金属离子调控大豆球蛋白-单宁酸共轭物超分子自组装及其对β-胡萝卜素载体性能的影响机制研究

《Food Chemistry: X》：Effect of metal types on the controllable supramolecular self-assembly of protein-polyphenol conjugates and their carrier capabilities

为解决蛋白质载体在极端pH、离子强度下不稳定及β-胡萝卜素易降解的问题，本研究通过金属离子（Fe3+/Cu2+/Al3+/Zn2+/Mg2+/Ca2+）诱导大豆球蛋白（SG）-单宁酸（TA）共轭物自组装，构建了具有高包封效率和稳定性的β-胡萝卜素载体。结果表明Al3+/Zn2+体系包封效率最优，Fe3+/Cu2+增强pH稳定性，TA修饰显著提升抗氧化性与生物可及性，为功能性递送系统设计提供了新策略。

　　

在食品科学与营养学领域，如何有效包封和保护疏水性生物活性物质（如类胡萝卜素）一直是一个关键挑战。β-胡萝卜素作为典型的脂溶性营养素，具有显著的抗氧化性和生理功能，但其对光、热、氧及极端pH条件高度敏感，且水溶性差，限制了其在食品工业中的应用。传统的乳液包封系统虽有一定效果，但存在储存稳定性差、易相分离等问题。蛋白质基载体（如大豆球蛋白SG）因其两亲性和生物相容性被广泛研究，然而天然蛋白质在极端环境下的不稳定性可能导致内容物提前释放和失活。近年来，金属离子诱导的蛋白质自组装和多酚修饰策略为构建稳定载体提供了新思路，但不同金属离子的配位特性如何影响载体结构与功能仍缺乏系统研究。

为此，四川大学食品工程系抗氧化多酚团队在《Food Chemistry: X》上发表研究，系统探讨了六种金属离子（Fe³⁺、Cu²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）对大豆球蛋白-单宁酸（SG-TA）共轭物自组装行为及β-胡萝卜素包封性能的调控作用。

研究通过荧光光谱和Stern-Volmer方程分析金属离子与SG的猝灭机制，发现静态猝灭占主导，Fe³⁺和Al³⁺猝灭能力最强；采用傅里叶红外光谱（FTIR）揭示了金属离子主要与蛋白质羧基和氨基配位，而TA通过共价和非共价相互作用增强网络稳定性；扫描电镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（CLSM）显示金属离子诱导形成层状交织结构，β-胡萝卜均匀分布于疏水空腔；通过体外消化模型（INFOGEST 2.0）评估了载体的消化特性与β-胡萝卜素的生物可及性。

3.1. Metal ion-induced self-assembly of SG

通过荧光猝灭实验发现，金属离子通过配位作用促进SG自组装，Fe³⁺和Al³⁺表现出最强的猝灭能力，静态猝灭占主导，表明形成了稳定的蛋白质-金属复合物。

3.2. Binding sites and interaction modes of metal ions with proteins

FTIR分析表明，金属离子主要与SG的羧基（-COO^?）和氨基结合，TA修饰进一步通过氢键和配位键增强网络密度，其中Fe³⁺/Cu²⁺与TA形成的金属-酚网络（MPN）显著提升结构稳定性。

3.3. Encapsulation capability of carrier matrices

Al³⁺和Zn²⁺组实现了最高的β-胡萝卜素包封效率（因适中的配位能力和低破坏性），而Fe³⁺/Cu²⁺因催化氧化作用包封率较低。TA的引入通过抗氧化保护抵消了额外金属离子的负面影响。

3.4. Morphology of the carrier particles

SEM显示Mg²⁺/Ca²⁺诱导的颗粒结构最致密，Fe³⁺/Cu²⁺组形成不规则层状结构，TA修饰后所有颗粒更均匀紧密。粒径分析表明Fe³⁺/Cu²⁺组粒径最大（约47μm），与多齿配位促进蛋白质折叠相关。

3.5. Spatial distribution of β-carotene within the particles

CLSM证实β-胡萝卜素均匀分布于颗粒疏水空腔内，Al³⁺/Zn²⁺组荧光强度最高，与高包封效率一致。

3.6. Stability of the carrier particles

pH稳定性测试表明，Ca²⁺/Mg²⁺组在宽pH范围（3–8）稳定性最佳，TA修饰后Fe³⁺/Cu²⁺组在极端pH下仍保持完整。极端条件（光/热/氧）实验中，Al³⁺/Mg²⁺/Zn²⁺组在TA保护下β-胡萝卜素保留率最高（48小时后>30%）。

3.7. Fate of carrier particles in simulated digestion

3.7.1. Protein digestibility

金属离子抑制胃消化率（均<35%），TA进一步降低至<30%，其中Mg²⁺/Ca²⁺组消化率最低因占据酶切位点。肠消化后Al³⁺/Zn²⁺组消化率最高（>87%）。

3.7.2. Bioaccessibility of β-carotene

Al³⁺/Zn²⁺组生物可及性最高（S30组达24.63%），TA通过延缓胃释放和抗氧化提升吸收效率。

3.7.3. Antioxidant capacity of carrier particles

消化过程中抗氧化能力持续上升，TA修饰的Al³⁺/Zn²⁺组表现最佳，归因于多酚暴露和β-胡萝卜素协同效应。

该研究结论表明，金属离子通过配位键调控SG-TA共轭物的自组装行为与载体功能，其中Al³⁺/Zn²⁺在包封效率与生物可及性方面优势显著，Fe³⁺/Cu²⁺强化pH稳定性，而TA通过MPN网络和抗氧化作用全面提升性能。该工作为理性设计金属诱导的蛋白质-多酚递送系统提供了重要理论依据，在功能性食品、营养补充剂和智能包装等领域具有广泛应用前景。