范鑫，李宇鑫，鄺吉衛(wèi)，楊婷，劉苗苗，曹云剛，黃峻榕

超聲輔助玉米醇溶蛋白基乙烯吸附膜的制備及其香蕉保鮮性能

陜西科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021

【目的】乙烯是影響水果品質(zhì)及貨架期的關(guān)鍵植物激素。本研究利用高場強(qiáng)超聲波（HIU）對(duì)玉米醇溶蛋白（zein）進(jìn)行物理改性處理，使其蛋白結(jié)構(gòu)舒展，內(nèi)部活性官能團(tuán)暴露；利用超聲改性zein膜中的活性官能團(tuán)（如巰基等）與乙烯發(fā)生“點(diǎn)擊反應(yīng)”吸附乙烯，從而達(dá)到延長水果貨架期的目的?！痉椒ā繉? g zein溶于80%醋酸溶液中，選用頻率為20 kHz、功率為400 W的超聲波經(jīng)不同時(shí)長（0、5、15和30 min）的預(yù)處理后，分別取2 mL蛋白溶液移至培養(yǎng)皿（55.0 cm2）中，放置于40℃烘箱干燥24 h，分別得到zein-0膜、zein-5膜、zein-15膜、zein-30膜，通過圓二光譜、內(nèi)源性熒光、粒徑電位儀和掃描電鏡分析不同條件超聲處理后蛋白結(jié)構(gòu)及形貌的變化；借助物性分析儀和VOC檢測儀表征zein膜的力學(xué)性能和乙烯吸附性能。以香蕉為研究對(duì)象，將超聲處理后的zein膜與香蕉放置于同一塑封袋中，室溫密閉放置10 d，基于香蕉表皮的褐變程度、香蕉果肉的硬度變化和香蕉失重率分析zein膜延長水果貨架期的性能?！窘Y(jié)果】高場強(qiáng)超聲波處理對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)具有修飾作用，頻率為20 kHz、功率為400 W超聲處理15 min后，zein的平均粒徑降低（1 013.3±6.9 nm），-螺旋結(jié)構(gòu)的比例降低（45.86%），-折疊結(jié)構(gòu)的比例升高（12.20%），上述現(xiàn)象表明適度超聲處理使zein結(jié)構(gòu)舒展。同時(shí)，zein-15膜的乙烯吸附性能與zein-0膜（未經(jīng)超聲處理）相比增加了9.486 mg·m-3·h-1，阻氧性能與zein-0膜相比增加了0.75×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。本研究以呼吸躍變型水果的香蕉為代表，zein-15膜能有效降低香蕉的失重率，延緩香蕉表皮的褐變和香蕉果肉硬度的降低，延長了香蕉的貨架期?！窘Y(jié)論】一定條件的超聲處理（20 kHz、400 W、15 min）能夠誘導(dǎo)zein結(jié)構(gòu)舒展，暴露出更多的活性官能團(tuán)，提高其乙烯吸附性能。zein-15膜具有良好的阻氧性和力學(xué)性能，有效延長了香蕉的貨架期和乙烯吸附膜的使用壽命。

超聲處理；結(jié)構(gòu)修飾；玉米醇溶蛋白膜；乙烯吸附劑；貨架期

0 引言

【研究意義】我國水果的損耗率約為20%—30%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。乙烯（C2H4）作為一種促進(jìn)果實(shí)成熟的植物激素，對(duì)水果的貯藏品質(zhì)和貨架期具有決定性作用。目前，調(diào)控水果貯運(yùn)過程中乙烯濃度的手段主要包括氣調(diào)保鮮、乙烯吸附劑和乙烯受體競爭劑等。其中，現(xiàn)有乙烯吸附劑存在重金屬殘留、吸附容量小、易解吸等問題[2]。因此，綠色、高效的乙烯吸附劑是降低水果損耗率的有效途徑。玉米醇溶蛋白（zein）因缺少必需氨基酸、口感粗糙、水溶性差等問題，導(dǎo)致其食用價(jià)值低。Zein具有良好的疏水性、抑菌性和成膜性，已被廣泛用于醫(yī)藥、環(huán)境、食品包裝材料等領(lǐng)域[3]。此外，zein含有大量巰基等活性官能團(tuán)，能與乙烯快速發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)，因此可作為乙烯吸附劑的基材。然而，zein在氫鍵、非共價(jià)鍵和次級(jí)鍵的作用下，自交聯(lián)形成蛋白聚集體[4]，空間結(jié)構(gòu)高度緊密，大量活性基團(tuán)被包覆于蛋白復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部[5]，限制了其應(yīng)用。因此，本研究利用高場強(qiáng)超聲波誘導(dǎo)zein結(jié)構(gòu)舒展，暴露活性官能團(tuán)，進(jìn)而提升zein膜的乙烯吸附性和阻氧性，延長水果貨架期?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在果蔬貯運(yùn)過程中，人們采用了多種方法來清除乙烯。其中，高錳酸鉀（KMnO4）是目前使用最廣泛的乙烯清除劑，其作用機(jī)理是氧化乙烯，但該方法存在有害金屬殘留的問題[6]。XUAN等[7]研究發(fā)現(xiàn)了一種非金屬光催化劑石墨化氮化碳（C3N4）涂層，其在可見光照射下可對(duì)乙烯進(jìn)行光降解，從而延長了水果的貨架期。DO NASCIMENTO SOUSA等[8]制備由殼聚糖/沸石組成的致密多孔膜對(duì)乙烯進(jìn)行吸附，但沸石吸附乙烯存在容易解吸的問題。上述乙烯吸附劑存在有害金屬殘留、成本高、效率低等問題。本研究以zein作為乙烯吸附基材，利用高場強(qiáng)超聲波調(diào)控蛋白結(jié)構(gòu)，制備綠色、高效的zein乙烯吸附劑。HU等[9]前期研究表明，適度高場強(qiáng)超聲波可降低蛋白質(zhì)聚合度，使蛋白結(jié)構(gòu)舒展，暴露出大量活性官能團(tuán)。任曉峰[10]研究發(fā)現(xiàn)zein表面疏水性隨著超聲波頻率增加而增加，這是由于經(jīng)過超聲波處理后，多肽鏈伸展引起大量內(nèi)部疏水性基團(tuán)或氨基酸暴露于蛋白表面，導(dǎo)致蛋白表面疏水性增加。REN等[11]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理對(duì)zein-殼聚糖復(fù)合物的二級(jí)結(jié)構(gòu)沒有影響，但顯著降低了熒光發(fā)射強(qiáng)度，雙頻超聲處理提高了zein-殼聚糖復(fù)合物的熱穩(wěn)定性，但對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒有影響。侯婷[12]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以使zein的-折疊含量降低和-螺旋的含量增加，結(jié)晶度增大，提高以zein為基質(zhì)的納米薄膜包裝材料的阻隔性能，并使其具有良好的熱穩(wěn)定性。綜上所述，超聲波處理可以使zein結(jié)構(gòu)變化，提高其功能特性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然高場強(qiáng)超聲對(duì)zein結(jié)構(gòu)及功能特性的調(diào)控已有部分研究，但超聲處理對(duì)zein聚集狀態(tài)的影響，以及zein結(jié)構(gòu)變化與乙烯吸附性能間的相關(guān)性尚缺乏系統(tǒng)研究，其內(nèi)在調(diào)控機(jī)制也尚待明晰?！緮M解決的關(guān)鍵問題】系統(tǒng)研究不同超聲時(shí)間對(duì)zein結(jié)構(gòu)的影響，明確超聲輔助zein基乙烯吸附膜的制備方法，探究蛋白結(jié)構(gòu)變化與zein膜乙烯吸附性能、力學(xué)性能、氧氣透過性、香蕉貨架期（香蕉表皮褐變率、香蕉果肉硬度和香蕉失重率）的內(nèi)在聯(lián)系，為有效延長香蕉貨架期提供新思路及理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2021年5月至2022年4月在陜西科技大學(xué)逸夫樓進(jìn)行。

1.1 主要材料與試劑

玉米醇溶蛋白購置于上海源葉生物科技有限公司；無水乙酸、氫氧化鉀均購于天津市富宇精細(xì)化工有限公司；其他化學(xué)試劑均為分析純；香蕉購置于西安市未央?yún)^(qū)吉家超市。

1.2 主要儀器與設(shè)備

超聲波細(xì)胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；安東帕Litesizer? 500納米粒度及Zeta電位分析儀，奧地利Anton Paar公司；Fluoro Max-4熒光分光光度計(jì)，日本Horiba公司；圓二色光譜儀，英國Applied Photophysics公司；高分辨率掃描電鏡，美國FEI Verios 460公司；物性分析儀，英國SMS公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 zein的超聲改性及膜的制備 將5 g zein溶于80%的乙酸中以得到濃度為25%（wt）的蛋白溶液，在90℃條件下，用磁力加熱攪拌器90℃攪拌1 h。冷卻至室溫后，將zein溶液分別進(jìn)行0、5、15和30 min的超聲處理（功率400 W，頻率20 kHz，超聲5 s，停止5 s）。移取2 mL zein溶液加入9.0 cm細(xì)胞培養(yǎng)皿（55.0 cm2），移入恒溫箱中，在40℃下干燥24 h，分別得到zein-0、5、15和30膜。

1.3.2 超聲處理后zein成膜液結(jié)構(gòu)的表征

1.3.2.1 圓二色光譜測定 參考CAO等[13]的方法，將zein樣品稀釋至0.2 mg?mL-1，采用圓二光譜儀分析超聲改性zein二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。試驗(yàn)溫度：25℃，樣品池光程：2 mm，靈敏度：100 mdeg?cm-1，在180—260 nm掃描蛋白樣品的圓二光譜。試驗(yàn)重復(fù)3次，每個(gè)樣品掃描3次，取其平均值并扣除緩沖液背景，使用CDNN軟件計(jì)算蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)含量。

1.3.2.2 內(nèi)源性熒光測定 參考任曉峰[10]的方法，將zein樣品稀釋為0.4 mg?mL-1，設(shè)置激發(fā)波長為280 nm，利用Fluoro Max-4熒光分光光度計(jì)掃描樣品在284—360 nm的發(fā)射光譜。激發(fā)狹縫寬3.0 nm和發(fā)射狹縫寬為2.5 nm。試驗(yàn)重復(fù)3次，每個(gè)樣品掃描3次。相同條件下記錄樣品緩沖液發(fā)射光譜，并從樣品發(fā)射光譜中扣除以排除干擾。

1.3.2.3 粒徑和ζ電位的測定 參考REN等[11]的方法，將超聲處理前后zein樣品稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5 mg?mL-1，使用激光納米粒度儀測定。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2.4 巰基含量測定 參考HU等[9]的方法，利用5,5-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）（DTNB）試劑測試。將zein溶于緩沖液（Tris 0.086 mol?L-1，甘氨酸0.090 mol?L-1，Na2EDTA 0.004 mol?L-1，pH 8.0）中，室溫震蕩12 h后離心（20 000×，15 min），取3 mL上清液，加入0.03 mL DTNB試劑后迅速混勻，室溫避光反應(yīng)15 min后于波長412 nm的條件下比色。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2.5 高分辨率掃描電鏡（SEM）測定 參考XUAN等[7]的方法，使用高分辨率掃描電鏡觀察經(jīng)液氮研磨后的zein形貌。樣品在真空下進(jìn)行鍍金涂層，使其具有導(dǎo)電性后進(jìn)行觀察，顆粒大小利用Nano Measurer軟件分析。

1.3.3 超聲處理后zein膜性能表征

1.3.3.1 氧氣透過率（oxygen permeability，OP）和二氧化碳透過率（carbon dioxide permeability，CDP）測定 超聲處理zein膜的透過率根據(jù)ZHANG等[14]的方法測定，并稍作修改。首先，每個(gè)錐形瓶分別裝入3 g脫氧劑（測量OP）和5 g氫氧化鉀（測量CDP）。然后在瓶口（瓶口面積19.62 cm2）放置5 cm×5 cm左右的方形薄膜，用橡皮筋密封。然后，將準(zhǔn)備好的測試瓶放入23℃的培養(yǎng)箱中放置48 h。OP和CDP的計(jì)算公式如下：

OP/CDP=（Δm×d）/（A×t×P）

式中，Δm：測試瓶的重量變化量（kg）；d：薄膜厚度（m）；A：薄膜的有效面積（m2）；t：時(shí)間間隔（s）。在測定OP時(shí)，P（Pa）為薄膜兩側(cè)氧氣的分壓差；在測定CDP時(shí)，P（Pa）為薄膜兩側(cè)二氧化碳的分壓差。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.3.2 乙烯吸附性能測定 參考FAN等[15]的方法，將2 cm×2 cm的超聲處理zein膜試樣放入采氣袋中，充入（183±11）mg?m-3的乙烯氣體，進(jìn)行乙烯吸附速率試驗(yàn)。24 h后，用VOC檢測器（PGM-7340）測定袋（寧波鴻譜儀器科技有限公司）內(nèi)乙烯殘留量，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.3.3 力學(xué)性能測定 參考侯婷[12]的方法，力學(xué)性能測試是使用英國SMS公司的物性分析儀進(jìn)行的，使用A/MTG探頭，前、中測試速度為1 mm?s-1，后測試速度為10 mm?s-1，位移100%，觸發(fā)力為10 g，返回距離為 20 mm，速度 10 mm?s-1，樣品長為50 mm，寬為20 mm，對(duì)不同類型薄膜的4個(gè)試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定，試驗(yàn)重復(fù)5次。

1.3.4 超聲處理后zein膜的香蕉試驗(yàn)

1.3.4.1 香蕉果實(shí)保鮮試驗(yàn) 將不同超聲時(shí)間處理的zein膜與同批次采購的香蕉置于相同封閉環(huán)境（25℃、50% RH）中，參考FAN等[15]的方法，測試香蕉表皮的褐變程度、香蕉果肉的質(zhì)構(gòu)變化和香蕉失重率，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測試5次，每次選擇10個(gè)外觀符合要求的香蕉。

1.3.4.2 香蕉失重率測定 香蕉分別和不同超聲時(shí)間處理的zein膜放入塑封袋中，再將塑封袋置于20℃恒溫培養(yǎng)箱中保存10 d。稱量香蕉放置10 d前后的質(zhì)量，計(jì)算香蕉的失重率，試驗(yàn)重復(fù)5次。

1.3.4.3 香蕉褐變率測定 計(jì)算放置10 d的香蕉表皮褐變率，試驗(yàn)重復(fù)5次。

褐變率（%）=香蕉褐變面積/香蕉總面積×100

1.3.4.4 香蕉質(zhì)構(gòu)測定 用物性分析儀（SMS有限公司，英國）測試放置10 d后香蕉的果肉硬度。在測試過程中，選擇p/5探頭，且探頭的前、中、后速度均為1 mm?s-1，且應(yīng)垂直于香蕉表面。試驗(yàn)重復(fù)5次。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)，采用Duncan多區(qū)間檢驗(yàn)比較樣本間差異，值設(shè)置為0.05。每個(gè)指標(biāo)至少重復(fù)測試3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）表示，并使用Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 超聲處理對(duì)zein結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 Zein二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)包括-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲，利用圓二色光譜儀可表征不同超聲時(shí)間處理對(duì)zein二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響[16-17]。如圖1-A所示，超聲時(shí)間為0—30 min時(shí)，zein蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。zein的-螺旋含量隨著超聲時(shí)間的延長呈先下降后上升的趨勢，在超聲15 min時(shí)，-螺旋結(jié)構(gòu)含量最低，為45.86%；-折疊結(jié)構(gòu)含量隨著超聲時(shí)間的延長呈先上升后下降，在超聲15 min時(shí)，-折疊結(jié)構(gòu)含量最高，為12.20%。

不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant difference (P＜0.05). The same as below

2.1.2 Zein三級(jí)結(jié)構(gòu) 當(dāng)激發(fā)波長為280 nm時(shí)，蛋白中的色氨酸和酪氨酸殘基被激發(fā)并發(fā)出熒光[18]，因此，利用熒光光譜可以反映蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)的變化特征[19-20]。由圖1-B可知，未經(jīng)超聲處理（0 min）的zein熒光強(qiáng)度最高，表明zein中的酪氨酸殘基處于更加疏水的環(huán)境中；超聲處理時(shí)間為5和15 min時(shí)，zein的內(nèi)源熒光強(qiáng)度顯著降低，這是由于適度超聲強(qiáng)度引起蛋白結(jié)構(gòu)展開導(dǎo)致的；當(dāng)超聲時(shí)間延長到30 min時(shí)，zein的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，表明結(jié)構(gòu)舒展的zein重新發(fā)生聚集。

2.1.3 Zein粒徑分布和zeta電位 如圖1-C所示，zein的粒徑隨著超聲時(shí)間的延長呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。未經(jīng)超聲處理的zein的粒徑為（1 395.1± 20.6）nm，在超聲時(shí)間為15 min時(shí)，zein粒徑最小，為（1 013.3±6.9）nm（比未經(jīng)超聲處理的zein粒徑降低了27.38%），超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，粒徑增大至（1 545.1±6.8）nm。zein的zeta電位隨著超聲時(shí)間的延長呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)超聲時(shí)間為0、5和15 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的延長，zein的zeta電位值從（0.3±0.09）mV（0 min）增加至（1.4±0.1）mV（15 min）；當(dāng)超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，zein的zeta電位值又降低至（0.8±0.13）mV。綜上，當(dāng)超聲時(shí)間為0—15 min時(shí)，zein的粒徑隨超聲時(shí)間的延長而減小，zeta電位隨超聲時(shí)間的延長而增加，上述結(jié)果表明適度超聲使zein結(jié)構(gòu)舒展；當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，zein的粒徑增大、電位降低，表明過度超聲使舒展的zein重新聚集。

2.1.4 Zein總巰基含量 如圖1-D所示，未經(jīng)超聲處理的zein中總巰基含量約為（2.230±0.13）μmol?L-1，隨著超聲處理時(shí)間的延長，總巰基的含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，總巰基含量最高，為（2.548±0.23）μmol?L-1，相比未超聲處理上升了14.26%；當(dāng)超聲時(shí)間30 min時(shí)，總巰基含量下降，為（2.446±0.14）μmol?L-1，相比未超聲處理下降了9.7%。

2.1.5 Zein微觀結(jié)構(gòu) 掃描電鏡可用來觀察蛋白的微觀結(jié)構(gòu)變化[21]。不同超聲條件下zein的微觀結(jié)構(gòu)及平均粒徑如圖2所示。未經(jīng)超聲處理的zein的平均粒徑為（45.90±9.24）nm，蛋白顆粒較大，且大小不均勻（圖2-A、圖2-E）。超聲時(shí)間為15 min時(shí)，zein的平均粒徑為（20.32±5.62）nm，顆粒的大小均勻且平均粒徑最?。▓D2-C、圖2-E）。超聲時(shí)間為30 min時(shí)，zein的平均粒徑為（58.82±20.187）nm，zein顆粒重新聚集，平均粒徑增大且顆粒粒徑大小差異最大（圖2-D、圖2-E）。結(jié)果表明，zein的聚集程度與超聲處理時(shí)間密切相關(guān)，適度超聲（15 min）使zein粒徑降低且大小均勻，過度超聲（30 min）可誘導(dǎo)zein顆粒重新聚集。

圖2 不同超聲處理zein的SEM圖及zein顆粒的平均粒徑

2.2 超聲處理后zein膜的性能變化

2.2.1 超聲輔助zein膜的阻氣性能 OP和CDP對(duì)食品的保質(zhì)期具有顯著影響[22]。如圖3所示，超聲處理改變了zein膜的OP和CDP特性，隨著超聲時(shí)間的延長，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的OP和CDP逐漸降低。未經(jīng)超聲處理的zein-0膜OP為（2.55±0.14）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，zein-15膜的OP最低，為（1.80±0.15）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1；當(dāng)超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，zein-30膜的OP增加至2.23±0.04×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。這表明適度超聲條件（15 min）可以改變zein膜的透過率，增強(qiáng)其阻氧能力。當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，zein-30膜的OP升高。說明適度超聲條件（15 min）可以改善zein膜的透過性，使其具有低透氧性。同時(shí)，未經(jīng)超聲處理的zein-0膜的CDP為（8.34±0.26）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，zein-15膜的CDP降低至（2.55±0.09）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，zein-30膜的CDP升高至（4.29±0.15）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1。

2.2.2 超聲輔助zein膜的力學(xué)性能 圖4表示不同超聲條件處理zein膜的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度（圖4-A）反映了超聲處理zein膜在拉斷前承受最大應(yīng)力值；斷裂伸長率（圖4-B）反映了超聲處理zein膜受外力作用至拉斷時(shí)，拉伸前后的伸長長度與拉伸前長度的比值。zein膜的抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。zein-0膜、zein-5膜、zein-15膜的抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著超聲處理時(shí)間的延長而增加，當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，zein-15膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率最大，分別為（40.13±5.6）MPa和（10.13±0.63）%；當(dāng)超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，zein-30膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率分別降低為（31.70±3.2）MPa和（4.70±0.2）%。

圖3 不同超聲時(shí)間處理zein膜的氧氣透過率和二氧化碳透過率

圖4 不同超聲時(shí)間處理zein膜的力學(xué)性質(zhì)斷裂伸長率（A）、拉伸強(qiáng)度（B）

2.3 超聲輔助zein膜的香蕉保鮮性能

超聲處理前后，zein膜對(duì)香蕉在室溫貯藏10 d過程中的褐變情況如圖5-A所示。香蕉貯藏5、7和10 d后，對(duì)照組香蕉的表面出現(xiàn)褐變的范圍大于放置有zein膜的香蕉表面。香蕉貯藏10 d后，對(duì)照組香蕉的褐變率為（82.54±6.5）%，放置有zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的香蕉褐變率隨著超聲時(shí)間的延長逐漸降低，其中，放置zein-15膜的香蕉褐變程度最低，為（45.63±3.5）%，當(dāng)超聲時(shí)間延長至30 min時(shí)，放置有zein-30膜的香蕉褐變率為（50.64±5.9）%（圖5-B）。結(jié)果表明，使用超聲處理后的zein膜可以顯著抑制香蕉的褐變，這與zein膜阻氧性和乙烯吸附性有關(guān)（圖5-C）。隨著超聲時(shí)間的延長，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的乙烯吸附量逐漸增大，zein-15膜的乙烯吸附量最大為（12.8±0.43）mg·m-3·h-1，zein-30膜的乙烯吸附量降低，為（9.83±0.52）mg·m-3·h-1，結(jié)果表明，適度超聲條件（15 min）使zein膜具有較高的乙烯吸附性能，可以有效降低香蕉的褐變程度。圖5-D表征了不同強(qiáng)度超聲輔助zein膜對(duì)香蕉果肉硬度的影響，對(duì)照組香蕉果肉的硬度最低，為（61.25±3.6）g，隨著超聲時(shí)間的延長，放置有zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的香蕉果肉硬度逐漸增高，放置有zein-15膜的香蕉硬度最高，為（78.80±2.43）g，放置有zein-30膜的香蕉硬度降低為（68.41±3.12）g。與此同時(shí)，在香蕉放置5 d時(shí)，失重率無顯著差異；放置10 d時(shí)，對(duì)照組失重率最高，為41.20%。隨著超聲時(shí)間的延長，香蕉的失重率呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，其中放置zein-15膜的香蕉失重率最低，為11.11%（圖5-E）。綜上，由于zein-15膜具有較高的乙烯吸附性和阻氧性，有效降低了香蕉的表面褐變程度（比對(duì)照組降低了44.72%）、失重率（比對(duì)照組降低了73.03%），提高了香蕉果肉硬度（比對(duì)照組增加了28.65%），延長了香蕉的貨架期。

圖5 不同zein膜處理后的香蕉照片（A）、香蕉放置10 d后的褐變率（B）、zein膜的乙烯吸附量（C）、香蕉硬度（D）、香蕉失重率（E）

3 討論

3.1 超聲處理改變了zein的結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的功能特性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，超聲誘導(dǎo)的zein結(jié)構(gòu)改變表現(xiàn)為圓二色光譜及內(nèi)源性色氨酸熒光光譜、zeta電位、平均粒徑和總巰基含量的變化。當(dāng)超聲條件為400 W、0—15 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的延長，zein的-螺旋含量降低，-折疊含量增加，蛋白結(jié)構(gòu)舒展均勻，說明適度超聲處理（400 W、15 min）誘導(dǎo)蛋白結(jié)構(gòu)舒展；而30 min的過度超聲作用會(huì)使zein的-螺旋含量增加，-折疊含量降低，將已經(jīng)舒展的蛋白質(zhì)分子重新聚集在一起，這是由于超聲時(shí)間延長引起蛋白結(jié)構(gòu)重新聚集。孫燁等[23]采用超聲條件為230 W-20 min和230 W-40 min的超聲處理zein，結(jié)果表明，與未經(jīng)超聲處理的zein相比，短時(shí)間超聲處理時(shí)（230 W-20 min），zein的-螺旋含量降低，-折疊含量增加；而較長時(shí)間超聲處理時(shí)（230 W-40 min），zein的-螺旋含量增加，-折疊含量降低，與本研究有相同的趨勢。ZOU等[24]研究表明超聲處理后貽貝肌漿蛋白的-螺旋和-轉(zhuǎn)角百分率略有下降，而-折疊和無規(guī)則卷曲百分率略有上升。JIANG等[25]發(fā)現(xiàn)超聲處理使黑豆蛋白的-螺旋結(jié)構(gòu)降低，-折疊結(jié)構(gòu)升高。上述研究表明，超聲處理可以改變蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)比二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)其功能性質(zhì)有更直接的影響。疏水相互作用是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)起著主要作用。超聲時(shí)間為0、5和15 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的延長，zein的熒光強(qiáng)度顯著降低，這是由于超聲波和局部高溫高壓的機(jī)械作用和空化作用所致。在超聲作用下，zein的疏水內(nèi)部被打開，蛋白被拉伸，在分子水平上暴露疏水氨基酸殘基，表現(xiàn)為zein的熒光強(qiáng)度降低，說明超聲后zein的三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。當(dāng)超聲時(shí)間延長到30 min時(shí)，zein的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，表明結(jié)構(gòu)舒展的zein重新發(fā)生聚集。李朝蕊等[26]報(bào)道了超聲功率為600 W，隨著超聲時(shí)間增加至40 min，豌豆蛋白的熒光強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)超聲時(shí)間為60 min時(shí)，熒光強(qiáng)度顯著上升。因此，過度超聲處理會(huì)使蛋白結(jié)構(gòu)重新聚集，熒光強(qiáng)度增加。

蛋白的平均粒徑反映了其溶液穩(wěn)定性[27]。一般來說，顆粒的平均粒徑越低，表明溶液的穩(wěn)定性越好[19]。適度超聲條件（15 min）可以使zein溶液的粒徑減小，這是由于超聲空化作用產(chǎn)生的機(jī)械剪切力破壞了蛋白結(jié)構(gòu)，使zein結(jié)構(gòu)更加舒展；zein間的靜電斥力增強(qiáng)，抑制了蛋白質(zhì)的聚集，使蛋白質(zhì)的粒徑減小[28]。當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，zein溶液的粒徑增加和zeta電位降低，這說明過度超聲處理會(huì)減弱zein間的靜電斥力，促使顆粒重新聚集。TIAN等[29]使用超聲波處理（150 W，10 min、20 min、30 min）有效降低了大豆分離蛋白的粒徑，使其更易于水解。ZOU等[30]研究發(fā)現(xiàn)超聲功率為150 W時(shí)，肌動(dòng)球蛋白的粒徑最小，電位最高。

天然的zein由于自交聯(lián)形成聚集體，大量活性基團(tuán)包被于蛋白內(nèi)部，限制了其應(yīng)用。超聲處理可以使zein結(jié)構(gòu)舒展，促使其活性基團(tuán)（巰基）暴露，進(jìn)而與乙烯發(fā)生化學(xué)“點(diǎn)擊反應(yīng)”[31]，提高其乙烯吸附效率。當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，總巰基含量最高，這是由于適度超聲使zein結(jié)構(gòu)舒展，巰基暴露。當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，巰基含量又呈現(xiàn)降低趨勢，這說明過度超聲會(huì)導(dǎo)致熱效應(yīng)，使zein發(fā)生氧化，自由基相互結(jié)合，使巰基轉(zhuǎn)化為二硫鍵，zein再次聚集[32]。MA等[33]研究發(fā)現(xiàn)隨著超聲波振幅增大，-乳球蛋白中的游離巰基含量同樣呈現(xiàn)先增加后減少。

3.2 適度超聲能夠增強(qiáng)zein膜對(duì)香蕉的保鮮性能

Zein具有優(yōu)異的成膜能力[19]，然而研究發(fā)現(xiàn)通過流延法制備形成的蛋白膜易脆，導(dǎo)致其在食品包裝材料的應(yīng)用受限[34]。通過力學(xué)性能的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較短（5 min）或較長（30 min）時(shí)間的超聲處理不能提高對(duì)zein膜的拉伸強(qiáng)度。相比于zein-0膜，經(jīng)15 min超聲處理后，zein-15膜的力學(xué)性能提升。這是由于超聲波能對(duì)zein產(chǎn)生空穴作用，使蛋白結(jié)構(gòu)舒展，膜的柔韌性增強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度提高、彈性增強(qiáng)，從而使膜的斷裂伸長率增大。這意味著適當(dāng)?shù)某曁幚頃r(shí)間可以使超聲處理zein膜具有更好的機(jī)械性能。同樣地，孫旸等[35]經(jīng)過超聲處理大豆分離蛋白后（1 000 W、10 s），大豆分離蛋白膜的拉伸性能得到了提高。梁棟等[36]將超聲波技術(shù)應(yīng)用于殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜的制備中，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜的力學(xué)性能在超聲功率為29 W，超聲時(shí)間24 min時(shí)最佳。

同時(shí)，超聲時(shí)間0—15 min時(shí)，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的阻氧能力和阻二氧化碳能力與超聲時(shí)間成正比，但超聲時(shí)間為30 min時(shí)，zein-30膜的阻氧和阻二氧化碳性能又表現(xiàn)出下降趨勢。這表明適度超聲處理（15 min）可增強(qiáng)zein結(jié)構(gòu)中的極性相互作用，形成更好的阻氧和阻二氧化碳屏障，低O2能抑制乙烯生成和酶促褐變，從而延長香蕉的貨架期。ZHANG等[14]將殼聚糖和zein按比例混合，結(jié)果表明加入zein后，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜具有更高的阻氧性。侯婷[12]用多模式超聲設(shè)備制備zein/納米二氧化硅復(fù)合膜并提高了復(fù)合膜阻隔性能。適度超聲（15 min）使zein膜具有較高的乙烯吸附性能，這是由于適度超聲（15 min）處理暴露更多的活性基團(tuán)，增加活性官能團(tuán)與乙烯的作用位點(diǎn)；過度超聲（30 min）使蛋白重新聚集，吸附效率降低。目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)超聲改性蛋白提高其乙烯吸附方面的研究，筆者課題組前期構(gòu)建了取向zein基納米纖維（zNFs-Ag@PT）過濾膜，對(duì)PM0.3的去除效率高達(dá)99.30%[37]，為本研究提供了思路。

玉米醇溶蛋白基納米顆粒可食性薄膜在水果和肉類保鮮中的實(shí)際應(yīng)用已被報(bào)道，如：XAVIER等[38]研究發(fā)現(xiàn)，含有zein納米顆粒的殼聚糖薄膜包裝可以延長牛肉糜在冷藏條件下的保質(zhì)期。ZHANG等[39]研究制備的以zein果膠納米顆粒為穩(wěn)定劑的魔芋葡甘聚糖膜可以有效延長草莓的保質(zhì)期。本研究結(jié)合超聲波處理的方式對(duì)zein結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性處理，使其聚集度降低，活性基團(tuán)充分暴露，增加其與乙烯的作用位點(diǎn)，提高zein膜的乙烯吸附效率；同時(shí)，利用zein膜的阻氧性，降低香蕉的酶促褐變，從而達(dá)到延長香蕉貨架期的目的。

4 結(jié)論

不同強(qiáng)度的超聲處理改變了zein的結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了其乙烯吸附性、阻氧性、力學(xué)性能等功能特性，有效延長了香蕉貨架期。其中，頻率為20 kHz、功率為400 W、超聲處理15 min的zein溶液中，-螺旋的含量減少，蛋白結(jié)構(gòu)舒展、暴露出更多的活性基團(tuán)；同時(shí)，zein-15膜具有良好的力學(xué)性能、乙烯吸附性能、阻氧和阻二氧化碳性能，從而有效延緩香蕉表面的褐變、香蕉果肉硬度降低和香蕉失重。因此，利用超聲改性可以使zein結(jié)構(gòu)舒展，活性官能團(tuán)充分暴露，增強(qiáng)zein膜的功能特性，對(duì)擴(kuò)大zein膜在延長水果貨架期中的應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

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Preparation of Ultrasound-Assisted Zein Ethylene Scavenger Film and Its Preservation Property of Bananas

School of Food Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021

【Objective】Ethylene is an important plant hormone that has a key influence on the quality and shelf life of fruit. In this study, zein was modified to transform into a stretched structure and consequently expose its internal active functional groups by the high-field intensity ultrasound treatment (HIU). Numerous functional groups (-SH) exposed in modified zein film could rapidly react with ethylene via a click reaction, resulting in an extended shelf life of the fruit. 【Method】 The 5 g zein was dissolved in acetic acid-DI water (4:1) solution. The zein solutions were sonicated for 0, 5, 15, and 30 min at an ultrasonic power of 400 W and dried in a drying oven at 40℃ for 24 h to obtain the zein-0 film, zein-5 film, zein-15 film, and zein-30 film. The structures of zein before and after HIU treatment were analyzed by circular dichroism spectroscopy, endogenous fluorescence, particle size potentiometer, and scanning electron microscope. The mechanical and ethylene adsorption properties of zein-based films were characterized by the texture analyzer and the VOC detector. Bananas were used as the climacteric fruit samples to investigate the effectiveness of the zein films as ethylene scavengers. The ultrasonic treated zein film and banana samples were placed in the same plastic sealing bag and then stored at room temperature for 10 d. The performance for extending shelf life was evaluating by browning rate, the flesh hardness, and the weight loss rate of bananas.【Result】The HIU treatment (20 kHz, 400 W, 15 min) could effectively stretch the structure of zein. The particle size of the zein and the content of the α-helix were decreased to 1013.3±6.9 nm, and 45.86%, respectively, and the content of the-sheet increased to 12.20%. Compared with the zein-0 film, the ethylene adsorption capacity and oxygen resistance of the zein-15 film were increased by 9.486 mg·m-3·h-1and 0.75×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1, respectively. The results including the browning rate, the flesh hardness, and the weight loss rate of bananas indicated that the zein-15 film could effectively extend the shelf-life of bananas. 【Conclusion】The HIU treatment (20 kHz, 400 W, 15 min) could effectively induce to stretch the zein structure and expose more functional groups, resulting in an improved ethylene adsorption performance of zein. The zein-15 film presented a better ethylene adsorption capacity, oxygen permeability, and mechanical property, leading to an extended shelf life of bananas and its life as the ethylene scavenger.

ultrasonic treatment; structural modification; zein film; ethylene scavenger; shelf life

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.012

2022-06-03；

2022-11-15

國家自然科學(xué)基金（32001762，32272380）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目（2021NY-146）、陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃（22JC007）

通信作者范鑫，E-mail：fanxin2019@sust.edu.cn

（責(zé)任編輯 趙伶俐）