低溫等離子體輔助制備zein/PCL復合膜的工藝

董爽，陳野，馬成業，郭鵬

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049； 2.天津科技大學 食品科學與工程學院，天津 300457)

玉米醇溶蛋白(zein)是玉米淀粉生產過程中重要的副產物，約占玉米中總蛋白質的45%～50%[1]，具有獨特的成膜性。玉米醇溶蛋白膜安全無毒、隔氧、抗紫外線、防靜電、抑菌、可降解，是理想的食品和藥品包裝材料[2-3]。然而，未經改性的玉米醇溶蛋白膜耐水性差，吸水后容易發生溶脹，導致透明度的下降及形變[4]。此外，類似于其他天然蛋白質材料，玉米醇溶蛋白膜的力學性能較差，柔韌度低[5]，限制了其工業化應用，亟需找到合適的改性方法改善玉米醇溶蛋白膜的功能性質。

材料的阻水性往往取決于最外層結構，在天然蛋白質膜表面接枝無機耐水性涂層是一種常見地提高膜耐水性途徑。聚己內酯(polycaprolactone, PCL)是一種半結晶性的脂肪族聚酯，具有良好的耐水性、熱塑性、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層；但傳統液相接枝法制備的zein/PCL復合膜存在PCL與zein兩相間接枝不緊密、PCL分布不均勻且容易剝離的問題，接枝效果不理想。采用合適的表面處理技術對玉米醇溶蛋白膜進行改性，提高PCL接枝效率，將有利于提高zein基膜的應用價值。

等離子體是由帶電離子、自由基、電子、光子、中子等多種激發態粒子組成的集合體，整體呈電中性。低溫等離子體表面改性技術可在保證材料主體結構不受影響的前提下，在較低的反應溫度下(室溫～103K)作用于表層幾百納米深度，賦予材料某些特定性能。低溫等離子體改性具有高效、清潔、無化學殘留等優點，近年來多用于提高材料表面接枝率、潤濕性、表面能以及修飾化學結構等[7-9]。前期研究發現，低溫等離子體表面處理可顯著影響玉米醇溶蛋白膜表面極性和化學元素組成[10]。等離子體高能活性粒子對材料表面轟擊時可產生刻蝕作用，導致材料表面粗糙程度的提高，進而增加了與接枝物的接觸面積；另一方面，等離子體處理產生了大量的自由基，造成材料表面化學鍵斷裂，形成接枝位點，具有較高的反應活性。已有許多研究證明等離子體具有引發聚乙烯、聚丙烯、亞麻等材料表面接枝反應的作用[11-14]，因此推測等離子體預處理在提高PCL在zein膜表面的接枝率方面具有潛在應用價值。

本研究采用低溫等離子預處理輔助制備zein/PCL復合膜，通過單因素試驗考察等離子體處理時間、處理電壓、接枝液濃度以及接枝時間對PCL接枝率的影響，通過響應面優化獲得PCL最佳接枝工藝。在此基礎上，對最佳工藝制備的zein/PCL復合膜的耐水性、機械性質以及土壤降解性進行表征。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米醇溶蛋白(純度95%)，日本和光純藥工業株式會社；聚己內酯(純度98%)，上海遐瑞醫藥科技有限公司；無水乙醇(分析純)，天津市北方天醫化學試劑廠；二氯甲烷(分析純)，天津市紅巖試劑廠；其他化學試劑均為分析純。

CTP-2000K型介質阻擋低溫等離子體處理儀(南京蘇曼等離子科技有限公司)；JY-82A型視頻接觸角測試儀(承德鼎盛試驗機檢測設備公司)；WDW-20H型電子式萬能試驗機(濟南中路昌試驗機制造公司)；AL204型分析天平(梅特勒-托利多儀有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 低溫等離子體輔助制備zein/PCL復合膜的工藝

介質阻擋低溫等離子體輔助制備zein/PCL復合膜的工藝如圖1所示。

圖1 低溫等離子體輔助zein/PCL復合膜的制備工藝

成膜液制備：采用澆鑄法制備玉米醇溶蛋白膜[15]。取一定量的zein粉末溶解于體積分數為80%的乙醇溶液，配制成質量濃度為15%的蛋白質溶液。置于25.0 ℃搖床內震蕩30 min保證溶解充分，然后將zein溶液在60.0 ℃水浴中加熱10 min，趁熱倒入聚乙烯模具(150 mm×250 mm)，每個模具25 mL成膜液，水平放置于60.0 ℃烘箱中通風干燥24 h后揭下。存放于相對濕度(relative humidity, RH)50%±2%環境下平衡一周。

低溫等離子體處理：采用介質阻擋為低溫等離子體的放電方式，將平衡好的zein膜裁剪成大小為35 mm×50 mm的矩形樣品條，固定于石英介質片上，置于反應釜中進行不同條件等離子體表面處理，處理溫度為(25.0±0.5)℃。

PCL接枝：稱量一定量的PCL溶解于二氯甲烷中，配制成一定濃度的PCL接枝液。將處理后的zein膜迅速投入PCL接枝液中，置于25.0 ℃恒溫搖床(轉速110 r/min)中進行接枝反應。接枝后，用二氯甲烷對復合膜表面進行反復沖洗以去除未接枝的PCL殘留液。待zein/PCL復合膜自然干燥后，存放于RH為 50%±2%的環境下平衡一周。

1.2.2 PCL接枝率的測定

稱量接枝前的zein膜質量(g)，記為m0，接枝后zein/PCL復合膜烘干至恒重并稱重，質量(g)記為mg。接枝率(grafting rate, GR)定義為單位面積zein膜上PCL重量增加的百分比(%)[14]，按公式(1)計算：

GR=[(mg-m0)/m0]×100。

(1)

1.2.3 單因素試驗

固定低溫等離子體輔助zein/PCL復合膜的制備工藝基本參數為：等離子體處理電壓65 V，等離子體處理時間30 s，接枝液質量濃度為3.0%，接枝時間60 min。在基本參數下，分別考察等離子體處理電壓(35、50、65、80、100 V)、等離子體處理時間(5、15、30、45、60 s)、PCL接枝液質量濃度(0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)和接枝時間(10、30、60、90、120 min)4個因素對PCL接枝率的影響。

1.2.4 響應面優化試驗

根據單因素的試驗結果，采用Design-Expert 8.0.6軟件對接枝工藝進行Box-Behnken優化設計。以接枝率(%)為響應值(Y)，對接枝工藝進行4因素3水平響應面優化，得到最優接枝工藝。試驗各因素編碼和水平設置見表1。

表1 Box-Behnken設計因素水平表

1.2.5 Zein/PCL復合膜性能評價

吸水性：參照Dong等人[15]的方法測定。

表面接觸角：采用躺滴法[10]測量膜表面接觸角，將zein/PCL膜水平固定于測試臺上，室溫下將超純水滴在樣品膜表面，應用量角法測量接觸角度數。

機械性質：將測試膜裁成100 mm×10 mm大小的樣品條，設置拉伸速率為50 mm/min，夾具上下間距為50 mm，待樣品斷裂后得出薄膜的抗拉強度(TS)及斷裂伸長率(EB)。每組取五個樣品，記錄均值。

土壤降解性：取田間土壤，磨碎后過8目篩網去除石塊等雜物。稱取500 g于500 mL燒杯中，將膜樣品貼壁填埋于土壤中，置于溫度為(25.0±0.5)℃，RH為50%±2%的培養箱中進行培養并觀察，每間隔7d對樣品膜進行拍照記錄。

1.3 數據處理

采用SPSS16.0和Origin8.0軟件對實驗數據進行統計分析并作圖，所有實驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 等離子體處理電壓對PCL接枝率的影響

不同低溫等離子體處理電壓下PCL的接枝率如圖2所示。由結果可知，隨著等離子體處理電壓的增加，PCL接枝率呈現先增加后降低的趨勢，在50 V處理時達到最大值28.74%±0.87%。等離子體處理后的PCL接枝率均顯著高于未處理(12.67%±0.51%)(p<0.05)，表明低溫等離子體預處理可以有效提高PCL在zein膜表面的接枝率。等離子體對材料表面的改性主要是基于低溫等離子體產生自由基和刻蝕作用[16]。處理電壓的增加提高了單位放電體積內的電子能量及放電細絲的密度，進而導致低溫等離子體產生的自由基增加以及刻蝕作用增強。前期研究表明，等離子體處理能夠增加zein膜表面粗糙程度[10]，這使zein與PCL之間的接觸面積增大。同時，等離子體生成更多的自由基參與到接枝反應中，進一步提高了接枝率。當處理電壓進一步增大時(>50 V)，接枝率反而有所下降。這是由于此時等離子體中帶電粒子的能量較高，空氣中的含氧、含氮基團與zein表面化學鍵之間的交聯反應成為主導反應，導致PCL與zein間的接枝位點減少，從而阻礙了接枝反應。因此，選擇等離子體處理電壓為50 V。

圖2 等離子體處理電壓對PCL接枝率的影響

2.1.2 等離子體處理時間對PCL接枝率的影響

1 研究對象 收集某婦幼保健醫療中心2011年4月-2016年6月收治的宮腔粘連患者共161例，其中輕度粘連50例、中度粘連54例及重度粘連57例。

不同等離子體處理時間下PCL的接枝率如圖3所示。隨著等離子體處理時間的延長，PCL接枝率逐漸增加，在30 s時達到最大值后有所下降且趨于平穩。自由基濃度影響著接枝物在材料表面的接枝效率[17]。隨著zein膜在等離子體放電空間中暴露時間的延長，zein膜表面自由基濃度逐漸提高，這些自由基進一步被氧化形成PCL接枝位點。然而，當處理時間超過30 s時，蛋白膜表面自由基的活化、刻蝕作用與材料表面的交聯反應達到動態平衡，接枝率趨于穩定。因此，選擇等離子體處理時間為30 s。

圖3 等離子體處理時間對PCL接枝率的影響

2.1.3 接枝液濃度對PCL接枝率的影響

不同PCL接枝率濃度下PCL的接枝率如圖4所示。由結果可知，當PCL濃度為0.5%～3.0%時，接枝率隨PCL濃度的增加而顯著增加(p<0.05)。接枝液體系中被接枝物質濃度的增加，提高了材料表面與接枝物的接觸幾率，理論上接枝率呈正相關增長。然而，當PCL濃度達到5.0%和7.0%時，溶液黏度較高導致PCL流動性降低，導致PCL不均勻且不完全的接枝。因此，選擇接枝液濃度為3.0%。

圖4 接枝液濃度對PCL接枝率的影響

2.1.4 接枝時間對PCL接枝率的影響

不同接枝時間下PCL的接枝率如圖5所示。由結果可知，在接枝時間10～60 min時，隨著時間的延長接枝率逐漸增加。當接枝時間為60～120 min時，接枝率趨于平穩，隨接枝時間的變化不明顯。zein膜在接枝液中浸泡時間越長，與PCL的結合越充分，接枝率越高；但zein膜表面自由基濃度及接枝位點數量是有限的，當接枝時間較長時(>60 min)，接枝位點數量趨于飽和，即使延長接枝時間也不會結合更多的PCL。綜合考慮接枝效果和效率，選擇接枝時間為60 min。

圖5 接枝時間對PCL接枝率的影響

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面試驗優化分析

在單因素試驗基礎上，分別以等離子體處理電壓、等離子體處理時間、接枝液濃度和接枝時間為自變量A、B、C、D，以接枝率為響應值(Y)，按照表1的設計進行響應面試驗，試驗方案和結果見表2。

表2 響應面試驗設計及響應值

采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行回歸分析，并建立二次響應回歸模型，擬合得到二次回歸方程為

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。

對回歸方程進行方差分析，結果見表3。PCL接枝工藝中，各因素交互作用的三維曲面圖見圖6。由表3可知，回歸模型極顯著(p<0.01)且失擬項不顯著(p>0.05)，表明該模型擬合度良好，具有統計學意義。此外，模型的R-Squared為0.9383，表明有93.83%的數據符合該擬合模型。C.V.值為8.94，表明試驗的可行性和精密度較高。

結合表3和圖6可知，因素C、交互項BC、二次項A2和C2對PCL接枝率影響極顯著(p<0.01)，其余項不顯著(p>0.05)。各因素對PCL接枝率的影響順序為：接枝液濃度(C)>等離子體處理電壓(A)>等離子體處理時間(B)>接枝時間(D)。

圖6 各因素交互作用對PCL接枝率影響的三維響應面圖

表3 回歸方程方差分析

2.2.3 最佳工藝組合及驗證

根據響應面優化模型預測結合操作可行性，得到PCL的最佳接枝工藝為：等離子體處理電壓為56.2 V，等離子體處理時間為26 s，PCL溶液濃度為3.89%，接枝時間為30.11 min。在此條件下，經過3次平行試驗，得到PCL的接枝率為30.35%±0.74%，接近模擬預測值，說明該模型獲得的最佳接枝工藝準確、可靠。

2.3 Zein/PCL復合膜的耐水性和機械性

對最優工藝下制備的zein/PCL復合膜的吸水性、接觸角、力學性質進行評價，結果見表4。由結果可知，純zein膜具有較高的吸水率(22.58%±1.68%)，這與蛋白質分子親疏水性基團的空間排列有關[18]。PCL吸水率僅為1.65%±0.21%，作為脂肪族聚酯，其表現出較高的耐水性。通過低溫等離子體輔助接枝后，zein/PCL復合膜的吸水率降低至6.54%±1.81%，相比純zein膜有顯著降低(p<0.05)。由接觸角結果可知，zein/PCL復合膜的接觸角相比純zein膜(78.20°±2.59°)提高了22.47°。吸水率和接觸角結果證明，低溫等離子體輔助制備的zein/PCL復合膜耐水性比純zein膜有顯著提高。

由表4中力學參數結果可知，PCL膜斷裂伸長率高達536.42%±0.61%，表現出良好的柔韌性。PCL分子鏈中的C-C鍵和C-O鍵的旋轉性使其具有理想的延展性[19]。相比于純zein膜，低溫等離子體輔助制備的zein/PCL復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率略有提高，但斷裂伸長率的增加無統計學顯著性差異(p>0.05)。這是由于機械性能主要取決于材料的主體結構，而低溫等離子體輔助接枝PCL僅是基于zein膜的表層接枝，相比于吸水率和接觸角，低溫等離子體輔助制備的zein/PCL復合膜機械性能的改善并不明顯。

表4 Zein/PCL復合膜的耐水性和機械性

2.4 Zein/PCL復合膜的土壤降解性

不同周數的樣品膜的土壤降解狀態如圖7所示。由結果可以看出，純zein膜在填埋的第一周里就出現皺縮、顏色變白、透明度下降。在第二周時該變化加劇，這與zein膜易吸水溶脹有關。在第三周時，zein膜表面觀察到明顯的黃色霉斑，在第四周時還出現了多處鮮紅色菌點。這表明zein膜受土壤微生物影響顯著，具有較強的土壤降解能力。相比之下，PCL膜在四周內表面形貌變化不明顯，其在土壤中的降解速率較慢。由zein/PCL膜的結果可知，在第一周和第二周時zein/PCL復合膜出現了吸水形變，但程度不及純zein膜，這與表面的PCL接枝層有關。在第三周和第四周時同樣出現了較明顯的霉斑，表面形貌的變化接近于純zein膜。實驗表明，低溫等離子體輔助制備的zein/PCL復合膜具有相對良好的土壤降解能力。

圖7 Zein/PCL復合膜的土壤降解性

3 結束語

本研究采用低溫等離子輔助制備zein/PCL復合膜，通過單因素試驗分別考察等離子體處理時間、處理電壓、接枝液濃度以及接枝時間對PCL接枝率的影響。采用響應面法優化PCL接枝工藝并建立相關回歸模型。結果表明，最佳接枝工藝為：等離子體處理電壓56.2 V，等離子體處理時間26 s，PCL接枝液濃度3.89%，接枝時間30.11 min。在最佳接枝條件下制備的zein/PCL復合膜中PCL接枝率可達30.35%±0.74%，顯著高于未經低溫等離子體預處理的接枝率(12.67%±0.51%)，表明低溫等離子體處理可有效提高PCL在zein膜表面的接枝效率。綜合性能表征實驗表明，通過低溫等離子體輔助接枝制備的zein/PCL膜耐水性相比純zein膜有顯著改善，zein/PCL復合膜土壤性良好。本文結果為低溫等離子體改性技術應用于蛋白膜表面修飾提供了理論依據，具有一定應用價值和前景。