综述：天然食品蛋白质纳米纤维：形成机制、结构功能、生物安全性及其在人类健康领域的新兴应用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Natural Food Protein Nanofibrils: Formation, Structural Functionality, Biosafety, and Emerging Applications in Human Health

　　

摘要：

背景

天然食物蛋白质是设计具有营养价值及功能性食品结构的主要原料。食物蛋白纳米纤维属于一类能够自我组装的蛋白质纳米结构，它们具有出色的界面活性和结构稳定性，因此被广泛应用于各种高价值的生物技术领域，尤其是在与人类健康相关的方面。

研究范围

本综述探讨了食物蛋白纳米纤维的形成过程、结构特征以及功能特性，包括可逆纤维系统。我们分析了它们的生物安全性，涉及胃肠道消化、细胞毒性、交叉播种效应以及免疫反应等方面。在此基础上，我们介绍了基于食物蛋白纳米纤维的生物活性界面的最新进展。最后，阐述了它们在口服营养输送、胃肠道健康以及更广泛的生物医学领域的应用情况。

进展

近期研究揭示了纤维状结构与表面化学特性如何影响食物蛋白纳米纤维的生物活性及界面功能。取得的重大进展包括开发出具有刺激响应性的可逆食物蛋白纳米纤维，以实现精准的营养释放和物质输送。此外，该领域已从基础特性研究发展到对不同应用场景中食物蛋白纳米纤维行为的深入理解。

现有不足与未来方向：尽管取得了快速进展，但关于结构与功能之间的关系仍需进一步阐明，以弥合结构特征与生物性能之间的差距。对于可持续的植物基输送系统而言，其有效性验证至关重要，这样才能实现大规模应用。另外，了解食物蛋白纳米纤维如何与肠道微生物群及黏膜免疫系统相互作用，仍是亟待研究的重点领域。

结论

食物蛋白纳米纤维代表了食品科学、材料科学与生物医学领域相互融合的重要成果，正逐渐成为全球人类健康领域下一代生物材料的核心组成部分。

引言

天然食物蛋白质是一种重要的巨分子，不仅具有营养价值，还具备结构功能。天然蛋白质具有独特的三级结构，在特定条件下，如酸性环境或热处理作用下，会发生展开并随后自我组装（Cao & Mezzenga, 2019; Nikbakht Nasrabadi et al., 2021）。这些聚集过程会形成多种蛋白质自我组装体及纳米结构，包括无定形聚集体、微纤维、纳米纤维以及晶体（Dobson, 2003）。其中，具有高度有序的β折叠片结构的纳米纤维尤为引人注目（Riek & Eisenberg, 2016; Sawaya et al., 2007）。

历史上，生物体内自我组装的蛋白质纤维概念主要与神经退行性疾病的发病机制相关，尤其是阿尔茨海默病和帕金森病中的淀粉样斑块（Chiti & Dobson, 2017; Kepp et al., 2023; Sawaya et al., 2021）。不过，近几十年来这一认知已经有所拓展。越来越多的证据表明，类似淀粉样的纤维在自然界中普遍存在，可作为具有特定生物功能的材料，比如起到结构支撑和保护作用（大肠杆菌的卷曲纤维[Gerven et al., 2015]、丝素蛋白[Marsh et al., 1955]以及蜘蛛丝[Qi et al., 2023]），还具有可逆储存功能（激素储存颗粒[Cereghetti et al., 2024; Maji et al., 2009]、黑色素[Fowler et al., 2005]），以及用于生物膜涂层和界面调控（细菌疏水蛋白[Gerven et al., 2015]和查普林蛋白[De Jong et al., 2009]）、信息传递（酵母朊病毒[Kalebina et al., 2008]）以及信号传导和防御功能（坏死小体[Vandenabeele et al., 2010]和微菌素毒素[Arranz et al., 2012]）。此外，人工合成的淀粉样物质，也就是从天然蛋白质中体外制备的蛋白质结构，也引起了广泛关注，尤其是食物蛋白纳米纤维，因为它们具备出色的机械性能和功能特性。食物蛋白纳米纤维结合了纳米级的形态结构与化学性质多样的表面，因而具有多种界面行为。它们较高的表面积与体积比以及多样化的表面功能，使得它们能够通过静电吸引、金属离子配位、$$-$$相互作用、疏水作用以及氢键作用等途径，为包裹小分子以及与聚合物或生物界面结合提供了多种可能（C. Chen et al., 2025; Y. Hu et al., 2020; Ji et al., 2023; R. Li et al., 2025a; T. Li & Wang, 2023; Peydayesh et al., 2023; Shen et al., 2017; Su et al., 2024; Yang et al., 2019; Yi et al., 2022; Y. Zhang et al., 2021; Zhou et al., 2025）。虽然这些特性在食品科学和材料科学领域已被广泛应用（T. Li & Wang, 2023; Palika et al., 2021; Xuan et al., 2026; Ye et al., 2026），但它们在人类健康领域的应用潜力也在不断被挖掘。此外，与其他合成纳米材料相比，源自可持续来源的纳米纤维，如乳清蛋白、大豆蛋白或鸡蛋蛋白衍生的纳米纤维，因其固有的生物相容性和可降解性而更具优势（Abioye et al., 2024; T. Li et al., 2023）。

尽管已有综述总结了蛋白质纳米纤维的形成过程、结构特征及其在食品技术领域的应用，但目前仍缺乏一个将它们类似淀粉样的结构与性质，尤其是新型可逆食物蛋白纳米纤维，与人类健康应用联系起来的系统性框架，同时也缺少对其生物安全性的全面评估（Du et al., 2026; Topuz et al., 2025）。因此，有必要开展一篇最新的综述，阐明食物蛋白纳米纤维的结构特征、生物学命运、生物安全性考量以及功能表现之间在人类健康应用中的相互关系。针对这一需求，本综述全面介绍了食物蛋白纳米纤维，重点探讨它们对人类健康的意义。首先，我们阐述了不可逆和可逆食物蛋白纳米纤维的形成机制，以及它们的结构特征和安全性问题。接着，分析了它们在人类健康相关应用中的功能作用，包括药物和营养物质的口服递送、伤口愈合以及骨骼再生（见图1）。最后，我们总结了当前临床转化过程中面临的挑战，以及食物蛋白纳米纤维在全球医疗领域的未来发展潜力。

章节节选

形成机制与结构功能

食物蛋白纳米纤维的形成受热力学和动力学因素共同影响，通常始于天然蛋白质结构的稳定性下降（Chiti & Dobson, 2017; Kroes-Nijboer et al., 2011）。在特定的体外条件下，通常是低pH值和热处理，天然食物蛋白质会首先部分展开，使其原本隐藏的疏水区域以及易于聚集的区域暴露在水中（Goldschmidt et al., 2010; Vettore & Buell, 2019）。这些易于聚集的区域

人类健康应用中的生物安全性考量

在口服给药及食品科学应用背景下，食物蛋白纳米纤维与病理性的淀粉样蛋白结构相似，这引发了人们对其人类使用安全性的担忧（Chiti & Dobson, 2017; Sawaya et al., 2021）。对于用于口服给药的食品蛋白纳米纤维，其生物安全性评估不能仅停留在急性细胞毒性检测上，而应通过一系列生物学检测指标来进行全面评估，这些指标包括它们在经过胃肠道转运过程中的结构变化情况，

食物蛋白纳米纤维在人类健康领域的应用

食物蛋白纳米纤维独特的物理化学特性，如较高的长径比、表面暴露的功能基团以及出色的界面稳定性，使其能够作为多功能平台得到广泛应用（B. Hu et al., 2020; Peydayesh, 2023; Riek & Eisenberg, 2016; Shen et al., 2017; Su et al., 2024; Zhou et al., 2025）。作为活跃的生物界面，这些纳米结构能够有效调节营养物质的分送、控制物质释放速度，以及细胞与材料之间的相互作用，

结论与未来展望

食物蛋白纳米纤维已从最初被视为类似病理性的淀粉样结构，转变为一种可用于人类健康的、具有多功能性且可持续的生物活性材料。它们的实用价值源于独特的长径比、富含β折叠片的结构以及两亲性表面的共同作用，这些特性共同赋予了它们出色的机械强度和可调控的界面活性。正是由于这些特点，食物蛋白纳米纤维能够在多种生物环境中充当多功能载体、催化剂等角色，

未引用参考文献

Chen et al., 2022; Hu et al., 2020; Liu et al., 2024; Liu et al., 2024; vandenAkker et al., 2011; Wang et al., 2026; Xu et al., 2025; Xu et al., 2023; Xuan et al., 2025; Zhang et al., 2021; Zheng et al., 2023.

CRediT作者贡献说明

Xinrui Chen：概念构建、初稿撰写、审稿与编辑工作。Jiangtao Zhou：概念构建、审稿与编辑工作、资金筹集。

Xinrui Chen|Jiangtao Zhou

新加坡国立大学食品科学与技术系，2 Science Drive 2，117542，新加坡