗拉强度和断裂伸长率略有提高，但断裂伸长率的增加无统计学显著性差异(p>0.05)。这是由于机械性能主要取决于材料的主体结构，而低温等离子体辅助接枝PCL仅是基于zein膜的表层接枝，相比于吸水率和接触角，低温等离子体辅助制备的zein/PCL复合膜机械性能的改善并不明显。

表4 Zein/PCL复合膜的耐水性和机械性

2.4 Zein/PCL复合膜的土壤降解性

不同周数的样品膜的土壤降解状态如图7所示。由结果可以看出，纯zein膜在填埋的第一周里就出现皱缩、颜色变白、透明度下降。在第二周时该变化加剧，这与zein膜易吸水溶胀有关。在第三周时，zein膜表面观察到明显的黄色霉斑，在第四周时还出现了多处鲜红色菌点。这表明zein膜受土壤微生物影响显著，具有较强的土壤降解能力。相比之下，PCL膜在四周内表面形貌变化不明显，其在土壤中的降解速率较慢。由zein/PCL膜的结果可知，在第一周和第二周时zein/PCL复合膜出现了吸水形变，但程度不及纯zein膜，这与表面的PCL接枝层有关。在第三周和第四周时同样出现了较明显的霉斑，表面形貌的变化接近于纯zein膜。实验表明，低温等离子体辅助制备的zein/PCL复合膜具有相对良好的土壤降解能力。

图7 Zein/PCL复合膜的土壤降解性

3 结束语

本研究采用低温等离子辅助制备zein/PCL复合膜，通过单因素试验分别考察等离子体处理时间、处理电压、接枝液浓度以及接枝时间对PCL接枝率的影响。采用响应面法优化PCL接枝工艺并建立相关回归模型。结果表明，最佳接枝工艺为：等离子体处理电压56.2 V，等离子体处理时间26 s，PCL接枝液浓度3.89%，接枝时间30.11 min。在最佳接枝条件下制备的zein/PCL复合膜中PCL接枝率可达30.35%±0.74%，显著高于未经低温等离子体预处理的接枝率(12.67%±0.51%)，表明低温等离子体处理可有效提高PCL在zein膜表面的接枝效率。综合性能表征实验表明，通过低温等离子体辅助接枝制备的zein/PCL膜耐水性相比纯zein膜有显著改善，zein/PCL复合膜土壤性良好。本文结果为低温等离子体改性技术应用于蛋白膜表面修饰提供了理论依据，具有一定应用价值和前景。