《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Advanced processes for engineering food protein amyloid fibrils; molecular mechanisms, processing parameters, and structure-function relationships
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淀粉样纤维（PAFs）是由食品蛋白自组装形成的纳米结构材料，具有β-折叠富集、机械强度高和稳定性强等特点，在食品功能化和生物医学材料中潜力巨大。传统热酸诱导法存在能耗高、时间长的缺陷，新兴技术如高压处理、超声空化、冷等离子体等通过调控分子间作用力，实现精准的PAFs形态与功能调控。该综述系统分析了这些技术的分子机制、工艺参数及结构-功能关系，为开发高效可持续的纳米材料奠定理论基础。
Mohammad Mahdi Rostamabadi | Fuat Topuz | Hadis Rostamabadi | Seid Mahdi Jafari
伊朗伊斯法罕工业大学农业学院食品科学与技术系，伊斯法罕 84156–83111
摘要
源自食物蛋白质的淀粉样纤维（PAFs）是一种高度有序的超分子结构，具有独特的β-折叠片丰富架构、卓越的机械强度和显著的环境稳定性。这些纳米结构材料已成为开发可持续、功能性强的、结构可调的食物系统以及先进生物材料的理想平台。传统的热酸诱导纤维化方法虽然有效，但受到较长处理时间、高能耗和有限结构控制的限制。最近在加工技术方面的突破，如高压处理、超声处理、冷等离子体、中等电场、欧姆加热、微波加热、紫外线照射、射频加热、pH值调节和酶促水解等，为调节纤维化动力学、形态和功能性能提供了前所未有的精度。本文系统地研究了这些新兴方法背后的分子机制、加工参数以及结构与功能之间的相互关系。通过整合工艺工程、蛋白质化学和材料科学的进步，我们提出了优化PAF生产的新途径，从而为食品、生物医学和跨行业应用创造具有变革潜力的先进纳米结构。
引言
基于食物蛋白质的淀粉样纤维（PAFs）通常是组织良好且线性的超分子结构，长度在微米范围内，直径主要小于100纳米，因此被归类为纳米纤维[1]。淀粉样纤维化是一种复杂而多用途的策略，可用于改善和多样化蛋白质的功能。尽管它们的初级氨基酸序列、天然折叠和生理作用存在显著差异，但由食物来源蛋白质形成的淀粉样纤维仍具有保守的超分子结构。这种构象富含“立体拉链”模式，其特征是紧密交叉的β-折叠片结构[2]。蛋白质自组装成高度有序的PAFs在食品领域受到了广泛关注，这使它们成为开发功能性材料的多功能平台[3]。PAFs展现出出色的纳米结构特性，如β-折叠片丰富的架构、高长径比、可调的表面化学性质、机械强度以及在各种不利条件下的显著稳定性[4]。在食品科学领域，PAFs作为先进的生物材料正在崛起，具有设计可持续、功能性和结构定制化食物系统的潜力[5]。这些结构是由蛋白质链通过非共价力协同组织形成的各向异性超分子结构[6]。
在分子尺度上，沿肽链方向的氢键驱动β-折叠片的排列和轴向生长，而疏水相互作用通过减少非极性残基的溶剂暴露来控制侧向关联和纤维增厚[7]。叠加的静电相互作用调节了成核路径和纤维间的相互作用，有效调控了聚集动力学、持久长度和分散稳定性。由于缺乏永久性的共价约束，这些结构具有动态适应性。非共价键在机械、热或界面扰动下会不断交换和重新排列。这种动态的键合特性使纤维网络能够分散应力，在流动条件下重新组织，并可逆地调整其中观结构，从而将分子相互作用层次结构与蛋白质纤维分散体的机械、流变和界面功能联系起来[8][9][10]。
PAF的形成对周围物理化学条件和操作参数非常敏感。传统上，酸性pH下的热变性是诱导食物蛋白质淀粉样化的主流技术[1][11]。然而，仅依赖这种传统方法存在多个障碍，包括较长的处理时间、较高的能量需求、可扩展性挑战以及控制纤维结构和功能的精度有限[12]。为了克服这些限制，食品加工技术取得了显著进展，提供了创新且更可持续的AFs生产策略。最新的研究发现提供了多种热和非热加工技术，每种技术都对PAF的构象、分子间力和纤维化机制产生独特影响[13][14]。
一般来说，蛋白质从天然构象自组装成AFs需要克服重大的热力学障碍和动能障碍[15]。为了克服这些障碍，采用了多种外源干预措施，包括通过靶向酶促水解（酶解）和与极性溶剂系统共孵育[16]。这些方法通过构象重排、酶促调节、分子间力调节、蛋白质-溶剂界面动力学改变和静电屏蔽效应等机制来调控纤维化动力学和热力学，从而决定最终的纤维形态和功能特性。尽管这些方法有效，但通常伴随着固有的缺点，如残留的化学污染、外来杂质的引入、持续的能量输入以及AFs高长径比等关键结构参数的损害[17]。
迄今为止，关于新兴加工技术引起的PAFs结构/物理化学变化的研究已经非常广泛。这些加工技术和操作条件显著影响了这些纤维结构的功能特性，从而拓宽了其在食品和生物医学领域的应用范围。热处理通过诱导二级结构转变和促进二硫键的形成强烈影响蛋白质结构，进而影响其功能行为[18]。多种先进工艺，如高压处理（HPP）[19]、超声处理（ULS）[10]、冷等离子体处理（CPT）[14]、中等电场（MEFs）[20]、欧姆加热（OHH）[21]、紫外线照射（UVI）[22]、射频加热（RFH）[23]、微波辅助加热（MWH）[24]、pH值调节[25]和酶解[26]，在精细调控AFs组装方面表现出巨大潜力，提高了工艺效率、结构精度和可扩展性（图1）。
这些非热方法为定制PAFs的结构和功能特性提供了有前景的策略，同时提升了其质量和安全性。这些处理方法诱导特定的构象变化，包括增加表面疏水性、控制聚集和形成非共价相互作用，最终提高了基于蛋白质的材料的结构稳定性和功能性。这一不断增长的知识体系为制造具有跨行业应用的开创性生物材料提供了宝贵的基础[4][17]。本文深入系统地分析了用于控制PAFs生产的尖端加工技术的最新发展，特别关注阐明基本分子机制、关键加工参数、结构与功能之间的相互关系以及新兴的工业应用。工艺工程、蛋白质化学和材料科学领域的跨学科进展的整合为充分利用基于淀粉样结构的纳米级结构设计新型软材料和生物活性/药物递送系统带来了突破性潜力。
PAFs形成的机制洞察
PAFs是一类通过部分未折叠蛋白质分子的自组装形成的有序纳米结构[27]。与疾病相关的淀粉样蛋白不同，这些结构是在受控的加工条件下设计的，并越来越多地被用于食品科学和生物材料领域中发挥其（生物）功能[28]。PAFs的形成过程始于蛋白质的不稳定，通常由高温、酸性/碱性环境或酶促反应引起。
诱导PAFs的物理加工方法
许多PAFs形成系统遵循成核聚合机制，包括初级成核、延伸以及常常发生的次级成核事件，这些事件加速了纤维的增殖，尽管这些步骤的相对重要性因系统而异[47][48]。PAFs的形成可以通过多种物理处理方法进行调节，包括pH值调整、受控热孵育、搅拌、离子强度改变和时间依赖的老化[49][50][51]。
pH值调节
由于PAFs具有良好的超分子结构和抗酶降解性等有利特性，其在食品领域的应用引起了越来越多的兴趣[123]。然而，它们固有的弱凝胶化能力限制了其广泛应用。此外，PAFs制备所需的高酸性环境（pH 2.0）与大多数食品的典型pH范围不兼容
挑战与未来方向
PAFs作为一种有前景的功能性成分，能够改善食品基质的物理/化学性质，并在生物医学工程、环境修复和先进功能材料开发等领域找到应用。然而，它们与致病性淀粉样蛋白的结构相似性引发了关于潜在毒性和安全性的担忧。一些研究报道了β-Lg[134]和麦谷蛋白形成纤维的情况
结论性评论
先进加工技术的发展和对蛋白质自组装的分子水平理解重新定义了食品领域中AF工程的格局。通过超越传统热酸诱导方法的限制，新型方法现在能够高精度、可扩展和可持续地定制纤维形态、β-折叠片含量和功能特性。这些创新提高了工艺效率和结构保真度
作者贡献声明
Mohammad Mahdi Rostamabadi：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析。
Fuat Topuz：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析。
Hadis Rostamabadi：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念化。
Seid Mahdi Jafari：撰写——审稿与编辑、验证、监督、形式分析。
