推进可持续食品加工：降膜蒸发器中蛋白质初始污垢的分子尺度理解

为应对食品工业绿色转型中新型蛋白质原料下游加工的效率瓶颈，本研究聚焦降膜蒸发器(FFE)的蛋白质污垢问题。通过分子动力学模拟揭示了溶菌酶在Cr2O3表面的吸附机制，发现静电相互作用主导吸附过程，碱性氨基酸残基起关键作用，且温度对初始污垢形成影响微弱。该研究为优化FFE操作参数和新型蛋白质配方提供了分子层面的理论依据。

　　

随着全球食品工业向绿色可持续方向转型，从传统动物蛋白向替代蛋白源的转变正在加速。然而，新型蛋白质原料的下游加工技术却相对滞后，特别是浓缩和干燥过程中的能效问题亟待解决。在乳制品、果汁等液态食品加工中，降膜蒸发器(falling-film evaporator, FFFE)是主要的脱水浓缩设备，但其热传递表面易发生蛋白质污垢(fouling)，导致能源效率降低、生产成本增加和生产中断。据统计，FFE在奶粉制造中消耗了50%的能源，其中污垢问题贡献了40%的生产成本。

蛋白质污垢是一个多阶段现象，包括蛋白质向表面的传输、初始吸附、构象重排、聚集和最终形成污垢层。虽然先前研究已经探讨了加工条件（如pH、牛奶陈化程度）对不同污垢机制的影响，但分子水平的初始吸附行为仍不清楚。特别是对于新兴的蛋白质配方，如何适应FFE这一主导单元操作，成为食品工业可持续发展的重要挑战。

为了解决这一问题，研究人员在《Journal of Food Engineering》上发表了最新研究成果，通过分子动力学模拟(molecular dynamics simulations, MD)揭示了溶菌酶(lysozyme)在不锈钢热传递表面铬(III)氧化物(Cr₂O₃)上的初始吸附行为。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。首先通过CHARMM-GUI平台准备了溶菌酶分子和Cr₂O₃ slab模型，设置了六个不同的初始取向和四个温度条件(293K、303K、313K、333K)。使用GROMACS 2024v2软件进行全原子分子动力学模拟，采用CHARMM36力场参数，通过能量最小化、NVT和NPT系综平衡等步骤，进行了100 ns的生产模拟。同时利用石英晶体微天平(QCM-D)技术进行了实验验证，监测了溶菌酶在不锈钢传感器表面的吸附质量变化。

3.1). 模型验证

通过CHARMM-GUI和GROMACS确定了溶菌酶在pH=7.0时的质子化状态为+8e，与先前研究一致。QCM-D实验结果显示，溶菌酶在不锈钢传感器表面的吸附量随时间增加而增加，但温度与吸附倾向之间不存在单调关系，表明温度不是影响溶菌酶-不锈钢亲和性的主导因素。

3.2). 总体相互作用能

研究表明，局部相互作用而非温度是影响溶菌酶吸附倾向的主要因素。通过ANOVA分析发现，不同取向间的平均相互作用能存在显著差异(p=0.0019)，而温度间无显著差异(p=0.61)。库仑相互作用占总相互作用能的50-93%，表明电荷基相互作用在物理吸附中起主导作用。

3.3). 最小距离

溶菌酶与Cr₂O₃表面之间的最小距离分析显示，当总相互作用能低于-100 kJ/mol时，溶菌酶会牢固吸附在表面上。在293K时，六个取向中有五个发生吸附，而在其他温度下，六个取向中有四个发生吸附。

3.4). 吸附位点

通过分析每个氨基酸残基与Cr₂O₃ slab的距离发现，不同取向中与表面相互作用的氨基酸残基不同，但温度对残基距离趋势影响有限，表明特定氨基酸残基对Cr₂O₃的优先亲和性超过了温度效应。

3.5). 氨基酸残基的优先亲和性

研究发现，碱性氨基酸残基(37-40%)对溶菌酶吸附的贡献最大，其次是中性极性(30-34%)和中性非极性氨基酸(17-21%)，酸性氨基酸的贡献最小(7-10%)。碱性氨基酸残基(赖氨酸、精氨酸、组氨酸)与Cr₂O₃的相互作用能为负值，表明吸引力；而酸性氨基酸(乙酸、谷氨酸)的相互作用能为正值，表明排斥作用。

3.6). 额外表征

均方根偏差(rmsd)和回旋半径(Rg)分析表明，溶菌酶吸附到Cr₂O₃上引起的构象变化很小。溶菌酶-Cr₂O₃接触数分析显示，相互作用能大小与接触数呈正相关。分子内氢键数量分析表明，吸附过程中溶菌酶的结构稳定性保持良好。

本研究通过分子动力学模拟揭示了溶菌酶在Cr₂O₃表面的吸附行为机制，发现局部相互作用，特别是由库仑力驱动的静电相互作用，是调控吸附过程的关键因素。碱性氨基酸，尤其是赖氨酸和精氨酸，由于其与带负电的Cr₂O₃表面的强静电吸引而发挥主导作用。相比之下，酸性氨基酸由于在中性pH下带有固有负电荷而表现出较弱的排斥相互作用。

温度效应被证明次于局部相互作用，与吸附行为没有明显相关性。虽然较高温度通常会减少某些取向的吸附，但特定的空间排列和局部氨基酸残基在调控吸附过程中起着更关键的作用。需要注意的是，温度对吸附的影响缺乏表明污垢的开始是与温度无关的，但温度是否以及如何影响后续的聚集和分层等污垢阶段的潜在机制需要进一步研究。

该研究强调了局部静电相互作用，特别是涉及碱性残基的相互作用，在决定溶菌酶在Cr₂O₃表面吸附行为中的重要性。研究结果为了解溶菌酶的局部吸附趋势提供了见解，从而了解了初始污垢行为，这对于解决FFE加工新兴食品蛋白质配方中不可避免的污垢挑战具有重要价值。为了更深入地了解未来的宏观现象，如热传递和污垢积累，分子动力学模拟可以与连续介质模型相结合。

这项研究不仅为理解蛋白质在金属氧化物表面的吸附机制提供了分子水平的见解，而且为优化降膜蒸发器的操作参数、减少能源消耗和提高生产效率提供了理论依据。随着食品工业继续向更可持续的蛋白质来源过渡，这类基础研究将成为开发高效、环保加工技术的关键。