不同pH值下乳糖与黄酮醇类化合物槲皮素及其O-糖苷芸香苷的相互作用：一项理论与实验相结合的研究

《Food Research International》：Lactose interaction with flavonols quercetin and its O-glycoside rutin across different pH levels: A combined theoretical and experimental study

茶和咖啡中富含多酚类化合物，乳糖作为牛奶主要成分与其相互作用机制尚未明确。本研究通过UV-Vis光谱、DSC及分子动力学模拟，系统探究了槲皮素及其O-糖苷槲皮素与乳糖在不同pH条件下的结合模式，发现酸性条件下黄酮素通过π-π堆积形成有序结构，乳糖通过氢键嵌入；中性及碱性条件下，去质子化的黄酮素形成非有序氢键网络，乳糖更易被捕获。该研究揭示了pH对乳糖-黄酮素复合物结构的影响规律，为功能性乳制品开发提供理论依据。

　　

Víctor E. Luján-Torres|Néstor Gutiérrez-Méndez|Pedro Palomares-Baez|Blanca E. Sánchez-Ramírez|Linda L. Landeros-Martínez|David Chávez-Flores|María Del Rosario Peralta-Pérez

墨西哥奇瓦瓦州自治大学化学学院

摘要

茶和咖啡是富含黄酮醇的饮料，全球范围内常与牛奶一起饮用。许多研究探讨了牛奶蛋白与茶黄酮醇的相互作用；然而，作为牛奶主要成分的乳糖与茶黄酮醇的相互作用却鲜有研究。本研究调查了特定茶黄酮醇（如槲皮素及其O-糖苷芸香苷）在不同pH条件下的与乳糖的相互作用。通过紫外-可见光谱法分析了不同pH值下的黄酮醇-乳糖溶液，并利用差示扫描量热法（DSC）分析了不溶性黄酮醇-乳糖的质量。此外，还通过分子动力学模拟（MDS）研究了乳糖与黄酮醇（包括中性和去质子化形式）之间的相互作用。实验结果表明，黄酮醇光谱出现了颜色变化，熔点也出现了共晶效应，证实了乳糖与这些黄酮醇之间的相互作用。这些效应在中性和碱性pH条件下更为明显。根据MDS分析，黄酮醇在酸性水环境中倾向于通过π–π相互作用形成堆叠结构，随后乳糖分子通过氢键结合到这些堆叠结构中。槲皮素-O-糖苷芸香苷也会形成堆叠，但糖基部分会破坏有序结构，从而通过羟基增加与乳糖的相互作用。在中性和碱性pH条件下，去质子化的黄酮醇不会形成堆叠，而是形成由多个氢键稳定的无序网络，在这种网络中乳糖分子更容易被捕获。

引言

近几十年来，全球消费者对富含多酚的食物（如水果和蔬菜）、饮料（包括葡萄酒、茶和咖啡）以及补充剂的兴趣日益增加。全球范围内，人们每天摄入的黄酮类化合物量大约在150至600毫克之间，其中欧洲人每天摄入约250–600毫克，澳大利亚人摄入650–700毫克，美国人摄入50–400毫克。在拉丁美洲，只有墨西哥和巴西有相关数据，分别为每天150毫克和50毫克（Escobar-Cévoli等人，2017年）。人们对植物酚类化合物的兴趣日益增长，这主要源于它们被认为具有健康益处，尤其是抗氧化特性。此外，多酚还被证明可以调节炎症反应、影响宏量营养素的消化，并对肠道微生物群产生益生元作用。还有研究表明，它们可能有助于降低癌症、肥胖、肝脏疾病和心脏病等健康问题的发病率（Bertelli等人，2021年；Rasouli等人，2017年）。

茶和咖啡是最受欢迎的饮料之一，两者都富含多酚。全球范围内饮用多种类型的茶，其中最常见的是绿茶、红茶、乌龙茶、普洱茶、玛萨拉茶和奶茶。茶的独特风味和颜色主要来源于其黄酮类成分。茶中的黄酮类化合物主要是黄烷-3-醇（如儿茶素、茶黄素和阿鲁比辛）和黄酮醇（如山柰酚、杨梅素和槲皮素）。虽然某些黄酮醇可能以非糖苷形式存在于茶中，但通常以O-糖苷的形式存在。例如，槲皮素在红茶中主要以O-糖苷芸香苷（3-O-芸香苷）的形式存在（见图1，Kandemir等人，2022年；Kunti?等人，2003a年；Peterson等人，2005年；Piyasena，2025a年；Sánchez-García等人，2021年）。

在许多欧洲和亚洲国家，将茶与牛奶一起饮用是一种传统习惯，例如奶茶。同样，将咖啡与牛奶一起饮用也已成为一种广泛流行的方式，这主要归功于卡布奇诺和拿铁等以浓缩咖啡为基础的饮品（Rashidinejad等人，2022年；Wijegunawardhana等人，2024b年）。在这种背景下，人们越来越关注牛奶成分与黄酮类化合物的相互作用以及这些相互作用如何影响它们的吸收。然而，大多数研究集中在黄酮类化合物与牛奶蛋白或牛奶脂肪球膜之间的相互作用上，而对乳糖（牛奶的主要成分之一）与黄酮类化合物的相互作用关注较少（Hollman等人，2001a年；Piyasena，2025b年；Rashidinejad等人，2022年；Wijegunawardhana等人，2024a年）。

乳糖是一种仅存在于哺乳动物乳汁中的碳水化合物，其摄入对人体有多种健康益处。例如，这种二糖（见图1）可作为重要的能量来源（尤其是在儿童时期），有助于钙、锌和镁等矿物质的吸收，并运输半乳糖，后者对于神经膜成分的合成和早期大脑发育至关重要。此外，乳糖还能调节肠道微生物群，并通过产生抗菌肽来增强肠道免疫力（del Carmen Tocaa等人，2022年）。

鉴于黄酮类化合物和乳糖在许多人饮食中的重要性以及关于它们相互作用的有限研究，本研究旨在探讨乳糖与茶饮料中常见的黄酮醇（如槲皮素及其O-糖苷芸香苷）的相互作用。为此，采用了理论和实验相结合的方法来研究不同生理pH值下的乳糖-黄酮醇相互作用。需要指出的是，虽然这些受控条件（特定的pH值、温度和孵育时间）能够精确且可重复地评估分子相互作用，但它们仅代表了一个简化的模型。因此，这些结果可能无法完全反映人体胃肠道环境的动态复杂性。尽管如此，这种受控方法对于在转向更复杂的体内模型之前，理解乳糖-黄酮醇行为的基本机制至关重要。

化学试剂

α-乳糖一水合物（α-LM）、槲皮素（C₁₅H₁₀O₇ × H₂O）和芸香苷（槲皮素-3-芸香苷一水合物，C₂₇H₃₀O₁₆ × H₂O）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。磷酸二氢钾（KH₂PO₄）和磷酸氢二钾（K₂HPO₄）购自Faga Lab（墨西哥锡那罗亚）。盐酸（HCl）购自CTR Scientific（墨西哥蒙特雷）。

水溶液中黄酮类化合物与乳糖的相互作用

通过添加乳糖来评估乳糖与黄酮醇槲皮素和芸香苷之间的相互作用

黄酮类化合物和乳糖分子的构象研究、分子优化及参数化

槲皮素、芸香苷和乳糖的结构数据来自美国国家生物技术信息中心（NCBI）维护的PubChem数据库。构象研究使用了Conformer–Rotamer Ensemble Sampling Tool（CREST），该方法采用第二代紧束缚（GFN2-xTB）方法计算几何结构、频率和能量。此外，还结合了广义Born表面面积（GBSA）溶剂化模型（Pracht等人，2024年）。

不同pH值下黄酮类化合物与乳糖的相互作用：实验方法

当将槲皮素和芸香苷的浓度超过其溶解度（100毫升水中分别加入15毫克和30毫克，相当于0.5毫摩尔）时，部分黄酮醇会保持不溶状态，并在过滤后回收（见图2）。在所有测试的pH值下，槲皮素的溶解度均低于芸香苷。槲皮素的溶解度降低比例为60–90%，而芸香苷为11–57%。随着pH值升高（pH 8），两种黄酮醇的不溶性显著降低。

结论

本研究探讨了乳糖是否与常见的茶黄酮类化合物（如槲皮素及其O-糖苷芸香苷）发生相互作用，并研究了这些相互作用在不同pH条件下的机制。根据理论和实验结果，证实了乳糖与这些黄酮醇之间的相互作用。然而，这种相互作用取决于黄酮醇的类型（非糖苷或O-糖苷）以及介质的pH值。黄酮醇的熔点发生了变化（共晶效应）

CRediT作者贡献声明

Víctor E. Luján-Torres：撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析。Néstor Gutiérrez-Méndez：撰写、审稿与编辑、方法学设计、进行正式分析、数据整理、概念构思。Pedro Palomares-Baez：撰写、审稿与编辑、进行正式分析。Blanca E. Sánchez-Ramírez：提供实验资源。Linda L. Landeros-Martínez：负责软件操作。David Chávez-Flores：进行正式分析。María Del Rosario Peralta-Pérez：进行正式分析。

资助

墨西哥奇瓦瓦州科学、人文、技术和创新秘书处（SECIHTI）通过授予Víctor E. Luján-Torres的520887号资助支持了这项研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。