利用超小角和小角X射线散射技术解析乙醇水溶液中麦醇溶蛋白的纳米颗粒形成与聚集行为

为解决食品工业中蛋白质颗粒作为界面稳定剂和生物活性分子载体的应用瓶颈，研究人员通过超小角/小角X射线散射（USAXS/SAXS）结合动态光散射（DLS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），系统研究了麦醇溶蛋白（gliadin）在液相反溶剂沉淀（LAS）过程中的多尺度组装行为。研究发现乙醇浓度梯度（12-70 v/v%）下蛋白质呈现三级结构转变，揭示了从分子卷曲（Rg1=6-7 nm）到纳米颗粒（Rg2=200-500 nm）的层级组装机制，为可控制备功能性蛋白颗粒提供了理论依据。

　　

在食品和制药领域，蛋白质纳米颗粒因其优异的界面稳定性和生物活性分子包载能力备受关注。然而，传统制备方法中蛋白质分子如何响应溶剂环境变化形成特定纳米结构的机制尚不明确，这限制了颗粒性能的精准调控。麦醇溶蛋白（gliadin）作为谷物醇溶蛋白家族成员，其独特的乙醇溶解特性使其成为液相反溶剂沉淀（LAS）技术的理想研究对象，但此前缺乏对其多尺度组装过程的系统性解析。

为解决这一科学问题，加拿大安大略省的研究团队在《Food Hydrocolloids》发表研究，创新性地联用超小角和小角X射线散射（USAXS/SAXS）、动态光散射（DLS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，首次揭示了麦醇溶蛋白在LAS过程中从分子到胶体颗粒的完整组装路径。研究通过分析商业麦醇溶蛋白在12-70 v/v%乙醇梯度中的结构演变，发现三个关键组装区间：高浓度乙醇（50-70 v/v%）下蛋白质保持6-7 nm卷曲构象（散射参数P₁≈2）；中等浓度（30-40 v/v%）形成多分散聚集体；低浓度（12-20 v/v%）自组装为200-500 nm层级颗粒（P₂=3.5-4），其结构单元与高乙醇样本中的分子构象高度相似。FTIR进一步证实组装过程中分子间β-折叠含量显著增加，表明溶剂极性变化驱动了蛋白质二级结构重排。

关键技术方法包括：1）从商业面筋粉中提取麦醇溶蛋白；2）USAXS/SAXS联用技术覆盖0.1 nm-10 μm尺度结构分析；3）DLS测定流体力学直径；4）FTIR解析二级结构变化。

【材料与方法】
研究采用Bulk Barn市售面筋粉经70 v/v%乙醇提取麦醇溶蛋白，SDS-PAGE验证提取物主要为25-37 kDa单体蛋白。

【结果与讨论】
高乙醇浓度（50-70 v/v%）下，USAXS/SAXS在高q区（q>2×10^-2 ?^-1）检测到特征散射信号，统一拟合模型显示此时麦醇溶蛋白呈柔性卷曲构象（R_g1=6-7 nm）。当乙醇降至30-40 v/v%，散射曲线呈现多斜率特征，表明体系中出现多分散聚集体。最具应用价值的低浓度区间（12-20 v/v%）发现双层级结构：低q区（q<2×10^-2 ?^-1）对应200-500 nm胶体颗粒，其质量分形维数（P₂=3.5-4）提示松散多孔结构，而高q区信号证实这些颗粒由初始卷曲构象的蛋白质分子组装而成。

【结论】
该研究首次通过多尺度散射技术阐明LAS技术中麦醇溶蛋白的层级组装机制：1）溶剂极性变化诱导蛋白质二级结构从无序向β-折叠转变；2）组装过程遵循"分子卷曲→多分散中间体→多孔纳米颗粒"的三阶段路径；3）初始分子构象决定终产物形貌。这一发现为理性设计食品级蛋白递送系统提供了关键理论支撑，USAXS/SAXS联用策略也为研究其他生物大分子自组装提供了范式。