《Foods》：Based on Multi-Spectral Technology, the Interaction Mechanism of Xylitol, Stearic Acid and Gelatin Was Explored
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为优化明胶基膜的性能并拓展其在食品工业中的应用，本研究利用多光谱技术结合热力学分析与分子对接模拟，系统探究了木糖醇（Xyl）、硬脂酸（Ste）与明胶（GA）之间的相互作用机制。结果表明，Xyl和Ste均通过静态猝灭与GA形成稳定的非共价复合物，且结合过程均为自
为优化明胶基膜的性能并拓展其在食品工业中的应用，本研究利用多光谱技术结合热力学分析与分子对接模拟，系统探究了木糖醇（Xyl）、硬脂酸（Ste）与明胶（GA）之间的相互作用机制。结果表明，Xyl和Ste均通过静态猝灭与GA形成稳定的非共价复合物，且结合过程均为自发进行。Xyl-GA复合物作用于甘氨酸GLY21、丙氨酸ALA20、谷氨酰胺GLN19和精氨酸ARG17氨基酸残基，结合常数为1.35 L/mol，结合位点数为0.17，升高温度可有效促进其结合反应。相比之下，硬脂酸-明胶通过氢键和范德华力与丙氨酸ALA20、缬氨酸VAL22、甲硫氨酸MET23、苯丙氨酸PHE25和精氨酸ARG17形成稳定复合物，温度升高会削弱Ste与GA之间的结合力。同步荧光光谱证实木糖醇和硬脂酸的结合位点邻近明胶的色氨酸残基。三维荧光光谱进一步证实两种添加剂的结合可诱导明胶多肽链构象发生变化。本研究表征了木糖醇/硬脂酸与明胶的结合位点、特征参数及相互作用规律，研究结果可为高性能明胶基食品包装材料的靶向改性提供部分理论指导。
一、研究背景与意义
随着全球对安全可持续食品包装需求的增长，以及各国对不可降解塑料废弃物日益严格的环保法规，可降解天然高分子食品包装材料和食品稳定剂的研发已成为食品科学与工程领域的核心热点。明胶（Gelatin, GA）作为一种来源于胶原蛋白温和水解的天然两性高分子胶体蛋白，具有优异的生物相容性、生物可降解性、成膜性和可再生性，可从肉类加工废弃物等工业副产品中高效提取，实现资源循环利用，契合“双碳”发展目标。因此，GA在食品包装、乳品体系稳定性调控和食品凝胶制品加工等领域具有不可替代的应用价值。
然而，纯明胶基材料存在固有性能缺陷：分子链间交联较弱导致所制薄膜机械强度不足、氧气/水蒸气阻隔性能差，而明胶分子内丰富的亲水基团进一步加剧了这些问题，严重限制了明胶基材料在食品工业中的规模化与多元化应用。通过引入小分子添加剂调控明胶分子的构象和分子间交联状态，是明胶基材料改性中应用最广泛且技术最成熟的策略之一。与其他常见改性方法相比，小分子改性具有操作简单、反应条件温和、生物安全性高等优势。
木糖醇（Xylitol, Xyl）和硬脂酸（Stearic acid, Ste）因各自独特的结构特征和改性优势受到广泛关注。Xyl作为天然低热量糖醇，分子结构含多个羟基，可与明胶分子形成氢键或疏水相互作用，发挥增塑作用，优化明胶膜的柔韧性；Ste作为典型疏水性饱和脂肪酸，分子含长链疏水烷基，可与明胶疏水结构域结合，有效增强明胶基材料的疏水性和耐湿性。二者分别代表亲水性和疏水性小分子添加剂，理论上可从亲水和疏水两个维度协同调控明胶的分子构象和微观结构，实现明胶基材料性能的全面优化。
然而，现有研究仍存在明显局限：其一，已有研究多聚焦于明胶与单一添加剂的相互作用，缺乏对明胶与两种不同极性小分子相互作用机制的系统比较分析，两种分子与明胶的结合特异性、分子间作用力类型差异及结合位点差异尚未明确；其二，研究方法较为单一，主要依赖单一光谱技术表征，难以在分子水平揭示明胶与小分子相互作用过程中的构象变化；其三，食品加工过程中的温度波动会改变明胶、木糖醇和硬脂酸之间的相互作用，但温度对二者与明胶结合亲和力及结合模式的调控效应尚未阐明。这些挑战成为制约明胶基材料性能突破和工业化应用的关键瓶颈。
二、研究内容与主要结论
本研究以明胶、木糖醇和硬脂酸为研究对象，采用多光谱技术结合热力学分析和分子对接模拟，系统探究了木糖醇、硬脂酸与明胶的相互作用机制。研究确定了两种化合物与明胶相互作用的荧光猝灭类型、结合常数和结合位点数等参数，分析了木糖醇和硬脂酸与明胶结合的主要分子间作用力类型和热力学特征，鉴定了两种分子在明胶链上的具体结合位点和结合模式，同时探究了温度变化对木糖醇-明胶和硬脂酸-明胶相互作用的调控效应。
研究结果表明，木糖醇和硬脂酸均通过静态猝灭与明胶自发形成稳定的非共价复合物。木糖醇-明胶相互作用以疏水作用力为主导，为吸热反应，温度升高可促进其结合，木糖醇作用于GLY21、ALA20、GLN19和ARG17残基；硬脂酸嵌入明胶疏水核心，通过氢键和范德华力与ALA20、VAL22、MET23、PHE25和ARG17残基结合，该放热结合过程随温度升高而减弱。同步荧光光谱证实两种化合物的结合位点均邻近明胶色氨酸残基，三维荧光光谱进一步证明木糖醇或硬脂酸结合后明胶多肽链构象发生变化。
本研究明确了两种小分子添加剂对明胶的结合参数和结合位点信息，系统比较了明胶与极性差异显著的两种小分子（亲水性木糖醇和疏水性硬脂酸）相互作用的差异，揭示了食品加工相关温度变化对两种体系结合亲和力的调控效应，并采用多技术联合分析克服了单一表征方法的局限，为明胶基材料的精准改性提供了关键理论支撑和科学依据，有望促进高性能食品级明胶基包装材料和食品稳定剂的开发。
三、关键技术与方法
研究人员采用多光谱技术（包括紫外光谱、荧光猝灭光谱、同步荧光光谱和三维荧光光谱）结合热力学分析（范特霍夫方程）和分子对接模拟（CDOCKER方法，Discovery Studio 2019 Client软件）进行系统研究。明胶三维结构取自RCSB PDB蛋白数据库（PDB ID: 5cvb），木糖醇（CID: 6420179）和硬脂酸（CID: 121860）的二维结构取自PubChem数据库。实验在298 K和310 K两个温度条件下进行。
四、研究结果
4.1 紫外光谱分析：随着Xyl浓度增加，Xyl-GA体系吸光度显著增大，最大吸收峰从220 nm蓝移至210 nm，表明Xyl与GA的相互作用改变了GA分子内发色团的微环境，疏水相互作用是Xyl与GA相互作用的主要驱动力。
4.2 荧光光谱分析：随着Xyl浓度增加，GA特征发射峰（约340 nm）处荧光强度呈逐渐猝灭趋势；Ste-GA体系中温度升高未显著增加荧光猝灭程度，表明Ste与GA之间形成氢键或弱范德华相互作用。
4.3 猝灭类型、结合位点与结合常数判定：Xyl-GA和Ste-GA体系的猝灭常数均随温度升高呈下降趋势，表明两种体系均以静态猝灭机制为主。结合常数和结合位点数均随温度升高而显著增加，表明温度升高诱导GA构象变化，暴露更多荧光基团，增加了Xyl和Ste在GA上的结合位点数量。
4.4 热力学参数与作用力分析：Xyl-GA复合物的形成以疏水相互作用为主，ΔH为正，结合过程为吸热反应；Ste-GA体系以氢键和范德华力为主导，ΔH为负，结合过程为放热反应。所有体系ΔG均为负值，表明结合过程自发进行。温度升高有利于Xyl-GA体系反应，但会削弱Ste-GA体系的结合能力。
4.5 同步荧光光谱：Δλ = 60 nm条件下体系的荧光强度和猝灭程度显著高于Δλ = 15 nm条件，表明Xyl/Ste与GA的相互作用对色氨酸残基微环境影响更显著，两种小分子与GA的结合位点可能更接近色氨酸残基。
4.6 三维荧光光谱：随着Xyl和Ste浓度增加，两种体系的Peak 1荧光强度显著下降，Peak 2荧光强度显著降低甚至完全消失，表明Xyl/Ste与GA的相互作用改变了GA荧光发色团的微环境，与氨基酸残基极性改变和GA多肽链构象变化相关。
4.7 分子对接模拟：Xyl与GA分子的甘氨酸GLY21、丙氨酸ALA20、谷氨酰胺GLN19和精氨酸ARG17残基相互作用；Ste不结合于GA极性表面，而是深嵌入GA分子紧密的非极性核心结构域，结合位点集中于丙氨酸ALA20、甲硫氨酸MET23、缬氨酸VAL22和苯丙氨酸PHE25残基周围，该结合口袋由密集的非极性氨基酸侧链构成，与同步荧光光谱中Ste作用于Trp残基的结论高度一致。
五、结论
多光谱技术结合热力学分析和分子对接模拟被用于探究木糖醇和硬脂酸与明胶的相互作用机制。木糖醇和硬脂酸均通过静态主导的荧光猝灭与明胶自发形成稳定的非共价复合物。木糖醇-明胶相互作用以疏水作用力为主导，为吸热反应，温度升高可促进其结合，木糖醇与GLY21、ALA20、GLN19和ARG17残基相互作用。硬脂酸嵌入明胶疏水核心，通过氢键和范德华力与ALA20、VAL22、MET23、PHE25和ARG17残基结合，该放热结合过程随温度升高而减弱。同步荧光光谱表明两种化合物的结合位点均邻近明胶色氨酸残基，三维荧光光谱进一步证明木糖醇或硬脂酸结合后明胶多肽构象发生变化。本研究阐明了两种小分子添加剂对明胶的结合参数和结合位点信息，为明胶基食品材料的精准改性提供了关键理论支撑。
