在不同pH条件下番茄红素与肌原纤维蛋白之间的相互作用：对其结构特性和体外消化率的影响

《Food Hydrocolloids》：Interactions between lycopene and myofibrillar proteins under different pH conditions: Implications for structural properties and in vitro digestibility

番茄红素与肌原纤维蛋白的pH依赖性相互作用机制及其对结构、胶体稳定性和消化性的影响。中性pH下氢键和范德华力主导结合，酸性/碱性时疏水作用为主，导致蛋白质构象改变（减少α-螺旋/β-片层，局部 unfolding），增强胶体稳定性但不改变表面疏水性和zeta电位，pH7时消化性显著提高，极端pH因聚合降低消化性。为功能性肉制品设计提供理论依据。

　　

Jia Huang|Min You|Yanyan Chen|Chunhui Zhang|Feng Huang

中国农业科学院食品科学技术研究所，农业农村部，北京100193，中国

摘要

本研究探讨了番茄红素（LYC）与肌原纤维蛋白（MPs）之间pH依赖性相互作用的机制，以及这些相互作用对蛋白质结构、胶体稳定性和消化率的影响。结果表明，在中性pH下，LYC的结合主要受氢键和范德华力的驱动；而在酸性/碱性条件下，疏水相互作用占主导地位。结构分析显示，LYC降低了α-螺旋/β-折叠的含量，增加了无规卷曲结构，并在肌球蛋白头部-尾部连接处诱导局部展开，尤其是在pH 7时，同时没有改变表面疏水性或ζ电位。重要的是，LYC的嵌入有助于提高胶体稳定性并防止过度聚集。分子动力学模拟证实了结构的不稳定性和随之而来的压缩。消化研究表明，在pH 7时，由于酶的易接近性提高，水解和生物活性肽的释放显著增强；而极端的pH值则导致聚集和消化率下降。这些发现表明，LYC作为一种pH敏感的结构调节剂，可以优化MPs的胶体稳定性和消化率，为设计具有定制功能的营养密集型肉制品提供了理论基础。

引言

膳食蛋白质在食品系统中的功能表现和营养价值在很大程度上取决于其胶体性质和消化率（Chen等人，2020年）。肉类蛋白质因其均衡的氨基酸组成和高消化率而备受推崇，是高质量膳食蛋白质的重要来源（Lee等人，2019年）。此外，它们在决定肉制品的感官特性（尤其是质地特性）方面起着关键作用（Sun等人，2011年）。在肉类蛋白质中，肌原纤维蛋白（MPs）的结构特性是决定肉制品质地、稳定性和营养价值的基本成分。作为关键的食品胶体，MPs通过其表面特性和结构组织显著影响乳液稳定性、凝胶形成能力和持水能力（Chen等人，2020年；Li等人，2022年）。然而，加工过程中的蛋白质氧化常常会导致分子间交联和构象变化，从而影响胶体稳定性和消化功能（Liao等人，2022年；Zhang等人，2020b年）。氧化交联还会干扰酶促消化，因为胃蛋白酶和胰蛋白酶在MPs上的识别位点受到阻碍，导致氧化MPs凝胶在胃肠道消化过程中水解缓慢且不完全（Zhang等人，2024年）。添加天然抗氧化剂是一种有前景的策略，可以调节食品系统中的蛋白质功能。植物来源的天然抗氧化剂广泛存在于水果、茶叶、香料和蔬菜中，通过非共价或共价复合来调节蛋白质功能（Quan等人，2019年；Xu等人，2017年）。这些复合物通常能提高食品产品的抗氧化稳定性和消化率。例如，桑树多酚显著促进了MPs的消化分解，同时提高了消化物的抗氧化潜力（Cheng等人，2023年）。多酚的结构多样性使其能够与MPs成分产生不同的相互作用模式，如在鳗鱼蛋白的研究中，通过抗氧化作用提高了消化率（Zhangli等人，2025年）。尽管多酚-蛋白质相互作用已得到广泛研究，但在食品胶体系统中类胡萝卜素-蛋白质相互作用的领域仍研究较少。现有证据表明，β-胡萝卜素主要通过疏水吸引与MPs结合，导致蛋白质基质内的构象重排（Zhou等人，2024a年）。然而，其他类胡萝卜素（如番茄红素（LYC）与MPs相互作用的精确机制及其对结构、胶体和蛋白质水解的影响仍不清楚。

番茄红素（LYC）是一种亲脂性的四萜类色素，主要存在于番茄和西瓜中，具有出色的自由基清除能力，这归因于其广泛的共轭双键系统（Adetunji等人，2021年）。实验表明，从番茄中提取的成分（如粉末、浆液、果皮提取物）被添加到肉制品中，可以改善颜色稳定性、抗氧化性和生物活性化合物的生物可利用性（Amaro-Blanco等人，2018年）。尽管有这些应用，但在不同物理化学条件下MPs-LYC相互作用的分子基础尚未得到系统研究。

值得注意的是，先前关于酚酸-蛋白质复合物的研究表明，相互作用机制（在碱性/酸性条件下的共价结合与非共价结合）对蛋白质消化率有不同的影响。例如，共价复合物通常表现出较低的酶敏感性，尽管抗氧化活性增强（Zhou等人，2024b年）。LYC的强疏水性表明它可能与蛋白质的疏水域发生显著相互作用，从而深刻影响胶体行为。理解这些相互作用对于设计既稳定又能够有效传递营养的功能性食品系统至关重要。因此，本研究旨在阐明在受控pH环境下MPs-LYC复合物的形成、结构影响和功能后果。具体关注点包括：（1）表征控制复合物组装的分子力及其pH依赖性；（2）评估pH引起的蛋白质结构和胶体性质的变化；（3）研究胶体状态与消化功能之间的关系。这项工作旨在为食品胶体系统中LYC-蛋白质相互作用提供机制见解，为设计具有增强营养价值和定制消化率的功能性肉制品提供理论基础。

材料与化学品

新鲜牛肉购自当地商业屠宰场（北京，中国）。番茄红素（纯度≥98%，HPLC级）、胃蛋白酶（来自猪胃黏膜）和胰蛋白酶（来自猪胰腺）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF）由小东康健仪器有限公司（中国苏州）提供。氢氧化钠、盐酸及其他通用化学试剂均购自

表面疏水性（H₀

表面疏水性提供了关于蛋白质空间排列和疏水残基周围微环境的关键信息。如图1a所示，在pH 7时，天然MPs和MPs-LYC复合物的H₀值都很低，这与等电点附近的结构紧凑性一致。值得注意的是，在测试的pH范围内，MPs和MPs-LYC之间没有观察到统计学上的显著差异。这种现象可以通过两种机制来解释：（i）LYC

结论

本研究揭示了LYC与MPs之间pH依赖性的相互作用机制及其对结构、胶体和功能特性的多方面影响。结果表明，LYC与MPs之间的结合力具有显著的pH敏感性：在中性pH（pH 7）下，氢键和范德华力占主导；而在酸性和碱性条件下，疏水相互作用占主导。值得注意的是，LYC的结合并未显著改变表面疏水性（H₀

CRediT作者贡献声明

Chunhui Zhang：监督、资源管理、项目行政、资金获取。Feng Huang：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、资金获取。Min You：方法论、实验设计、概念构思。Yanyan Chen：软件使用、数据分析。Jia Huang：初稿撰写、实验设计、数据分析

未引用参考文献

Sun和Holly，2011年；You等人，2025年；Zhang等人，2020c年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32472391）和新疆维吾尔自治区天山人才培训计划项目（2022TSYCCX0048）的支持。