溶剂扰动揭示花青素-3-葡萄糖苷与马铃薯淀粉相互作用机制：多尺度分析与分子动力学模拟

本研究通过溶剂扰动策略（盐溶液、D2O和乙醇）结合实验表征与分子动力学（MD）模拟，系统解析了马铃薯淀粉（PS）与花青素-3-葡萄糖苷（C3G）的相互作用机制。研究发现静电相互作用是主要驱动力，氢键作用次之，为淀粉-多酚体系的功能性食品设计提供了原子级理论依据。

　　

Highlight

本研究通过溶剂扰动策略揭示了马铃薯淀粉（PS）与花青素-3-葡萄糖苷（C3G）相互作用的原子级机制，为淀粉基功能食品设计提供新视角。

Introduction

淀粉作为一种天然多糖，主要由直链淀粉和支链淀粉组成，二者均以α-1,4-糖苷键连接的α-d-吡喃葡萄糖单元为基本结构，其中支链淀粉还含有α-1,6-糖苷键分支点。天然及改性淀粉作为包封基质在生物活性化合物（如多酚、酶和益生菌）保护领域备受关注。马铃薯淀粉（PS）因其独特的B型晶体结构、大颗粒尺寸和丰富的水通道而成为理想的包封载体，其支链链上的磷酸基团赋予表面负电荷，显著促进静电相互作用。

花青素作为水溶性酚类色素和抗氧化剂，广泛存在于浆果、蔬菜和谷物中。其中的酚羟基赋予其清除自由基、抗炎、抗癌、抗肥胖、抗糖尿病和肝保护等多种生物活性。花青素-3-葡萄糖苷（C3G）是最常见的花青素单体，存在于蓝莓、黑莓、紫甘薯和黑米等深色食物中。然而，C3G的高不稳定性（易受pH、温度、光照和酶解影响）和低生物利用率（<5%）限制了其应用。

淀粉-多酚相互作用为上述问题提供了解决方案。此类相互作用不仅能增强花青素的热稳定性和控释特性，还能改善淀粉的流变学特性、糊化性质和抗消化性。目前研究普遍认为淀粉与多酚的结合主要由非共价作用驱动，包括静电相互作用、氢键、疏水作用和范德华力。然而，这些相互作用的主次角色及具体机制尚未系统阐明。

我们前期研究发现NaCl（2%, w/v）可使PS与C3G的结合能力降低43.15%，提示静电作用为主要驱动力，但深层机制仍需探索。值得注意的是，非共价作用对溶剂环境高度敏感：无机盐通过静电屏蔽效应破坏静电作用；重水（D₂O）因O–D键强于O–H键而削弱氢键；乙醇则因其低介电常数和溶剂化效应干扰静电与氢键作用。这些现象为通过溶剂扰动解析相互作用机制提供了新策略。

本研究以C3G和PS为模型化合物，系统研究了三种溶剂体系（盐溶液、D₂O和乙醇）中二者的相互作用机制。我们结合分子动力学（MD）模拟（提供原子级相互作用细节）与实验表征，聚焦于静电作用与氢键在PS-C3G复合过程中的相对贡献。本研究通过创新的溶剂扰动策略和多尺度验证手段，为淀粉-多酚相互作用机制提供了全新视角，也为优化花青素递送系统和理性设计淀粉基功能食品奠定了理论基础。

Conclusion

盐溶剂中PS与C3G结合量和结合比的降低源于静电屏蔽效应阻碍了带电粒子间的静电吸引。恒定的氢键数量与静电作用的显著衰减共同证实静电相互作用是主要结合驱动力。在D₂O中，结合参数的显著稳定性与CLSM荧光强度的一致性表明PS-C3G相互作用未受明显扰动，进一步排除氢键的主要作用。乙醇则通过降低介电常数和竞争性溶剂化作用逐步削弱结合强度。分子动力学模拟显示，盐溶剂中淀粉链的溶剂可及表面积（SASA）和均方根偏差（RMSD）增加，静电作用力降低；乙醇添加则逐步降低构象稳定性，能量计算证实相互作用的渐进式减弱。