低溫低功率等離子體處理對復(fù)合蛋白基薄膜結(jié)構(gòu)性能的影響

蛋白質(zhì)基薄膜被認(rèn)為是食品包裝開發(fā)中最有潛力的生物可降解聚合物，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)緊密的空間構(gòu)象使得其具有高于普通塑料膜的阻隔性能，能夠很好地保護(hù)食品不受外界氣體和水分滲入的影響而發(fā)生氧化和腐敗，從而延長食品的保質(zhì)期[1]。本文大量的前期研究工作發(fā)現(xiàn)乳清分離蛋白-酪蛋白酸鈉復(fù)合蛋白膜是一類具有高強(qiáng)度、高阻隔性的相對較為疏水的可食性薄膜[2]。為了強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、改善薄膜拉伸性能和對水分的敏感性，前期采用了不同方式對復(fù)合蛋白膜進(jìn)行改性，如在成膜溶液中加入多糖的方式，構(gòu)建蛋白質(zhì)-多糖美拉德反應(yīng)體系，顯著提高了薄膜疏水性和阻隔性能，并使薄膜具備了一定的抗氧化特性此外，通過使用靜態(tài)超高壓、等離子體處理成膜溶液所制備而得的復(fù)合蛋白膜也呈現(xiàn)出更加優(yōu)良的成膜特性[3-5]。

等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。處于核聚變狀態(tài)的物質(zhì)、電弧、閃電、極光等都是高溫等離子體，高溫等離子體在切割、冶煉、焊接等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。低溫等離子體技術(shù)是一種能夠?qū)γ舾胁牧线M(jìn)行滅菌和改性的新興非熱技術(shù)，能夠利用放電產(chǎn)生的自由基、電子、正負(fù)離子、原子和分子的激發(fā)態(tài)或基態(tài)以及紫外線光子等物質(zhì)，通過刻蝕、交聯(lián)和氧化反應(yīng)來溫和地修飾蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)[6]。因此，低溫等離子體技術(shù)被視為物理、化學(xué)和光化學(xué)修飾技術(shù)的組合體[7]。低溫等離子體技術(shù)作為一種材料表面處理技術(shù)，在不損傷材料本身性能的情況下能夠有效提高聚合物的黏合性和功能性，如，低溫等離子體在放電過程中轟擊薄膜表面，會(huì)導(dǎo)致其形態(tài)在微米到納米范圍內(nèi)發(fā)生巨大變化，同時(shí)會(huì)使晶體含量和位置改變，薄膜結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)異變，最終對薄膜表面粗糙度、油墨附著力、機(jī)械性能、阻隔性能、接觸角和生物降解性產(chǎn)生一定程度的影響作用[1, 8-9]。PANKAJ等[10]研究結(jié)果顯示，低溫等離子體處理明膠薄膜后增加了薄膜表面粗糙度，并且粗糙度取決于等離子體的處理時(shí)間。輸入的功率對等離子體處理的效率有很大影響，較低功率的等離子體處理可以減小實(shí)驗(yàn)過程中形成的臭氧以及氮氧化合物對聚合物產(chǎn)生的過度氧化[11]。除此之外，等離子體處理過程中，由于活性氧的累積而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使得細(xì)菌細(xì)胞膜破裂死亡，這也賦予了等離子體技術(shù)在一定條件下具有高于一般滅菌技術(shù)效率的能力[12-13]。

為此，為了深入探究低溫低功率等離子體處理技術(shù)在蛋白基薄膜成膜工藝中的應(yīng)用，開發(fā)其潛在的功能特性，本文擬在前期對復(fù)合蛋白基成膜溶液等離子處理的研究基礎(chǔ)上[3]，進(jìn)一步對成型薄膜進(jìn)行不同程度的低溫等離子體處理，通過分析薄膜蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化、微觀形態(tài)、熱穩(wěn)定性、表面親水性和親油性、機(jī)械性能、阻隔性能以及滅菌能力的變化，進(jìn)一步提升復(fù)合蛋白基薄膜性能的改良空間，以力圖使其適應(yīng)于現(xiàn)代食品包裝的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，同時(shí)，也為低溫等離子體技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

乳清分離蛋白粉(蛋白質(zhì)>98%)，美國ISOPURE公司；酪蛋白酸鈉(蛋白>99.21%)，上海麥克林生化科技有限公司；丙三醇(甘油，分析純)，上海麥克林生化科技有限公司；去離子水，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Piezobrush PZ2等離子處理儀，德國RP plasma公司；T25數(shù)顯型高速分散機(jī)，德國艾卡公司；PERMATRAN-W Model 1/50G水蒸氣透過率測試儀、OX-TRAN 2/21氧氣透過率測試儀，美國MECON有限公司；XLW(EC)型智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南藍(lán)光機(jī)電技術(shù)有限公司；JC2000C接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；SU5000熱場發(fā)射掃描電鏡，日本日立高新技術(shù)公司；Q2000差示掃描量熱儀，美國TA儀器公司；Nicolet iS10傅立葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技有限公司；WGT/S透光率/霧度測定儀，上海精科儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 薄膜制備及等離子體處理方法

稱量24 g 乳清分離蛋白粉、16 g酪蛋白酸鈉粉末分別溶解于400 mL去離子水中。溶液于室溫下攪拌60 min混合均勻后升溫至85 ℃同時(shí)連續(xù)攪拌30 min以使蛋白變性。溶液冷卻至室溫后加入14 g甘油，室溫下攪拌均勻，真空脫氣后，將溶液等量倒入制膜容器中，置于65 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥5 h，薄膜成型后揭下。使用等離子體處理儀對在距離薄膜1.5 cm處對大小為5 cm×5 cm薄膜表面進(jìn)行5、10、15、20 min的處理。最后，薄膜置于23 ℃、50%相對濕度(relative humidity，RH)的恒溫恒濕箱中放置待測[3]。

1.3.2 傅立葉紅外光譜掃描

利用傅立葉紅外光譜研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子間的相互作用。在4 cm-1的分辨率下，從4 000到500 cm-1掃描所有薄膜16次，并通過Omnic 8.0軟件分析光譜[14]。

1.3.3 電鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)

通過SEM拍攝等離子體處理后薄膜的表面微觀形態(tài)。通過將樣品膠粘到樣品臺(tái)上，噴金以提高圖像分辨率和對比度，在6 kV的加速電壓分析薄膜表面微觀形態(tài)[15]。

1.3.4 差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)

稱量薄膜樣品(約5 mg)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下(吹掃氣流為20 mL/min)，以10 ℃/min的加熱速率從0 ℃到225 ℃進(jìn)行分析，使用Universal analysis 2000軟件對圖形和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[14]。

1.3.5 表面接觸角測量

室溫下，裁剪3 cm×3 cm薄膜置于懸滴液下0.5 cm處，向薄膜表面滴約3 μm的液體，并用相機(jī)記錄圖像，用ImageJ軟件對獲取的圖像進(jìn)行分析[16]。

1.3.6 機(jī)械性能測定

裁剪1.5 cm寬和5 cm長的薄膜樣品固定于智能電子拉力機(jī)夾具之間。初始夾距為50 mm，拉伸速度設(shè)置為300 mm/min，持續(xù)施加拉力直到薄膜斷裂。記錄樣品拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率[16]。

1.3.7 阻隔性能測定

利用紅外法測量樣品的水蒸氣透過率，設(shè)置水蒸氣透過率測量儀參數(shù)：樣品兩側(cè)濕度差為90%，測試溫度為25 ℃。測量結(jié)束記錄樣品水蒸氣透過率并計(jì)算水蒸氣透過系數(shù)[2]。

氧氣透過率測試是根據(jù)PANKAJ等[16]實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)進(jìn)行修改，用樣品切割工具對樣品進(jìn)行剪裁成50 cm2的樣品待用，在環(huán)境溫度為23 ℃下進(jìn)行測試。

1.3.8 光學(xué)性能測定

裁剪樣品膜4 cm×4 cm，置于透光測試儀的夾具上，使儀器發(fā)射出的光束垂直透過樣品膜，記錄薄膜透光率和霧度值[3]。

1.3.9 水溶性測定

裁剪樣品膜3 cm×3 cm， 105 ℃烘干24 h，記錄初始質(zhì)量m1。在室溫下，將薄膜浸入放有50 mL蒸餾水的燒杯中，靜置1 d。取出未溶解的薄膜樣品，并于105 ℃烘箱中干燥，稱量直至恒重(0.000 2 g)，最終質(zhì)量記為m2(g)。薄膜水溶性(water solubility，WS)根據(jù)公式(1)計(jì)算而得[3]：

(1)

1.3.10 等離子體處理薄膜菌落總數(shù)測定

根據(jù)GB 4789.2—2016[17]分別對處理時(shí)間為0、5、10、15、20 min薄膜菌落總數(shù)測定。

1.3.11 統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 2019b進(jìn)行作圖分析，使用SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，概率值的P<0.05被認(rèn)為是顯著的，利用Omnic軟件(OMNIC 8.0)和Peakfit v4.12分析樣品的光譜圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)分析

采用FTIR表征等離子體處理薄膜前后的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，如圖1所示。結(jié)果顯示，不同等離子體處理的蛋白薄膜樣品均呈現(xiàn)出相似的紅外光譜，說明在等離子體放電過程中，官能團(tuán)在不同的處理時(shí)間及強(qiáng)度條件下，能夠基本維持穩(wěn)定。由于位于1 600～1 700 cm-1的酰胺I帶(CO拉伸振動(dòng))是蛋白質(zhì)構(gòu)架中最突出和最敏感的振動(dòng)帶，并且與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，對酰胺I帶進(jìn)行分峰擬合計(jì)算二級(jí)結(jié)構(gòu)百分比，通過傅里葉自去卷積、高斯二階擬合和計(jì)算(表1)，其中，α-螺旋在1 650～1 660 cm-1處，β-折疊在1 610～1 640 cm-1處，β-轉(zhuǎn)角在1 660～1 700 cm-1處，無規(guī)則卷曲在1 640～1 650 cm-1處[18]。

圖1 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜FTIR光譜
Fig.1 FTIR spectra of films treated with plasma for different durations

由表1可知，等離子體處理會(huì)對薄膜蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)含量產(chǎn)生波動(dòng)性影響，當(dāng)?shù)入x子體處理10 min后，α-螺旋的百分比從16.47%逐漸升至19.12%，提高了16.10%，而β-折疊的百分比由未處理的37.70%升高至43.04%，提高了14.16 %，隨著處理時(shí)間延長至20 min，α-螺旋百分比減少至17.04%，降低了10.87%，β-折疊的百分比減少至41.97%，降低了2.4%。可以看出，α-螺旋百分比的變化速率要高于β-折疊百分比的變化速率，并且兩者都在短時(shí)間較低能率等離子體處理過程中百分比變化幅度更大。此外，數(shù)據(jù)顯示在等離子體處理過程中，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲所占百分比都呈現(xiàn)出下降趨勢。

上述變化顯示出，復(fù)合蛋白基薄膜的有序結(jié)構(gòu)被等離子體放電處理所改變，這歸因于等離子體放電過程中產(chǎn)生的活性氧和活性氮的作用，對氫鍵產(chǎn)生影響，導(dǎo)致每個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生少量變化[19]。由于α-螺旋比例的提高可能會(huì)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入二硫鍵，因此蛋白膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時(shí)，β-折疊程度的增加也穩(wěn)定了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，說明了較低能率等離子體處理可以提高蛋白膜的穩(wěn)定性[20]。DONG等[6]也發(fā)現(xiàn)了相似的變化。

表1 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)百分比組分變化
Table 1 Percentage of the secondary structure of films treated with plasma for different durations

2.2 表面微觀結(jié)構(gòu)變化

如圖2所示，未經(jīng)等離子體處理的蛋白膜表面光滑，有輕微的空洞，在處理5 min后空洞逐漸消失，開始出現(xiàn)細(xì)微的突起，這可能是由于蛋白質(zhì)聚合導(dǎo)致的；當(dāng)10 min等離子體轟擊薄膜后，薄膜吸收能量使得表面孔洞完全消失，粗糙度增加，顆粒感更加明顯。根據(jù)PANKAJ等[21]的報(bào)道，物理刻蝕(物理除去低分子碎片)和化學(xué)刻蝕(鍵的斷裂，斷鏈，化學(xué)降解)是造成刻蝕發(fā)生的主要原因。由于等離子體處理產(chǎn)生刻蝕效果，導(dǎo)致薄膜表面更為粗糙；而經(jīng)過15～20 min等離子體處理后，薄膜出現(xiàn)了較大、較多的孔洞，且隨著處理時(shí)間的延長，孔洞變多，該現(xiàn)象的發(fā)生與高能率等離子體處理過程中過于劇烈的刻蝕反應(yīng)有關(guān)，這與PANKAJ等[10]研究有相似之處。

a-放大7 000倍電鏡圖；b-放大1 000倍電鏡圖
圖2 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜表面電鏡圖
Fig.2 SEM images of surfaces of films treated with plasma for different durations

2.3 熱性能分析

薄膜的熱流密度與溫度之間的變化關(guān)系如圖3所示，不同時(shí)長等離子體處理后的復(fù)合蛋白膜的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、熱分解溫度(Td)和焓變值(ΔH)如表2所示。從DSC熱分析圖和表2中數(shù)據(jù)可以看出，等離子體處理經(jīng)過5和10 min后，Tg分別由145.56 ℃升至148.07 ℃和150.60 ℃。但是，隨著等離子處理時(shí)間延長至20 min，Tg又降低至143.84 ℃，這顯示可能存在某種結(jié)構(gòu)退化。這一觀察結(jié)果與FTIR結(jié)果一致：處理5和10 min樣品中較高的α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)表明蛋白質(zhì)形成了更規(guī)則有序的結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度提高，因而蛋白質(zhì)鏈的移動(dòng)受到限制使得Tg升高。然而，當(dāng)?shù)入x子處理時(shí)間延長到20 min，等離子體放出能量進(jìn)一步升高，繼而會(huì)引發(fā)化學(xué)刻蝕和蛋白質(zhì)鏈斷裂，從而導(dǎo)致自由體積的增加并降低玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度[10]。

由圖3和表2可知，對照未進(jìn)行等離子體處理薄膜的Td約為183.71 ℃，處理了10 min的復(fù)合蛋白膜Td提升了約73%，而在延長等離子體處理時(shí)間時(shí)，薄膜Td下降至191.35 ℃(20 min)，這可能與等離子釋放出的不同能量使得蛋白質(zhì)聚集程度變化有關(guān)。與此同時(shí)，還觀察到處理時(shí)間延長會(huì)降低分解峰的強(qiáng)度及其焓值，MIAO等[22]觀察到了相同的趨勢。因此判斷較低能率等離子體處理能夠增加β-折疊和α-螺旋的含量，進(jìn)而提高薄膜的熱穩(wěn)定性。

2.4 機(jī)械性能的變化

等離子體處理時(shí)間對復(fù)合蛋白膜機(jī)械性能的影響如表3所示。

圖3 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜DSC熱分析圖
Fig.3 DSC thermogram of films treated with plasma for different durations

表2 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜樣品的熱力學(xué)參數(shù)
Table 2 Thermodynamic parameters of films treated with plasma for different durations

由表3可知，隨著等離子體處理時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，在處理10 min時(shí)抗拉強(qiáng)度顯著增大至12.46 MPa(P<0.05)，而后逐漸降低至7.72 MPa，而薄膜的斷裂伸長率與抗拉強(qiáng)度的變化則與之呈相反的趨勢。在等離子體處理過程中，基于材料表面吸收的能量和等離子體產(chǎn)生的反應(yīng)物質(zhì)，聚合物結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生降解，官能化，刻蝕和交聯(lián)等反應(yīng)[23]。其中，抗拉強(qiáng)度的增加與斷裂伸長率的減小可能是由于等離子體在轟擊蛋白薄膜時(shí)，產(chǎn)生的自由基與薄膜表面自由基發(fā)生鏈反應(yīng)，清除了大量低分子質(zhì)量碎片，使得薄膜的抗拉強(qiáng)度有顯著提升[23]。而處理15～20 min時(shí)，薄膜抗拉強(qiáng)度降低，斷裂伸長率升高，這是由于長時(shí)間、較高能率離子體處理過程中，通過官能化反應(yīng)將含有氧或氮自由基的官能團(tuán)引入聚合物表面，導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)中自由體積的增加，形成了許多松散的低分子質(zhì)量有機(jī)分子[8]。除此之外，等離子體可能導(dǎo)致了過氧化物、羥基和羧酸的形成，它們對薄膜柔韌性起到一定的影響作用，這也解釋了抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率變化的原因[24]。

2.5 阻隔性能的變化

表3中水蒸氣透過系數(shù)和氧氣透過率數(shù)值顯示，與未經(jīng)等離子體處理的薄膜相比，等離子體處理5～10 min可顯著降低水蒸氣透過率和氧氣透過系數(shù)(P<0.05)，即，阻隔性顯著提高，水蒸氣滲透系數(shù)由未處理的6.51×10-12 g·cm/(cm2·s·Pa)降低至10 min后的5.555×10-12 g·cm/(cm2·s·Pa)，降低了14.67%，氧氣透過率由2.065 cm3/(m2·d)降低至1.20 cm3/(m2·d)，降低了41.80%。而處理15～20 min后，相較于未處理的薄膜，薄膜水蒸氣透過系數(shù)和氧氣透過率分別升高了8.90%和160.05%。

表3 等離子體處理的薄膜機(jī)械性能、氧氣透過率和水蒸氣滲透系數(shù)數(shù)據(jù)
Table 3 Datas of mechanical properties, oxygen permeability and water vapor permeability of films treated with plasma for different durations

水蒸氣和氧氣的滲透性是選擇任何食品包裝材料的關(guān)鍵參數(shù)。水蒸氣的滲透取決于聚合物2個(gè)表面上的蒸氣壓和濃度梯度，這取決于擴(kuò)散和溶解機(jī)理。氣體滲透率也是擴(kuò)散和溶解度的綜合作用，其中滲透物通過聚合物鏈各段之間存在的間隙的空隙進(jìn)行傳輸[25]。等離子體處理后交聯(lián)的產(chǎn)生是改善薄膜的阻隔性能的一個(gè)原因，聚合物鏈之間的交聯(lián)量的增加導(dǎo)致聚合物鏈之間的自由體積減小，因此減少了水和氧分子的擴(kuò)散，同時(shí)，在等離子體處理后，由于等離子體中高度激發(fā)的離子，電子和分子而形成的分子間和鏈間鍵也導(dǎo)致可生物降解膜對阻隔性能提高[26]。此外，等離子體處理后隨著聚合物極性的增加，內(nèi)聚能密度增加，使?jié)B透物質(zhì)更難打開聚合物鏈并滲透，使得薄膜阻隔性能提升[27]。在更長的等離子處理時(shí)間(15～20 min)下，等離子體釋放的更高能量使得刻蝕反應(yīng)劇烈，水蒸氣和氧氣分子的滲透變得容易，從而導(dǎo)致較差的阻隔性能。

2.6 接觸角的變化

圖4顯示了不同時(shí)長等離子體處理對復(fù)合蛋白膜的水、油潤濕性的影響。等離子體處理10 min后，復(fù)合蛋白膜的水接觸角(water contact angle，WCA)顯著降低了9.18%，從68.99°降至62.654°(P<0.05)。延長等離子體處理時(shí)間，其WCA值進(jìn)一步降低至54.91°，油接觸角(oil contact angle，OCA)也顯著降低至39.41°(P<0.05)。這表明等離子體顯著增強(qiáng)了復(fù)合蛋白基膜的表面親水性和親油性(P<0.05)，造成這種現(xiàn)象可能的原因如下：一方面等離子體的刻蝕反應(yīng)導(dǎo)致了薄膜粗糙的表面微觀結(jié)構(gòu)(如SEM顯微照片所示)[9]。此外，除了刻蝕，通過低能率等離子體處理形成的活性極性基團(tuán)也有助于提高表面張力和表面自由能(特別是極性組分)。本實(shí)驗(yàn)以空氣為反應(yīng)介質(zhì)，以氧氣為主要活性氣體，因此，諸如羥自由基和原子氧等的活性氧可能與薄膜表面蛋白分子中氫化合物反應(yīng)，從而使得表面親水性和親油性增加[21, 28]。如圖4所示，當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間延長至20 min時(shí)，復(fù)合蛋白膜的WCA和OCA分別降低了20.40%和33.54%，這可能是由于高能率等離子體強(qiáng)烈的刻蝕作用導(dǎo)致其極性基團(tuán)暴露于表面，進(jìn)而提高了薄膜的親水性和親油性[29]。

圖4 不同時(shí)長等離子體處理薄膜的水和油接觸角
Fig.4 Water and oil contact angle of films treated by plasma for different durations

2.7 光學(xué)性能的變化

圖5是不同時(shí)長等離子體處理薄膜的透光率和霧度變化圖，由圖5可以看出，5～10 min等離子體處理顯著影響了薄膜的光學(xué)性能(P<0.05)，薄膜透光率降低了約20%，霧度提高了28%，持續(xù)延長等離子體處理時(shí)間，薄膜的透光率又有了輕微上升。該結(jié)果的產(chǎn)生可能是由于低能率的等離子體處理過程中，蛋白質(zhì)大分子的聚集影響了光的通過，并且薄膜粗糙的表面阻礙了光的垂直透射。而高能率等離子體使得薄膜結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生微孔，又增強(qiáng)了薄膜的透光性[30]。

圖5 不同時(shí)長等離子體處理薄膜的透光率和霧度
Fig.5 Light transmittance and haze of films treated by plasma for different durations

2.8 水溶性的變化

如圖6所示，等離子體處理5～10 min后，復(fù)合蛋白膜的水溶性有輕微下降，薄膜處理10 min后水溶性降低了10%，而更長時(shí)間的處理使得其水溶性又有所上升。這是由于短時(shí)間低能率的等離子體處理使得內(nèi)聚能密度增大，蛋白質(zhì)分子間聚合度增加，水分子更難浸入，而薄膜表面粗糙度的增加又使得薄膜表面更加親水，因此在低能率等離子體處理?xiàng)l件下，薄膜的水溶性沒有大幅變化，而高能率等離子體破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)使得其極性基團(tuán)暴露，增加了蛋白基薄膜對水分的敏感性[29]。

圖6 不同時(shí)長等離子體處理薄膜的水溶性
Fig.6 Water solubility of films treated by plasma for different durations

2.9 薄膜菌落總數(shù)變化

表4的結(jié)果顯示，等離子體處理能夠有效殺滅薄膜表面的菌落：5 min處理后，薄膜表面菌落明顯減少了85%，10 min后進(jìn)一步降低至20 CFU/g，繼續(xù)延長等離子體處理時(shí)間菌落總數(shù)都低于10 CFU/g。等離子體中反應(yīng)性物質(zhì)包括單線態(tài)氧、羥自由基和超氧陰離子以及過氧化氫、臭氧、亞硝酸根離子和硝酸根離子等，其中單線態(tài)氧累積產(chǎn)生氧化反應(yīng)的同時(shí)羥自由基也能夠作為最強(qiáng)氧化劑，破壞細(xì)菌細(xì)胞膜從而殺滅細(xì)菌。超氧陰離子可以在等離子體創(chuàng)造的酸性環(huán)境中轉(zhuǎn)化為過氧自由基，更容易滲透到細(xì)胞壁并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[31]。

3 結(jié)論

等離子體處理時(shí)間及能率對復(fù)合蛋白膜的各項(xiàng)性能均存在顯著影響(P<0.05)。經(jīng)過短時(shí)間(5～10 min)、較低能率等離子體處理，蛋白質(zhì)中α-螺旋、β-折疊的百分比上升，復(fù)合蛋白薄膜表面粗糙度上升，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更加有序穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性也明顯提升，薄膜的疏水性下降，機(jī)械性能、阻隔性能都呈現(xiàn)上升趨勢；而長時(shí)間(15～20 min)、高能率等離子體處理薄膜，等離子體過度劇烈的刻蝕反應(yīng)導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)孔洞，破壞了薄膜致密的結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性下降，同時(shí)降低了其機(jī)械性能和阻隔性能。除此之外，等離子體處理也能夠有效殺滅薄膜表面微生物。

表4 不同時(shí)長等離子體處理的薄膜菌落總數(shù)
Table 4 Total viable counts of films treated with plasma for different durations

綜上所述，對復(fù)合蛋白膜進(jìn)行10 min左右、低能率的等離子體處理，能夠改變薄膜表面結(jié)構(gòu)，提升熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、阻隔性能，降低薄膜透光性和水溶性，同時(shí)具有優(yōu)良的薄膜表面的滅菌功能，滿足了食品包裝在食品工業(yè)中應(yīng)用的加工性及安全衛(wèi)生性要求，進(jìn)一步拓展了綠色包裝材料的研發(fā)空間，也為低溫等離子體技術(shù)的多功能應(yīng)用提供了可能。