中国农业大学食品学院李媛教授在α-乳白蛋白纳米管自组装机制和应用方面取得重要进展

　　近日，中国农业大学食品学院李媛教授在生物材料顶级期刊《生物材料》（Biomaterials，影响因子IF=12.479）发表文章“The kinetic mechanism of cations induced protein nanotubes self-assembly and their application as delivery system”，在牛奶蛋白纳米管分子自组装机制和递送功能因子应用方面取得重要进展。食品学院博士生张继鹏为该文章第一作者，李媛教授为通讯作者。

 

　　20多年前，丹麦科学家Ipsen在制备奶酪过程中偶然发现α-乳白蛋白能够形成纳米管，但形成机制尚不清楚。鉴于此，李媛教授自2015年就对纳米管形成机制和应用进行了研究。该研究较为系统地解释了α-乳白蛋白纳米管的形成机制（图1），发现纳米管的形成分为水解、聚集和螺旋卷曲三个过程，并阐明了纳米管的手性结构，解析了纳米尺度的卷曲过程，发现纳米管的形成是通过水解获得了两亲性多肽二聚体，随后二聚体在钙离子诱导下形成细丝，然后多股细丝在钙离子的钙桥作用下继续发生卷曲螺旋，最后钙离子对螺旋进行了闭合形成纳米管，对纳米管在自组装过程中的长度、直径、螺距变化等演变过程进行纳米尺度的精确分析。鉴于纳米管具有中空疏水壁和较高长径比的优点，进一步尝试了纳米管在递送功能因子和食品体系增稠中的应用。

 

　　近年来，天然蛋白质和多肽的自组装由于较高的生物相容性和可调节的超分子结构而引起了广泛关注。食品蛋白质（例如β-乳球蛋白、溶菌酶、卵清蛋白、大豆蛋白等）在特定的加工和生理条件下会通过螺旋卷曲的分子自组装，形成具有一定功能的纳米结构，探究天然蛋白的纳米自组装对于解析蛋白质加工特性以及挖掘潜在的应用特性具有重要意义。α-乳白蛋白大量存在于牛奶中，在食品工业中应用广泛。它含有高含量的必需氨基酸，是婴幼儿配方奶粉的关键成分，可以很好地模仿人类母乳。它还具有抗癌、抗炎、增强免疫力等功效。因此研究这种高价值蛋白质的结构-功能构效关系具有重要意义。

 

　　李媛硕士论文期间，在荷兰乌特勒支大学的Kees de Kruif教授门下学习了α-乳白蛋白纳米管的制备和研究方法，回国后带领实验室在纳米管卷曲机制和应用方面继续从事系统深入的研究工作。先后发现：

 

　　（1）α-乳白蛋白能够形成不同形貌、粒径和硬度的纳米结构，并探究了不同理化特性的纳米自组装渗透肠道粘液吸收屏障的扩散机制，并构建了分子动力学模拟证明了纳米管具有最优的粘液渗透能力，最高的姜黄素生物利用率的机制（Nano Letters, 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04841）；

 

　　（2）探究了不同理化特性的乳白蛋白载体在肿瘤靶向渗透的生物学机制，并发现纳米管具有最佳的肿瘤渗透和靶向效果（Science Advances. 2021, 7（6）， eaba2458.DOI: 10.1126/sciadv.aba2458）；

 

　　（3）应用了α-乳白蛋白纳米管递送番茄红素以增强其在乳制品饮料中的抗氧化活性和稳定性等（Food Hydrocolloids, 2022, DOI: 10.1016/j.foodhyd.2022.107792）；

 

　　（4）探究了蛋白自组装在油水界面的Pickering乳液稳定机制和缓油脂消化的应用（Journal of Agricultural and Food Chemistry 2021. 69, 8, 2485）；

 

　　（5）α-乳白蛋白纳米管优异的界面吸附效应可以增强油水界面的脂肪酶催化活性，提高了减脂奶酪的脂肪风味（Food Hydrocolloids. 2021.116,106651）。

 

　　其中，“乳清蛋白纳米胶束活性因子肠道高效吸收技术”还获得了第十届高校科技创新成果展示推介会“创新金奖”。

 

　　α-乳白蛋白纳米自组装的系列研究将为深入理解食品天然蛋白的自组装形成机制，开发新型的食品功能配料，提高奶酪副产物的综合利用和功能因子营养利用率奠定理论基础。该论文的发表也对已故的Kees de Kruif教授对于该项工作所发挥的物理思维启发以及学术引领作用进行了纪念。该工作是在教育部功能乳品重点实验室的平台支持以及国家自然科学基金（NSFC 31471577, 31972202, 31772014） 的资助下完成的。

 

　　网络链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121600