活性炭吸附与干燥工艺对水母胶原肽粉理化特性及热稳定性的协同优化机制研究

本研究针对水母胶原肽粉(JCP)生产过程中存在的异味去除难、干燥能耗高及产品稳定性差等问题，系统评估了活性炭(AC)吸附结合喷雾干燥(SD)/冷冻干燥(FD)对JCP理化特性的影响。发现SD工艺制备的粉末具有更低水分(4.95% vs 8.27%)、更小粒径(2.23-2.81 μm)和更长保质期(732天)，AC处理显著提升蛋白质含量(84.32% d.b.)和热稳定性，为海洋胶原蛋白产业化提供了能耗更低(537.55 kJ/kg)、可规模化的解决方案。

　　

在海洋生物资源开发热潮中，水母因其丰富的胶原蛋白含量逐渐成为研究热点。传统哺乳动物源胶原存在宗教禁忌和疾病传播风险，而水母胶原肽(JCP)作为新型海洋蛋白资源，在食品、化妆品和医药领域展现出巨大潜力。然而当前JCP生产面临三大技术瓶颈：一是水母特有的腥味物质难以去除，二是冷冻干燥(FD)工艺能耗高达70,136 kJ/kg，三是产品易吸湿结块导致保质期缩短。这些痛点严重制约着水母胶原的产业化应用。

美国乔治亚大学食品科技系的研究团队创新性地将活性炭(AC)吸附与两种干燥技术联用，系统探究了其对水母胶原肽粉理化特性的影响。研究采用Cannonball水母(Stomolophus meleagris)为原料，通过酸解-酶解两步法制备液态胶原肽(LCP)，分别进行AC吸附处理后，采用喷雾干燥(SD)和FD工艺制备粉末，并运用激光粒度分析、动态水分吸附、热重分析(TGA)等十余种表征手段进行全面评估。论文发表在《Future Foods》期刊，为海洋胶原蛋白的绿色制造提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：1)采用1.5%柠檬酸溶液和碱性蛋白酶(Alcalase 2.4 FG)分步水解制备LCP；2)以10 mg/L AC处理30分钟进行脱色脱味；3)分别通过SD(180°C入口温度)和FD(-20°C预冻)制备粉末；4)采用动态水分分析仪测定吸湿特性，通过Savitzky-Golay二阶导数确定临界水分活度(a_w)；5)结合Brunauer-Emmett-Teller(BET)和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法分析粉末孔隙结构。

3.1 原料特性分析
新鲜水母含水量达95.26%，蛋白质含量2.54%，高水分活度(a_w 0.97)显示其极易腐败，证实干燥处理的必要性。

3.2 干燥工艺对比
SD展现出显著能效优势，单位能耗(537.55 kJ/kg)仅为FD的1/130。AC-SD组合实现最高蛋白含量(84.32% d.b.)，且粉末粒径(2.23-2.81 μm)较FD样品(20.73-36.51 μm)更均匀。

3.4.1 基本理化特性
SD粉末水分含量(4.95-6.06%)显著低于FD(6.96-8.27%)，但a_w值(0.32)反而更高，揭示不同水分存在状态：FD通过多孔结构束缚更多结合水，而SD球形颗粒导致游离水比例升高。

3.4.4 吸湿特性
FD粉末在较低a_w(0.30-0.33)即出现吸湿拐点，预示其更易结块。DLP模型预测SD粉末保质期长达732天，较FD延长40%。

3.4.5 热稳定性
TGA显示SD粉末在200°C前失重更少，DSC曲线证实其需要更高能量(118.89°C)破坏肽链结构，表明SD处理增强了热稳定性。

3.4.8 微观结构
SEM图像直观显示SD粉末呈致密球形，而FD为不规则片状结构。BET测试证实AC-SD粉末具有最大比表面积(7.28 m²/g)和孔容(9.97×10^-4 cc/g)，这与其溶解性下降但热稳定性提升的现象相印证。

该研究通过多尺度表征揭示了AC吸附与干燥工艺的协同作用机制：AC通过疏水相互作用选择性去除小分子杂质，而SD的瞬时高温使肽链形成更稳定的β-折叠构象。特别值得注意的是，虽然FD能更好保持天然结构(FTIR显示更强酰胺III带)，但SD在产业化应用上具有压倒性优势——其单位产能提升8倍的同时，产品保质期延长208天。

这些发现为海洋胶原蛋白的产业化提供了明确的技术路径：对于注重生物活性的医药级产品可采用AC-FD工艺，而追求性价比的大健康食品原料优选AC-SD方案。研究还创新性地建立了基于二阶导数曲线的货架期预测模型，为蛋白粉类产品的稳定性评估提供了新方法。随着全球对可持续蛋白需求的增长，这项研究将加速水母等低值海洋生物向高附加值产品的转化，对推动蓝色经济发展具有重要意义。