通过分子对接和密度泛函理论研究交联剂对植物基肉类质地的影响

《Food Hydrocolloids》：Investigating the effect of cross-linkers on the texture of plant-based meat via molecular docking and density functional theory

植物基肉（PBM）质地优化研究显示，通过四种交联剂（海藻酸钠、壳聚糖、酪蛋白酸钠、小麦谷蛋白）与转谷氨酰胺酶（TGase）协同作用制备的大豆组织蛋白PBM，其中VWG2样本在质构特性（硬度、弹性、咀嚼性等）和 reheating稳定性（蒸汽、煮沸、微波加热）方面表现最佳。结构分析表明，小麦谷蛋白与大豆组织蛋白（11S与LMW-谷蛋白亚基）通过Cys9与Cys158的氢键形成稳定二硫键网络，赋予PBM理想弹簧性和硬度。DFT计算证实该氢键体系（HOMO-LUMO能隙5.8393 eV）具有热力学驱动氧化形成稳定二硫键的潜力，而ECQ-QCS肽段氢键（3.25 kcal/mol）和二硫键（65.4581 kcal/mol）进一步佐证了其稳定性。该研究为PBM质地优化提供分子机制支撑，并为高通量筛选高效交联剂提供理论依据。

　　

贾硕黄|鲍松王|齐浩王|冰琳李|文璐李|彦博王

北京工商大学食品与健康学院，中国北京100048

摘要

植物性肉类（PBM）的质地在消费者接受度中起着关键作用。本研究调查了在不同交联剂与TGase联合处理下大豆组织蛋白PBM的质地特性，以及其在蒸煮、沸水和微波加热过程中的复热稳定性。仪器质地分析和感官评估表明，VWG2样品表现出最佳的质地特性和复热稳定性。结构分析采用了傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜。分子对接结果显示，氢键和疏水相互作用是小麦面筋和大豆组织蛋白系统中的主要作用力。Cys9（11S）与Cys158（低分子量面筋蛋白）之间的氢键（H键）使它们的巯基保持接近，从而形成了有利于氧化成稳定二硫键的几何结构，赋予PBM优异的弹性和硬度。此外，11S与低分子量面筋蛋白之间的对接得分（-308.26）最低，这可能与Cys9和Cys158之间的相互作用有关。密度泛函理论的结果表明，目标H键系统的HOMO-LUMO能量间隙为5.8393 eV，表明该系统在某些热力学驱动条件下可以发生反应。肽ECQ和QCS之间的H键能量（3.25 kcal/mol）和二硫键能量（65.4581 kcal/mol）进一步支持了二硫键的优异稳定性。我们的研究将为PBM质地的结构-活性关系提供机制上的见解，并可能有助于高通量筛选能够改善PBM质地特性的交联剂。

引言

随着全球人口的快速增长，肉类消费持续激增，这推动了畜牧业的大规模扩张，从而对资源和环境可持续性造成了越来越大的压力（Crippa等人，2021；Li等人，2022）。全球范围内，动物福利和食用肉类带来的疾病风险受到了前所未有的关注，这深刻影响了人们的消费行为（Chaudhary等人，2018；González等人，2020）。替代蛋白质为此提供了解决方案。植物性肉类（PBM）是一种替代蛋白质，在食品科学中常被称为植物性肉类类似物（Young & Skrivergaard，2020）。风味和质地是PBM的两个关键属性，是决定消费者满意度的关键因素（Kumari等人，2024）。尽管在PBM风味研究方面取得了进展，但对其质地特性的研究仍然十分必要（Su等人，2024）。只有通过成功的质地模拟，PBM才能在咀嚼过程中引发“这是肉”的认知，从而避免食用豆类产品时出现的感官不适（St. Pierre等人，2025；Tang等人，2025）。因此，PBM的质地研究已成为该行业技术进步的核心挑战。

PBM的本质是一种具有特定流变特性的凝胶网络。通过优化加工技术（如高水分挤压、3D打印）（Nisov等人，2022；Wen等人，2023）以及配方改进（如添加交联剂），可以改善这种凝胶网络的质地特性（Tang等人，2025）。Chen等人（2025）的研究发现，阴离子多糖在通过增加绝对ζ电位和暴露疏水基团方面最有效地改善了土豆蛋白分离物的质地特性。小麦面筋主要由麦醇溶蛋白、高分子量面筋蛋白（HMW-glutenin）和低分子量面筋蛋白（LMW-glutenin）组成（Wieser，2007），这些成分可以参与二硫键的形成。Chiang等人（2019）证明，以特定比例混合大豆蛋白浓缩物和小麦面筋可以促进纤维结构的形成，从而改善PBM的类似肉的质地。转谷氨酰胺酶（TGase）可以加入PBM中，诱导赖氨酸残基的ε-氨基与谷氨酰胺残基的γ-酰胺基之间形成共价键（Hu等人，2015）。Choi等人（2024）将TGase加入蛋白质凝胶中，使凝胶的质地与真正的猪脂肪组织高度相似。然而，这种单一交联剂形成的网络存在固有缺陷，无法独立模拟动物肉类的复杂质地特性。因此，协同交联可能是解决这一根本问题的有效途径。

由于PBM主要是预加工产品，在到达消费者之前需要储存和运输，存在微生物污染的风险。复热可以进一步杀死有害微生物，有效缓解这一关键食品安全隐患（Olaniran等人，2025）。此外，PBM的关键风味化合物在室温或冷藏温度下通常是潜存的。复热可以激活并释放这些化合物，从而显著提升整体感官体验。值得注意的是，复热实际上是最后一个且经常变化的环节，最终决定了消费者的接受程度。复热后PBM的潜在质地缺陷会极大地偏离肉类的质地特性（Olegario等人，2025），这会直接削弱消费者的信任和重复购买意愿（Ngapo，2022；Rubio等人，2020）。然而，PBM复热后的质地性能仍是一个研究不足的重大挑战。解决这一问题对于下一代PBM产品的发展至关重要。

大豆组织蛋白作为PBM的重要原料，主要由大豆球蛋白（11S）和β-球蛋白（7S）组成（Nishinari等人，2014；Sui等人，2021）。7S蛋白是一种由三个糖基化亚基组成的三聚体糖蛋白，主要通过疏水键和静电键连接（Maruyama等人，2004；Panthee等人，2004）。11S蛋白是一种由五种亚基组成的同六聚体晶体结构，由两个三聚体面对面堆叠形成，并含有链间二硫键（Adachi等人，2003）。Zhu等人（2020）证明7S蛋白含有更灵活的亚基，使其具有优异的乳化性能。11S蛋白通过疏水相互作用和二硫键构建出坚固密集的三维凝胶网络（Nagano，2013）。这为PBM提供了关键的硬度和结构完整性，是模拟类似肉的质地的基础。因此，深入探讨大豆组织蛋白与其他分子在PBM中的相互作用具有重要意义。

近年来，分子对接在食品科学中越来越多地用于研究大分子之间的相互作用模式。Teng等人（2026）发现，广泛的氢键增强了豌豆主要蛋白和大豆主要蛋白对接模拟中的复合物稳定性。然而，分子对接无法直接和准确地模拟涉及共价键形成的氧化还原反应过程。密度泛函理论（DFT）作为一种广泛使用的量子化学方法，能够阐明相互作用的电子性质及其相关的能量特性（Huang等人，2025）。Mubango等人（2025）通过计算轨道能量差来分析鱼鳔肽的氧化活性。由于DFT在计算大分子系统方面的局限性，我们采用了先进行对接模拟，然后从对接构象中提取关键片段来构建更小的量子化学模型进行DFT计算的策略。

基于上述分析，本研究旨在探讨不同交联剂和TGase组合处理对大豆组织蛋白PBM质地的影响。使用质地分析仪测量PBM的质地特性，并结合感官评估来分析口感和质地接受度。我们将复热稳定性测试与分子对接/DFT相结合，以筛选和解释交联剂的性能。使用分子对接研究了大豆组织蛋白的主要成分与小麦面筋之间的相互作用。然后，使用DFT研究了二硫键的潜在形成机制。这项研究初步探讨了交联剂类型对PBM质地特性的影响，对于设计能够更好地复制动物肉感官和质地特性的优化配方具有重要意义。

材料

大豆组织蛋白（蛋白质含量：70%）、大豆蛋白粉和TGase购自山东禹王实业有限公司（中国山东）。大豆组织蛋白中7S与11S的比例为2:3（图S1和表S1）。大豆组织蛋白的分子量分布显示在图S2和表S2中。大豆油（金龙玉品牌）购自上海嘉里金龙鱼控股有限公司。木薯改性淀粉购自杭州Prostar

质地特性分析

消费者对PBM的接受度受其质地特性的影响很大。测量了PBM的硬度、弹性、咀嚼性和粘性等关键质量指标（Chen等人，2022）。如表1所示，添加小麦面筋显著提高了PBM的硬度，尤其是VWG2样品。此外，VWG组在弹性、咀嚼性、粘性和粘性方面表现更优

结论

本研究使用了四种不同的交联剂（海藻酸钠、壳聚糖、酪蛋白钠和小麦面筋）与TGase结合，制备了大豆组织蛋白PBM，从而探讨了交联剂对PBM质地和复热稳定性的影响。仪器质地分析和感官评估表明，VWG2样品表现出最佳的质地特性和复热稳定性。随后，本研究从分子层面探讨了PBM的质地

CRediT作者贡献声明

彦博王：监督、资源管理、项目策划、概念构思。冰琳李：正式分析。文璐李：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。鲍松王：实验研究。齐浩王：实验研究。贾硕黄：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法学研究、实验研究、正式分析

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了农业科学技术重大项目的支持。我们感谢崔刘和陈洪旭（SCIEX，中国）在X500R Q-TOF质谱仪上进行的大豆蛋白质组学分析方面提供的技术支持。