低温低功率等离子体处理对复合蛋白基薄膜结构性能的影响.docx

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1、低温低功率等离子体处理对复合蛋白基薄膜结构性能的影响蛋白质基薄膜被认为是食品包装开发中最有潜力的生物可降解聚合物，因为蛋白质紧密的空间构象使得其具有高于普通塑料膜的阻隔性能，能够很好地保护食品不受外界气体和水分渗入的影响而发生氧化和腐败，从而延长食品的保质期lo本文大量的前期研究工作发现乳清分离蛋白-酪蛋白酸钠复合蛋白膜是一类具有高强度、高阻隔性的相对较为疏水的可食性薄膜2。为了强化其结构稳定性、改善薄膜拉伸性能和对水分的敏感性，前期采用了不同方式对复合蛋白膜进行改性，如在成膜溶液中加入多糖的方式，构建蛋白质-多糖美拉德反应体系，显著提高了薄膜疏水性和阻隔性能,并使薄膜具备了一定的抗氧化特性此

2、外，通过使用静态超高压、等离子体处理成膜溶液所制备而得的复合蛋白膜也呈现出更加优良的成膜特性3-5。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。处于核聚变状态的物质、电弧、闪电、极光等都是高温等离子体，高温等离子体在切割、冶炼、焊接等领域都有广泛的应用。低温等离子体技术是一种能够对敏感材料进行灭菌和改性的新兴非热技术，能够利用放电产生的自由基、电子、正负离子、原子和分子的激发态或基态以及紫外线光子等物质，通过刻蚀、交联和氧化反应来温和地修饰蛋白质的结构6。因此，低温等离子体技术被视为物理、化学和光化学修饰技术的组合体7。低温等离子体技术作为一种材料表面处理技术,在不损伤材料本身性能的情况下能够有

3、效提高聚合物的黏合性和功能性，如，低温等离子体在放电过程中轰击薄膜表面，会导致其形态在微米到纳米范围内发生巨大变化，同时会使晶体含量和位置改变，薄膜结构中的活性基团异变，最终对薄膜表面粗糙度、油墨附着力、机械性能、阻隔性能、接触角和生物降解性产生一定程度的影响作用1,8-9 oPANKAJ等10研究结果显示，低温等离子体处理明胶薄膜后增加了薄膜表面粗糙度，并且粗糙度取决于等离子体的处理时间。输入的功率对等离子体处理的效率有很大影响，较低功率的等离子体处理可以减小实验过程中形成的臭氧以及氮氧化合物对聚合物产生的过度氧化11。除此之外，等离子体处理过程中，由于活性氧的累积而产生氧化反应，使得细菌细

4、胞膜破裂死亡，这也赋予了等离子体技术在一定条件下具有高于一般灭菌技术效率的能力12-13。为此，为了深入探究低温低功率等离子体处理技术在蛋白基薄膜成膜工艺中的应用，开发其潜在的功能特性，本文拟在前期对复合蛋白基成膜溶液等离子处理的研究基础上3,进一步对成型薄膜进行不同程度的低温等离子体处理，通过分析薄膜蛋白质二级结构变化、微观形态、热稳定性、表面亲水性和亲油性、机械性能、阻隔性能以及灭菌能力的变化,进一步提升复合蛋白基薄膜性能的改良空间，以力图使其适应于现代食品包装的产业化生产及应用，同时，也为低温等离子体技术在食品工业中的应用潜力提供理论依据。1材料与方法1. 1实验材料乳清分离蛋白粉（蛋白

5、质98%）,美国ISOPURE公司；酪蛋白酸钠（蛋白99.21%）,上海麦克林生化科技有限公司；丙三醇（甘油，分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；去离子水,自制。L2实验仪器PiezobrushPZ2等离子处理仪，德国RPplasma公司；T25数显型高速分散机，德国艾卡公司；PERMATRAN-WModel 1/50G水蒸气透过率测试仪、0X-TRAN2/21氧气透过率测试仪，美国MEC0N有限公司；XLW（EC）型智能电子拉力试验机，济南蓝光机电技术有限公司；JC2000C接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司；SU5000热场发射扫描电镜，日本日立高新技术公司；Q2000差示扫描量

6、热仪，美国TA仪器公司;NicoletiS10傅立叶红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技有限公司；WGT/S透光率/雾度测定仪，上海精科仪器有限公司。1.3实验方法1. 3.1薄膜制备及等离子体处理方法称量24g乳清分离蛋白粉、16g酪蛋白酸钠粉末分别溶解于400mL去离子水中。溶液于室温下搅拌60min混合均匀后升温至85T同时连续搅拌30min以使蛋白变性。溶液冷却至室温后加入14g甘油，室温下搅拌均匀，真空脱气后，将溶液等量倒入制膜容器中，置于65七鼓风干燥箱中干燥5h,薄膜成型后揭下。使用等离子体处理仪对在距离薄膜1.5cm处对大小为5cm5cm薄膜表面进行5、10、15、20min的处理。

7、最后，薄膜置于23、50%相对湿度(relativehumidity, RH)的恒温恒湿箱中放置待测3。1.3. 2傅立叶红外光谱扫描利用傅立叶红外光谱研究蛋白质的结构和分子间的相互作用。在4cm-l的分辨率下，从4000到500cm-l扫描所有薄膜16次，并通过0mnic8. 0软件分析光谱14。1. 3. 3 电镜扫描(scanningelectronmicroscope, SEM)通过SEM拍摄等离子体处理后薄膜的表面微观形态。通过将样品胶粘到样品台上，喷金以提高图像分辨率和对比度，在6kV的加速电压分析薄膜表面微观形态15。1. 3. 4 差示扫描量热(different! al sc

8、anningcalorimetry,DSC)称量薄膜样品(约5mg),在氮气保护下(吹扫气流为20mLmin),以10oCmin的加热速率从0到225进行分析，使用Universalanalysis2000软件对图形和数据进行处理14。L3.5表面接触角测量室温下，裁剪3cm3cm薄膜置于悬滴液下0. 5cm处，向薄膜表面滴约3m的液体，并用相机记录图像，用ImageJ软件对获取的图像进行分析16。1.3.6 机械性能测定裁剪1.5cm宽和5cm长的薄膜样品固定于智能电子拉力机夹具之间。初始夹距为50mm,拉伸速度设置为300mmmin,持续施加拉力直到薄膜断裂。记录样品拉伸强度和断裂伸长率1

9、6 o1.3.7 阻隔性能测定利用红外法测量样品的水蒸气透过率，设置水蒸气透过率测量仪参数：样品两侧湿度差为90%,测试温度为259。测量结束记录样品水蒸气透过率并计算水蒸气透过系数2。氧气透过率测试是根据PANKAJ等16实验仪器参数进行修改，用样品切割工具对样品进行剪裁成50cm2的样品待用,在环境温度为23七下进行测试。1.3.8 光学性能测定裁剪样品膜4cmX4cm,置于透光测试仪的夹具上，使仪器发射出的光束垂直透过样品膜，记录薄膜透光率和雾度值3。1.3.9 水溶性测定裁剪样品膜3cm3cm, 1059烘干24h,记录初始质量mlo在室温下，将薄膜浸入放有50mL蒸僭水的烧杯中，静置

10、Id。取出未溶解的薄膜样品，并于105C烘箱中干燥，称量直至恒重(0. 0002g),最终质量记为m2(g) o薄膜水溶性(watersolubility, WS)根据公式计算而得3：(1)1. 3.10等离子体处理薄膜菌落总数测定根据GB4789.2202217分别对处理时间为0、5、10、15、20min落总数测定。1.3. 11统计分析采用0rigin2022b进行作图分析，使用SPSS20. 0软件对数据进行统计处理，概率值的P0. 05被认为是显著的，利用0ic软件(0MNIC8. 0)和Peakfitv4. 12分析样品的光谱图。2结果与分析2. 1 薄膜的傅里叶变换红外光谱(Fo

11、uriertransforminfraredspectroscopy, FTIR)分析采用FTIR表征等离子体处理薄膜前后的蛋白质二级结构变化，如图1所示。结果显示，不同等离子体处理的蛋白薄膜样品均呈现出相似的红外光谱，说明在等离子体放电过程中,官能团在不同的处理时间及强度条件下，能够基本维持稳定。由于位于16001700cm-1的酰胺I带(C0拉伸振动)是蛋白质构架中最突出和最敏感的振动带，并且与蛋白质二级结构有关，因此,对酰胺I带进行分峰拟合计算二级结构百分比，通过傅里叶自去卷积、高斯二阶拟合和计算(表1),其中，a-螺旋在 16501660cm-l 处，折叠在 16101640cm-1处

12、，B-转角在16601700cm-1处，无规则卷曲在16401650cm-l 处18。图1不同时长等离子体处理的薄膜FTIR光谱Fig. IFTIRspectraoffilmstreatedwithplasmafordifferentdurations由表1可知，等离子体处理会对薄膜蛋白质二级结构含量产生波动性影响,当等离子体处理10min后，a-螺旋的百分比从1647%逐渐升至1912%,提高了 16.10%,而折叠的百分比由未处理的37. 70%升高至43. 04%,提高了 14.1分,随着处理时间延长至20min, a -螺旋百分比减少至17. 04%,降低了 10.87%, 折叠的百分

13、比减少至41.97%,降低了2.蝴。可以看出，a-螺旋百分比的变化速率要高于B-折叠百分比的变化速率，并且两者都在短时间较低能率等离子体处理过程中百分比变化幅度更大。此外，数据显示在等离子体处理过程中，B-转角和无规则卷曲所占百分比都呈现出下降趋势。上述变化显示出，复合蛋白基薄膜的有序结构被等离子体放电处理所改变，这归因于等离子体放电过程中产生的活性氧和活性氮的作用,对氢键产生影响，导致每个结构发生少量变化19。由于a-螺旋比例的提高可能会在蛋白质结构中引入二硫键，因此蛋白膜结构更加稳定，同时，折叠程度的增加也稳定了蛋白质结构，说明了较低能率等离子体处理可以提高蛋白膜的稳定性20。DONG等6

14、也发现了相似的变化。表1不同时长等离子体处理的薄膜蛋白质二级结构百分比组分变化TabielPercentageofthesecondarystructureoffilmstreatedwithplasmafordifferentdurations2. 2表面微观结构变化如图2所示，未经等离子体处理的蛋白膜表面光滑，有轻微的空洞，在处理5min后空洞逐渐消失，开始出现细微的突起，这可能是由于蛋白质聚合导致的；当10min等离子体轰击薄膜后，薄膜吸收能量使得表面孔洞完全消失，粗糙度增加，颗粒感更加明显。根据PANKAJ等21的报道，物理刻蚀（物理除去低分子碎片）和化学刻蚀（键的断裂，断链，化学降解

15、）是造成刻蚀发生的主要原因。由于等离子体处理产生刻蚀效果，导致薄膜表面更为粗糙；而经过1520in等离子体处理后，薄膜出现了较大、较多的孔洞，且随着处理时间的延长，孔洞变多，该现象的发生与高能率等离子体处理过程中过于剧烈的刻蚀反应有关，这与PANKAJ等10研究有相似之处。a-放大7000倍电镜图；b-放大1000倍电镜图图2不同时长等离子体处理的薄膜表面电镜图Fig. 2SEMimagesofsurfacesoffiImstreatedwithplasmafordifferentdurations2. 3热性能分析薄膜的热流密度与温度之间的变化关系如图3所示，不同时长等离子体处理后的复合蛋白膜的玻璃态转变温度(Tg)、热分解温度(Td)和焰变值(AH)如表2所示。从DSC热分析图和表2中数据可以看出