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
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