通过空间工程手段设计了肌原纤维蛋白与壳聚糖的界面结构，以实现脂质的可控消化及餐后代谢反应的调控

《Food Hydrocolloids》：Spatially engineered myofibrillar protein and chitosan interfaces for controlled lipid digestion and postprandial metabolic response

　　

赵玉辉|赵雪|徐星莲

农业部肉类质量控制与培养肉开发国家重点实验室、肉类加工重点实验室，江苏省农业协同创新中心肉类生产与加工团队，南京农业大学食品科学与技术学院，中国江苏省南京市210095

摘要

不受控制的脂质消化动力学会导致代谢紊乱，因此需要通过油水界面来调控消化速率和分子组成，以开发先进的脂质替代品。我们使用可消化的肌原纤维蛋白（MP）和不可消化的壳聚糖（CS）设计了三种界面结构：均质复合层（MP/CS）、蛋白质外层双层（MP-CS）和多糖外层双层（CS-MP）。一个关键进展是在消化过程中实时监测油水界面行为，该方法通过将体积相交换和温度程序控制整合到界面流变学和薄膜厚度测量中实现。在胃消化过程中，CS-MP双层保持了最低的界面张力（约9.0 mN/m）和最厚的残留膜（约60 nm），仅减少了约9 nm，显示出对胃蛋白酶水解的强抵抗力。肠道相分析显示，在胆盐作用下界面张力和薄膜厚度出现双相波动，表明双层结构经历了逐步位移而非快速分解——有效地保护了界面免受脂肪酶的攻击。脂质组学分析表明，这种耐用的界面结构起到了“分子筛”的作用，选择性地延迟了饱和脂肪酸的释放，同时富集了多不饱和脂肪酸（例如亚油酸含量达到51.86%），并促进了二酰甘油积累（31.27%）。这些体外结果在体内得到了直接验证。在小鼠实验中，CS-MP乳液延长了胃肠道停留时间并降低了餐后甘油三酯水平，而MP-CS乳液则加速了脂质吸收。我们的研究结果表明，界面空间有序性可以创建一个可编程的脂质分解梯度：MP-CS（最快）> MP/CS（中等）> CS-MP（最慢）。因此，这项研究确立了通过空间工程化蛋白质-多糖界面来设计乳化肉制品中脂质替代品的新原理，并为消化界面表征提供了先进的框架。

引言

与饮食相关的代谢紊乱（如肥胖、高脂血症和非酒精性脂肪肝病）的发病率上升与饮食脂质的不受控制的消化和吸收密切相关。这种失调导致餐后脂质流动迅速，破坏了全身代谢平衡（Hu等人，2018；Ludwig等人，2018；Xu等人，2025）。由于摄入脂质的命运主要受其在胃肠道中遇到的油水界面的物理化学性质控制（Acevedo-Fani & Singh，2022；Chen等人，2023），合理设计这一界面层的组成、结构和稳定性是调节脂质消化及其下游代谢后果的关键策略。

在具有乳化能力的各种生物聚合物中，肌原纤维蛋白（MP）和壳聚糖（CS）是调节消化性的理想模型系统。作为从肌肉组织中提取的高质量蛋白质，MP是人类饮食中动物源性蛋白质的主要来源，通常与脂质一起存在于各种肉制品中。在消化过程中，MP极易被胃蛋白酶和胰蛋白酶水解，导致MP稳定的界面迅速分解（Zhu等人，2025）。相比之下，CS是唯一的天然阳离子多糖，来源于几丁质。其正电荷使其能够与带负电的MP发生静电复合。由于其β-1,4-糖苷键，CS对人类消化酶具有显著的抵抗力，通常作为持久的物理屏障，延长了胃肠道停留时间（Hellmann等人，2024；Mei等人，2026）。这种内在的“快-慢”消化二分性使MP和CS组合成为通过界面设计调控脂质消化动力学的理想候选者。然而，目前的研究主要集中在利用MP和CS复合物来提高乳液的物理稳定性，研究表明它们能有效防止液滴聚集（Zhao等人，2026；Zhao Y. H.等人，2025）。仍存在一个重要的知识空白：MP和CS在油水界面的精确空间组织如何协调与消化成分（如酶、胆盐）的顺序相互作用，从而程序化地控制脂质分解？

最近对蛋白质-多糖稳定乳液的研究开始阐明消化调节的某些方面（Cheng等人，2026；L. Feng等人，2025；B. Hashemi等人，2025；Wang等人，2024）。一些学者系统地研究了乳化剂混合物对界面性质和体外脂质分解的影响，强调了界面组成的作用（DeLoid等人，2018；Liu等人，2022；Liu等人，2024；Michels等人，2023）。例如，已经设计了具有蛋白质包覆淀粉核壳结构的生物聚合物颗粒，作为消化屏障并减少饱和脂肪的摄入（Li等人，2023）。同样，基于CS的递送系统研究也证实了其延迟脂质消化的能力（Wang等人，2025）。然而，这些研究往往将界面层视为均匀的混合体。通过刻意构建具有可消化（MP）和不可消化（CS）组分明显空间分离的层状界面，可以实现更复杂的控制，这一概念在胃肠道命运方面的研究仍较少。这些组分对消化环境的不同暴露——无论是MP直接接触还是被CS外层保护——可能会通过涉及电荷介导的排斥、酶的可达性和界面结构完整性的机制从根本上改变消化轨迹（Fontes-Candia等人，2025；Scheuble等人，2018）。

因此，我们假设脂质的胃肠道消化命运主要由MP和CS的界面结构决定。我们提出了并研究了三种不同的模型：（i）均匀关联的MP/CS复合层，（ii）MP作为外层、CS作为内层的双层（MP-CS），以及（iii）CS作为外层、MP作为内层的双层（CS-MP）。我们推测这些结构不仅会决定消化动力学，还会影响脂质分解的基本途径和分子选择性。具体来说，具有可消化外层的MP-CS双层预计会迅速、同步地分解，导致快速且非选择性的脂质水解。相比之下，CS-MP双层则被认为能够抵抗这种灾难性的分解。我们推测它将经历逐步的位移——首先抵抗胃蛋白酶，然后逐渐被胆盐破坏——形成持久的界面“分子筛”。这种持久的结构预计会选择性地延迟饱和脂肪酸的释放，同时富集多不饱和脂肪酸和二酰甘油。均匀的MP/CS复合层预计会呈现中间且可调的分布。最终，这种空间设计被认为可以在体内建立可编程的脂质分解梯度，直接将界面有序性与餐后代谢反应联系起来。

为了严格验证这一假设并跨越不同尺度进行机制研究，我们采用了一种综合的多尺度方法。该方法将宏观消化动力学（通过游离脂肪酸（FFA）释放曲线量化）与介观界面行为（使用界面流变学和耗散型石英晶体微天平（QCM-D）在精确模拟的消化条件下实时跟踪）以及通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）可视化的微观结构演变联系起来。此外，分子水平的脂质组学分析揭示了消化产物的组成变化，将界面结构与特定的水解途径联系起来。最后，在小鼠模型中的体内验证评估了相应的吸收和代谢结果。这种综合方法超越了传统的单尺度分析，旨在建立通过界面空间工程可编程控制脂质消化的基础原理，为乳化肉制品中的先进脂质替代品提供新的设计原则。

章节片段

材料

冷冻鸡胸肉样品从中国南京的Suguo超市购买，并在20分钟内用冰浴运输到实验室，在4°C下储存备用。壳聚糖（CS；CAS：9012-76-4；目录编号：C804726；脱乙酰化程度=95%）由Macklin Biology Co., Ltd.（中国上海）提供。大豆油、猪胃蛋白酶、猪胰蛋白酶和猪脂肪酶也来自同一供应商。猪胆盐以及BCA蛋白测定试剂盒也来自同一供应商。

粒径分布

三种乳液进入消化时的平均粒径和比表面积相当（表S4），并且预先建立了界面结构（图S1），表明随后的消化行为差异是由界面结构而非初始粒径差异引起的。胃消化（2小时）后的粒径分布显示三种系统之间存在明显差异（图2a）。

结论

本研究表明，脂质的胃肠道消化命运主要由MP和CS的界面空间结构决定。通过设计三种不同的界面模型——均质的MP/CS复合层、MP-CS双层和CS-MP双层，我们发现具有不可消化CS外层的CS-MP双层提供了最强大的屏障，抵抗酶解和竞争性位移，从而延迟了脂质消化，实现了持续的释放和独特的富集效果。

CRediT作者贡献声明

赵玉辉：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、概念化。徐星莲：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。赵雪：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目协调、方法学、资金获取、数据管理、概念化

Tao等人，2024；Zhao等人，2025。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：32272347）、中国农业研究系统（CARS-41）专项基金以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划（PAPD）的支持。