《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：PME-mediated pectin-calcium crosslinking during blanching revealed as the mechanistic key to mitigating yield loss in apricot through molecular docking and dynamics simulation
编辑推荐：
摘要果胶是杏中主要的结构性多糖，在热烫过程中会发生严重降解，导致果肉软化并造成15–20%的产量损失。虽然钙处理可以改善硬度，但在热烫条件下钙-果胶酸交联的分子机制和热稳定性仍未明确。本研究将实验结构分析与分子对接及分子动力学（MD）模拟相结合，探究钙-果胶交联是否在热烫过程
摘要
果胶是杏中主要的结构性多糖，在热烫过程中会发生严重降解，导致果肉软化并造成15–20%的产量损失。虽然钙处理可以改善硬度，但在热烫条件下钙-果胶酸交联的分子机制和热稳定性仍未明确。本研究将实验结构分析与分子对接及分子动力学（MD）模拟相结合，探究钙-果胶交联是否在热烫过程中主动发生，并作为产量保持的机制基础。利用响应面法优化了超声辅助氯化钙预处理条件（3.18% CaCl?，85 °C，2.75 min）。优化后的处理使硬度提高了38%，果胶甲酯酶（PME）活性被抑制了64%（为交联创造了最佳的去甲酯化条件），多酚氧化酶降低了45%。果胶分级确认了广泛的蛋盒连接区形成（水溶性果胶 ?49%；螯合剂可溶性 +132%；碳酸钠可溶性 +72%）。XRD显示结晶度提高了75%，FTIR确认了钙配位的羧基基团（1619 cm
?1）。分子对接鉴定了关键的PME催化残基（Arg-273，Asp-197，Glu-257）。重要的是，358 K下的分子动力学模拟揭示，钙交联果胶保持了结构稳定性（RMSD：0.35 nm，而对照组为0.68 nm），并存在持续的Ca
O配位（g(r) = 11.74）。这些发现提供了计算证据，表明蛋盒连接区在模拟热烫过程中保持稳定。结合实验结构数据和直接钙定量确认大量钙被细胞壁组分吸收，这支持钙-果胶交联作为产量保持的机制贡献者。生物活性物质保留显著改善（TPC +27%，β-胡萝卜素 +30%，FRAP +32%，DPPH +34%），且这些益处可持续七天的冷储存。这种整合实验-计算的框架推进了对热应激下果胶结构-功能的理解，并为工业化规模的质量保持提供了机制基础。
引言
果胶是一种复杂的结构性杂多糖，主要由α-1,4-连接的D-半乳糖醛酸残基组成，具有不同的甲酯化度，构成水果初生细胞壁和胞间层的临界承重组分（Muhidinov等，2024）。作为生物大分子，果胶的物理化学性质，包括其凝胶能力、离子结合亲和力和酶促降解敏感性，均受其分子结构控制，特别是甲酯化和游离羧基在均半乳糖醛酸主链上的分布（Khan等，2020；Wang等，2023；Xiao等，2017）。果胶的结构-功能关系在食品科学中具有根本性意义，因为这种多糖对二价阳离子、酶促修饰和热应激表现出显著的响应性，使其成为研究多糖-离子相互作用的理想模型系统，这些相互作用与食品加工相关（Benito-Román等，2020）。
杏（Prunus armeniaca L.）为研究热加工条件下果胶的结构-功能关系提供了一个特别相关的模型系统，因为其富含果胶的果肉在热烫过程中会发生有据可查的结构变化（Su等，2022）。杏的热烫通过两条平行途径导致严重的果胶降解：果胶基质的直接热溶解和由内源果胶甲酯酶（PME；EC 3.1.1.11）催化的酶促去甲酯化，后者产生的游离羧基成为多聚半乳糖醛酸酶介导的链断裂底物（Zdunek等，2021）。果胶结构完整性的丧失表现为果肉软化、细胞分离和质量劣化，这些现象导致工业产量损失达15–20%。Grant等人首先提出的蛋盒模型描述了钙离子与去甲酯化的均半乳糖醛酸序列的协同结合，形成二聚体连接区，其中Ca2+离子与相邻果胶链的羧基氧配位。这种离子交联将可溶性果胶转化为不溶性网络，既能抵抗热降解又能抵抗酶促降解（Xu等，2023）。在此背景下，抑制PME活性至关重要，因为它防止了过度的去甲酯化，同时产生了足够的游离羧基供钙配位。这种平衡使得钙-果胶酸蛋盒连接区的形成成为可能，而不会导致果胶溶解。虽然蛋盒模型已在纯化的果胶和藻酸盐体系中得到了广泛研究，但仍存在一个关键的知识空白：钙-果胶交联是否在热烫过程中主动发生并保持稳定？了解钙-果胶酸连接区在实际加工条件下（80–90 °C）的热稳定性，对于预测钙预处理的工业化性能以及理性设计质地保持策略至关重要。
尽管对采后水果保存中钙硬化进行了大量研究，但关于钙-果胶相互作用在工业热烫的严重热应激下具体分子机制的知识空白仍然显著存在。首先，尚未报道蛋盒连接区在热烫温度下的原子水平热稳定性验证。其次，杏组织中PME-果胶识别机制尚未被表征，这限制了对钙预处理如何中断酶促软化级联反应的机制理解。第三，在核果加工文献中，缺乏将X射线衍射晶体学与傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）相结合的综合结构表征，以从分子到细胞尺度记录钙诱导的果胶结构变化。
分子动力学（MD）模拟已成为在原子分辨率下研究多糖结构-功能关系的有力工具。近期MD模拟在果胶体系中的应用为链构象、钙配位几何和蛋盒连接区形成的热力学提供了见解。然而，这些连接区在加工相关温度下的热稳定性尚未得到系统研究。与MD模拟相辅相成的是，分子对接可以通过预测结合模式和鉴定关键催化残基来阐明酶-底物识别机制。
本研究通过整合实验-计算方法来解决这些空白，以杏为模型系统，探究钙-果胶交联是否在热烫过程中发生并作为产量保持的机制关键。具体目标为：(i) 利用响应面法优化超声辅助钙预处理条件；(ii) 通过果胶分级、X射线衍射、FTIR和SEM表征钙诱导的果胶结构变化；(iii) 通过分子对接阐明PME-果胶识别；以及(iv) 通过在热烫温度（358 K）下的分子动力学模拟验证钙-果胶酸蛋盒连接区的热稳定性。将实验结构分析与计算分子建模相结合，提供了第一个从原子尺度钙配位到热加工植物组织中宏观尺度果胶保存的完整机制框架（Mohammed & Abdullah Mohammed & Abdullah，2018；Wang等，2023）。
章节片段
植物材料与样品制备
从江苏省无锡市一家商业供应商处采购了硬熟杏（Prunus armeniaca L. cv. Saimaiti）果实，直径为30–40 mm，可溶性固形物含量为10–13°Brix（产自新疆）。Saimaiti品种是中国新疆一种具有重要商业价值的品种，以其高可溶性固形物含量和适合加工的硬果肉而闻名。选择该品种是因其商业相关性及对质地劣化的已知敏感性
响应面建模与优化
质量响应可由二阶多项式模型良好描述，整体模型显著（p < 0.05），失拟不显著，确认了二次曲面充分捕捉了实验空间（图1）。硬度表现出明显的内部最优点而非单调趋势，反映了钙介导的交联与热果胶溶解之间的竞争：适中的钙浓度和热剂量促进交联和酶
结论
本研究提供了整合的实验和计算证据，支持钙-果胶交联作为减缓热加工杏产量损失的机制。优化的超声辅助钙预处理（3.18% CaCl?，85 °C，2.75 min）在质地（硬度提高38%）、色泽稳定性（亮度增加22%）和生物活性物质含量（TPC +27%，β-胡萝卜素 +30%，FRAP +32%，DPPH +34%）方面实现了同步增益。果胶分级确认了广泛的
CRediT作者贡献声明
Nida Kanwal：撰写 – 原始草稿，方法论，形式分析，数据管理。Min Zhang：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，方法论，调查。Magezi Joshua：撰写 – 审阅与编辑，方法论，调查。Xiaojing Wang：撰写 – 审阅与编辑，资源，调查。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报道的工作。
致谢
本研究得到了中央高校基本科研业务费（JUSRP202416005）、国家重点研发计划（编号：2022YFD2100601）和江苏省国际科技合作项目（BZ2024026）的资助，使我们得以开展本研究。
Nida Kanwal|Min Zhang|Magezi Joshua|Xiaojing Wang
江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国江苏省无锡市214122
