综述：等离子体活化水重编程蛋白质结构与功能：机制洞察与情境依赖性响应

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Plasma-Activated Water Reprograms Protein Structure and Function: Mechanistic Insights and Context-Dependent Responses

　　

摘要

背景
等离子体活化水（PAW）是一种新兴的非热食品处理介质，其特征是由化学反应活性氧和氮物种（RONS）组成的复杂混合物。然而，现有研究主要关注其抗菌和保鲜效果，而PAW作为蛋白质结构精确调控工具的本质作用仍缺乏充分理解。

范围与方法
PAW被认为是一种可调的、多变量耦合的液相反应介质，其化学特性可通过放电参数进行调控。本综述在一个层级框架下整合了当前关于PAW与蛋白质相互作用的知识，该框架将反应环境、分子靶点、结构迁移与功能重构联系起来。特别强调了通过考虑PAW化学特性、蛋白质架构和应用背景来解释蛋白质响应的异质性。同时讨论了当前的方法学局限和转化挑战，以明确PAW介导蛋白质改性未来研究方向。

主要发现与结论
PAW主要作用于氨基酸残基，触发逐步的二级结构转变、疏水性暴露和网络重组，直接影响溶解性、凝胶化、乳化性和消化性。这些效果强烈依赖于剂量窗口：适度氧化可改善功能，而过度处理则导致不可逆聚集。已经具备良好分层架构的蛋白质往往通过分子间相互作用的重新分配来实现网络优化，而致密的球形蛋白通常需要更广泛的构象展开才能实现功能特性的显著改善。此外，PAW在活性改性过程中驱动结构重组，同时在解冻或漂洗过程中保护蛋白质。理解这些原理对于精确设计植物基肉替代品和其他新型食品至关重要。

引言

随着生活水平的不断提高，消费者对食品营养、质量和健康属性的需求日益增加（Bocker & Silva, 2026）。作为人类不可或缺的核心营养素，蛋白质不仅为生命活动提供物质基础，还具有独特的营养价值和重要的功能特性。同时，蛋白质是决定食品体系中营养、质构和功能的核心组分（Zhao et al., 2025）。因此，蛋白质在现代食品工业中的应用场景不断拓展。然而，天然蛋白质往往受限于其结构特性，难以满足工业食品加工的要求。精确调控空间构象和分子间相互作用长期以来一直是提升肉制品品质、植物蛋白功能化和3D食品打印中的关键科学问题（Khalifa et al., 2026; Kong et al., 2026; Y. Ma et al., 2025）。因此，需要技术手段来修饰蛋白质，以增强或改善其功能特性，从而满足食品工业中不同产品和工艺对特定特性蛋白质的需求。传统的蛋白质改性策略（化学法、酶法和物理法）已得到广泛开发，但受限于化学残留风险、成本高和可控性差等缺点（F. Sun et al., 2025）。这些局限性激发了人们对替代非热策略的日益增长的兴趣，这些策略可以在相对温和的加工条件下调控蛋白质特性。其中，等离子体活化水（PAW）因其非热操作和可调的水相反应性而成为一种有前景的候选介质。

PAW是一种由低温等离子体与水相相互作用产生的高度活化液体系，在食品科学与工程领域受到持续关注（Rao et al., 2024）。PAW富含反应活性氧和氮物种（RONS），伴随低pH和高氧化还原电位（ORP），表现出显著的生物活性和反应性。在早期研究中，PAW主要作为微生物控制、食品保鲜和原料预处理的替代处理介质进行研究（Hadinoto et al., 2023）。然而，随着研究从宏观质量调控转向分子水平，PAW在调节生物大分子尤其是蛋白质结构方面的作用受到了越来越多的关注（Gupta et al., 2025）。众多研究证实，PAW处理可诱导不同蛋白质体系发生显著且可重复的结构变化，包括巯基氧化、二级结构重排、疏水性暴露和聚集行为改变，进而影响凝胶化、乳化性、起泡性和消化性能。蛋白质功能变化本质上源于其多级结构的重组，这通常由外部环境因素驱动（Cao et al., 2026）。与依赖单一体系的传统改性方法不同，PAW是一个由多种活性物种、酸碱环境和氧化还原状态组成的复杂反应体系，而非单一反应物（W. Li et al., 2023）。

综合而言，PAW诱导的蛋白质改性可被视为一种结构重编程的多变量耦合过程。活性物种首先与特定氨基酸残基相互作用，诱导局部构象扰动，并逐渐传播为高级结构转变，最终重塑蛋白质的宏观功能。尽管如此，现有综述大多停留在PAW诱导功能增强的描述性总结层面。将化学环境与蛋白质结构演变联系起来的系统框架仍然缺乏。特别是，剂量窗口效应以及不同架构的蛋白质在不同应用场景下的异质性响应尚未得到充分阐明。这些空白限制了基于PAW的蛋白质改性策略的理性设计和加工条件在不同体系间的可转移性。

本文从化学环境视角批判性地综合了PAW与蛋白质的相互作用，遵循一个层级框架，将反应环境—分子靶点—结构迁移—功能重构联系起来。为支持这一综合，通过Web of Science数据库检索了2016年1月至2026年4月21日期间发表的核心PAW文献，并使用Google Scholar进行了有针对性的补充检索。核心主题检索将"plasma-activated water"或"plasma activated water"与"protein"组合，并针对蛋白质结构、构象改性、氧化、聚集、溶解性、凝胶化、乳化性、起泡性、流变性、消化性、漂洗和解冻等主题进行额外检索。通过标题、摘要以及必要时通过全文对相关记录进行筛选，以确定其与PAW化学、食品蛋白质分子改性、多尺度结构响应、功能特性、加工应用以及安全性或转化相关考量有关。专注于医学应用、种子萌发、作物生产、植物生长、废水处理或农业且与食品蛋白质无直接相关性的研究被排除在外，而抗菌研究仅在直接与PAW应用相关的微生物安全问题有关时予以保留。直接等离子体处理研究（无中间等离子体活化水相）与PAW研究区分开来，仅用于提供明确标识的机理背景。由于纳入的研究在等离子体配置、液体化学、蛋白质来源、食品基质、处理模式和分析终点方面存在较大差异，其结果经过批判性比较和综合而非定量汇总。该框架旨在为PAW赋能的蛋白质定制和新型功能食品材料的开发提供机理指导。

节段摘录

PAW的物理化学性质
PAW是在非热等离子体与水相相互作用时产生的，这种相互作用可以发生在气-液界面或通过建立在水中的放电实现（Locke et al., 2025）。等离子体中形成的能量电子、激发物种和自由基引发水和气体分子的解离，而界面传输和随后的水相反应将这些初级物种转化为化学多样化的RONS混合物。取决于放电环境……

PAW诱导蛋白质结构重编程的分子靶点选择
在初始阶段，PAW对蛋白质的作用不是破坏整体结构，而是选择性修饰特定残基（Z. Y. Wang et al., 2025）。这些初始的分子尺度反应为后续结构迁移提供了触发因素，并很大程度上决定了功能变化的方向。在所有潜在反应位点中，含硫残基（尤其是半胱氨酸）被认为是最敏感的目标之一（X. Wang, Li, Shi, Xie, Jin, Wang, et al., 2026）。PAW……

PAW诱导的蛋白质多尺度结构迁移
PAW作用于蛋白质的核心过程不是简单的氧化损伤，而是一个从分子尺度逐渐扩展到超分子结构的连续结构迁移。如表2所示，我们总结了近年来PAW对各层次蛋白质结构影响的代表性研究。

结构迁移驱动的蛋白质功能重构
基于PAW诱导的多尺度结构变化的机理和规律，PAW对蛋白质功能的影响不能简单地解释为性能改善或品质提升，而是由结构重排驱动的功能重构过程。不同于传统热处理或化学改性，PAW诱导的结构变化表现出明显的方向性和阶段性，导致不同蛋白质功能出现显著不同的响应。这……

蛋白质对PAW差异化响应的机理决定因素
在PAW诱导的结构迁移和功能重构过程中，蛋白质并不遵循通用路径。其初始构象状态为理解这些差异提供了重要的结构基础。分层组织、氨基酸组成和分子组装的差异影响反应位点的可及性，并影响处理过程中发生的结构变化（Kong et al., 2025）。现有证据表明，主要结构……

情境依赖的PAW在蛋白质加工和食品应用中的角色
观察PAW处理蛋白质的研究，我们发现尽管都使用PAW，但不少研究得出了看似矛盾的结论。例如，文献中经常出现PAW处理显著改变蛋白质结构或显著减少蛋白质结构损伤的表述。因此，我们认为PAW对蛋白质的影响不能简单地定义为促进变化或抑制变化。相反，其作用取决于具体的加工……

方法学进展
方法学的演进直接决定了该领域机理理解的深度。早期关于PAW对蛋白质结构和功能影响的研究主要依赖于光谱分析和流变学，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、圆二色谱（CD）和动态流变测试（J. Chen et al., 2024）。尽管这些方法可以有效揭示蛋白质二级结构的变化和宏观的演进……

PAW在蛋白质体系应用中的当前局限
尽管PAW在蛋白质改性中得到了广泛验证，但仍有几个核心问题未得到解决，并在研究中反复出现而缺乏统一解释。首先，剂量窗口问题：众多研究证实PAW呈非线性作用，在低到中强度下促进结构优化，但在高强度下导致功能恶化。然而，没有统一标准定义这一最佳窗口，使得各研究间的条件不可比。其根本原因是……

未来展望
基于现有的研究基础，PAW在蛋白质改性领域正处于从经验探索向机理驱动方法转变的关键阶段。未来研究应聚焦于以下方向。首先，PAW介导蛋白质改性的进一步发展需要更加标准化的实验基础。PAW产生条件和终端使用化学指纹应使用一致的描述符进行报告，包括……

结论
近年来，PAW因其非热操作和可控的反应性化学环境，在蛋白质结构调控和功能改性领域引起了广泛关注。本综述批判性地综合了当前关于PAW物理化学性质、分子靶点、多尺度结构转变原理和功能重构机制的证据。研究表明，PAW作为一种可调的、多变量耦合的液相……

数据可用性
数据可按要求提供。

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

未引用参考文献
Chen et al., 2023; Chu et al., 2026; Du et al., 2025; Li et al., 2024; Li et al., 2025; Li et al., 2025; Sun et al., 2025; Wang et al., 2026; Wang et al., 2026; Wang et al., 2025; Wang et al., 2026.

作者贡献声明（CRediT）
任晨辉：撰写——初稿；方法学；调查研究。
邵润华：撰写——审阅与编辑。
李凡凡：撰写——审阅与编辑。
高佩佩：概念化；方法学。
李志华：方法学。
邹小波：监督，撰写——审阅与编辑。
周晨光：监督；概念化；资金获取。
施继勇：监督，资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

致谢
本工作得到国家重点研发计划（2025YFE0124800）、国家自然科学基金（32572638）、江苏省自然科学基金（BK20220058, BK20220111）、江苏高校优势学科建设工程（PAPD）和国家自然科学基金（批准号32472491）的资助。

任晨辉 | 邵润华 | 李凡凡 | 高佩佩 | 李志华 | 邹小波 | 周晨光 | 施继勇
江苏大学食品与生物工程学院农产品加工与贮藏实验室，江苏镇江 212013，中国