河鲀（Tetraodontidae）属硬骨鱼纲、鲀形目，俗称“河豚鱼”“气泡鱼”“腊头”等。河鲀作为我国特色水产养殖的重要品种，近年来产业规模持续扩大。《2024中国渔业统计年鉴》数据显示，2023年我国河鲀养殖产量已达26 982 t，加工过程中产生的副产物约占活体质量的70%（包含内脏、头、皮等部位）。其中鱼精（精巢）作为高值化潜力最大的副产物组分，占比约7%，年产鱼精（精巢）约2 000 t，值得注意的是，河鲀鱼精（精巢）在食用价值和科学研究上具有独特优势，使其区别于普通鱼类的精巢组织。春秋战国时期，吴越地区（今江浙一带）以出产河鲀闻名，当地流传着“拼死吃河鲀”的俗谚，其中尤以其精巢最为珍贵，入口即化。此外，河鲀精巢还有“西施乳”或“白子”的美誉，在日本和韩国被视为顶级珍馐，市场价格极高。其质地细腻柔滑，具有显著的滋补功效。鱼精中含有两类极具开发价值的功能性成分：其一为鱼精蛋白，鱼精蛋白组成较为特殊，高比例的碱性蛋白序列使鱼精蛋白具有不同于其他蛋白质的独特功能。鱼精蛋白具有抗疲劳、助呼吸、促消化、降血压、抑制肿瘤生长等重要生理功能，还可以破坏细菌的细胞膜从而抑制细菌生长，其广谱、安全、高效的杀菌活性受到人们的广泛关注；其二为鱼精DNA，这类物质既是基因工程研究的关键基础材料，而且还是用于制作生物化学试剂和药物制品的主要原材料，目前鱼精DNA也被证明具有增强机体免疫力以及延缓细胞衰老等功能。将鱼精蛋白与DNA开发为凝胶形态十分必要：首先，凝胶三维网络结构可有效包埋和保护活性成分，防止其快速降解并实现可控释放；其次，凝胶体系是评价蛋白质功能性质的理想模型。凝胶强度、流变特性及微观结构等指标能够灵敏地反映超声等物理场处理对蛋白质分子结构、聚集行为及分子间相互作用的影响，从而为解析超声的改性机制提供直观且有效的评价维度。此外，凝胶形态适配多样化应用场景，既可作功能性食品基质，亦可作为生物医用材料载体。但是鱼精因其特有的腥臭气味而被长期弃用，在我国未能得到有效开发利用。这与日本的产业化开发形成鲜明对比：日本自20世纪80年代研究发现，每日补充0.8 g鱼精提取物联合2 g VC，4 周后显著改善皮肤状态，37%受试者老年斑淡化，24%皱纹减少；此外，鱼精还是日本社会的蛋白质营养源，作为食品添加剂加入食品中，例如将鱼精和黄线狭鳕肉制作成鱼糕等保健食品。因此，开发鱼精资源的高效利用技术，特别是实现其生物活性成分的高值化转化，对提升我国水产副产物加工产业链价值层级具有重要的实践意义。
现有物理改性技术中，超声波改性技术因其非热、绿色可控的特性，在生物大分子结构调控中展现出独特优势。超声波通过其特有的物理效应（包括微射流、湍流效应、冲击波作用以及空化现象）能够诱导蛋白质分子构象发生改变，从而显著影响其理化特性。超声波产生的空化和剪切作用可以改变蛋白质分子的大小、空间结构，从而暴露出包埋的活性基团，促进蛋白质间的相互作用，也能够诱导蛋白质亚基的解离和重新聚集，进而影响其凝胶特性。有学者研究表明，高强度超声处理可显著降低豌豆-乳清复合蛋白凝胶的粒径和Zeta电位绝对值，这主要归因于空化效应导致的蛋白质大分子解离。同时，超声诱导的分子构象变化促使疏水基团暴露，从而提升表面疏水性。超声处理可通过空化效应断裂DNA分子链影响其凝胶功能；超声处理还可在宏观层面上改变凝胶的流变学特性。因此，利用超声改性可以通过空化效应和机械剪切实现功能上的精准调控。然而，对河鲀鱼精核蛋白凝胶进行超声处理是否会影响其凝胶特性功能，目前尚不清楚。
中国海洋大学食品科学与工程学院的陈一铭、董平*和泉州海洋生物产业研究院的刘红英等人通过系统研究超声时间梯度（0～10 h）对河鲀鱼精核蛋白凝胶结构与功能特性的调控作用，揭示DNA片段化程度与凝胶性能的构效关系，以期为水产副产物高值化利用及功能性蛋白凝胶的定向制备提供理论依据和技术支撑。
1 凝胶强度分析
适当超声处理能显著增强蛋白凝胶的机械性能，其作用机制主要涉及通过调控二硫键重组、疏水相互作用、静电吸引及氢键网络等分子间作用力，诱导蛋白质二级结构发生构象转变，进而促进新型分子交联网络的形成。超声处理对河鲀鱼精核蛋白凝胶强度的影响如图1所示，其呈现显著的非线性调控关系，具体表现为：在0～4 h的超声处理期间，凝胶强度从初始值6.98 N持续提升至峰值10.84 N，显著提升55.3%，这可能是由于超声能量的结构化效应——通过破坏鱼精蛋白的次级键（氢键或疏水作用）使其构象展开，暴露出更多带正电的精氨酸残基，从而增强与DNA磷酸基团的静电交联密度；适当的超声处理有利于鱼精蛋白结构的展开，暴露更活跃的活性基团，从而进一步增强分子相互作用。同时，DNA长链被适度断裂为中等片段，这些片段充当物理交联桥，协同构建出更致密的三维网络。然而，超过4 h的超声处理引发网络不可逆降解：凝胶强度从6 h的6.96 N（与初始值持平）骤降至10 h的5.39 N，其可能是由于超声能量积累突破材料耐受阈值，导致凝胶主体结构崩塌。
2 流变学性质分析
为评价不同超声时间下河鲀鱼精核蛋白凝胶抵抗形变破坏的极限能力，测试不同超声时间改性后河鲀鱼精核蛋白凝胶在应变扫描模式下固态和液态的临界点，该点对应G′和G″的交点（即凝胶-溶胶转变点），其应力阈值的提升则直接反映网络稳定性的崩塌。如图2所示，超声0～8 h的应变扫描G′和G″临界应变点稳定在30%左右，表明适度超声（超声时间＜8 h）虽改变网络交联密度（超声2、4、6、8 h相比于未超声样品G′均提升），但未破坏网络拓扑完整性，其凝胶在中等形变下仍保持弹性为主导（G′＞G″）；而超声10 h的应力阈值则剧增至400%左右，此现象可能归因于过度超声引发的结构退化，过度超声导致DNA碎片化以及鱼精蛋白肽链断裂，使物理交联点密度骤降，网络失去回弹能力。这一现象与前期测定凝胶强度的结果高度吻合，凝胶强度结果同样表明超声10 h后凝胶强度急剧下降，两者均表明网络承载能力丧失。
进一步通过频率扫描分析凝胶的黏弹性行为，针对不同超声时间的河鲀鱼精核蛋白凝胶样本进行G′和G″两者与剪切频率之间关系的分析。其中G′反映河鲀鱼精核蛋白凝胶的弹性，G″反映河鲀鱼精核蛋白凝胶的黏性，二者可以反映凝胶的机械性能。从图3可以看出，所有组别的凝胶在扫描频率为0.1～100 rad/s的范围内G′均大于G″，且损耗因子（tan δ＝G″/G′）稳定维持在0.3左右，处于凝胶状态，表明该凝胶为弹性固体，具有良好的稳定性。表明超声处理未改变凝胶的弹性主导特性。以上结果均表明超声引发的河鲀鱼精核蛋白降解并未瓦解网络拓扑框架，仅通过交联点类型转换（长链DNA交联→短链缠结）改变了力学强度。
3 微观结构分析
微观结构是评估凝胶特性的指标之一。利用扫描电子显微镜对不同超声时间河鲀鱼精核蛋白凝胶的微观形貌进行表征（图4），可以清晰地揭示不同超声时间处理下河鲀鱼精核蛋白凝胶的微观结构演变规律。据形貌分析显示，随着超声时间的延长，材料内部呈现显著的差别：未超声（0 h）样品呈现典型的三维多孔网络结构，孔径分布均匀，反映出完整的初始网络状态；而超声4 h后纤维直径明显变粗并出现节点状交联，这种致密化结构与其凝胶强度峰值（10.84 N）和流变学G′提升的特性高度吻合；Liu Yanlong等的研究也得到相似的结果，适度的超声处理能够显著降低蛋白质分子粒径，这种粒径的减小有利于形成结构更为均一且紧密的三维凝胶网络，最终导致凝胶的硬度和弹性模量得到显著提升。超声至6 h时，网络结构开始呈现异质性特征，出现碎片化片段，这种适度碎片化结构在保持网络连续性的同时，最大程度暴露了活性位点；而10 h超声样品则显示出明显的结构坍塌，原纤维网络瓦解为颗粒聚集体，表面出现裂纹和局部致密结节，表明材料已从弹性凝胶转变为脆性凝胶状态。这些形貌特征的系统性变化直观证实了超声时间通过调控DNA片段尺寸和鱼精蛋白构象定向改变凝胶“结构-性能”关系的核心机制。
4 抗氧化活性分析
DPPH自由基是一种含氮显色的自由基，广泛应用于检测材料的自由基消除能力。DPPH法是基于疏水性自由基（DPPH自由基）在乙醇体系中的褪色反应（λ＝517 nm），其作用机制是抗氧化剂向DPPH自由基提供氢原子（氢自由基）实现自由基还原。在抗氧化剂存在时，DPPH自由基中的氮自由基被清除，溶液颜色变淡，其褪色程度与被清除程度呈定量关系，因此可通过DPPH自由基清除率为指标评价凝胶的抗氧化能力。图5为河鲀鱼精核蛋白凝胶经不同超声时间处理后的DPPH自由基清除效率。超声处理时间对抗氧化活性的影响呈现明显的阶段性特征：DPPH自由基清除率在0～6 h超声期间仅从66.72%缓升至73.01%，在6 h后回落。这可能是因为短时超声（2 h）通过破坏蛋白质次级结构促使疏水性抗氧化基团（如酪氨酸酚羟基和苯丙氨酸芳香环）初步暴露；随着处理时间延长至4～6 h，蛋白质三维构象进一步解折叠，使得包埋的活性位点充分暴露，从而显著提升抗氧化能力；然而，过度超声处理（＞6 h）会导致抗氧化肽段的共价键断裂和分子降解，进而降低其自由基清除效率。
采用邻苯三酚自氧化法特异性检测超氧阴离子自由基清除能力（图6）：在碱性条件中，邻苯三酚自氧化链式反应生成超氧阴离子自由基并转化为有色产物（λ＝325 nm）。抗氧化剂通过电子转移直接猝灭超氧阴离子自由基或螯合金属离子阻断反应。由图6可知，超氧阴离子自由基清除率从0 h的24.74%快速升至6 h的56.15%，这可能是由于在超声0～4 h期间，超声逐步解离河鲀鱼精核蛋白，暴露鱼精蛋白中的组氨酸咪唑基团（强超氧阴离子自由基螯合位点）；推测超声4～6 h期间，DNA可能发生断裂形成更小的片段，这与文献中广泛报道的超声致DNA降解效应一致，这些片段通过磷酸二酯键电子转移直接清除超氧阴离子自由基；而超声时间超过6 h后，因过度超声使DNA降解，失去电子传递能力，且鱼精蛋白活性中心遭机械性破坏。
值得注意的是，超声4 h的凝胶强度峰值（10.84 N）与超声6 h的抗氧化峰值在时间上并不同步，深刻揭示了凝胶性能的调控本质：凝胶强度依赖完整网络拓扑结构的稳定性，而抗氧化性则取决于分子水平活性基团（如组氨酸咪唑基）及小DNA片段化的暴露程度，这为定向设计功能化凝胶（高强度应用选4 h改性，高活性应用选6 h改性）提供了关键理论依据。
本研究观察到的现象与常规蛋白质超声改性规律存在显著差异。以往大量研究表明，超声处理主要通过空化效应使蛋白质分子展开、结构松散，从而暴露疏水基团或活性位点，进而改善其凝胶性、乳化性或溶解性。然而，本研究中的河鲀鱼精核蛋白是一个DNA-蛋白质复合物体系。本研究结果表明，除了蛋白质组分的变化外，DNA的断裂与片段化在这一过程中扮演了至关重要的角色。超声前期（0～4 h）主要作用于蛋白组分，暴露氨基酸活性位点；而中期（4～6 h）则通过剪切DNA产生具有电子传递能力的小片段，从而协同贡献于超氧阴离子自由基清除能力的快速上升。这种基于DNA断裂赋予并调控凝胶抗氧化功能的机制，在以往的纯蛋白凝胶超声改性研究中鲜见报道，凸显了本研究的独特性和创新性。
本研究结果具有一定的潜在应用价值。通过精确控制超声时间，可以定向调控河鲀鱼精核蛋白凝胶的抗氧化活性，这为其在功能性食品、保健品以及生物医用材料领域的应用提供了新的思路。例如，这种具有强抗氧化能力的天然凝胶有望作为一种新型的食品抗氧化剂或活性因子载体，用于延缓脂质氧化或保护敏感生物活性成分；此外，其良好的凝胶特性和自由基清除能力也使其在伤口敷料或抗氧化涂层等生物医学领域具有潜在的应用潜力。当然，要实现这些应用，未来研究还需要对其生物安全性、大规模生产的可行性以及在不同体系中的抗氧化效率进行更深入的评估。
5 结 论
本研究系统阐明了超声时间通过差异化调控鱼精蛋白构象与DNA片段化程度，进而影响河鲀鱼精核蛋白凝胶性能的机制与构效关系。研究结果表明，凝胶强度的优化主要依赖于超声诱导形成的致密网络结构，从而优化凝胶强度：适度超声（4 h）使DNA断裂为小片段，与鱼精蛋白中高含量的精氨酸形成致密交联网络；抗氧化活性的提升则源于活性基团的暴露与DNA功能片段化：进一步超声至6 h时，可促进DNA适度碎片化和蛋白活性基团（组氨酸咪唑基、酪氨酸酚羟基等）充分暴露，显著增强自由基清除能力。本研究明确4 h和6 h分别为获得最佳凝胶强度和抗氧化活性的最优处理参数，为海洋生物源功能凝胶的设计提供了理论依据和数据支撑，在食品包装和药物缓释等领域具有应用潜力。
引文格式：
陈一铭, 刘红英, 冯婷玉, 等. 超声处理对河鲀鱼精核蛋白凝胶特性及抗氧化活性的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(1): 212-218. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250803-016.
CHEN Yiming, LIU Hongying, FENG Tingyu, et al. Effect of ultrasonic treatment on gel properties and antioxidant activity of pufferfish sperm nuclear proteins[J]. Food Science, 2026, 47(1): 212-218. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250803-016.
实习编辑：普怡然；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、皖西学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。
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