综述：蛋白质-淀粉在包封系统中的相互作用：从官能团分布到理化性质及释放特性

《Carbohydrate Polymers》：Protein-starch interaction in encapsulation systems: From functional group distribution to physicochemical and release properties

本文综述了蛋白质-淀粉复合物的物理化学基础、分子相互作用及其在递送系统中的应用，强调了功能基团分布和刺激响应释放的重要性，并展望了混合系统、响应式架构和AI辅助材料设计的前景。

　　蛋白质-淀粉复合物在食品工业及相关领域中的应用正变得日益广泛，特别是在作为生物活性化合物的封装载体方面。这些复合物因其能够稳定、保护并提升生物活性物质的生物利用度，同时实现其在特定条件下的可控释放，而被赋予了增强产品保质期、感官特性和营养价值的潜力。本文旨在全面探讨蛋白质-淀粉复合物的物理化学基础、分子相互作用机制（基于分子动力学模拟）以及功能基团的分布情况，特别关注其在递送系统中作为壁材料的应用。随后，文章将重点介绍基于蛋白质-淀粉的递送系统的关键物理化学、热学及释放行为，并概述在可控设计、释放调控和基质工程方面出现的新策略，这些策略被认为是开发下一代生物活性化合物载体的有前景的解决方案。

蛋白质-淀粉的相互作用对溶剂化、热稳定性、乳化性能、复合作用层面的回凝行为以及生物活性物质的封装效率、物理化学特性（如颗粒大小、表面电荷和形态，以及界面特性）产生重要影响。这些生物聚合物基质在胃肠道中展现出对刺激响应（如pH值和酶反应）和特定部位释放的强烈潜力。未来的研究应更加注重于开发混合系统、响应性结构以及基于人工智能的壁材料配方，以进一步提高封装生物活性物质的稳定性和功能性。

淀粉和蛋白质是人类日常饮食中大多数基础食品基质的重要组成部分。这些大分子存在于多种主要食品分类中，如谷物、蔬菜、豆类和水果。淀粉作为主要的大分子，为日常提供大量能量。淀粉的分子和结构组成决定了其在各种产品中的功能特性。淀粉分子的形态来源于其链的取向，由无定形和结晶区域构成。这些结构特征，即使在微观层面，也显著影响淀粉的物理化学和功能行为。淀粉主要以三种多态形式存在，其中A型（正交晶系）和B型（六方晶系）是主要结构，第三种则由A和B多态以不同比例混合而成。蛋白质可以影响淀粉的结晶性，例如，从小麦中去除蜡质蛋白可以促进B/C型晶体的形成，而减少A型晶体的形成。这种现象归因于蛋白质与淀粉分子之间的相互作用，可能影响淀粉的回凝过程和晶体结构，这些过程受到蛋白质暴露残基及其与淀粉相互作用的影响。

蛋白质的结构组织决定了其与淀粉分子之间的相互作用潜力。在一级结构层面，多肽链由氨基酸序列定义，其中侧链（极性、非极性、带电或芳香性）可以决定其与其它分子链的反应性和相互作用能力。二级结构如α-螺旋、β-折叠和无规卷曲来源于主链原子之间的氢键作用，而三级结构则通过疏水相互作用、二硫键、离子桥和氢键稳定（Guo et al., 2024; LaPelusa & Kaushik, 2025）。在食品加工过程中，蛋白质可能因热、pH或剪切应力而发生变性，暴露出被掩埋的疏水核心和反应性基团（如-SH、-NH2），从而增强其与淀粉羟基或修饰功能基团的结合位点。这种构象的可塑性使蛋白质能够适应淀粉结合表面，形成稳定的界面层，这对封装功能至关重要。蛋白质-淀粉的结合可以通过多种力，包括共价键、静电作用、氢键和疏水作用，而非单一机制（Joshi et al., 2014; Wang et al., 2021）。

尽管淀粉和蛋白质单独用作壁材料，但它们的复合化却能产生优于单一系统的协同增强效果。淀粉本身具有高粘度、成膜能力和低成本的优势，但其在乳化性能、热稳定性及释放动力学方面存在不足，这主要归因于其在加工和消化过程中的膨胀和侵蚀行为（Díaz-Montes, 2023）。相比之下，蛋白质作为优秀的乳化剂和热稳定剂，却容易受到pH值、离子强度以及接近等电点时的聚集影响，从而在复杂的食品基质中表现出一定的不稳定性（Fan et al., 2023）。两者结合则能发挥互补的优势：蛋白质能够在油-水界面迅速吸附，形成粘弹性薄膜，而淀粉则可延伸至水相，通过空间位阻防止液滴的聚并（Cao et al., 2021）。

大量研究表明，蛋白质-淀粉复合物可以用于食品产品中，尤其是用于生物活性化合物的封装（Anand, Ksh, Vasudev, et al., 2024; Liu, Lin, et al., 2023; Mezerji et al., 2023）。保护生物活性物质的有效性并确保其靶向输送是开发功能性食品的关键。许多生物活性物质由于非特异性分布而面临溶解性差和效果有限的问题。因此，理解能够通过多种机制（如降解、扩散和膨胀）实现时间、位置或刺激响应性释放的控制释放系统，对于有效的输送至关重要（Boostani & Jafari, 2020; Rezaei et al., 2022）。封装材料的选择对靶向和控制释放性能具有显著影响（Anand, Ksh, Vasudev, et al., 2024; Yang et al., 2024）。恰当的材料选择可以实现对释放动力学的精细调控，并显著提高微胶囊的储存稳定性和热稳定性（Díaz-Montes, 2023; Zhao et al., 2023）。研究这些相互作用并关注功能基团的分布，对源自不同蛋白质来源的微胶囊和纳米胶囊的期望特性，如靶向和控制释放特性，具有重要影响。

尽管在分子层面的蛋白质-淀粉相互作用（Hu et al., 2024; Ke et al., 2025）、封装应用（Qiu et al., 2025; Sun et al., 2025）以及关于单一、双组分和三组分系统的综述（Wang et al., 2025）方面已有诸多进展，但目前仍缺乏将功能基团分布与多尺度机制、复合作用、物理化学调控及控制释放工程相联系的全面综述。现有的研究多聚焦于孤立的方面，例如结合力（Wang et al., 2021）或纳米颗粒的形成（Qiu et al., 2020），而未能追踪分子到宏观层面的因果关系。本文旨在填补这一空白，通过整合分子动力学模拟、功能基团分析和释放设计，为食品封装提供优化且环境友好的蛋白质-淀粉载体。为此，相关文献通过组合关键词如“蛋白质-淀粉相互作用”、“封装”、“功能特性”和“递送系统”从主要科学数据库（如Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect）中收集。仅考虑同行评审的文章。

蛋白质-淀粉复合物的分子架构在分子层面具有三个结构层次。第一层次的结构特征在于淀粉的线性序列，如直链淀粉中的d-葡萄糖苷，主要通过α-1,4糖苷键连接。在支链淀粉中，第一层次的结构则包括线性和支链区域，由α-1,4和α-1,6糖苷键连接（Yang et al., 2023）。支链淀粉链中分支点的分布会影响其二级结构（双螺旋和单螺旋）以及三级结构（结晶结构）的形成。蛋白质-淀粉复合物的形成涉及多种相互作用机制，包括氢键、静电作用、疏水作用和共价交联等。这些相互作用不仅决定了复合物的物理化学特性，还影响其在食品和医药产品中的应用效果。

随着对靶向递送系统、可持续材料和生物活性物质生物利用度的科学和工业需求的增长，一些前沿趋势预计将在该领域中占据主导地位。靶向递送系统的开发在食品科学和制药研究中都受到广泛关注，因为它们具有提升生物活性和治疗性物质在体内特定部位的输送和吸收的潜力。此外，智能和刺激响应性递送系统的研发也备受期待，这些系统能够根据环境变化（如pH值、温度或酶活性）动态调整释放行为，从而实现更精确的药物或营养素输送。这类系统的开发需要深入理解蛋白质-淀粉复合物的结构特性及其在不同条件下的行为表现，以设计出高效且稳定的封装体系。

蛋白质-淀粉复合物的封装技术设计原则和释放行为是实现其功能性的关键。封装涉及将食品级的壁材料应用于生物活性核心物质，以实现其有效保护和释放。纳米封装和微封装在尺寸范围上有明显区别，纳米封装通常在10至1000纳米之间，而微封装则在3至800微米范围内。壁材料的作用在于形成保护屏障，防止生物活性物质在加工、储存和消化过程中的环境和化学降解。此外，壁材料的物理化学特性，如表面电荷、形态和粒径，也会影响封装效率和释放行为。因此，研究蛋白质-淀粉复合物的物理化学特性对于优化其作为封装材料的应用至关重要。

蛋白质-淀粉复合物的封装技术设计原则和释放行为是实现其功能性的关键。封装涉及将食品级的壁材料应用于生物活性核心物质，以实现其有效保护和释放。纳米封装和微封装在尺寸范围上有明显区别，纳米封装通常在10至1000纳米之间，而微封装则在3至800微米范围内。壁材料的作用在于形成保护屏障，防止生物活性物质在加工、储存和消化过程中的环境和化学降解。此外，壁材料的物理化学特性，如表面电荷、形态和粒径，也会影响封装效率和释放行为。因此，研究蛋白质-淀粉复合物的物理化学特性对于优化其作为封装材料的应用至关重要。

蛋白质-淀粉复合物在封装系统中的物理化学特性对其功能性和应用效果具有决定性作用。这些复合物的物理化学特性，如界面性质、颗粒大小、表面形态和静电特性，会根据生物聚合物的植物来源和结构起源，以及其组成比例和加工条件而有所不同。因此，深入研究这些特性对于设计高效的封装体系至关重要。例如，颗粒大小直接影响生物活性物质的释放速率，而表面形态则影响其在特定环境中的稳定性和分散性。静电特性则决定了生物活性物质与壁材料之间的相互作用力，从而影响其封装效率和释放行为。

蛋白质-淀粉复合物的封装技术在食品工业和医药领域中展现出巨大的应用潜力。然而，其开发和应用仍然面临一些挑战。淀粉在分子尺度上具有显著的结构和组成多样性，这使得其与蛋白质的相互作用复杂多变。淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例、分支分布和分支长度都会影响不同的蛋白质-淀粉相互作用类型。例如，蛋白质与直链淀粉的相互作用可能主要通过疏水作用进行，而蛋白质与支链淀粉的相互作用则可能涉及亲水性和疏水性基团的相互作用（Lin et al., 2020; Scott & Awika, 2023）。此外，淀粉的结晶性也会影响其与蛋白质的结合能力，进而影响复合物的稳定性和释放特性。

蛋白质-淀粉复合物的封装技术在食品工业和医药领域中展现出巨大的应用潜力。然而，其开发和应用仍然面临一些挑战。淀粉在分子尺度上具有显著的结构和组成多样性，这使得其与蛋白质的相互作用复杂多变。淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例、分支分布和分支长度都会影响不同的蛋白质-淀粉相互作用类型。例如，蛋白质与直链淀粉的相互作用可能主要通过疏水作用进行，而蛋白质与支链淀粉的相互作用则可能涉及亲水性和疏水性基团的相互作用（Lin et al., 2020; Scott & Awika, 2023）。此外，淀粉的结晶性也会影响其与蛋白质的结合能力，进而影响复合物的稳定性和释放特性。

随着对智能和刺激响应性递送系统的兴趣不断增长，研究蛋白质-淀粉复合物在不同刺激条件下的行为变得尤为重要。例如，在胃肠道环境中，pH值的变化和酶的降解作用可能会显著影响复合物的稳定性及释放特性。因此，开发能够响应这些环境变化的蛋白质-淀粉复合物成为当前研究的热点。此外，结合现代技术如分子动力学模拟，可以更深入地理解蛋白质-淀粉相互作用的微观机制，从而为优化封装系统的设计提供理论依据。通过这些研究，科学家们能够更好地预测和控制复合物在不同条件下的行为，提高其在食品和医药领域的应用价值。

本文综述了蛋白质-淀粉复合物在封装系统中的相互作用机制及其对释放行为的影响。分析表明，淀粉的羟基基团与蛋白质的功能基团（如氨基、羧基和巯基）之间的化学互补性是决定分子组装、界面稳定性和递送性能的关键因素。氢键、静电吸引、疏水相互作用和共价交联共同决定了蛋白质-淀粉复合物的物理化学特性。因此，深入研究这些相互作用机制对于开发高效、稳定的封装体系具有重要意义。同时，文章也指出了未来研究的方向，包括开发混合系统、响应性结构以及基于人工智能的壁材料配方，以进一步提高封装生物活性物质的稳定性和功能性。