揭示硒和干燥对红薯蛋白结构-功能关系的影响：一项多尺度研究

《Food Hydrocolloids》：Unraveling the effects of selenium and drying on the structure–function relationship of sweet potato protein: A multiscale study

硒生物强化与加工工艺对甘薯蛋白功能特性的影响研究。通过实验结合分子动力学模拟，系统分析了不同硒浓度和冻干/喷雾干燥处理对Se-甘薯蛋白（SSPP）结构及功能特性的影响。研究发现冻干处理SSPP的乳化活性指数（EAI）显著高于喷雾干燥组，且两者存在协同效应。分子动力学模拟表明，未硒化Sporamin蛋白具有更稳定的构象（RMSD值更低，氢键更多）。方差分析显示干燥方法是影响EAI的主要因素，而硒浓度与干燥工艺对乳化稳定性指数（ESI）存在显著交互作用。该成果为开发高效硒载体蛋白食品提供了理论依据。

　　

赵辉|董辉|高琦|彭雪|王宁|余涛|顾学军|薛友林

辽宁大学轻工业学院，沈阳110036，中国

摘要：

向食品中添加硒（Se）这种具有生物活性的必需微量元素变得越来越重要。通过结合实验表征和分子动力学（MD）模拟，本研究系统地研究了经过冷冻干燥（FD）或喷雾干燥（SD）处理的富硒甘薯蛋白（SSPP）的结构和功能变化。随着施加到甘薯叶片上的硒浓度的增加，SSPP的粒径和绝对ζ电位值也呈比例增加。二级结构分析表明α-螺旋和β-转角含量逐渐下降。值得注意的是，FD-SSPP的乳化活性指数（EAI）与硒浓度之间的关系呈钟形曲线，FD-SSPP的EAI值始终高于SD-SSPP。MD模拟显示，不含硒的Sporamin（甘薯根中的主要储存蛋白，约占块茎蛋白含量的80%）具有更低的根均方根偏差（RMSD）和根均方根波动（RMSF）值以及更多的氢键，表明其构象更为紧凑和稳定。此外，FD-Sporamin的RMSD和RMSF值也低于SD-Sporamin，这表明结构稳定性的提高与更好的功能性能相关。双向ANOVA表明，干燥方法对SSPP的EAI的影响比硒富集浓度更为显著。同时，这两个因素对SSPP的乳化稳定性指数（ESI）也有很强的交互作用。作为一种天然植物来源的蛋白质，SSPP作为一种硒补充的膳食载体具有很大的潜力。

引言

硒（Se）是人类健康所必需的微量营养素；然而，其生物利用度严重依赖于其化学形式。无机硒盐的生物利用度较低，在高剂量下可能具有毒性，而含硒的有机化合物如硒代蛋氨酸则安全且易于吸收（Liang等人，2024年）。在这方面，植物起着关键作用，它们将土壤或叶面喷洒中的无机硒转化为有益的有机形式，有效地充当天然生物反应器（Du等人，2024年）。因此，开发硒强化作物是应对全球硒缺乏问题的战略途径（Thiry等人，2012年）。一个关键挑战在于选择一种既能满足农业实际需求，又能高效转化硒并提高强化后营养价值的作物载体。

甘薯（Ipomoea batatas）因其三个显著优势而成为硒强化的理想候选作物。首先，它具有出色的农艺特性。作为中国的主要农作物，甘薯占世界种植面积的约60%和全球产量的80%，具有高产量、适应性和可扩展性，确保了大规模硒强化食品生产的可行性。其次，甘薯是一种优秀的营养载体。其根部含有Sporamin，这是一种主要的储存蛋白，占块茎蛋白含量的80%左右。Sporamin具有均衡的氨基酸组成和较高的营养价值，可与大多数植物蛋白相媲美甚至更优（Habinshuti等人，2021年）。最重要的是，甘薯能够有效地将无机硒在其组织内生物转化为低毒性的、可吸收的有机硒化合物，包括蛋白质（de Albuquerque等人，2019年；Gao等人，2025年；Habinshuti等人，2021年）。第三，甘薯在产品开发方面具有巨大潜力：除了作为主食外，富硒甘薯还可以进一步强化营养，提供额外的蛋白质和硒。

在这种营养背景下，富硒甘薯的实际消费应符合既定的膳食指南。根据中国营养学会（2022年）的建议，包括甘薯在内的块茎类食物的每日推荐摄入量为50–100克（鲜重）。在这个范围内食用富硒甘薯可以有效满足成人每日推荐的硒摄入量（约55微克/天），而无需进行重大饮食调整（美国医学研究所，2000年）。值得注意的是，由于甘薯天然富含膳食纤维、血糖生成指数适中偏低（Akomolafe，2025年）以及提供高质量的蛋白质，因此对其潜在的健康风险（如肥胖）的担忧得到了缓解。因此，在均衡饮食中按推荐量食用富硒甘薯不会增加体重增加的风险，可以成为健康饮食的一部分。

尽管硒强化的农艺技术已经成熟（de Oliveira等人，2022年；Zhang等人，2020年），但在其最佳采后处理方面仍存在关键的知识空白。常见的工业干燥方法，如喷雾干燥（SD）和冷冻干燥（FD），会使蛋白质受到不同的应力。虽然SD在经济上高效，但需要高温处理，可能会影响蛋白质的完整性。相比之下，FD在低温真空条件下进行，从而对蛋白质特性的影响最小（Mutukuri等人，2021年；Vishali等人，2019年）。

然而，将硒掺入氨基酸可能会干扰蛋白质的折叠、稳定性和相互作用。这些效应可能会因采后处理（如干燥）而进一步改变。目前尚不清楚硒富集和干燥方法如何影响甘薯蛋白质（尤其是Sporamin）的结构-功能关系。这一知识空白限制了合理设计加工方案的能力，从而无法最大化硒的生物利用度和蛋白质的功能性。为了填补这一知识空白，本研究通过实验测量结合双向ANOVA探讨了硒富集和不同干燥方法对甘薯蛋白质乳化特性的影响。

分子动力学（MD）模拟是一种新兴的计算工具，可用于模拟不同系统中的蛋白质反应，从而为实验结果提供理论支持和验证（Luo等人，2025年）。这种计算方法揭示了传统分析技术难以揭示的复杂结构转变和动态特征，使得能够在原子水平上研究生物分子（Shiref等人，2021年）。

本研究旨在探讨不同硒浓度（施加到甘薯叶片上）和干燥方法对富硒甘薯蛋白（SSPP）的物理化学、结构和功能特性的影响。此外，还进行了不同硒处理和干燥方法下Sporamin的MD模拟。进一步应用了双向ANOVA和简单效应分析，以评估硒处理和干燥方法对SSPP乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）的主要效应和交互效应。这些发现将有助于开发适合不同消费者群体的富硒甘薯产品，并提高甘薯作为功能性食品的加工利用效率。

材料与试剂

本研究中使用的富硒甘薯来自沈阳市华士生态实验基地（Gao等人，2021年）。HCl、NaOH和β-巯基乙醇（β-ME）购自天津永大化学试剂有限公司。ANS芳香探针购自Adamas试剂有限公司。溴化钾（KBr）、醋酸、硝酸和Ellman试剂购自天津博骏科技有限公司。Coomassie brilliant blue R-250购自上海...

甘薯中的硒含量

如图1A所示，当叶面施用2.0毫克/升亚硒酸钠时，FD-SSPP中的硒浓度达到了17.27毫克/千克。在SD-SSPP中也观察到了类似的趋势，叶面施用2.0毫克/升亚硒酸钠后，硒浓度达到15.08毫克/千克。因此，这两种干燥方法都能有效富集SSPP中的硒。

平均粒径

如图1B所示，SD-SSPP的流体动力学直径（Dh）与亚硒酸钠浓度之间的关系呈钟形曲线。

结论

本研究清楚地表明，硒富集和干燥方法对SSPP的结构和乳化特性有显著影响。较高的硒浓度导致SSPP的结构发生显著变化，包括α-螺旋和β-转角比例降低、自由巯基团数量增加以及Ho值下降。实验结果和MD模拟共同表明，不含硒的Sporamin具有较高的结构稳定性和更好的乳化性能。

作者贡献声明

董辉：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法学、实验研究、数据分析、概念构建。 高琦：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学、实验研究。 赵辉：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、方法学、实验研究、数据分析、概念构建。 余涛：验证、监督、资源协调、方法学、实验研究。 顾学军：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、资金申请。 彭雪：撰写 –

未引用参考文献

中国营养学会，2022年；美国医学研究所食品与营养委员会，2000年；...

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了辽宁振兴人才计划（XLYC1807270）和辽宁省国际科学技术合作计划（2025JH2/101900034）的支持。