关于经冷等离子体处理的丝素纤维的构象特性及水凝胶性能的见解

《Food Research International》：Insights into conformational and hydrogel performance of silk fibroin treated by cold plasma

丝心蛋白（SF）经冷等离子体（CP）处理可显著改善其水凝胶的凝胶时间和力学性能，CP通过氧化交联作用促进分子聚集，形成更紧凑的三维结构，水保持能力提升25.3%，压缩应力增至39.2 kPa，凝胶时间缩短81.2%。本研究为利用非热物理方法调控天然聚合物水凝胶性能提供新策略，适用于功能性食品开发中的结构成型、控释及活性成分封装。

　　

张静凯|陈宏如|张天宁|张云汉|刘毅燕|黄东杰|张宗宇|郝瑞丽|郭江|杨静|李大鹏|姜阳

山东农业大学食品科学与工程学院，中国山东省泰安市食品营养与主动健康工程研究中心，邮编271018

摘要

丝素（SF）是一种从家蚕（Bombyx mori）中提取的生物聚合物，具有优异的生物相容性、生物降解性和机械可调性，使其成为食品结构形成、控释和活性成分包封等应用的理想材料。然而，天然的丝素水凝胶在生理条件下的凝胶化速度较慢，限制了其实际应用。冷等离子体（CP）处理通过诱导蛋白质部分展开和氧化交联促进聚集，有效增强了丝素的表面疏水性和电荷密度。这导致其构象从α-螺旋转变为β-折叠，从而增强了分子间相互作用。与未经处理的丝素相比，经过8分钟CP处理的CSF-8形成了更加紧密且强度更高的三维结构。这种改性显著提高了其保水能力和凝胶强度：保水能力增加了25.3%，50%应变下的压缩应力从15.2 kPa升高到39.2 kPa，凝胶硬度从12.5 N增加到34 N，凝胶化时间缩短了81.2%。研究表明，长时间的处理有助于更快地形成水凝胶。本研究强调了CP作为一种绿色处理方法的重要性，通过非化学手段调节丝素结构和凝胶化过程，为功能性食品中的水凝胶设计提供了有前景的途径，包括结构构建、控释和活性成分包封。

引言

丝素（SF）是一种从家蚕丝中提取的结构蛋白，是一种天然的生物聚合物，兼具优异的生物相容性、可调的生物降解性、可调节的机械强度以及良好的加工性能，可用于制备薄膜、纤维、海绵和水凝胶。近年来，丝素在食品科学领域受到了广泛关注，作为多功能基质用于活性成分输送、可食用涂层、可降解包装以及生物活性化合物和益生菌的纳米包封（Divya等人，2024；Liang等人，2024；Oguz等人，2023；Vikas等人，2024；Yan等人，2024）。生物医学领域的进展进一步证明了基于丝素的水凝胶在伤口修复和癌症治疗方面的潜力，例如用于糖尿病伤口无疤痕愈合的机械仿生敷料和具有增强抗肿瘤效果的双药输送系统（Jingxuan等人，2025；Xinyu等人，2024）。中国完善的蚕丝产业基础也确保了丝素的可持续和低成本供应，进一步支持其作为可扩展生物材料的开发（X. Wang等人，2008）。 丝素分子由重复的疏水性氨基酸序列组成，在适当条件下能够自组装成富含β-折叠的结构，形成物理或化学交联的水凝胶网络。丝素水凝胶因其高含水量和优异的生物相容性而成为细胞包封和生物活性分子控释的理想支架（Oral等人，2020）。然而，未经改性的丝素水凝胶通常凝胶化速度慢，且在生理条件（如中性pH值、37°C）下的机械性能不佳。即使在高浓度（≥4% w/v）下，凝胶化也可能需要数天至数周的时间（Yin等人，2017）。为了克服这些限制，人们探索了多种策略，如提高温度、添加离子或与其他聚合物混合以加速溶胶-凝胶转变。化学交联剂可以进一步提高凝胶强度，但可能会引入细胞毒性或不希望的残留物，从而限制其在食品和生物医学领域的应用。酶促交联是一种较为温和的替代方法，但其成本较高、批次间差异较大且可能存在免疫原性，这限制了其大规模应用（Lin等人，2020；Liying等人，2025）。然而，目前的物理改性策略在改善凝胶性能方面仍有限效果（Y. Liu等人，2024）。 冷等离子体（CP）是一种非热处理技术，利用活性氧和氮物种（RONS）对基底进行物理改性。它已广泛应用于杀菌、环境保护和材料表面改性等领域。最近的研究表明，CP能够改变蛋白质构象并增强凝胶强度，成为蛋白质改性技术中的有前景的方法（Tolouie等人，2018；Y. Zhang等人，2025）。高能电场使气体电离，产生多种自由基（O、O?、OH、HO?、O??、NO、ONOO?），形成富含活性氧和氮物种的复杂等离子体氧化系统（Olatunde等人，2023）。例如，对大豆蛋白分离物或鱿鱼鱼糜进行CP处理后，其流变行为和凝胶强度显著改善，α-螺旋含量减少，β-折叠和无规卷曲结构增加，形成了更加紧密均匀的三维网络（Y. Zhang等人，2025）。这些研究表明，CP诱导的蛋白质二级结构调控可以无试剂、非热的方式调节凝胶性能。 本研究深入分析了CP处理对丝素结构和功能特性的影响，旨在提高其在食品工业中的应用前景。通过一系列物理化学分析（包括粒径、Zeta电位、表面疏水性、游离巯基含量和二硫键含量、圆二色光谱和荧光光谱）来阐明CP诱导的构象变化，并揭示丝素的实际结构状态。此外，还通过动态流变测量和质地分析（TPA）评估了透明丝素水凝胶的微观结构和机械性能。这项工作为天然聚合物基软材料的结构-力学-功能关系提供了宝贵见解，并推动了性能提升的丝素水凝胶在食品工业中的应用。

材料

本研究中使用的丝素来自中国浙江的八贝公司（Babei Company）。溴化锂（LiBr，≥99%）和碳酸氢钠（NaHCO?，≥99.5%）购自Sigma-Aldrich。所有使用的化学品和试剂均为分析级。

冷等离子体处理丝素蛋白的制备

如图1所示，该过程基于先前建立的方案，并根据本研究的具体需求进行了少量修改（Ma等人，2025）。简要来说，将4.24克NaHCO?溶解在2升去离子水中...

丝素蛋白的浊度、粒径和Zeta电位

为了进一步验证CP处理对丝素聚集行为的影响，进行了浊度测量。如图2A和B所示，蛋白浊度也可作为聚集程度的指标。随着CP处理时间的增加，丝素溶液的浊度逐渐增加，从透明状态转变为不透明的乳白色。这种浊度的增加可归因于丝素分子的逐渐聚集和交联...

结论

研究表明，CP处理是一种有效的非热处理方法，能够有效调节丝素的结构和功能特性。与天然丝素相比，CSF水凝胶的凝胶化动力学显著加快，凝胶强度更高，弹性更好，保水能力更强。值得注意的是，溶胶-凝胶转变时间缩短了138小时以上，体现了CP在温和条件下促进水凝胶形成的高效性。

CRediT作者贡献声明

张静凯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法学设计、数据分析、概念构思。 陈宏如：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法学设计、数据分析、概念构思。 张天宁：初稿撰写、数据分析。 张云汉：软件使用、数据分析。 刘毅燕：数据分析。 黄东杰：撰写 – 审稿与编辑。

伦理指南

本研究无需伦理审批。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32202052）和中国博士后科学基金一般项目（项目编号：2023M732116）的支持。