低溫等離子體輔助制備zein/PCL復(fù)合膜的工藝

董爽，陳野，馬成業(yè)，郭鵬

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

玉米醇溶蛋白(zein)是玉米淀粉生產(chǎn)過程中重要的副產(chǎn)物，約占玉米中總蛋白質(zhì)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(jīng)改性的玉米醇溶蛋白膜耐水性差，吸水后容易發(fā)生溶脹，導(dǎo)致透明度的下降及形變[4]。此外，類似于其他天然蛋白質(zhì)材料，玉米醇溶蛋白膜的力學(xué)性能較差，柔韌度低[5]，限制了其工業(yè)化應(yīng)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(zhì)。

材料的阻水性往往取決于最外層結(jié)構(gòu)，在天然蛋白質(zhì)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(nèi)酯(polycaprolactone, PCL)是一種半結(jié)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(tǒng)液相接枝法制備的zein/PCL復(fù)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(shù)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(yīng)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(fā)態(tài)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(shù)可在保證材料主體結(jié)構(gòu)不受影響的前提下，在較低的反應(yīng)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(xué)殘留等優(yōu)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(xué)結(jié)構(gòu)等[7-9]。前期研究發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(chǎn)生刻蝕作用，導(dǎo)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(chǎn)生了大量的自由基，造成材料表面化學(xué)鍵斷裂，形成接枝位點，具有較高的反應(yīng)活性。已有許多研究證明等離子體具有引發(fā)聚乙烯、聚丙烯、亞麻等材料表面接枝反應(yīng)的作用[11-14]，因此推測等離子體預(yù)處理在提高PCL在zein膜表面的接枝率方面具有潛在應(yīng)用價值。

本研究采用低溫等離子預(yù)處理輔助制備zein/PCL復(fù)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(yīng)面優(yōu)化獲得PCL最佳接枝工藝。在此基礎(chǔ)上，對最佳工藝制備的zein/PCL復(fù)合膜的耐水性、機械性質(zhì)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(yè)株式會社；聚己內(nèi)酯(純度98%)，上海遐瑞醫(yī)藥科技有限公司；無水乙醇(分析純)，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；二氯甲烷(分析純)，天津市紅巖試劑廠；其他化學(xué)試劑均為分析純。

CTP-2000K型介質(zhì)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(shè)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(fù)合膜的工藝

介質(zhì)阻擋低溫等離子體輔助制備zein/PCL復(fù)合膜的工藝如圖1所示。

圖1 低溫等離子體輔助zein/PCL復(fù)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?jǐn)?shù)為80%的乙醇溶液，配制成質(zhì)量濃度為15%的蛋白質(zhì)溶液。置于25.0 ℃搖床內(nèi)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(fēng)干燥24 h后揭下。存放于相對濕度(relative humidity, RH)50%±2%環(huán)境下平衡一周。

低溫等離子體處理：采用介質(zhì)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(zhì)片上，置于反應(yīng)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?fù)u床(轉(zhuǎn)速110 r/min)中進行接枝反應(yīng)。接枝后，用二氯甲烷對復(fù)合膜表面進行反復(fù)沖洗以去除未接枝的PCL殘留液。待zein/PCL復(fù)合膜自然干燥后，存放于RH為 50%±2%的環(huán)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(zhì)量(g)，記為m0，接枝后zein/PCL復(fù)合膜烘干至恒重并稱重，質(zhì)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(fù)合膜的制備工藝基本參數(shù)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(zhì)量濃度為3.0%，接枝時間60 min。在基本參數(shù)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(zhì)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(yīng)面優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素的試驗結(jié)果，采用Design-Expert 8.0.6軟件對接枝工藝進行Box-Behnken優(yōu)化設(shè)計。以接枝率(%)為響應(yīng)值(Y)，對接枝工藝進行4因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化，得到最優(yōu)接枝工藝。試驗各因素編碼和水平設(shè)置見表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計因素水平表

1.2.5 Zein/PCL復(fù)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(yīng)用量角法測量接觸角度數(shù)。

機械性質(zhì)：將測試膜裁成100 mm×10 mm大小的樣品條，設(shè)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(wǎng)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(yǎng)箱中進行培養(yǎng)并觀察，每間隔7d對樣品膜進行拍照記錄。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0和Origin8.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖，所有實驗均重復(fù)3次。

2 結(jié)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(jié)果可知，隨著等離子體處理電壓的增加，PCL接枝率呈現(xiàn)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(yù)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(chǎn)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(nèi)的電子能量及放電細(xì)絲的密度，進而導(dǎo)致低溫等離子體產(chǎn)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(yīng)中，進一步提高了接枝率。當(dāng)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(xué)鍵之間的交聯(lián)反應(yīng)成為主導(dǎo)反應(yīng)，導(dǎo)致PCL與zein間的接枝位點減少，從而阻礙了接枝反應(yīng)。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(yī)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(wěn)。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(dāng)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(lián)反應(yīng)達到動態(tài)平衡，接枝率趨于穩(wěn)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(jié)果可知，當(dāng)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(zhì)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(guān)增長。然而，當(dāng)PCL濃度達到5.0%和7.0%時，溶液黏度較高導(dǎo)致PCL流動性降低，導(dǎo)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(jié)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(dāng)接枝時間為60～120 min時，接枝率趨于平穩(wěn)，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(jié)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(shù)量是有限的，當(dāng)接枝時間較長時(>60 min)，接枝位點數(shù)量趨于飽和，即使延長接枝時間也不會結(jié)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(yīng)面優(yōu)化試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗優(yōu)化分析

在單因素試驗基礎(chǔ)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(yīng)值(Y)，按照表1的設(shè)計進行響應(yīng)面試驗，試驗方案和結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及響應(yīng)值

采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析，并建立二次響應(yīng)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(jié)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(tǒng)計學(xué)意義。此外，模型的R-Squared為0.9383，表明有93.83%的數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)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(jù)響應(yīng)面優(yōu)化模型預(yù)測結(jié)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(jīng)過3次平行試驗，得到PCL的接枝率為30.35%±0.74%，接近模擬預(yù)測值，說明該模型獲得的最佳接枝工藝準(zhǔn)確、可靠。

2.3 Zein/PCL復(fù)合膜的耐水性和機械性

對最優(yōu)工藝下制備的zein/PCL復(fù)合膜的吸水性、接觸角、力學(xué)性質(zhì)進行評價，結(jié)果見表4。由結(jié)果可知，純zein膜具有較高的吸水率(22.58%±1.68%)，這與蛋白質(zhì)分子親疏水性基團的空間排列有關(guān)[18]。PCL吸水率僅為1.65%±0.21%，作為脂肪族聚酯，其表現(xiàn)出較高的耐水性。通過低溫等離子體輔助接枝后，zein/PCL復(fù)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(jié)果可知，zein/PCL復(fù)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(jié)果證明，低溫等離子體輔助制備的zein/PCL復(fù)合膜耐水性比純zein膜有顯著提高。

由表4中力學(xué)參數(shù)結(jié)果可知，PCL膜斷裂伸長率高達536.42%±0.61%，表現(xiàn)出良好的柔韌性。PCL分子鏈中的C-C鍵和C-O鍵的旋轉(zhuǎn)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(fù)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(tǒng)計學(xué)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(jié)構(gòu)，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(fù)合膜機械性能的改善并不明顯。

表4 Zein/PCL復(fù)合膜的耐水性和機械性

2.4 Zein/PCL復(fù)合膜的土壤降解性

不同周數(shù)的樣品膜的土壤降解狀態(tài)如圖7所示。由結(jié)果可以看出，純zein膜在填埋的第一周里就出現(xiàn)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(guān)。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(xiàn)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(nèi)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(jié)果可知，在第一周和第二周時zein/PCL復(fù)合膜出現(xiàn)了吸水形變，但程度不及純zein膜，這與表面的PCL接枝層有關(guān)。在第三周和第四周時同樣出現(xiàn)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(fù)合膜具有相對良好的土壤降解能力。

圖7 Zein/PCL復(fù)合膜的土壤降解性

3 結(jié)束語

本研究采用低溫等離子輔助制備zein/PCL復(fù)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(yīng)面法優(yōu)化PCL接枝工藝并建立相關(guān)回歸模型。結(jié)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(fù)合膜中PCL接枝率可達30.35%±0.74%，顯著高于未經(jīng)低溫等離子體預(yù)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(fù)合膜土壤性良好。本文結(jié)果為低溫等離子體改性技術(shù)應(yīng)用于蛋白膜表面修飾提供了理論依據(jù)，具有一定應(yīng)用價值和前景。