等离子体辅助玉米醇溶蛋白电诱导沉积成膜的工艺优化

董 爽，李晓宇，郭 鹏，陈 野，李宏军

等离子体辅助玉米醇溶蛋白电诱导沉积成膜的工艺优化

董 爽1，李晓宇1，郭 鹏1，陈 野2，李宏军1※

（1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000；2. 天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457）

天然玉米醇溶蛋白（Zein）具有良好成膜特性，但其在成膜过程中蛋白无序排列导致膜结构不稳定，限制了实际应用。该研究基于玉米醇溶蛋白的电荷特性，将玉米醇溶蛋白置于平行匀强电场下，诱导蛋白有序自组装排列并沉积成膜，且在诱导液中引入低温等离子体预处理以提高诱导效率。分别探究了玉米醇溶蛋白浓度、溶液pH值以及电流密度对蛋白沉积率的影响，并通过Box-Behnken优化试验获得了最佳沉积工艺为Zein浓度139.5 mg/mL，Zein溶液pH 值为8.17，电流密度14.3 A/m2，在优化条件下，玉米醇溶蛋白的沉积率可达1.120 mg/cm2，显著高于未经等离子体处理的沉积率0.483 mg/cm2，表明等离子体辅助可有效提高电诱导中玉米醇溶蛋白的沉积率。扫描电子显微镜图像显示采用等离子体辅助电诱导制备的沉积膜表面更平整、光滑。傅里叶红外光谱分析表明，电诱导可使玉米醇溶蛋白二级结构中-转角和无规则卷曲结构向-折叠及-螺旋结构转化。研究结果为电诱导玉米醇溶蛋白成膜技术提供参考，有利于拓展低温等离子体在蛋白质领域的应用。

膜；电诱导；等离子体；玉米醇溶蛋白；沉积率

0 引 言

玉米醇溶蛋白（Zein）多存在于玉米胚芽中，占玉米中蛋白质的60%～68%[1-2]，目前主要采用湿法从玉米淀粉加工的副产物玉米黄粉中提取[3]。其分子结构中包含有9个相邻平行或反平行排列的螺旋结构单元，螺旋首尾处以谷氨酰胺相连，构成了大小为130 Å×30 Å×12 Å的棱柱[4-5]。玉米醇溶蛋白分子中包含大量的非极性氨基酸[6-7]，一般不溶于水，可溶于60%～95%的醇水溶液、强碱、丙二醇等有机溶剂混合液[8]。天然玉米醇溶蛋白具有理想的成膜特性[9]，使其在可降解包装材料、药物包埋与缓释、医学组织支架等领域有着广阔的应用前景。然而，玉米醇溶蛋白在醇水溶液中以无规则线团形式存在，成膜过程中蛋白无序排列导致蛋白膜结构不稳定[10]，薄膜存在力学性能和耐水性差等问题，限制了玉米醇溶蛋白的实际应用，导致其目前大多作为低价值的饲料蛋白出售[11]，亟需探寻高效的改性方法以提高工业利用率。

电诱导沉积成膜技术是基于带电粒子所带电荷的性质和强弱，在电场力作用下发生自发性的迁移，形成稳定、有序的聚集体并沉积在电极板或其他形式的载体上，形成功能性质良好的生物薄膜材料[10,12-13]。目前电诱导沉积技术在生物传感器[14]、表面抗菌涂层[15-16]、药物控释[17]等领域有着广阔的应用前景。与其他蛋白质类似，玉米醇溶蛋白的末端氨基、末端羧基及侧链的游离基团可在溶剂中发生两性解离。当处于一定pH值条件下，玉米醇溶蛋白在溶液中解离后使分子表面带有电荷，如果此时将其置于平行电场内，带电荷的蛋白可以实现向正极或负极泳动，且能自组装排列吸附在相应的电极板上，如果延长反应时间，可以实现层层堆叠最终形成沉积膜[18]。在电诱导过程中，玉米醇溶蛋白迁移的方向取决于蛋白分子所带的净电荷数，若调节溶液pH值小于等电点时，则玉米醇溶蛋白带正电，在电场中向负极方向沉积，相反，若调节溶液pH值为大于等电点时，则玉米醇溶蛋白带负电荷，在电场中向正极方向沉积。玉米醇溶蛋白在体积分数为80%乙醇溶液中，pH值在2～12范围内随着pH值的升高，玉米醇溶蛋白电位由+16.2 mV（pH值为2）降低至-30.1 mV（pH值为12）[10]，证明在pH值升高的过程中，玉米醇溶蛋白粒子由正电荷向负电荷转变。在pH值为5.97时所带净电荷数为0，该pH值为玉米醇溶蛋白的等电点。王君予[10]分别在玉米醇溶蛋白膜制备和干燥过程中引入外加电场，利用电诱导下蛋白成膜液中带点粒子的迁移运动改变蛋白膜内部结构。研究发现，平行电场的改性效果要优于垂直电场，膜的功能特性均有改善。徐慧等[13,19]分别探究了不同乙醇浓度和电流密度下，电场诱导对玉米醇溶蛋白浇铸成膜过程的影响。结果显示在电场和乙醇浓度协同作用下，玉米醇溶蛋白分子有序排列形成均匀网络状结构，通过调节乙醇浓度和电流密度可获得具有一定机械强度，同时具有亲/疏水特性的玉米醇溶蛋白膜。综上可知，通过电诱导制备的玉米醇溶蛋白膜理化性质较传统流延法成膜更为均匀，膜结构紧密，性能稳定。

然而，在电诱导过程中，天然玉米醇溶蛋白胶束尺寸较大（150～550 nm）[20]，且分布不均、易聚集，降低了电诱导过程中蛋白质分子的运动性以及沉积效果，限制了其在电诱导沉积成膜中的应用。基于前期研究发现[21]，采用低温等离子体处理3 min后，玉米醇溶蛋白胶束粒径由（231.25±2.38）nm降低至（177.16±3.07）nm。此外，处理后粒径尺寸的均匀性有明显提高，胶束之间的聚集程度有降低。低温等离子体体系中含有电子、离子、自由基、光子等多种活性粒子，这些粒子绝大多数携带较高能量（200～4 000 kJ/mol）[22-23]，往往高于常见有机物化学键的键能以及蛋白分子间作用力，如疏水作用力（4.2～8.4 kJ/mol）、氢键（8.4～20.9 kJ/mol）、二硫键（209.5～418.1 kJ/mol）、范德华力（0.4～4.0 kJ/mol）等。因此，通过等离子体中高能粒子撞击玉米醇溶蛋白胶束，可以破坏蛋白质分子链之间的分子间作用力，降低分子的聚集程度，形成尺寸更小的玉米醇溶蛋白胶束。此外，研究发现等离子体处理后，玉米醇溶蛋白溶液的黏度下降，电导率显著提高（<0.05）[21]。这表明等离子体预处理后的玉米醇溶蛋白溶液具有更理想的粒径尺寸和电化学特性，可能利于提高在电诱导过程中蛋白自组装动力及薄膜沉积效率。

虽然实验室在前期研究中已证明了玉米醇溶蛋白胶束在平行外置电场力作用下可自组装定向排列并沉积在相应电极板表面[24]，但沉积技术中玉米醇溶蛋白浓度、玉米醇溶蛋白溶液pH值以及电流密度等因素对蛋白沉积效果的影响仍未知晓。此外，采用等离子体预处理有助于提高蛋白电诱导沉积效率的猜想仍未得到验证。本文采用等离子体辅助电诱导玉米醇溶蛋白沉积成膜，分别探究玉米醇溶蛋白浓度、溶液pH值以及电流密度对蛋白沉积率的影响，通过Box-Behnken优化试验获得了优化沉积工艺。在此基础上对沉积膜进行表面形貌扫描、表面元素组成及蛋白二级结构分析，进一步探究等离子体预处理及电场诱导作用下蛋白微观结构的变化。本研究拟为电诱导玉米醇溶蛋白成膜技术提供参考，并有利于拓展低温等离子体在蛋白质大分子领域的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米醇溶蛋白（纯度>95%），日本和光纯药工业株式会社；无水乙醇（分析纯），天津市北方天医化学试剂厂；氧化铟锡（Indium-Tin Oxide，ITO）涂层导电玻璃，珠海Kaivo光电科技有限公司。

1.2 仪器与设备

CTP-2000K型低温等离子体处理仪，南京苏曼等离子科技有限公司；DYY-6C型电泳仪，北京六一生物科技有限公司。AL204型分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。PHS-3E型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司。SUI1510型扫描电子显微镜，日本日立株式会社。Inca X-Max能谱分析仪，牛津仪器（上海）有限公司。NICOLET IS50型傅里叶红外光谱仪，美国尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白诱导液的等离子体预处理方法

称量一定量的玉米醇溶蛋白粉末，溶解于体积分数80%乙醇中。摇床振荡30 min，充分溶解后60 ℃水浴加热10 min。取出待冷却至室温（25.0±0.1）℃。参考Dong等[25]报道的等离子体处理参数，处理条件为输入电压65 V，输入电流（1.0±0.2）A，处理时长为3 min。将等离子体预处理后的诱导液密封并置于4 ℃下静置12 h待用。

1.3.2 平行匀强电场诱导玉米醇溶蛋白自组装沉积成膜方法

基于蛋白质分子两性解离的特点，调节溶液pH值在玉米醇溶蛋白等电点（pI=5.97）前后可使蛋白分子带有正电荷或负电荷，进而在平行匀强电场诱导下实现向负极或正极迁移。电场诱导玉米醇溶蛋白沉积成膜的机理如图1所示。试验发现，ITO电极板负极在电场中极易氧化变黑，降低玉米醇溶蛋白沉积膜品质。因此，本试验通过调节溶液pH值大于5.97，使玉米醇溶蛋白带负电荷，并收集正极电极板上的沉积膜。

图1 电诱导玉米醇溶蛋白自组装成膜机理

调整玉米醇溶蛋白诱导液为不同pH值，以ITO导电玻璃（2.0 cm×3.0 cm，ITO涂层0.15～0.20m）为电极，将两块电极板的导电面相对放置，固定间距为3.0 cm，平行插入诱导液中，使电极板垂直于诱导液，联入电泳仪。在不同电流密度下对玉米醇溶蛋白溶液进行电诱导沉积成膜，诱导时间为1 min。结束后将沉积膜立即取出并干燥至恒定质量，置于50%±2%相对湿度环境中平衡7 d后进行表征和分析。

1.3.3 单因素试验

固定电诱导玉米醇溶蛋白沉积成膜工艺的基本条件为玉米醇溶蛋白浓度100 mg/mL，玉米醇溶蛋白溶液pH值为8，电流密度为10 A/m2。在基本条件下，分别探究玉米醇溶蛋白浓度（30、50、100、125、150 mg/mL）、玉米醇溶蛋白溶液pH值（6、7、8、9、10）、电流密度（5、7、10、15、20 A/m2）对电极板上玉米醇溶蛋白沉积率的影响，所有试验重复3次并对结果取平均值。

1.3.4 沉积率（Deposition Rate，DR）测定

沉积率（DR，mg/cm2）为电诱导成膜后，单位面积ITO电极板上玉米醇溶蛋白沉积的质量。精准称量ITO电极板的质量（1，mg）和玉米醇溶蛋白溶液经电诱导后ITO电极板的质量（2，mg），按公式（1）计算DR：

式中DR为玉米醇溶蛋白在ITO板上的沉积率，mg/cm2；1为未诱导的ITO电极板质量，mg；2为电诱导蛋白沉积后的ITO电极板质量，mg；为 ITO电极板的表面积，cm2。

1.3.5 微观形貌扫描

对优化工艺条件下的玉米醇溶蛋白膜（即等离子体辅助电诱导玉米醇溶蛋白膜）进行微观形貌表征，并以同等成膜条件下未经等离子体预处理或未经电诱导的蛋白膜作为对照。将膜样品进行真空喷金后固定于样品台上，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对沉积膜表面微观形貌进行观察并拍照，加速电压为5.0 kV。

1.3.6 表面化学元素测定

采用与SEM连用的X射线能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）对优化工艺条件下的玉米醇溶蛋白膜表面化学元素进行测定，以同等成膜条件下未经电诱导的蛋白膜为对照，每个样品随机选择5个位置进行扫描，结果取平均值。

1.3.7 红外二级结构分析

采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱（Attenuated Total Reflection-Fourier Transform Infrared Spectroscopy，ATR-FTIR）对优化工艺条件下的玉米醇溶蛋白膜进行扫描，以同等成膜条件下未经电诱导的蛋白膜为对照。扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1，光谱扫描范围为400～4 000 cm-1。参考Fellows等[26]的方法，应用OMNIC 8.4及Peakfit 4.12软件对酰胺I区（1 600～1 700 cm-1）光谱进行傅里叶自去卷积（Fourier Self-Deconvolution，FSD）和峰拟合等数据处理，计算样品中各二级结构组分的相对百分含量。

1.3.8 数据分析

采用SPSS 16.0和Origin 8.0软件对数据进行统计学分析并作图，采用Design-Expert 8.0软件进行Box-Behnken试验设计。

2 结果与分析

2.1 各因素对玉米醇溶蛋白沉积率的影响

电诱导工艺中各因素对玉米醇溶蛋白沉积率的影响如图2所示。由图2a结果可知，在一定浓度范围（30～125 mg/mL）内，沉积率随着玉米醇溶蛋白溶液浓度的增加而增加。在蛋白浓度为125 mg/mL 时达到沉积率最大值。玉米醇溶蛋白浓度越高，单位体积溶液中带电粒子数越多，溶液电导率提高，进而提高了蛋白沉积率。但当蛋白浓度提高到150 mg/mL时，沉积率反而有所降低（<0.05）。这是由于当蛋白质浓度过大时形成的胶束聚集程度较高，在此影响下溶液的黏度较大进而使电诱导中溶液的迁移阻力大，自组装动力较弱，最终导致沉积率有所降低。

a. 玉米醇溶蛋白浓度对沉积率的影响a. Effects of zein concentration on deposition rateb. 玉米醇溶蛋白溶液pH值对沉积率的影响b. Effects of pH value of zein solution on deposition ratec. 电流密度对沉积率的影响c. Effects of electric current density on deposition rate

注：图中小写字母不同表示在＜0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences at<0.05 level.

图2 电诱导因素对玉米醇溶蛋白沉积率的影响

Fig.2 Effects of different electric induction factors on the deposition rate of zein

溶液pH值通过影响玉米醇溶蛋白的电荷性质及电荷数量进而影响沉积效率。当pH值在6～10范围内，随着pH值的增加沉积率呈现先增加后降低的趋势（图2b）。当溶液pH值为6时，接近于玉米醇溶蛋白等电点5.97，此时蛋白携带电荷数量较少，在匀强电场中受到的诱导作用力较弱，因此沉积率为最小值。随着溶液pH值的提高，pH值逐渐偏离等电点，此时玉米醇溶蛋白的末端羧基、末端氨基以及侧链游离基团更多发生解离，蛋白所带电荷数量增加进而使玉米醇溶蛋白在电场下的迁移效率更高。当溶液pH值为9和10时，蛋白质在强碱性环境下出现了一定程度的变性，导致多肽链部分展开[27]，蛋白质分子结构失稳进而导致沉积率的降低（图2b）。

相比之下，电流密度对沉积率的影响相对较小（>0.05），仅在15 A/m2时沉积率（(1.055±0.030) mg/cm2）显著高于其他样品（<0.05）（图2c）。当进一步提高电流密度至20 A/m2时，沉积率反而下降。电流密度反映的是导电面上负载的电流大小，其影响着玉米醇溶蛋白在电场中受到的驱动力强弱。较低的电流密度下（5～10 A/m2），蛋白自组装动力较弱，因此玉米醇溶蛋白沉积率相对较低，仅在15 A/m2时达到最大值。但当电流密度达到20 A/m2时，蛋白受到的电场力较强，一定程度上破坏了网状结构[13]，降低了薄膜的均匀性，从而导致沉积率不升反降。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面设计与结果

基于单因素试验结果选择合适的水平，根据Box-Behnken试验设计原理，以玉米醇溶蛋白浓度（）、玉米醇溶蛋白溶液pH值（）、电流密度（）三个因素为自变量，以Zein沉积率（）为响应值，对沉积工艺进行响应面优化，试验设计及结果如表1所示。

表1 响应面试验设计及响应值

2.2.2 回归模型建立与方差分析

对试验数据进行多元回归模型拟合，得到二次多项式回归方程

=1.1+0.054+0.068+0.019-0.045-0.037

-0.013-0.042-0.132-0.0192（2）

对上述模型进行方差分析，结果如表2所示。由表2可知，回归模型极显著（<0.01）而失拟项不显著（>0.05，模型决定系数2=0.949 7，变异系数为3.41，表明该回归方程具有较高的拟合度且误差较小。一次项、和二次项2对沉积率的影响为极显著（<0.01），交互项和二次项2对沉积率的影响大小为显著（<0.05）。此外，各因素对玉米醇溶蛋白沉积率影响排序从大到小为（Zein溶液pH值）、（Zein浓度）、（电流密度）。

表2 回归方程显著性检验与方差分析结果

2.2.3 各因素交互作用分析与最优条件验证

图3为各因素之间的响应面图，其中，Zein浓度和Zein溶液pH值对沉积率影响显著，曲面陡峭，呈椭圆形，与方差分析结果一致。通过对试验模型分析并结合试验的可操作性，得到玉米醇溶蛋白沉积的优化沉积工艺为Zein浓度139.5 mg/mL，Zein溶液pH值8.17，电流密度14.3 A/m2，在此条件下经过3次重复试验，玉米醇溶蛋白平均沉积率为1.120 mg/cm2，与预测值相对误差<5%，表明该模型合理、准确。另外，为证明等离子体的作用效果，试验进行了优化沉积工艺条件下未经等离子体预处理的沉积膜，测得沉积率为0.483 mg/cm2，证明等离子体预处理可有效提高电诱导下玉米醇溶蛋白的沉积率。

2.3 玉米醇溶蛋白沉积膜的微观形貌

为进一步分析等离子体预处理以及电场诱导在玉米醇溶蛋白沉积成膜中的作用，通过SEM对玉米醇溶蛋白膜进行微观形貌扫描。由图4可知，不同处理方式的3个样品SEM图有显著差异。图4a为未经等离子体预处理的沉积膜，其表面分布着较多密集的圆形孔洞，且表面附着较多小尺寸颗粒物。这是由于未经过等离子体处理的玉米醇溶蛋白胶束粒径大小不均，且平均径较大[20]。在电诱导力作用下表现出不同的迁移速率，影响了沉积膜的均匀性。此外，胶束粒径的不均匀性影响了成膜液中溶剂挥发速率，导致较多孔洞和颗粒物出现。由图4b可知，经等离子体预处理但未经电诱导的玉米醇溶蛋白膜表面不平整，存在较多褶皱。未经电诱导的玉米醇溶蛋白胶束排列相对无序，其成膜过程仅为物理性吸附，玉米醇溶蛋白与成膜介质间的结合力较弱，容易剥离。图4c是基于最优沉积工艺的等离子体预处理电诱导沉积膜，相比之下，该膜的表面形貌较为平整、光滑，有少量颗粒物附着于表面。经过等离子体预处理后，玉米醇溶蛋白胶束大小更均匀，且聚集度降低，在电场诱导下呈现规律性排布，进而提高了蛋白质网络结构的有序性和沉积膜的均匀性。徐慧等[19]也报道过类似结论，在玉米醇溶蛋白浇筑成膜过程中引入电诱导，SEM观察发现薄膜粗糙度有明显降低，断面无孔隙出现，表明玉米醇溶蛋白在电场作用下可形成有序排列，进而影响了膜的微观形貌。

图3 各因素互相作用响应面图

a. 未经等离子体预处理的玉米醇溶蛋白膜a. Electric induced deposited zein film without plasma pretreatmentb. 未经电诱导的玉米醇溶蛋白膜b. Naturally deposited zein film with plasma pretreatmentc. 等离子体辅助电诱导玉米醇溶蛋白膜c. Electric induced deposited zein film with plasma pretreatment

2.4 玉米醇溶蛋白沉积膜的表面元素

采用EDS分别对未经电诱导的玉米醇溶蛋白膜、电诱导玉米醇溶蛋白沉积膜、ITO导电玻璃的表面元素进行扫描和分析，表面化学元素组成及相对含量结果如表3所示。由表3可知，未经电诱导的玉米醇溶蛋白膜主要由C、N、O、In等元素组成，另外还含有少量Na、S、Si元素。而经过电诱导后，玉米醇溶蛋白沉积膜表面主要存在C、N、O、Na、S 5种元素，In元素和Si元素含量降为0。In元素来自于ITO导电玻璃的铟锡涂层（厚度0.155～0.205m）[28]，Si元素来自于ITO导电玻璃的基材SiO2，该两种元素分别占总体的23.63%±0.20%和27.92%±0.09%（表3）。未经电诱导的zein膜表面发现的In元素和Si元素很有可能是由于未经电诱导的蛋白膜厚度较薄或是分布不均匀导致在能谱扫描时检测到了部分ITO玻璃的成分。此外，通过对比表3可知，相比之下电诱导zein沉积膜元素组成的标准偏差普遍小于未诱导玉米醇溶蛋白膜，这表明采用电诱导制备的玉米醇溶蛋白沉积膜其表面元素的均匀性要高于未诱导，这与2.3节中SEM结果一致。

表3 等离子体辅助玉米醇溶蛋白沉积膜的表面元素组成及相对百分含量

2.5 玉米醇溶蛋白沉积膜的二级结构

为了获得玉米醇溶蛋白沉积膜化学基团及二级结构信息，采用FTIR对玉米醇溶蛋白膜进行表征，FTIR光谱和酰胺I区峰拟合图如图5所示，二级结构相对含量的结果如表4所示。根据蛋白质中的重复结构单元的振动，其红外图谱可划分为9个特征吸收区域，分别是酰胺A区、酰胺B区和酰胺I～VII区[29]。由图5可知，玉米醇溶蛋白在波数3 295 cm-1（酰胺A区）附近存在较宽阔的吸收峰，其对应蛋白中O-H伸缩振动结构。波数范围1 200～1 480 cm-1为蛋白的指纹图谱带[30]，归属于C-H、N-H振动以及酰胺结构的异构体。波数范围1 600～1 700 cm-1为蛋白的酰胺I区，对应C=O伸缩振动。波数范围1 500～1 600 cm-1为蛋白的酰胺II区，归属于C-N伸缩振动和N-H弯曲振动。对比图5可知，未诱导和电诱导的玉米醇溶蛋白膜FTIR图谱整体差异不大，未出现新峰以及明显的峰位偏移，表明电场诱导对玉米醇溶蛋白主体结构无较大影响。

图5 FTIR红外光谱及酰胺I区峰拟合图

表4 二级结构的相对含量

在FTIR光谱中，酰胺I区对蛋白分子结构中的微小振动和氢键类型极度敏感，可用来分析二级结构信息及蛋白质空间构象[31]。通过对酰胺I区光谱进行基线校正、傅里叶自去卷积和高斯-洛伦兹函数峰拟合等数据处理，获得蛋白质各二级结构单元的相对百分含量。由表4结果可知，电诱导玉米醇溶蛋白沉积膜的-折叠含量由未诱导的30.43%提高至40.59%，-螺旋含量由未诱导的11.40%增加至12.40%。而-转角和无规则卷曲结构含量降低，经过诱导后的蛋白膜中-转角含量较未诱导下降了10.41个百分点。FTIR结果表明电诱导可导致玉米醇溶蛋白二级结构中-转角和无规则卷曲结构向-折叠及-螺旋结构转化，-折叠及-螺旋结构在蛋白质二级结构中属于相对紧密、稳定、有序的结构[32]，这表明电诱导后蛋白膜空间结构的有序性和稳定性有所提高。此外，氢键是维系蛋白质二级结构的主要作用力，电诱导后二级结构的变化意味着玉米醇溶蛋白肽链骨架中氢键数量的增加，使玉米醇溶蛋白多肽链在空间上进一步折叠和螺旋，形成更稳定、有序的二级结构。

3 结 论

本文确定了等离子体辅助玉米醇溶蛋白电诱导自组装沉积成膜的优化工艺为Zein浓度139.5 mg/mL，Zein溶液pH 值8.17，电流密度14.3 A/m2，在此条件下，玉米醇溶蛋白的沉积率可达1.120 mg/cm2。各因素对玉米醇溶蛋白沉积率影响大小排序为溶液pH值、玉米醇溶蛋白浓度、电流密度。扫描电子显微镜表明采用等离子体辅助电诱导制备的沉积膜表面平整、光滑，蛋白胶束在电场作用下有序排列使沉积膜结构具有更高的稳定性和有序性。傅里叶变换红外光谱分析得出电诱导可使玉米醇溶蛋白二级结构中-转角和无规则卷曲结构向-折叠及-螺旋结构转化。通过等离子体辅助制备的玉米醇溶蛋白电诱导沉积膜可作为基底材料适用于生物传感器、仿生材料、可控释药物递送系统等应用，对于提高玉米醇溶蛋白应用价值具有一定参考意义。后续可通过添加适量增塑剂来实现玉米醇溶蛋白膜与导电面的剥离，进一步提高应用价值。

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Optimization of the preparation of electric induced deposited zein film assisted by plasma pretreatment

Dong Shuang1, Li Xiaoyu1, Guo Peng1, Chen Ye2, Li Hongjun1※

(1.,,255000,; 2.,,300457,)

Zein is one of the most important food compositions as-Generally Recognized As Safe (GRAS). Wet milling was often used to extract the zein from the processing byproducts of corn starch. The current zein is widely applied as the low-value feed protein, due mainly to the low water solubility and the less essential amino acids. A high proportion of hydrophobic amino acids and abundant disulfide bonds can be expected to greatly contribute to the better film-forming property of zein. However, the practical application of zein can be confined to the disordered arrangement in the form of random strands in the aqueous ethanol solution, leading to the unstable structure of zein film. Fortunately, the uniform electric induction assisted with the cold plasma pretreatment can be applied to induce the zein micelles to be self-assembly deposited on the Indium Tin Oxide (ITO) glass substrate using the amphoteric dissociation. Smaller particle size and better electrochemical characteristics can be achieved for the zein film after the cold plasma pretreatment. The deposition efficiency of zein can also be improved during the electric induction process. In this study, an optimal preparation was proposed for the electric-induced deposited zein film that was assisted by plasma pretreatment. Specifically, the plasma pretreatment conditions were set to obtain the proper particle size of zein micelles, with the generation voltage of 65 V, the input current of (1.0±0.2) A, and the treatment duration of 3 min. The influence of electric induction parameters was studied under the treatment condition of the zein concentration (30, 50, 100, 125, and 15.0 mg/mL), pH values (6, 7, 8, 9, and 10), and electriccurrentdensity (5, 7, 10, 15, and 20 A/m2). A Box-Behnken experiment was also carried out to optimize the largest deposition rate on the ITO glass substrate. The single factor experiment showed that the deposition rate of zein film increased with the increasing concentration and pH of zein solution. The optimal conditions were achieved as follows: the zein concentration of 139.5 mg/mL, the zein solution pH of 8.17, and the electriccurrentdensity of 14.3 A/m2. The deposition rate of zein reached 1.120 mg/cm2under the optimal conditions, which was significantly higher than the sample without the plasma pretreatment (0.483 mg/cm2). It infers that the plasma treatment effectively enhanced the deposition rate of zein during electric induction. Scanning Electron Microscope (SEM) images indicated that smoother and much more uniform surface morphology was achieved in the electric-induced deposited zein film that was assisted by plasma pretreatment, compared with the untreated. Energy Dispersive Spectrum (EDS) analysis showed the In or Si element was not found in the electric-induced deposited zein film with the plasma pretreatment. More importantly, there was a similar profile of Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) spectra between the induced and untreated films, indicating no remarkable influence of the electric-induced deposition on the main structure of zein. The secondary structure of the protein was also drawn from the peak analysis of the amide I region (1 600-1 700 cm-1). It was found that the-turn and random coil were transformed into the much more ordered-folding and-helix structure. In conclusion, the finding can lay the theoretical foundations to fabricate the zein film using electric induction. The high-value utilization of zein can be expected in the development of cold plasma in the protein modification field. The microstructure of electric-induced deposited zein film can also be further modified for specific use in the subsequent investigation.

films; electric induction; plasma; zein; deposition rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035

TQ321.4

A

1002-6819(2022)-16-0322-08

董爽，李晓宇，郭鹏，等. 等离子体辅助玉米醇溶蛋白电诱导沉积成膜的工艺优化[J]. 农业工程学报，2022，38(16)：322-329.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035 http://www.tcsae.org

Dong Shuang, Li Xiaoyu, Guo Peng, et al. Optimization of the preparation of electric induced deposited zein film assisted by plasma pretreatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 322-329. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035 http://www.tcsae.org

2021-11-26

2022-07-27

国家自然科学基金资助项目（31901607）

董爽，博士，副教授，研究方向为植物蛋白质高值化利用。Email：dongshuangsdut@126.com

李宏军，博士，教授，研究方向为农产品加工与利用。Email：lhj6812@163.com