《Oil Crop Science》：Interaction of polyphenols, proteins, and lipids: Formation, Characterization, and Functional Applications
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多酚、蛋白质和脂质通过多种非共价和共价机制相互作用，这些机制共同影响食品体系中的营养品质、物理化学稳定性和生物利用度。本综述系统地考察了多酚-蛋白质和多酚-脂质二元复合物的形成、表征和功能性，这些复合物是构建高阶三元结构的基本单元。研究人员批判性地分析了关键的
多酚、蛋白质和脂质通过多种非共价和共价机制相互作用，这些机制共同影响食品体系中的营养品质、物理化学稳定性和生物利用度。本综述系统地考察了多酚-蛋白质和多酚-脂质二元复合物的形成、表征和功能性，这些复合物是构建高阶三元结构的基本单元。研究人员批判性地分析了关键的结构特征和组装途径，重点阐述了非共价相互作用（氢键、疏水力、静电吸引、π-π堆积）和共价氧化偶联。研究人员分析了内在因素（例如，多酚结构、蛋白质构象、脂质组成）和外在加工条件（例如，温度、pH值、离子强度）在调节复合物形成中的作用。总结了新兴的制备策略和集成化的表征方法。此外，研究人员讨论了二元相互作用的战略性组合如何在三元体系中产生涌现特性，例如增强的界面稳定化和可控释放，从而在食品乳液、营养保健品、药物递送和生物材料中实现创新应用。通过整合从二元到三元层面的见解，本综述为合理设计具有定制功能的下一代多酚-蛋白质-脂质杂化体系建立了机理基础。
2. 多酚、蛋白质和脂质之间的相互作用机制
多酚-蛋白质-脂质复合物的相互作用主要由氢键、静电力、疏水效应和π-π堆积介导。具体而言，氢键形成于蛋白质羰基中的电负性原子（如O、N、S）与多酚羟基的氢原子之间。静电引力，例如蛋白质中赖氨酸的ε-氨基与多酚羟基之间的作用，也促进了这一过程。这些合力显著增强了分子间的内聚力，并精细地调节了组装后复合物的物理化学性质。疏水相互作用也加强了组装过程，它驱动脂质和多酚的非极性区域之间的结合，从而提高复合效率。同时，多酚芳香环与蛋白质中芳香族氨基酸残基（如苯丙氨酸、色氨酸）之间的π-π堆积促进了结构有序性并赋予了额外的稳定性。此外，脂质与多酚或蛋白质的相互作用可以改变脂质自身的物理化学行为，最终影响所得脂质基载体的稳定性和性能。总之，氢键和静电相互作用通过控制分子缔合和材料特性，在调节这些复合物的结构完整性和功能特性方面起着关键作用。
2.1. 多酚-蛋白质的相互作用类型
多酚-蛋白质复合物可以通过非共价和共价两种方式形成。非共价结合包括氢键、疏水相互作用、静电相互作用和范德华力。其中，氢键和疏水效应被认为是复合物组装的主要驱动力。相比之下，静电力和范德华力在这些体系中很少占主导地位，因为大多数酚类化合物在常见反应条件下不带电荷，而范德华力通常与其他非共价力共存，不起决定性作用。多酚的羟基通过氢键与蛋白质的羰基或酰胺基团相互作用。谷氨酰胺（Gln）和谷氨酸（Glu）残基是氢键的关键位点，桥接黄酮类化合物表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和β-乳球蛋白（β-LG）。疏水相互作用特别发生在蛋白质的非极性区域和多酚的芳香环之间。一个代表性例子是原儿茶醛和阿魏酸（FA）与牛血清白蛋白（BSA）的结合，该结合优先发生在结构域IIA和IIIA之间的疏水空腔内。蛋白质与多酚之间的共价相互作用通常是不可逆的，且比非共价相互作用更稳定，主要涉及以下途径：碱处理、酶催化和自由基介导的接枝。其机制通常涉及带有邻二羟基基团的多酚被氧化成邻醌，随后与亲核氨基酸侧链——主要是氨基基团（如赖氨酸）和巯基基团（如半胱氨酸）——反应，形成C-N或C-S共价键。
2.2. 多酚-脂质的相互作用类型
多酚的生物活性与其对脂质膜的亲和力密切相关，这凸显了研究多酚-脂质相互作用的重要性。这些相互作用在以下几个关键方面产生影响：（1）通过影响脂肪酶活性和乳化作用来调节脂肪吸收；（2）抑制脂质氧化；（3）通过脂质体系统促进多酚的胃肠道递送。这种相互作用是多层次且复杂的，涉及多种结合模式和分析方法。其强度、亲和力和机制不仅取决于多酚的结构，还取决于它们在脂质双分子层中的定位和取向。特别是，多酚上的羟基和脂质的疏水链驱动分子自组装。穿透进入脂质双分子层会改变其结构和物理性质，通常穿透越深，结合亲和力越高。研究表明，单宁因其两亲性、延伸的分子架构和丰富的没食子酰基基团，能够分布在双分子层内并与脂质头部基团相互作用，从而显著影响脂质双分子层。此外，脂质可以作为有效的载体，保护酚类化合物免受环境氧化应激，增强其稳定性，并提高膜穿透和吸收的速率及效率。
2.3. 蛋白质-脂质的相互作用类型
与在其他营养大分子中观察到的相互作用相比，蛋白质和脂质之间的相互作用在食品及相关应用中仍相对研究不足。这两种生物分子可以在范德华力、氢键、静电力和疏水相互作用的共同驱动下结合形成脂蛋白。这类相互作用对于脂质代谢、运输、信号转导以及调节蛋白质活性和定位至关重要。蛋白质亚甲基与脂肪酸之间的范德华力对蛋白质结构域的完整性有重要贡献。脂肪酸或甘油酯的羟基与蛋白质残基之间形成的氢键比涉及水和非极性基团的氢键更强。静电相互作用产生于带电蛋白质基团与极性脂质头部基团之间，以及蛋白质的疏水区域与脂质的非极性尾部之间。疏水相互作用在蛋白质聚集和脂质-蛋白质复合物的稳定化中进一步发挥关键作用。蛋白质的亲脂区域是脂质结合的关键位点。脂质表现出动态、多样且结构复杂的行为，它们的存在能深刻影响蛋白质的功能特性，如溶解性、乳化性和凝胶性，并最终决定食品的关键特性，如质地、稳定性和保质期。越来越多的证据表明，脂质氧化和蛋白质氧化常常相互关联；它们可能同时发生或独立发生。蛋白质-脂质相互作用有助于稳定脂质结构并延长食品保质期，尽管在某些情况下也可能加速氧化过程。在生物学背景下，蛋白质-脂质相互作用对于细胞信号转导和物质运输至关重要。
2.4. 从二元到三元：跨尺度的相互作用整合
虽然前面章节详细介绍了二元相互作用，但在真实的食品和生物基质中，所有三种组分共存并同时相互作用。三元体系不仅仅是三个独立的二元相互作用的简单加和；它们源于分子、胶体和界面尺度上的协同、竞争和层级整合。因此，理解二元相互作用是解读三元复杂性的必要第一步。本节综合现有证据，提出三元复合物形成的机理途径，重点关注二元相互作用汇聚的界面结构。在三元体系中，一种常见的途径是界面络合。蛋白质吸附到新生成的界面上并部分展开，暴露出疏水基团和反应性侧链。随后，多酚通过氢键、疏水接触、π-π堆积以及在适宜条件下的共价偶联与之结合，生成具有增强界面膜机械强度和弹性的复合物，包裹脂质。这导致液滴尺寸显著减小，并在高离子强度和长期储存等环境胁迫下改善抗聚集和乳析的物理稳定性。多酚-脂质亲和力是三元复合物结构的另一个重要驱动因素。根据其特定性质，多酚分布在水相、界面相和油相中。这种直接相互作用与界面处的蛋白质-多酚复合物共同作用，形成了一个从核心向外的浓度梯度。重要的是，界面蛋白层使多酚偏向界面。在那里，它们不仅仅共存，而且还桥接蛋白质结构域和脂质头部基团，从而稳定液滴并将抗氧化活性定位在脂质氧化起始的位置。玉米醇溶蛋白-单宁酸（TA）纳米颗粒稳定的Pickering乳液提供了一个清晰的例证。在二元玉米醇溶蛋白-TA体系中，纳米颗粒表现出抗氧化活性，但没有油的界面稳定作用。加入脂质（油相）后，三元体系自发组装：纳米颗粒吸附到油-水界面，形成一个保护壳，同时防止液滴聚结和抑制脂质氧化——这是单独的二元玉米醇溶蛋白-TA颗粒或传统蛋白质稳定乳液所不具备的协同功能。在大豆蛋白-花青素复合物和多酚改性大豆蛋白乳液中也能观察到类似的涌现行为，其中三元组装产生了二元组合单独无法实现的增强氧化稳定性和抗消化性。这些例子表明，三元相互作用产生的是性质上的新特性，而非仅仅是叠加效应。
3. 结构-功能特性/生物活性关系
多酚、蛋白质和脂质各自具有独特的性质。当结合成复合物时，它们可以展现出新的功能特性，并显著影响关键的功性能，如溶解性、抗氧化能力、热稳定性、乳化性、起泡性和凝胶性。这些变化由各种相互作用机制驱动，包括疏水相互作用、氢键、π-π堆积、共价键形成和电子转移。蛋白质和脂质可以作为载体，通过共价或非共价相互作用包封或吸附多酚，从而改变多酚的溶解度。复合物的形成可以改变多酚的分子排列，暴露或掩蔽疏水或亲水基团，进而影响其在不同溶剂中的溶解度。这些复合物的抗氧化活性通常超过单个组分。这种增强源于几个因素：促进自由基清除的结构变化、改善的电子转移效率、氢键介导的酚羟基稳定化，以及增强稳定性和抗氧化性能的共价键合。在这些复合物中，疏水相互作用驱动多酚与蛋白质或脂质疏水区域的紧密结合，影响溶解度和抗氧化行为。多酚羟基与蛋白质中氨基或羧基之间形成氢键，重新分布电子密度并增强抗氧化潜力。同时，多酚芳香环与蛋白质芳香族氨基酸之间的π-π堆积有助于稳定多酚自由基。共价键进一步改善了结构完整性和抗氧化活性。在抗氧化反应过程中，多酚羟基向自由基提供电子，生成半醌自由基，而复合物内的协同相互作用使得电子转移更加高效。当多酚、蛋白质和脂质组装成复合物时，它们的功性能、溶解性、抗氧化能力、乳化性和生物降解性并非简单的叠加，而是受特定的分子结构特征所支配。本节通过关联（i）多酚羟基构型与抗氧化活性，（ii）蛋白质二级结构变化与乳化性能，以及（iii）交联密度与生物降解性，建立系统的构效关系。
3.1. 羟基构型决定抗氧化效能和结合亲和力
多酚-蛋白质复合物的抗氧化活性主要受酚羟基的数量和位置支配。具体来说，邻二羟基或三羟基结构通过分子内氢键和电子离域稳定生成的苯氧自由基，从而增强自由基清除能力。例如，在乳清浓缩蛋白-亚油酸-表没食子儿茶素没食子酸酯（WPC-LA-EGCG）组成的三元复合物体系中，随着EGCG浓度的升高，对DPPH和ABTS自由基的清除能力显著增加，表明EGCG能显著增强体系的抗氧化活性。在可食用膜的研究中，掺入EGCG的胶原水解物-壳聚糖（CH-CS）复合膜，其ABTS自由基清除能力提高了234%，DPPH自由基清除能力提高了422%，证实了EGCG能大幅提升蛋白质基复合体系的抗氧化活性。核桃分离蛋白（WPI）与多酚形成的共价缀合物，其结合亲和力和抗氧化活性之间存在明显的构效关系，顺序为：EGCG > 绿原酸（CLA） > (+)-儿茶素（CA） > 鞣花酸（EA）。其潜在机制归因于多酚分子中酚羟基的数量、空间排列以及邻二羟基结构的存在。这些结构特征直接决定了它们与蛋白质侧链形成氢键、疏水相互作用和共价键的能力。进一步研究表明，在酚酸中，具有3,4-二羟基取代模式的酚酸（如咖啡酸）显示出比单羟基或甲氧基取代类似物更优越的抗氧化活性，并且这种构效关系在与蛋白质缀合后得以保持。
3.2. 蛋白质构象变化调节乳化和溶解性
多酚结合诱导球状蛋白部分展开，根据结构扰动的程度，这可以增强或损害技术功能特性。适度的α-螺旋含量增加伴随无规卷曲结构的减少，通常会暴露疏水性氨基酸残基，从而改善乳化能力（EAI）、乳化稳定性（ESI）和表面疏水性。例如，当乳清分离蛋白（WPI）与儿茶素复合时，α-螺旋含量从12%增加到16%，而无规卷曲从32%下降到31%，导致表面疏水性降低37.8%，同时EAI和ESI分别显著提高了37.48%和29.32%。然而，过度交联，例如当多酚与蛋白质的比例超过最佳阈值时，会导致蛋白质聚集、溶解度降低和乳化性能下降。这种结构修饰程度与功能结果之间的“钟形”关系已在多个体系中得到证实，包括大豆分离蛋白-单宁酸和β-酪蛋白-EGCG复合物。
3.3. 生物降解性的定量见解
除了这些功能特性外，多酚、蛋白质和脂质之间复合物的生物降解性和生物相容性对其在生物医学和食品工业中的应用至关重要。虽然多酚和蛋白质之间的共价结合可以提高在模拟肠道环境中的稳定性，但也可能影响其最终的生物降解性。影响生物降解性的关键因素包括分子结构、化学改性和环境条件。多酚-蛋白质复合物的生物降解性与共价交联的程度呈负相关。例如，自由基接枝可以改变蛋白质的结构和功能，进而影响降解过程。单宁酸交联明胶（GelTA）薄膜与未交联薄膜相比，其溶解时间显著延长，粘液粘附性提高了1.6倍，溶解时间延长至长达6小时。为了提供定量基准，一项研究报告指出，在模拟胃消化条件下，β-乳球蛋白的半衰期与多酚结合亲和力呈正相关（R2 = 0.85），其中茶多酚复合物显示出延长的蛋白质衰减。另一项研究表明，明胶/单宁酸电纺纤维在7天内，随着单宁酸浓度从5%、10%、15%到18%的增加，降解率分别为85%、50%、38%和25%，展示了通过交联密度可调节的降解速率。此外，蛋白质表面修饰和交联不仅影响多酚的生物利用度和降解模式，也影响基于蛋白质-脂质的递送系统的崩解。一个代表性例子是酪蛋白酸钠与聚甘油-10二醛的交联，已被证明能增强乳液稳定性和乳化性能。这些发现强调，可以通过控制交联程度来调节生物降解性，这是设计缓释递送系统的一个重要考虑因素。
