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

范鑫，李宇鑫，鄺吉衛，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

陜西科技大學食品科學與工程學院，西安 710021

【目的】乙烯是影響水果品質及貨架期的關鍵植物激素。本研究利用高場強超聲波（HIU）對玉米醇溶蛋白（zein）進行物理改性處理，使其蛋白結構舒展，內部活性官能團暴露；利用超聲改性zein膜中的活性官能團（如巰基等）與乙烯發生“點擊反應”吸附乙烯，從而達到延長水果貨架期的目的。【方法】將5 g zein溶于80%醋酸溶液中，選用頻率為20 kHz、功率為400 W的超聲波經不同時長（0、5、15和30 min）的預處理后，分別取2 mL蛋白溶液移至培養皿（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構及形貌的變化；借助物性分析儀和VOC檢測儀表征zein膜的力學性能和乙烯吸附性能。以香蕉為研究對象，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。【結果】高場強超聲波處理對蛋白質的高級結構具有修飾作用，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），-螺旋結構的比例降低（45.86%），-折疊結構的比例升高（12.20%），上述現象表明適度超聲處理使zein結構舒展。同時，zein-15膜的乙烯吸附性能與zein-0膜（未經超聲處理）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。【結論】一定條件的超聲處理（20 kHz、400 W、15 min）能夠誘導zein結構舒展，暴露出更多的活性官能團，提高其乙烯吸附性能。zein-15膜具有良好的阻氧性和力學性能，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；結構修飾；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%，造成了巨大的經濟損失[1]。乙烯（C2H4）作為一種促進果實成熟的植物激素，對水果的貯藏品質和貨架期具有決定性作用。目前，調控水果貯運過程中乙烯濃度的手段主要包括氣調保鮮、乙烯吸附劑和乙烯受體競爭劑等。其中，現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，導致其食用價值低。Zein具有良好的疏水性、抑菌性和成膜性，已被廣泛用于醫藥、環境、食品包裝材料等領域[3]。此外，zein含有大量巰基等活性官能團，能與乙烯快速發生點擊反應，因此可作為乙烯吸附劑的基材。然而，zein在氫鍵、非共價鍵和次級鍵的作用下，自交聯形成蛋白聚集體[4]，空間結構高度緊密，大量活性基團被包覆于蛋白復雜結構內部[5]，限制了其應用。因此，本研究利用高場強超聲波誘導zein結構舒展，暴露活性官能團，進而提升zein膜的乙烯吸附性和阻氧性，延長水果貨架期。【前人研究進展】在果蔬貯運過程中，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]研究發現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乙烯進行光降解，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乙烯進行吸附，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，利用高場強超聲波調控蛋白結構，制備綠色、高效的zein乙烯吸附劑。HU等[9]前期研究表明，適度高場強超聲波可降低蛋白質聚合度，使蛋白結構舒展，暴露出大量活性官能團。任曉峰[10]研究發現zein表面疏水性隨著超聲波頻率增加而增加，這是由于經過超聲波處理后，多肽鏈伸展引起大量內部疏水性基團或氨基酸暴露于蛋白表面，導致蛋白表面疏水性增加。REN等[11]研究發現超聲波處理對zein-殼聚糖復合物的二級結構沒有影響，但顯著降低了熒光發射強度，雙頻超聲處理提高了zein-殼聚糖復合物的熱穩定性，但對晶體結構沒有影響。侯婷[12]研究發現超聲波處理可以使zein的-折疊含量降低和-螺旋的含量增加，結晶度增大，提高以zein為基質的納米薄膜包裝材料的阻隔性能，并使其具有良好的熱穩定性。綜上所述，超聲波處理可以使zein結構變化，提高其功能特性。【本研究切入點】雖然高場強超聲對zein結構及功能特性的調控已有部分研究，但超聲處理對zein聚集狀態的影響，以及zein結構變化與乙烯吸附性能間的相關性尚缺乏系統研究，其內在調控機制也尚待明晰。【擬解決的關鍵問題】系統研究不同超聲時間對zein結構的影響，明確超聲輔助zein基乙烯吸附膜的制備方法，探究蛋白結構變化與zein膜乙烯吸附性能、力學性能、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）的內在聯系，為有效延長香蕉貨架期提供新思路及理論依據。

1 材料與方法

試驗于2021年5月至2022年4月在陜西科技大學逸夫樓進行。

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化工有限公司；其他化學試劑均為分析純；香蕉購置于西安市未央區吉家超市。

1.2 主要儀器與設備

超聲波細胞破碎儀，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，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細胞培養皿（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成膜液結構的表征

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二級結構的變化。試驗溫度：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。試驗重復3次，每個樣品掃描3次，取其平均值并扣除緩沖液背景，使用CDNN軟件計算蛋白二級結構含量。

1.3.2.2 內源性熒光測定 參考任曉峰[10]的方法，將zein樣品稀釋為0.4 mg?mL-1，設置激發波長為280 nm，利用Fluoro Max-4熒光分光光度計掃描樣品在284—360 nm的發射光譜。激發狹縫寬3.0 nm和發射狹縫寬為2.5 nm。試驗重復3次，每個樣品掃描3次。相同條件下記錄樣品緩沖液發射光譜，并從樣品發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樣品稀釋至質量分數0.5 mg?mL-1，使用激光納米粒度儀測定。試驗重復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15 min后于波長412 nm的條件下比色。試驗重復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液氮研磨后的zein形貌。樣品在真空下進行鍍金涂層，使其具有導電性后進行觀察，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ZHANG等[14]的方法測定，并稍作修改。首先，每個錐形瓶分別裝入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，將準備好的測試瓶放入23℃的培養箱中放置48 h。OP和CDP的計算公式如下：

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：時間間隔（s）。在測定OP時，P（Pa）為薄膜兩側氧氣的分壓差；在測定CDP時，P（Pa）為薄膜兩側二氧化碳的分壓差。試驗重復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，進行乙烯吸附速率試驗。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）內乙烯殘留量，試驗重復3次。

1.3.3.3 力學性能測定 參考侯婷[12]的方法，力學性能測試是使用英國SMS公司的物性分析儀進行的，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，對不同類型薄膜的4個試樣進行抗拉強度和斷裂伸長率的測定，試驗重復5次。

1.3.4 超聲處理后zein膜的香蕉試驗

1.3.4.1 香蕉果實保鮮試驗 將不同超聲時間處理的zein膜與同批次采購的香蕉置于相同封閉環境（25℃、50% RH）中，參考FAN等[15]的方法，測試香蕉表皮的褐變程度、香蕉果肉的質構變化和香蕉失重率，每個指標重復測試5次，每次選擇10個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間處理的zein膜放入塑封袋中，再將塑封袋置于20℃恒溫培養箱中保存10 d。稱量香蕉放置10 d前后的質量，計算香蕉的失重率，試驗重復5次。

1.3.4.3 香蕉褐變率測定 計算放置10 d的香蕉表皮褐變率，試驗重復5次。

褐變率（%）=香蕉褐變面積/香蕉總面積×100

1.3.4.4 香蕉質構測定 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，且應垂直于香蕉表面。試驗重復5次。

1.4 統計分析

試驗數據采用SPSS軟件進行方差分析（ANOVA）檢驗，采用Duncan多區間檢驗比較樣本間差異，值設置為0.05。每個指標至少重復測試3次，試驗數據以平均數±標準差（SD）表示，并使用Origin 8.5軟件進行繪圖。

2 結果

2.1 超聲處理對zein結構的影響

2.1.1 Zein二級結構 蛋白的二級結構包括-螺旋、-折疊、-轉角和無規則卷曲，利用圓二色光譜儀可表征不同超聲時間處理對zein二級結構的影響[16-17]。如圖1-A所示，超聲時間為0—30 min時，zein蛋白的二級結構發生變化。zein的-螺旋含量隨著超聲時間的延長呈先下降后上升的趨勢，在超聲15 min時，-螺旋結構含量最低，為45.86%；-折疊結構含量隨著超聲時間的延長呈先上升后下降，在超聲15 min時，-折疊結構含量最高，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三級結構 當激發波長為280 nm時，蛋白中的色氨酸和酪氨酸殘基被激發并發出熒光[18]，因此，利用熒光光譜可以反映蛋白三級結構的變化特征[19-20]。由圖1-B可知，未經超聲處理（0 min）的zein熒光強度最高，表明zein中的酪氨酸殘基處于更加疏水的環境中；超聲處理時間為5和15 min時，zein的內源熒光強度顯著降低，這是由于適度超聲強度引起蛋白結構展開導致的；當超聲時間延長到30 min時，zein的熒光強度顯著增強，表明結構舒展的zein重新發生聚集。

2.1.3 Zein粒徑分布和zeta電位 如圖1-C所示，zein的粒徑隨著超聲時間的延長呈現先下降后上升的趨勢。未經超聲處理的zein的粒徑為（1 395.1± 20.6）nm，在超聲時間為15 min時，zein粒徑最小，為（1 013.3±6.9）nm（比未經超聲處理的zein粒徑降低了27.38%），超聲時間延長至30 min時，粒徑增大至（1 545.1±6.8）nm。zein的zeta電位隨著超聲時間的延長呈先上升后下降的趨勢。當超聲時間為0、5和15 min時，隨著超聲時間的延長，zein的zeta電位值從（0.3±0.09）mV（0 min）增加至（1.4±0.1）mV（15 min）；當超聲時間延長至30 min時，zein的zeta電位值又降低至（0.8±0.13）mV。綜上，當超聲時間為0—15 min時，zein的粒徑隨超聲時間的延長而減小，zeta電位隨超聲時間的延長而增加，上述結果表明適度超聲使zein結構舒展；當超聲時間為30 min時，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，隨著超聲處理時間的延長，總巰基的含量呈現先上升后下降的趨勢。當超聲時間為15 min時，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%；當超聲時間30 min時，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微觀結構 掃描電鏡可用來觀察蛋白的微觀結構變化[21]。不同超聲條件下zein的微觀結構及平均粒徑如圖2所示。未經超聲處理的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）。超聲時間為15 min時，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小（圖2-C、圖2-E）。超聲時間為30 min時，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）。結果表明，zein的聚集程度與超聲處理時間密切相關，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對食品的保質期具有顯著影響[22]。如圖3所示，超聲處理改變了zein膜的OP和CDP特性，隨著超聲時間的延長，zein-0膜、zein-5膜和zein-15膜的OP和CDP逐漸降低。未經超聲處理的zein-0膜OP為（2.55±0.14）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，當超聲時間為15 min時，zein-15膜的OP最低，為（1.80±0.15）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1；當超聲時間延長至30 min時，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，增強其阻氧能力。當超聲時間為30 min時，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，未經超聲處理的zein-0膜的CDP為（8.34±0.26）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，當超聲時間為15 min時，zein-15膜的CDP降低至（2.55±0.09）×10-16kg·m·m-2·s-1·Pa-1，超聲時間延長至30 min時，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膜的力學性能 圖4表示不同超聲條件處理zein膜的力學性能，抗拉強度（圖4-A）反映了超聲處理zein膜在拉斷前承受最大應力值；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，拉伸前后的伸長長度與拉伸前長度的比值。zein膜的抗拉伸強度和斷裂伸長率均呈現先上升再下降的趨勢。zein-0膜、zein-5膜、zein-15膜的抗拉伸強度和斷裂伸長率隨著超聲處理時間的延長而增加，當超聲時間為15 min時，zein-15膜的抗拉強度和斷裂伸長率最大，分別為（40.13±5.6）MPa和（10.13±0.63）%；當超聲時間延長至30 min時，zein-30膜的抗拉強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 不同超聲時間處理zein膜的力學性質斷裂伸長率（A）、拉伸強度（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，對照組香蕉的表面出現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）%，當超聲時間延長至30 min時，放置有zein-30膜的香蕉褐變率為（50.64±5.9）%（圖5-B）。結果表明，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（圖5-C）。隨著超聲時間的延長，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表征了不同強度超聲輔助zein膜對香蕉果肉硬度的影響，對照組香蕉果肉的硬度最低，為（61.25±3.6）g，隨著超聲時間的延長，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，在香蕉放置5 d時，失重率無顯著差異；放置10 d時，對照組失重率最高，為41.20%。隨著超聲時間的延長，香蕉的失重率呈現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（比對照組降低了44.72%）、失重率（比對照組降低了73.03%），提高了香蕉果肉硬度（比對照組增加了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的結構

蛋白質的功能特性與其結構密切相關，超聲誘導的zein結構改變表現為圓二色光譜及內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。當超聲條件為400 W、0—15 min時，隨著超聲時間的延長，zein的-螺旋含量降低，-折疊含量增加，蛋白結構舒展均勻，說明適度超聲處理（400 W、15 min）誘導蛋白結構舒展；而30 min的過度超聲作用會使zein的-螺旋含量增加，-折疊含量降低，將已經舒展的蛋白質分子重新聚集在一起，這是由于超聲時間延長引起蛋白結構重新聚集。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，結果表明，與未經超聲處理的zein相比，短時間超聲處理時（230 W-20 min），zein的-螺旋含量降低，-折疊含量增加；而較長時間超聲處理時（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-轉角百分率略有下降，而-折疊和無規則卷曲百分率略有上升。JIANG等[25]發現超聲處理使黑豆蛋白的-螺旋結構降低，-折疊結構升高。上述研究表明，超聲處理可以改變蛋白的二級結構。

蛋白質的三級結構比二級結構對其功能性質有更直接的影響。疏水相互作用是蛋白質折疊的主要驅動力，對維持蛋白質的三級結構起著主要作用。超聲時間為0、5和15 min時，隨著超聲時間的延長，zein的熒光強度顯著降低，這是由于超聲波和局部高溫高壓的機械作用和空化作用所致。在超聲作用下，zein的疏水內部被打開，蛋白被拉伸，在分子水平上暴露疏水氨基酸殘基，表現為zein的熒光強度降低，說明超聲后zein的三級結構發生改變。當超聲時間延長到30 min時，zein的熒光強度顯著增強，表明結構舒展的zein重新發生聚集。李朝蕊等[26]報道了超聲功率為600 W，隨著超聲時間增加至40 min，豌豆蛋白的熒光強度逐漸降低；當超聲時間為60 min時，熒光強度顯著上升。因此，過度超聲處理會使蛋白結構重新聚集，熒光強度增加。

蛋白的平均粒徑反映了其溶液穩定性[27]。一般來說，顆粒的平均粒徑越低，表明溶液的穩定性越好[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生的機械剪切力破壞了蛋白結構，使zein結構更加舒展；zein間的靜電斥力增強，抑制了蛋白質的聚集，使蛋白質的粒徑減小[28]。當超聲時間為30 min時，zein溶液的粒徑增加和zeta電位降低，這說明過度超聲處理會減弱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]研究發現超聲功率為150 W時，肌動球蛋白的粒徑最小，電位最高。

天然的zein由于自交聯形成聚集體，大量活性基團包被于蛋白內部，限制了其應用。超聲處理可以使zein結構舒展，促使其活性基團（巰基）暴露，進而與乙烯發生化學“點擊反應”[31]，提高其乙烯吸附效率。當超聲時間為15 min時，總巰基含量最高，這是由于適度超聲使zein結構舒展，巰基暴露。當超聲時間為30 min時，巰基含量又呈現降低趨勢，這說明過度超聲會導致熱效應，使zein發生氧化，自由基相互結合，使巰基轉化為二硫鍵，zein再次聚集[32]。MA等[33]研究發現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先增加后減少。

3.2 適度超聲能夠增強zein膜對香蕉的保鮮性能

Zein具有優異的成膜能力[19]，然而研究發現通過流延法制備形成的蛋白膜易脆，導致其在食品包裝材料的應用受限[34]。通過力學性能的試驗發現，較短（5 min）或較長（30 min）時間的超聲處理不能提高對zein膜的拉伸強度。相比于zein-0膜，經15 min超聲處理后，zein-15膜的力學性能提升。這是由于超聲波能對zein產生空穴作用，使蛋白結構舒展，膜的柔韌性增強、抗拉強度提高、彈性增強，從而使膜的斷裂伸長率增大。這意味著適當的超聲處理時間可以使超聲處理zein膜具有更好的機械性能。同樣地，孫旸等[35]經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]將超聲波技術應用于殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜的制備中，發現復合膜的力學性能在超聲功率為29 W，超聲時間24 min時最佳。

同時，超聲時間0—15 min時，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間成正比，但超聲時間為30 min時，zein-30膜的阻氧和阻二氧化碳性能又表現出下降趨勢。這表明適度超聲處理（15 min）可增強zein結構中的極性相互作用，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，結果表明加入zein后，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜具有更高的阻氧性。侯婷[12]用多模式超聲設備制備zein/納米二氧化硅復合膜并提高了復合膜阻隔性能。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，增加活性官能團與乙烯的作用位點；過度超聲（30 min）使蛋白重新聚集，吸附效率降低。目前尚未發現有關超聲改性蛋白提高其乙烯吸附方面的研究，筆者課題組前期構建了取向zein基納米纖維（zNFs-Ag@PT）過濾膜，對PM0.3的去除效率高達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際應用已被報道，如：XAVIER等[38]研究發現，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期。ZHANG等[39]研究制備的以zein果膠納米顆粒為穩定劑的魔芋葡甘聚糖膜可以有效延長草莓的保質期。本研究結合超聲波處理的方式對zein結構進行改性處理，使其聚集度降低，活性基團充分暴露，增加其與乙烯的作用位點，提高zein膜的乙烯吸附效率；同時，利用zein膜的阻氧性，降低香蕉的酶促褐變，從而達到延長香蕉貨架期的目的。

4 結論

不同強度的超聲處理改變了zein的結構，從而增強了其乙烯吸附性、阻氧性、力學性能等功能特性，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，蛋白結構舒展、暴露出更多的活性基團；同時，zein-15膜具有良好的力學性能、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結構舒展，活性官能團充分暴露，增強zein膜的功能特性，對擴大zein膜在延長水果貨架期中的應用具有重要的價值。

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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

國家自然科學基金（32001762，32272380）、陜西省重點研發計劃一般項目（2021NY-146）、陜西省教育廳服務地方專項計劃（22JC007）

通信作者范鑫，E-mail：fanxin2019@sust.edu.cn

（責任編輯 趙伶俐）