《Food Structure》：Mesoscopic properties of Antarctic krill protein amyloid fibrils described by soft matter physics
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南极磷虾蛋白经酸热处理自组装形成具有高机械刚性和独特螺旋结构的淀粉样纤维，为海洋蛋白资源的高效利用提供新途径。
张一帆|陈星|齐航|焦西东|张娜娜|严博文|范大明
中国山东省青岛市海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，266400
摘要
源自食品蛋白质的人工淀粉样纤维因其 在食品科学、材料工程和纳米技术中的多种功能而备受关注。作为战略性全球生物质资源，南极磷虾蛋白（AKP）从脱脂磷虾粉中提取，并在pH 2.0和较高温度下自组装成淀粉样纤维（AKAF）。使用软物质物理方法对AKAF的介观性质进行了表征。结果表明，成熟的AKAF平均高度为1.8纳米，轮廓长度为1.8微米，具有25.0纳米的周期性螺旋结构。此外，AKAF表现出显著的机械刚性，持久长度为5.9微米，杨氏模量约为15.5吉帕，超过了大多数报道的食品蛋白质淀粉样纤维。总体而言，本研究展示了将磷虾废弃物蛋白升级为具有显著材料特性的淀粉样材料的过程，有助于海洋蛋白质资源的资源高效和可持续利用。
引言
淀粉样纳米纤维最初是在神经退行性疾病的研究背景下发现的，最近因其能够生成具有多种应用功能的功能性材料而引起了广泛关注（Li, Zhou等人，2023年）。淀粉样纤维的特点是其独特的β-折叠交叉结构，其中β-链垂直于纤维轴排列，并沿轴方向以大约4.7埃的间距对齐。这种排列形成了一种由沿纤维轴延伸的β-片层组成的波纹状超分子片层，这些片层紧密并排排列，片层间的特征距离约为10埃，构成了淀粉样纤维的结构核心（Eisenberg & Sawaya, 2017年）。这些结构的稳定性和耐久性通过相邻β-片层之间的疏水相互作用得到增强，形成了通常称为“空间拉链”的紧密互锁结构（Cao & Mezzenga, 2019年）。这种配置使得淀粉样纤维具有高刚性、极端的纵横比和集体有序性等特征（Cao & Mezzenga, 2019年）。由于淀粉样纤维处于蛋白质折叠和聚集能量景观的全局最小值（Adamcik & Mezzenga, 2018年），它们的形成是蛋白质的一种普遍现象，对于丰富蛋白质的功能具有重要意义。在所有蛋白质中，食品蛋白质因其无毒性质、广泛可用性和成本效益而成为创建人工淀粉样结构的优秀体外起始材料，这激发了研究人员探索其在功能性食品中的潜力，例如纳米级铁的输送系统（Shen等人，2017年）、酒精解毒（Su等人，2024年）。这些功能性纤维还在包括生物医学、环境科学、材料工程和纳米技术在内的多个领域引起了极大的兴趣，促进了在水处理膜（Moore等人，2021年）、生物塑料（Albertsson & Lecommandoux, 2024年）、氢燃料电池（Soon等人，2023年）和 therapeutic materials（Peydayesh等人，2023年）等领域的应用。表1
食品蛋白质纳米纤维的介观性质包括介于分子和宏观尺度之间的特征，主要包括形态、轮廓长度、平均高度、持久长度、扭曲或螺旋间距以及其他超分子结构特征。这些介观性质与食品蛋白质纳米纤维的关键功能性质密切相关，并决定了它们的材料应用，包括界面行为、凝胶化与质地形成、光学性质、质量传输、吸附和负载能力以及相行为。例如，纳米纤维的纵横比显著影响相行为（Adamcik & Mezzenga, 2012年），而弯曲模量决定了水凝胶的弹性（Prince & Kumacheva, 2019年），刚性及长度则严重影响液晶相的光学性质（Bagnani等人，2019年）。对纳米纤维介观性质的研究代表了当前科学的前沿。
从物理学的角度来看，蛋白质纳米纤维属于软物质，在介观尺度上通常表现出离散性、多样性、自相似性和非平衡特性，这通常指的是介观性质的多态性。多态性源于特定的聚集途径（Wei等人，2017年），表明从相同的多肽序列可以衍生出多种纤维结构。根据Cao和Mezzenga（2019年）的研究，淀粉样纤维的多态性严重依赖于蛋白质资源和纤维化条件，包括pH值、温度、搅拌、离子强度、蛋白质浓度以及蛋白质展开的程度。这种多态性的存在通过核心介观性质的变化得以体现。例如，Helbing等人（2018年）发现混合蛋白质纳米纤维表现出多样的形态，包括原纤维、带状结构和扭曲纤维。此外，成核动力学对单体浓度的平衡分布、纤维长度和多态分布有重要影响，揭示了跨尺度上的多态性（Buell, 2022年）。除了形态和尺寸之外，食品蛋白质纳米纤维的刚性和柔韧性——通常通过持久长度来量化——对于确定其机械强度至关重要。Cao等人（2021年）报告称，尽管源自相同的蛋白质序列，人溶菌酶淀粉样纤维可以形成高度柔性的、可逆的淀粉样纤维，也可以形成刚性的、不可逆的淀粉样纤维，其持久长度相差一个数量级以上。此外，与螺旋间距、超螺旋中的原纤维数量以及纤维手性相关的周期性结构特征也是介观性质的重要方面。例如，即使在相同条件下，β-乳球蛋白淀粉样纤维也显示出从大约35纳米到135纳米不等的不同周期性（Adamcik等人，2010年）。因此，探测蛋白质纳米纤维的介观多态性存在两个主要挑战：（i）客观量化或描述其多态性仍然困难；（ii）微调介观多态性质具有挑战性。软物质物理学提供了一个框架，通过简化的物理模型和定量方法来统计描述蛋白质纳米纤维的介观多态性。这种方法使得能够客观量化介观性质，如形态和持久长度。例如，可以通过特征提取、数学运算和拓扑分析获得蛋白质纳米纤维的形态统计（Usov等人，2013年）。此外，它建立了介观特性与宏观性质之间的内在关联（例如，相行为（Assenza和Mezzenga, 2019年，Boire等人，2019年），光学性质（Jin等人，2024年，Ling等人，2018年），以及凝胶弹性（Cao & Mezzenga, 2020年），为阐明蛋白质的结构、性质和功能之间的关系提供了基础框架。
南极磷虾（Euphausia superba）是世界上最大的动物蛋白质资源，被认为是未来海洋食品和功能性产品的高质量来源（Ge等人，2023年）。作为一种战略性全球资源，它拥有巨大的生物量——估计高达10亿吨——以及卓越的营养价值（Hu等人，2021年，Sun等人，2021年）。磷虾蛋白以其较高的蛋白质含量和全面的必需氨基酸谱而著称，其生物价值超过了牛奶和肉类蛋白质（Li等人，2021年）。然而，由于蛋白质的广泛变性和结构降解，脱脂磷虾粉（磷虾油提取的副产品）未能得到充分利用，导致了大量的资源浪费。鉴于迫切需要利用这一资源，将磷虾蛋白转化为功能性淀粉样纤维为高价值利用提供了一条有前景的途径。尽管已经有关于提取南极磷虾蛋白（AKP）的方法的记录（Xiangming等人，2018年），但关于南极磷虾蛋白淀粉样纤维（AKAF）及其介观性质的了解仍然很少。因此，本研究重点关注AKAF的制备及其介观性质的系统表征，旨在为进一步的应用提供科学基础。这项研究为磷虾资源的高价值综合开发奠定了基础，有助于海洋蛋白质资源的资源高效和可持续利用。
材料
脱脂南极磷虾粉购自辽宁辽宇集团有限公司（中国大连）。本研究中使用的所有化学试剂（分析级）均来自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。
南极磷虾蛋白（AKP）的提取
采用碱性提取和酸性沉淀方法（Yufeng等人，2020年），将脱脂南极磷虾粉溶解在去离子水中，比例为1:15（w/v）。然后将分散液调节至pH 11.5并搅拌2小时。在4℃和10,000 rpm下离心后
AKP提取和AKAF生产
使用碱溶化和酸性沉淀方法从脱脂磷虾粉中提取AKP，提取率约为26%（w/w）。SDS-PAGE分析显示，提取的AKP主要由肌动蛋白（约100 kDa）和肌动球蛋白（约42 kDa）组成（图1C），与先前的报道一致（Hu等人，2021年；Xueqing等人，2025年）。为了制备淀粉样纤维（AKAF），将纯化的AKP置于pH 2.0、90°C的酸性条件下进行热处理。
结论
总之，本研究表明，南极磷虾蛋白（AKP）可以通过在pH 2.0下的热诱导纤维化转化为自组装的淀粉样纤维。在此过程中，AKP经历了从α-螺旋到β-片层的显著二级结构转变，这一点通过增加的β-折叠含量和圆二色光谱（CD）得到了证实。根据观察到的结构和形态演变，建议在90°C下进行60小时的热处理
资金来源
本工作得到了国家自然科学基金[项目编号32572604]、国家“十四五”重点研发计划项目[项目编号2023YFD2100800]、中国博士后科学基金[项目编号2023M731336]以及海洋食品加工与安全控制国家重点实验室开放基金[项目编号SKL202301]的资助。
CRediT作者贡献声明
严博文：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。范大明：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取。张一帆：撰写 – 原初草稿，可视化，调查，正式分析，数据管理。陈星：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，项目管理，方法论，资金获取，概念化。齐航：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。焦西东：撰写 – 审稿与编辑，
竞争利益声明
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