构建麸质-酚类化合物-四氧化三铁磁性复合物用于铅吸附：性质与功能

《Journal of Future Foods》：Establishing magnetite complex with gluten and phenolic compounds for lead adsorption: properties and functions

　　

重金属铅对人类健康具有显著威胁。降低食品中残留铅离子有利于保障食品品质与安全。在本研究中，研究人员成功制备了一种具有铅吸附能力的磁性复合物，该复合物以麸质（gluten）、酚类化合物和四氧化三铁（ferroferric oxide, Fe₃O₄）为原料。根据多光谱分析和理化测试，包括没食子酸（gallic acid, GA）、绿原酸（chlorogenic acid, CA）、表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate, EGCG）、原花青素（procyanidine, PR）和单宁酸（tannic acid, TA）在内的酚类化合物均表现出改善麸质性质（包括表面疏水性、巯基含量和氨基含量）以及二级和三级结构的良好性能，进而改善了磁性复合物的热稳定性和结构。酚类化合物的改善程度与其结构特征密切相关。此外，通过分子对接（molecular docking, MD）和分子静电势（molecular electrostatic potential, MEP）分析发现，氢键和疏水键是这些相互作用的主要分子作用力。进一步地，在体外（in vitro）和体内（in vivo）试验中，磁性复合物表现出显著有效吸附水溶液中铅离子的能力，并且能显著降低斑马鱼（Zebra fish）中的铅残留。所有结果表明，该磁性复合物在降低铅残留方面具有潜力，有利于保障食品品质与安全。

随着工业快速发展，重金属污染对人类健康和自然环境造成严重危害。铅（Pb）作为一种重金属，不仅具有致癌性，还可能引发肝脏、肾脏、造血系统及神经系统毒性，即使在低浓度下也可能导致儿童慢性认知行为障碍。此外，过量铅泄漏至海洋和湖泊会对水生生物造成损害，间接危害人类健康。因此，控制和治理食品中铅残留对保护人类健康和食品品质具有重要意义。与化学试剂相比，生态友好型材料在重金属聚集方面更具可行性和可持续性。四氧化三铁（Fe₃O₄）具有巨大比表面积和优良磁性，能形成"纳米团簇"聚集重金属，且易于回收、对样品原有性质影响小。然而，Fe₃O₄复合物存在团聚效应和吸附效率低的问题，需要分散和负载"容器"来负载更多Fe₃O₄。麸质是面粉加工和生物乙醇生产的副产品，因产量大、价格低廉而易于获取，具有优良的成骨性和多孔性，是理想的负载基质。此外，麸质作为基质能形成更致密、功能化的水凝胶"容器"以负载其他活性化合物。研究人员前期研究发现，茶多酚等酚类化合物具有与麸质强相互作用的能力，可改善麸质的性质和结构，从而增强麸质制品的功能和品质。据此提出假设：麸质、酚类化合物和四氧化三铁可作为基质形成磁性复合物，对食品中铅残留具有良好吸附效果，从而降低食品中重金属铅残留，保障食品品质与安全。三元复合体系的发展已成为克服传统吸附剂局限性的有前景策略。传统吸附剂如活性炭、沸石和单组分金属有机框架等常存在吸附容量有限、选择性差、动力学缓慢和再生困难等缺点。相比之下，所提出的三元系统利用其三种组分之间的协同作用——结合多孔支架的高比表面积、功能材料的特异性结合亲和力以及无机组分的结构稳定性，不仅增强了整体吸附容量、加速了质量传递动力学，还显著提高了材料在操作条件下的可重复使用性和稳定性。

为验证该假设，研究人员选取五种酚类化合物与麸质相互作用以改善其性质和结构，进而制备新型麸质-酚类化合物-四氧化三铁磁性复合物，并系统研究了该复合物的性质、结构及其对铅离子的吸附性能。

本研究采用的主要关键技术方法包括：扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观察复合物表面形貌；X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）分析Fe₃O₄晶体形态；傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared, FTIR）表征官能团变化；热重分析（thermogravimetric, TG）评估热稳定性；原子吸收光谱法测定铅含量；荧光光谱和圆二色谱分析麸质二级结构变化；分子对接技术分析酚类化合物与麸质单体蛋白（麦胶蛋白gliadin、低分子量麦谷蛋白LMW-glutenin和高分子量麦谷蛋白HMW-glutenin）的相互作用机制；分子静电势分析酚类化合物的电子分布和反应活性。体外铅吸附试验将2 g磁性复合物分散于200 mL铅溶液（1 mg/L）中，25°C孵育48 h后测定上清液铅含量；体内试验将10 g复合物分散于1 L铅溶液中预孵育12 h后，加入8条斑马鱼培养7天，测定鱼体铅含量。麸质-酚类化合物相互作用研究中，酚类化合物添加量为10 g/kg（基于麸质重量）。

**荧光光谱分析** 通过测定麸质与不同酚类化合物体系的荧光光谱，研究人员发现所有酚类化合物均引起麸质荧光猝灭现象，猝灭能力顺序为：TA > PR ≈ EGCG > CA > GA，与该顺序一致的是酚类化合物的相对分子质量。GA、CA、EGCG和TA组的麸质荧光光谱较对照组发生不同程度红移，表明这四种酚类化合物使麸质形成更亲水的结构；而PR组出现蓝移，归因于PR与其他四种酚类化合物的结构差异。该结果表明多酚-蛋白复合物的形成是荧光猝灭的主要原因，相对分子质量较大的多酚具有更多活性基团，从而增强荧光猝灭。

**圆二色谱分析** 酚类化合物处理显著改变了麸质的圆二色谱，表明二级结构发生变化。GA、CA、EGCG和PR组中麸质的β-折叠增加、α-螺旋减少，这由多酚引起的麸质解折叠所致，其中氢键和疏水力发挥主要作用。相反，TA组α-螺旋显著增加，表明麸质结构更加有序和致密，归因于TA丰富的活性基团和交联位点产生的类似"单宁"效应。

**氨基含量测定** 与对照组相比，所有酚类化合物均使麸质游离氨基含量呈不同趋势下降。酚类化合物对游离氨基含量的降低能力顺序为：TA > EGCG > PR > CA > GA。除EGCG外，该顺序与其相对分子质量一致。EGCG对游离氨基含量的强效作用归因于其高反应活性。总体而言，大分子、多活性基团的酚类化合物倾向于对麸质产生更强效应，而基团种类和反应活性也影响其与蛋白的结合。

**巯基含量测定** EGCG、PR和TA组麸质游离巯基含量基本不变，表明这些酚类化合物不破坏麸质中的二硫键。然而，GA和CA组呈不同下降趋势，表明这两种小分子酚类化合物更易进入麸质空腔与隐藏游离巯基反应。CA对巯基含量的影响强于GA，表明CA与麸质的结合能力高于GA。该结果说明酚类化合物对游离巯基的影响不仅与其分子量和反应活性相关，还与其空间位阻相关。

**表面疏水性分析** GA和CA轻微增加麸质表面疏水性，表明这两种酚类化合物使麸质结构解折叠，疏水残基暴露于环境。而EGCG、PR和TA组麸质表面疏水性呈不同趋势下降，降低顺序为：TA > EGCG > PR。多酚与蛋白表面的相互作用导致蛋白表面疏水性降低。小分子酚类化合物（GA和CA）倾向于进入麸质空腔改变原有空间结构并暴露疏水结构；大分子、空间位阻大的酚类化合物（EGCG、PR和TA）倾向于结合于麸质表面，掩蔽其疏水基团。

**分子对接分析** 酚类化合物与麸质单体蛋白（麦胶蛋白、LMW-麦谷蛋白、HMW-麦谷蛋白）的二维对接图像显示，氢键和疏水键是主要作用力，与光谱和化学分析结果一致。酚类化合物可通过氢键与麸质中众多疏水氨基酸结合，促进麸质亲水性提升。结合能排序为：TA > EGCG > PR > CA > GA，与光谱分析一致。TA、PR和EGCG因分子量大而与麸质紧密交联，表现出高结合能。酚类化合物中没食子酰基的存在可显著提高电子转移能力和反应活性，从而增强与蛋白的相互作用强度。

**分子静电势分析** 分子静电势分析用于识别酚类化合物的电子分布和反应活性。亲电位点主要集中在酚类化合物的羟基上，TA、EGCG和PR比CA和GA表现出更多亲电位点，TA表现出最强的电负性。酚类化合物结构中更多羟基可促进其电子转移能力，从而增强与其他生物大分子的反应活性。EGCG在其B环和D环表现出强电负性，没食子酰基的存在可增强酚类化合物的前沿分子轨道和分子静电势，有助于EGCG在某些生物和化学反应中的强反应活性。

**扫描电镜观察** 对照组磁性复合物结构表面不均匀，具孔洞和突起，类似于原始麸质结构。而GA、CA、EGCG、PR和TA组均表现出致密的形态结构。GA、CA和TA使磁性复合物横截面积更光滑，对应于小分子酚类化合物空间位阻小、更易进入蛋白空腔交联重建麸质结构的结果。TA组内部观察到有序小突起，可能归因于TA对麸质的优选交联效应。EGCG组出现明显蛋白沟壑，表明EGCG未能与麸质形成如TA般均匀平坦的结构；PR组出现大颗粒突起，表明PR对麸质的交联效应弱于EGCG和TA。

**X射线衍射与红外光谱分析** 与纯Fe₃O₄相比，所有组磁性复合物在21.8°处出现显著峰，归因于麸质-果胶聚合物形成及酚类化合物与麸质的相互作用。35.8°处的峰表征Fe₃O₄中心Fe原子的立体构象；18°、30°、43°、54°、57°和63°处的峰为Fe₃O₄颗粒的典型特征峰。结果表明麸质、酚类化合物和果胶未影响Fe₃O₄结构，磁性复合物的磁性得以保持。红外光谱显示，酚类化合物加入后O-H吸收峰在各组均出现轻微红移，表明复合物中形成更多氢键；TA组N-H吸收峰显著红移，归因于游离氨基与麸质中酰氨基团的结合。EGCG、PR和TA组S-S吸收区域无明显变化，但GA和CA组出现明显红移，表明这两种酚类化合物改变了麸质中S-S结构。

**热重分析** 与对照组相比，GA、CA、EGCG和TA组磁性复合物残余质量增加，归因于多酚-蛋白复合物中氢键形成的重组结构。酚类化合物对热残余质量的增强顺序为：TA > EGCG > CA > GA > 对照 > PR，PR效应较弱可能归因于其与麸质反应活性低及特殊的空间位阻。所有酚类化合物组Td₁和Td₂值均降低，分别反映样品中水分蒸发以及果胶和酚类化合物的分解；CA、EGCG和TA组Td₃值降低，而GA和PR组略有升高，反映麸质分解温度变化。结果表明酚类化合物可与麸质相互作用以改善磁性复合物结构，从而增强其热稳定性。

**铅吸附能力评价** 与原始铅含量（水溶液1.15 mg/L，斑马鱼75.56 mg/kg）相比，对照组和酚类化合物组磁性复合物均表现出强铅吸附能力，降低了样品中铅含量，证实了研究假设。酚类化合物加入显著增强了磁性复合物对铅的吸附能力，其中斑马鱼中铅含量降低尤为显著，表明该复合物能有效降低鱼暴露前水相中的重金属残留。蛋白和酚类化合物均可通过多种分子间作用力与金属离子相互作用以吸附铅离子；麸质特殊的网络结构可有效捕获铅离子，使其吸附于复合物表面和内部。与其他植物蛋白相比，麸质表现出良好的疏水性和与酚类化合物的强相互作用，有利于磁性复合物对水中重金属离子的吸附。酚类化合物可交联麸质并重建其结构，从而增强磁性复合物结构和铅吸附能力，在金属吸附领域和环境保护中显示出应用潜力。

研究讨论部分指出，本研究制备的麸质-酚类化合物-四氧化三铁磁性复合物具有良好的热稳定性，所有测试酚类化合物均可通过多种分子作用力与麸质相互作用以增强复合物性质。在体外和体内试验中，该磁性复合物表现出显著吸附水溶液和斑马鱼中铅离子的能力，显著降低铅残留，在降低食品重金属残留方面具有应用潜力。然而，研究尚未确定环境温度和pH值对磁性复合物性质和功能的影响，也未测定该复合物对其他重金属残留的吸附能力。在后续研究中，将进一步优化磁性复合物的制备流程和组成，并考察其抗氧化活性等其他生物功能，以促进其在食品和化学工业中的有价值的应用。