等离子体活化水中活性物种调控明胶水凝胶结构与凝胶形成性能的机理研究

《Food Chemistry: X》：Mechanistic insight into the regulation of gelatin hydrogels structure and gel-forming properties by reactive species in plasma-activated water

　　

本研究建立了一个精细的等离子体活化水（plasma activated water, PAW）体系，以区分酸化和H₂O₂与PAW衍生活性物种对明胶凝胶化的更广泛影响。酸化改变了表面电荷，导致β-转角（β-turn）含量（38.90%）和离子键合（15.23%）增加。H₂O₂处理诱导氧化修饰，导致巯基氧化、疏水相互作用增强和凝胶化温度降低，但部分破坏了基于三螺旋的交联。值得注意的是，PAW表现出独特增强效应，通过加强氢键和降低共晶点显著提高凝胶性能。分子对接进一步表明，PAW衍生活性物种促进了与明胶的氢键和疏水相互作用。这些改进凸显了PAW改性明胶在需要增强结构和水分稳定性的功能性凝胶食品及明胶基包装材料中的应用潜力，尽管在复杂食品基质和实际加工体系中的验证仍有必要。

等离子体活化水（plasma activated water, PAW）调控明胶水凝胶结构与凝胶形成性能的机理研究——论文解读

明胶水凝胶是由明胶形成的三维聚合物网络，因良好的生物相容性、非免疫原性和可降解性，被广泛应用于功能性食品凝胶、可食膜和可降解食品包装。传统化学交联水凝胶往往因交联结构不均而脆性较大，而明胶在冷却过程中通过螺旋-卷曲转变部分重组成类胶原三螺旋结构，形成由分子间氢键稳定的三维网络。然而，明胶凝胶的凝胶强度、持水能力（water holding capacity, WHC）和结构稳定性仍需进一步提升。高压微流化、微波等物理改性方法存在设备要求高、能耗大等不足。冷等离子体技术作为无残留、低温、环境友好的手段，其产生的PAW含有多种活性氧和活性氮物种（reactive oxygen and nitrogen species, RONS），可诱导酸化和氧化修饰。但PAW组分复杂且动态变化，难以通过简单体系完全模拟。因此，研究人员提出假设：PAW对明胶凝胶化的增强效应不能仅归因于酸化和H₂O₂，并通过构建简化模型体系加以验证。该论文发表在《Food Chemistry: X》。

为开展研究，研究人员采用等离子体发生器以空气为工作气体，在800 W功率下对300 mL去离子水处理10分钟（距离10 cm）制备PAW10；明胶原料购自河南中晨生物科技有限公司。为区分酸化与氧化作用，设置超纯水（G）、酸化水（G-pH）、含160 μmol/L H₂O₂水（G-H₂O₂）、酸化+ H₂O₂（G-pH+H₂O₂）及PAW10（G-PAW10）五种明胶体系。主要分析技术包括：质构仪测凝胶强度，离心法测WHC，扫描电镜（SEM）观察微观结构，流变仪测定温度扫描中储能模量（G′）和损耗模量（G″），差示扫描量热法（DSC）测共晶点，Zetasizer测粒径和Zeta电位，拉曼光谱分析二级结构，DTNB法测总巯基，DNPH法测羰基含量，分步溶剂提取分析离子键、氢键和疏水相互作用，以及AutoDock分子对接模拟。

研究结果按论文小标题归纳如下：

3.1 凝胶强度：质构仪测定显示，与对照组（31.98 g·mm）相比，G-pH、G-H₂O₂、G-pH+H₂O₂和G-PAW10的凝胶强度分别升至79.30、64.22、64.54和83.14 g·mm，其中PAW10最高，且显著高于酸化与H₂O₂组合，证明PAW的增强效应不能仅由两者解释。

3.2 持水性：WHC从对照的77.81%升至PAW10组的98.98%，pH和酸化+H₂O₂处理也有提升，而H₂

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