Food Research International| 冷等离子体处理丝素蛋白的构象及水凝胶性能研究
近日，山东农业大学团队联合山东省科学院能源研究所学者，在《Food Research International》期刊上发表了题为《Insights into conformational and hydrogel performance of silk fibroin treated by cold plasma》的研究性论文（1区, IF=8.0)）。该研究通过冷等离子体（CP）处理丝素蛋白（SF），探究其构象与水凝胶性能的关联。研究发现，CP 处理可诱导 SF 部分解折叠并发生氧化交联，促使其二级结构从 α- 螺旋向 β- 折叠转变，提升表面疏水性与电荷密度。其中处理 8 分钟的 CSF-8 样品效果最优，水 retention 能力提升 25.3%，凝胶硬度从 12.5 N 增至 34 N，50% 应变下的压缩应力达 39.2 kPa，凝胶时间缩短 81.2%。该研究为丝素蛋白水凝胶的绿色改性提供了新方法，为其在功能食品结构构建、活性成分包埋等领域的应用奠定基础。
冷等离子体处理丝素蛋白的构象及水凝胶性能研究丝素蛋白（SF）作为源自家蚕的天然生物聚合物，具备优异的生物相容性、生物降解性和机械可调性，在食品结构构建、活性成分包埋与控释等领域具有广阔应用前景。然而，天然丝素蛋白水凝胶在生理条件下凝胶化速度缓慢，且机械性能欠佳，即便在高浓度下凝胶形成仍需数天至数周，严重限制了其实际应用。现有改性策略中，化学交联剂可能引入细胞毒性，酶法交联存在成本高、批间差异大等问题，物理改性的效果也较为有限。冷等离子体（CP）作为一种非热加工技术，可通过产生活性氧和氮物种（RONS）改变蛋白质构象、增强凝胶强度，且无需添加化学试剂，为丝素蛋白的绿色改性提供了新思路，因此亟需系统探究其对丝素蛋白构象及水凝胶性能的影响机制。
冷等离子体处理可引发丝素蛋白部分解折叠，促使其二级结构发生显著重构，α- 螺旋含量减少，β- 折叠和无规卷曲含量增加，其中处理 8 分钟的 CSF-8 样品 β- 折叠含量达 34.85%、无规卷曲含量达 37.05%。同时，处理后丝素蛋白的自由巯基（-SH）含量从 5.25μmol/g 降至 2.56μmol/g，二硫键（S-S）含量从 4.42μmol/g 增至 7.14μmol/g，表面疏水性显著提升（CSF-8 的疏水指数达 507.5），ζ- 电位绝对值降低至 - 6.83mV，这些构象变化与氧化交联及疏水基团暴露密切相关。此外， intrinsic 荧光光谱显示色氨酸残基更易暴露，证实蛋白质三级结构发生改变。
冷等离子体处理大幅加速了丝素蛋白的凝胶化进程，CSF-8 样品的凝胶时间较未处理组缩短 81.2%（减少超 138 小时），显著提升了实用便利性。微观结构方面，未处理及短时间处理（2-4 分钟）的水凝胶网络松散不均，而 CSF-6 和 CSF-8 形成了致密有序的多孔结构，这一变化源于 β- 折叠结构增多引发的分子间强相互作用及氧化交联，为水凝胶性能提升奠定了结构基础。
在持水性方面，CSF-8 的水保留率从 70.16% 提升至 87.78%，增幅达 25.3%，这得益于凝胶网络对水分子的有效束缚及蛋白质 - 水相互作用的强化。机械性能上，CSF-8 的凝胶硬度从 12.5N 增至 34N，50% 应变下的压缩应力从 15.2kPa 升至 39.2kPa，内聚性从 0.43 提升至 0.75，弹性从 0.7 提升至 0.86，表现出更优异的强度与韧性。流变学分析表明，处理后的水凝胶呈现典型的剪切变稀特性，储能模量（G'）显著高于损耗模量（G''），且对温度波动的敏感性降低，结构稳定性与加工适应性均得到改善。
体外细胞毒性测试显示，冷等离子体处理后的丝素蛋白水凝胶对 HepG2 细胞无明显毒性，细胞存活率约为 89%，符合食品级材料的安全要求。在体外消化模拟中，CSF-8 水凝胶在胃环境中仅释放 29.5% 的负载蛋白，进入肠道后才大量释放，展现出良好的控释潜力，可保护活性成分免受胃酸降解，提升生物利用度。这些特性使改性后的丝素蛋白水凝胶在功能食品结构构建、营养物质控释等领域具有重要应用价值。
冷等离子体作为一种绿色非化学改性技术，无需添加有毒有害试剂，通过活性氧和氮物种诱导丝素蛋白氧化交联、构象重排，实现了水凝胶性能的全方位优化。其核心机制在于通过调控蛋白质二级结构（α- 螺旋向 β- 折叠转变）、增强分子间相互作用（疏水作用、二硫键交联），构建更致密稳定的三维网络，为天然生物聚合物的功能改性提供了高效可行的新路径。
Fig. 1. The preparation process of silk protein and modification treatment of silk protein by cold plasma.
Fig. 2. Turbidity (A), turbidity intuitive chart (B), particle size distribution (C), ζ-potential (D) of SF solutions after CP treatment for 0, 2, 4, 6, 8 min.
Fig. 3. The content of free sulfhydryl (-SH) (A) and disulfide bond (S-S) contents (B), surface hydrophobicity (C), fourier transform infrared spectra (D), XRD (E), circular dichroism spectrum (F), secondary structure composition (G) ThT fluorescence spectra (H), intrinsic fluorescence spectra (I) of SF treated with CP for 0, 2, 4, 6, 8 min.
Fig. 4. The dynamic optical forms (4%, w/v) produced by CSF solution at different times (A), SEM images of various dry hydrogels including SF, CSF-2, CSF-4, CSF-6 and CSF-8 hydrogel magnifications of 100× (B).
Fig. 5. Water-holding capacity (A), cohesiveness (B), elasticity (C) and hardness (D) and compressive stress-strain curves (E) of CSF hydrogels.
Fig. 6. Effect of temperature on the apparent viscosity of SF treated for different time (0, 2,4, 6, 8 min) (A-E); The temperature dependence of ln η for CSF aqueous solutions at different treatment times and shear rates, solid lines represent the fitted curves based on the Arrhenius equation
Fig. 7. Apparent viscosity of CSF aqueous solution (4%, w/v) at 25 °C (A) and CSF gels treated for different time at 25 °C (4%, w/v) (B), Rheological properties of CSF aqueous solution at 25 °C. Strain amplitude sweep dependency of storage modulus (G″) and loss modulus (G′) (Angular frequency: 6.28 rad/s) (C); Viscoelastic modulus (G′ and G″) (D); Thixotropic properties as a function of time sweep (E); Apparent viscosity of CSF gels treated for different durations at 25 °C. Viscoelastic modulus (G′ and G″) (F).
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2026.118343
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