通过多光谱分析和分子动力学模拟，探讨高压均质化前后酵母蛋白与大豆异黄酮之间的相互作用机制

《Food Chemistry》：Exploring the interaction mechanism between yeast protein and soybean Isoflavones before and after high-pressure homogenization via multispectral analysis and molecular dynamics simulations

　　

王子桓|徐秀丽|陈彩霞|宋福航|宋志军

中国教育部老年营养与健康重点实验室；北京工商大学轻工科学与工程学院，北京100048

摘要

本研究探讨了大豆异黄酮（SIF）与酵母蛋白（YP）在高压均质化（60 MPa，YP60）作用下的结合机制。不同浓度（2.1–3.0 mg/mL）的SIF与非共价地与YP和YP60相互作用，这一结果通过总酚含量分析得到证实。UV-Vis、FTIR和荧光光谱分析表明，SIF的结合导致蛋白质结构发生了轻微的变化。荧光猝灭分析显示，该结合过程具有静态猝灭机制，氢键和范德华力是主要的稳定作用力。高压均质化有效改变了YP的结构，使其部分 unfolding，从而暴露出更多的疏水位点，增强了其与SIF的结合亲和力。分子对接和动力学模拟进一步表明，稳定的YP-SIF复合物是通过多个氢键以及在特定氨基酸残基处的静电和范德华相互作用形成的，这提高了蛋白质的结构稳定性和紧凑性。

引言

人类使用酵母已有超过5000年的历史，从传统用途如馒头、面包和酿酒，到作为干酵母片剂治疗肠道疾病。如今，酵母在食品生产、生物农业、生物技术和医疗保健等多个领域发挥着重要作用，它仍然是年全球年消费量超过一百万吨的唯一微生物（Mirzaei等人，2018年）。

酵母蛋白（YP）主要来源于Saccharomyces cerevisiae，是一种高质量的发酵蛋白，被认为是一种可持续的蛋白质来源替代品，可以替代大豆蛋白、乳清蛋白和动物蛋白（Mirzaei等人，2018年）。YP含有人体所需的所有九种必需氨基酸，这些氨基酸占其总氨基酸含量的47%以上——高于乳清蛋白的46%，也远高于植物蛋白通常的35%-40%（Jach等人，2022年）。此外，YP的总蛋白含量超过80%，蛋白质利用率可达96%，优于大多数植物蛋白，并与乳清蛋白相当（Ma等人，2023年）。尽管如此，基于酵母蛋白的产品相对于动物蛋白、大豆蛋白或乳清蛋白的产品来说仍然相对较少，说明食品行业内仍有很大的潜力有待开发。

高压均质化（HPH）是一种创新的连续加工技术，在食品工业中得到广泛应用（Zhao等人，2023年）。这种无溶剂的环保技术具有处理时间短、能耗低和二氧化碳排放量少的特点，被视为可持续食品生产的有前景的方法（Hebishy等人，2019年）。虽然HPH对动物蛋白和植物蛋白的影响已得到广泛研究，但其对酵母蛋白的影响仍很大程度上未经探索。在HPH处理过程中，蛋白质会受到强烈的空化作用、剪切力、湍流和局部加热的影响，这些因素会破坏蛋白质聚集体并引起构象变化（Li等人，2025年）。

大豆异黄酮（SIF）是一类黄酮类化合物，具有多种生物活性，包括预防骨质疏松、抗癌作用和心血管保护作用（Liu等人，2022年）。然而，由于其水溶性差，其生物利用度在生物系统中受到显著限制（Nagula & Wairkar，2019年），这给开发旨在改善人类健康的功能性食品带来了挑战。

最近，非共价蛋白-多酚复合物的形成受到关注，因为这是一种有效克服这些限制的策略。这些复合物通过弱的分子间相互作用形成，可以提高蛋白质的物理化学稳定性、功能特性和消化性，同时保持多酚的生物活性（Xue等人，2023年）。例如，Miao等人（2022年）报告称β-乳球蛋白（β-LG）与白藜芦醇（RES）发生非共价结合，从而增强了其乳化性和抗氧化性（Miao等人，2026年）。此外，增加RES浓度还进一步改善了蛋白质复合物的乳化能力、发泡性能和气-水界面性能。同样，SIF也与乳清蛋白发生非共价结合，导致蛋白质 unfold 和结构无序度增加，显著增强了蛋白质的乳化性和抗氧化活性（Wang等人，2023年）。然而，SIF与YP之间的非共价结合亲和力的性质和程度，尤其是在HPH处理后的变化，仍不清楚，其潜在的相互作用机制尚未完全阐明。深入了解这些相互作用对于开发含有这两种生物活性成分的功能性食品具有重要意义。

光谱技术被广泛用于研究酚类化合物对蛋白质结构的影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱等方法有助于表征蛋白-多酚相互作用并评估其对蛋白质构象的影响（Wang等人，2023年）。然而，这些传统方法主要提供宏观信息，在捕捉动态结合过程或精确识别氢键、疏水作用和π-π堆积等分子间作用力方面存在局限性。

为克服这些限制，分子对接和分子动力学模拟越来越多地被应用于此类研究，从而更准确地预测蛋白-多酚的结合位点和作用类型（如氢键、疏水作用和静电作用）（Chao等人，2023年）。这些计算方法有助于详细分析结合位置、作用能量和结构稳定性，为实验观察提供有力的理论支持，并加深我们对蛋白-多酚相互作用机制的理解（Huang等人，2026年）。

本研究的目的是通过结合光谱技术和分子方法来阐明YP与SIF之间的相互作用机制。使用UV-Vis光谱、荧光猝灭和FTIR来表征结合作用，而分子对接和分子动力学模拟提供了原子层面的见解。此外，系统研究了在60 MPa高压均质化作用下YP的结构和物理化学变化及其与SIF的后续相互作用。本研究的结果为理解蛋白-多酚相互作用提供了理论基础，并支持其在功能性食品开发中的应用潜力。

章节片段

材料

酵母蛋白（YP；蛋白质含量>80%）由湖北宜昌的Angel Yeast Co., Ltd.提供。大豆异黄酮（SIF）和1-氨基-8-萘磺酸（ANS）来自上海的Yuanye Bio-Technology Co., Ltd。Folin-Ciocalteu试剂购自上海的Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd。本研究使用的所有其他化学品均为分析纯。

YP-SIF和YP60-SIF复合物的制备

YP溶液按照既定 protocol 制备，样品...

粒径

平均粒径和粒径分布是评估蛋白-多酚复合物稳定性和分散行为的关键指标。YP和YP60-SIF复合物的粒径分布和D_[4,3]值如图1（a-c）所示。添加SIF（2.1–3.0 mg/mL）后，YP的粒径明显增大。

从机制上看，这种现象表明SIF分子起到了桥接作用，而不仅仅是吸附在单个蛋白质上...

结论

本研究系统研究了不同浓度下SIF与YP之间的非共价相互作用，阐明了YP-SIF和YP60-SIF复合物形成的机制。光谱分析和分子模拟提供了关于结合行为和结构效应的全面见解。

荧光和UV-Vis光谱证实SIF与YP的有效结合，主要通过氢键和范德华力的静态猝灭机制实现。

CRediT作者贡献声明

王子桓：撰写——原始稿件、验证、方法论、实验研究、数据分析。徐秀丽：撰写——审稿与编辑、验证、数据分析、概念构思。陈彩霞：撰写——审稿与编辑、概念构思。宋福航：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金申请、概念构思。宋志军：撰写——审稿与编辑、数据可视化、资金申请、数据分析。

资助

本研究得到了宁夏医科大学的校级科研项目（XT2024016）和北京工商大学高端人才研究基金（19008021176）的支持。

未引用参考文献

Cheng, Lian, Liu等人，2024

Cheng, Zhang, Sun等人，2024

Cooper and Dryden, 1984a

Cooper and Dryden, 1984b

Wang, Li, Hou等人，2024

Wang, Hu, Zhang等人，2023

Wang, Ma, Ma等人，2023

Wang, Wang, Yu等人，2023

Wang, Zhong, Munawar等人，2024

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢英国Teesside大学的Cassy Ross博士对本文提出的宝贵建议和细致的修订工作。