利用等离子体活化水对米糠进行改性，用于功能性生物塑料的制备

《ACS Food Science & Technology》：Valorization of Rice Bran for Functional Bioplastic Fabrication Using Plasma-Activated Water

表面改性和性能优化 等离子活化水处理显著提升稻壳和稻壳蛋白薄膜的机械性能（拉伸强度提高39.7%）、阻隔性（水分渗透率降低至6.46 g/m2·h）及抗氧化活性（DPPH清除率61.91%），同时改变表面粗糙度（AFM显示粗糙度增加2.4倍）和结晶度（XRD显示结晶度提升）。研究证实PAW通过自由基诱导的化学键重组和氢键重构实现功能升级，为农业副产品资源化利用提供新路径。

　　本研究聚焦于利用等离子体激活水（Plasma-Activated Water, PAW）制备稻米麸皮（Rice Bran, RB）和稻米麸皮蛋白（Rice Bran Protein, RBP）薄膜，并对这些薄膜的化学组成、表面结构、物理性能以及热性能进行了系统的分析和评估。随着全球对塑料污染的关注不断加深，尤其是微塑料对环境和人类健康造成的潜在威胁，开发可持续的、可生物降解的包装材料已成为重要的研究方向。稻米麸皮作为一种农业副产品，具有丰富的营养成分和多种生物聚合物，例如纤维素、半纤维素、淀粉和蛋白质，这使其成为制备绿色包装材料的潜在资源。然而，稻米麸皮和其蛋白薄膜在实际应用中也面临一些挑战，例如其高含水量可能导致结构不稳定，影响其作为包装材料的性能表现。

在本研究中，科学家们发现通过等离子体激活水对稻米麸皮和稻米麸皮蛋白进行处理，可以有效改善这些材料的结构特性与功能特性。等离子体激活水是通过在水中产生等离子体而获得的一种富含活性氧和氮物种的水溶液，这些活性成分能够对生物聚合物的分子结构产生影响。具体而言，活性氧和氮物种可以引发生物大分子的氧化反应，促进分子重组，增强材料的物理性能。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、原子力显微镜（AFM）、热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）等多种分析手段，研究团队对处理后的薄膜进行了全面的表征。

研究结果表明，等离子体激活水对稻米麸皮薄膜的影响主要体现在其表面粗糙度和热稳定性方面。处理后的稻米麸皮薄膜表现出更高的表面粗糙度，这可能与等离子体引发的微结构变化有关。此外，热重分析结果显示，等离子体激活水处理的稻米麸皮薄膜在高温下具有更好的热稳定性，其残余质量比未处理的薄膜更高，表明处理过程可能增强了薄膜的耐热性能。同时，X射线衍射分析显示，等离子体激活水处理提高了稻米麸皮薄膜的结晶度，这可能是由于分子间的有序排列和结构优化所致。

相比之下，等离子体激活水对稻米麸皮蛋白薄膜的影响则更为显著。研究发现，等离子体激活水显著提升了稻米麸皮蛋白薄膜的亲水性，水接触角从84.42±9.4°降低至62.0±9.4°，表明其表面更容易被水润湿。同时，水蒸气透过率（WVTR）和吸湿性（MA）也分别增加了12.90%和13.75%。这种亲水性的增强与等离子体激活水引入的羟基自由基（•OH）密切相关，这些自由基能够促进蛋白质分子之间的氢键形成，从而增强其与水分子的相互作用。此外，等离子体激活水还能诱导蛋白质分子之间的交联，进一步改善其结构性能。

在抗氧化活性方面，研究显示等离子体激活水处理显著提高了稻米麸皮和稻米麸皮蛋白薄膜的自由基清除能力。对于稻米麸皮薄膜，其抗氧化活性从57%提升至61%；而对于稻米麸皮蛋白薄膜，其抗氧化活性从49%提升至59%。这种提升可能与等离子体激活水促进的酚类物质与蛋白质之间的复合物分解有关，从而释放出更多的抗氧化成分。此外，活性氧和氮物种还能通过改变分子结构，增加氢键形成，进而提升材料的抗氧化性能。

在物理性能方面，等离子体激活水处理对稻米麸皮薄膜的影响主要体现在其拉伸强度的提升和延展性的降低。拉伸强度从1.74 MPa提升至2.43 MPa，增幅达到39.47%，而延展性则从29.46%下降至6.3%，减少了约78%。这种性能变化可能与等离子体引发的分子交联和结构重组有关，使得材料更加致密，从而提高了其机械强度。然而，这种致密化也导致了延展性的下降，表明材料变得更加刚性。对于稻米麸皮蛋白薄膜，虽然其拉伸强度没有显著变化，但其延展性略有提升，表明处理可能改善了其柔韧性。

在功能性方面，等离子体激活水处理对稻米麸皮薄膜的影响主要体现在其亲水性和水蒸气透过率的降低。亲水性的降低可能与等离子体激活水诱导的交联作用有关，这种交联作用能够减少材料表面的水分子吸附能力。而水蒸气透过率的降低则表明，等离子体激活水处理有助于提高稻米麸皮薄膜的阻隔性能，从而更好地防止水分渗透。对于稻米麸皮蛋白薄膜，等离子体激活水处理显著提升了其亲水性，同时增加了水蒸气透过率和吸湿性，表明处理过程促进了蛋白质与水分子的相互作用，使其在包装应用中更具优势。

在热性能方面，等离子体激活水处理对稻米麸皮薄膜的影响主要体现在其热稳定性增强。热重分析结果显示，处理后的稻米麸皮薄膜在高温下的残余质量比未处理薄膜更高，表明其具有更好的耐热性。然而，对于稻米麸皮蛋白薄膜，等离子体激活水处理反而降低了其热稳定性，这可能是由于等离子体激活水引发的化学分解作用，破坏了蛋白质的结构稳定性。因此，研究团队认为，等离子体激活水在稻米麸皮薄膜的改性中表现出更大的潜力。

总体来看，本研究通过等离子体激活水对稻米麸皮和稻米麸皮蛋白薄膜进行了系统性的改性研究，揭示了其对材料性能的显著影响。等离子体激活水不仅能够改善薄膜的表面结构，还能提升其热稳定性、亲水性以及抗氧化活性。然而，由于稻米麸皮和稻米麸皮蛋白在分子结构上的差异，等离子体激活水对其改性效果也有所不同。因此，未来的研究需要进一步优化处理条件，以实现对不同材料的最佳改性效果。同时，研究还指出，等离子体激活水作为一种绿色、可持续的改性手段，有望在未来的生物包装材料开发中发挥重要作用。