综述：源自食物的自组装肽水凝胶：机制研究、食品应用及人工智能驱动的未来展望

《Trends in Food Science & Technology》：Food-Derived Self-Assembling Peptide Hydrogels: Mechanistic Insights, Food Applications, and AI-Driven Future Perspectives

自组装多肽水凝胶（SAPHs）作为可编程软物质平台，通过序列编码的非共价相互作用形成三维网络，其机械和传输性能可被pH、离子强度、温度及剪切等食品级触发剂调控，从而应用于食品纹理优化、活性成分精准递送及智能包装开发。然而，工业化面临组装机制复杂性、成本高、批次差异大及安全性评估不足等挑战，需结合AI辅助设计和多模态表征提升可扩展性。

　　

作者：曹家宝、范光祺、卢宝鑫、肖志刚、広新

中国沈阳农业大学食品科学学院，沈阳

摘要

背景

自组装肽基水凝胶（SAPHs）是用于食品系统的可编程软物质平台。序列编码的非共价相互作用能够生成水合的三维网络，其机械性能和传输特性可以通过食品级触发因素（pH值、离子强度、温度、剪切力）进行调节。因此，分子设计与食品的质地、生物活性释放以及智能包装密切相关，同时符合安全性和可持续性的要求。

范围与方法

本文结合物理化学和系统科学的视角，介绍了SAPHs的构建单元，在食品相关环境中的组装过程，并将网络结构与质地、释放性能和包装功能联系起来。同时探讨了从模型系统到实际应用的转化，强调了人工智能辅助的设计和过程分析在配方开发、放大生产和性能预测中的作用。

主要发现与结论

SAPHs将机械性能（如弹性模量G’、延展性和自愈性）与扩散和可控释放相结合，从而改善了食品的口感、稳定性和传感性能。然而，其应用受到复杂系统中非线性组装过程、原材料和纯化成本、批次间差异、有限的安全性评估以及缺乏将组成、加工、结构和性能联系起来的完整数据集的制约。本文提出的发展路线侧重于使用低成本副产品作为原料，避免使用有机溶剂和额外的交联剂，采用质量导向的设计策略，并利用计算辅助筛选来缩小序列范围并确定操作条件，从而实现可编程的质地、响应刺激的释放以及智能可食用包装。

引言

自组装肽基水凝胶（SAPHs）是一类新兴的功能性纳米材料，近年来在生物医学、组织工程、药物递送和食品科学领域引起了广泛关注（图1）（Sun等人，2022；Lv等人，2022；Chen等人，2022；Yu等人，2023；Zhu等人，2024；Fu等人，2024；Zhou等人，2024；Zhang等人，2025；Vu等人，2025；Cao等人，2026）。与传统聚合物水凝胶（如多糖、蛋白质及其衍生物）相比，肽基水凝胶具有高度可编程的分子结构、优异的生物相容性、内在的可降解性以及可调的功能性。因此，它们在功能材料和食品科学研究的前沿占据核心地位（Zhang等人，2025；Wang等人，2025；Li等人，2024）。利用序列的可编程性和协同的非共价相互作用（如氢键、疏水效应、π-π堆叠和静电作用），SAPHs在温和条件下能够自发组装成富水三维网络，实现机械性能（如弹性模量G’、延展性和自愈性）与释放行为（如扩散和可控释放）之间的合理耦合（Zhu等人，2024）。与依赖化学交联或宏观混合的传统多糖或蛋白质基凝胶不同，SAPHs通过pH值、离子强度、温度或剪切力等触发因素来控制组装过程，既保证了食品级的安全性，又具备功能性（Mora & Toldrá，2023）。因此，基于食品的自组装肽催生了一代新的水凝胶材料，为食品的功能化、智能特性和营养强化提供了有前景的解决方案。 近年来，关于SAPHs在食品系统中的基础和应用研究取得了快速进展。例如，Cao等人（2025a）利用光谱学和分子动力学模拟全面研究了小麦面筋肽的分子自组装过程；Ouyang等人（2024；Zhu等人，2024）发现乳清蛋白纤维等组装单元可以增强酸化乳制品的粘弹性和微观均匀性，并为低脂和无麸质产品提供了可转移的配方和加工方法；Ji等人（2024）利用大豆蛋白纤维模板水凝胶实现了受pH值或酶刺激的可控释放，提高了食品中多酚的生物可利用性和稳定性；Cao等人（2025b）通过形成复合纳米颗粒来递送pterostilbene，并阐明了其形成机制，揭示了肽网络之间的协同作用。基于水凝胶的pH/TVB-N指示标签能够对肉类和乳制品的变质情况进行比色预警，这与可食用和可降解材料的发展方向一致（Ma等人，2023）。 然而，将SAPHs应用于工业规模食品仍面临诸多挑战。在模型系统和实际食品基质之间建立联系需要解决几个关键问题：在高离子强度、多糖、多酚或脂质滴界面存在的情况下，组装路径可能同时进行或相互竞争，导致网络异质性和滞后现象，从而限制了不同配方之间的预测能力（Zhu等人，2024）；目前使用的技术（如干态显微镜或单模态光谱学）可能会引入制备偏差，包括脱水效应导致的纳米结构失真，这削弱了它们在工业应用中的价值，因为这些方法无法可靠地预测湿态动态食品过程中的行为。因此，需要多模态的验证方法，结合冷冻分辨率显微镜观察原始状态、散射技术获取动力学信息以及流变学分析机械性能，以确保结果的可重复性和符合法规要求（Jayawardena等人，2023；Lambrecht等人，2024）。高纯度肽的分离和组装窗口的精确控制会增加成本，影响其与普通胶体的竞争力。通过副产品的增值利用和全酶过程的强化具有潜力，但这需要进一步的研究和经济技术评估（Mora & Toldrá，2023）。因此，理解SAPHs的潜在机制、应用前景和未来挑战对于其在食品科学中的广泛应用至关重要。 迄今为止，仅有少数综述文章系统地探讨了基于食品的SAPHs。因此，本文旨在综合现有关于其构建单元和序列设计原则、组装触发因素和机制、表征方法、定量标准以及食品相关应用和挑战的知识，同时识别出可以指导未来实验和理论研究的关键知识空白。首先从分子聚集的角度讨论SAPHs的形成原理，然后概述了在食品质地调节、生物活性释放、智能包装、可持续营养和食品产业转型方面的进展，指出了证据不足的领域以及需要进一步深入机制或应用导向研究的方向。最后，我们展望了基于人工智能和高通量技术的组成-过程-结构-性能（CP-SP-F）设计框架的未来发展，强调了这些方向如何为未来关于合理配方、过程优化和实际食品系统验证的研究提供指导。这一综述为SAPHs在食品领域的研究提供了明确的趋势、可验证的优势和未解决的问题，为加速创新和扩大生产规模指明了可行的研究路径，同时优先考虑了未来工作中需要解决的关键问题。

SAPHs的形成机制和基本原理

SAPHs结合了高度可编程的分子结构、优异的生物相容性和广泛的功能可调性，使其成为材料科学与食品科学交叉领域的理想平台（Zhang，2017；Vahedifar & Wu，2022；Yu等人，2023；Zhang等人，2025）。实际应用中，通常首先在严格控制的条件下去溶解经过合理设计的肽序列，然后通过调节pH值或离子强度来触发自组装过程。

SAPHs的表征方法

SAPHs的性能和实用性取决于其多尺度结构、网络架构、机械和热响应、组装状态以及与食品成分的相互作用。因此，一个连贯且可重复的表征工作流程对于解析分子自组装过程和评估应用潜力至关重要。随着仪器技术的进步，SAPHs的表征现在涵盖了常规的物理化学检测以及多模态、动态和原位分析方法。

SAPHs在食品中的应用

SAPHs作为一种精确可调的功能性纳米材料，已从基础实验室研究过渡到食品科学领域的初步工业化阶段。在水凝胶方面，它们在三个主要领域具有显著的应用价值：改善食品质地、提升感官特性和延长储存稳定性；作为活性成分和营养素的递送和保护系统，从而提高食品的开发效率和健康效益。

挑战与未来方向

基于食品的SAPHs在科学上具有巨大潜力，但在实际应用方面仍面临诸多挑战，包括基础理解的不足、可扩展制造的困难、在实际食品系统中的性能问题、法规保障以及市场接受度。这些限制决定了研究的方向和范围，更重要的是，它们能否成为食品产业可持续战略的一部分。

结论

本文认为，SAPHs是具有前景的可编程软物质平台，能够提供可调的结构和功能。通过将序列编码的非共价相互作用与组装路径和多尺度架构相结合，可以设计出具有可预测机械性能和质量传输特性的网络。因此，SAPHs可以作为结构调节剂来定制食品的质地和持水能力，同时作为可控释放的递送载体。 <未引用的参考文献> <作者贡献声明> 作者贡献声明： 曹家宝：概念化、方法论、软件开发、正式分析和初稿撰写。 范光祺：概念化、方法论、验证、审稿与编辑。 肖志刚：正式分析、审稿与编辑。 卢宝鑫：概念化、方法论、验证、监督和审稿与编辑。 広新：方法论、监督和审稿与编辑。 <致谢> 本研究得到了中华人民共和国科学技术部的支持，资助项目包括第十四个五年国家重点研发计划（2021YFD2100902）以及中国国家重点研发计划（2024YFD1501500）。