溶剂蒸发诱导的zein自组装机制：从胶束的形态和结构演变中获得的见解

《Journal of Future Foods》：Self-Assembly Mechanisms of Zein Induced by Solvent Evaporation: Insights from Morphological and Structural Evolution of Micelles

　　zein自组装机制与胶体颗粒形成研究：通过蒸发诱导自组装（EISA）系统研究0.75%-4.5%浓度Zein胶体颗粒的形态演变、光谱特性及驱动 forces，发现颗粒尺寸随浓度呈非线性变化，疏水相互作用主导体系构建，氢键与二硫键协同作用影响结构稳定性，zeta电位从+5.0 mV增至+42.5 mV，形成三维网络结构。

　　本研究围绕玉米醇溶蛋白（zein）在蒸发诱导自组装（EISA）过程中的形态演变及其与物理化学性质之间的关系展开。玉米醇溶蛋白是一种具有生物降解性和生物相容性的亲水-疏水性蛋白，因其在食品和生物材料领域的广泛应用而受到越来越多的关注。然而，目前对于其在溶剂蒸发过程中如何形成胶体颗粒的机制仍不够清晰，这限制了基于其结构设计的递送系统的理性开发。因此，本研究通过系统分析不同浓度条件下玉米醇溶蛋白胶体颗粒的形态变化，揭示了其在溶剂蒸发过程中所经历的结构转变及其对性能的影响。

在实验中，研究人员使用了多种分析手段，包括透射电子显微镜（TEM）、粒径和Zeta电位测定、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、荧光光谱分析以及紫外光谱（UV）研究。这些技术共同构建了一个全面的分析框架，用于理解玉米醇溶蛋白在不同浓度条件下的自组装行为。通过这些手段，研究团队能够追踪胶体颗粒在溶剂蒸发过程中的动态变化，并进一步探讨这些变化背后的驱动力，如疏水相互作用、氢键和二硫键等非共价作用力。

研究发现，随着玉米醇溶蛋白浓度的升高，胶体颗粒的形态经历了显著的演变。在较低浓度（0.75%和1.0%）下，颗粒尺寸较大，通常超过1000纳米，这可能是由于疏水性氨基酸的暴露导致的。然而，当浓度增加至1.5%、2.0%和3.0%时，颗粒尺寸逐渐减小，大约在100纳米左右。这一阶段的颗粒尺寸变化可能与疏水相互作用的增强以及表面电荷的增加有关。值得注意的是，当浓度进一步提高至4.5%时，颗粒尺寸再次增大，接近500纳米，同时Zeta电位显著升高，从约+5.0 mV增加到+42.5 mV。这一现象表明，高浓度下可能发生了更复杂的结构重组，包括胶体颗粒之间的相互作用增强以及三维网络结构的形成。

在结构演变方面，研究团队观察到，随着溶剂蒸发的进行，玉米醇溶蛋白胶体颗粒的形态从无序的微胶体聚集逐步转变为有序的结构。在低浓度阶段，微胶体的分布较为随机，而在中等浓度阶段，颗粒开始形成更规则的结构，例如短而棒状的碎片。随着浓度的进一步升高，特别是达到4.5%时，胶体颗粒形成了稳定的三维网络结构。这种结构的形成可能与胶体颗粒之间的疏水相互作用和静电排斥力的变化密切相关。研究还指出，玉米醇溶蛋白的等电点约为6.25，因此在酸性环境中（pH约为5.5），其胶体颗粒通常带有正电荷，这种电荷状态对胶体系统的稳定性至关重要。

在分子层面，研究揭示了玉米醇溶蛋白在EISA过程中的构象变化。随着溶剂极性的改变，玉米醇溶蛋白的α-螺旋结构逐渐转变为β-折叠结构，这一过程可能是通过疏水相互作用驱动的。同时，研究团队通过FTIR光谱分析发现，随着EISA的进行，蛋白质的有序结构比例显著增加，这进一步支持了β-折叠结构的形成。此外，荧光光谱分析表明，随着浓度的升高，玉米醇溶蛋白中芳香族氨基酸（如色氨酸）的暴露程度发生变化，这可能影响了其在胶体结构中的分布和功能表现。

在驱动机制方面，研究发现，疏水相互作用在整个EISA过程中起到了主导作用，而氢键和二硫键则在早期阶段发挥了重要作用。通过使用不同浓度的SDS、尿素和DTT作为分散剂，研究人员评估了这些作用力对胶体颗粒形成的贡献。结果表明，SDS处理导致的浊度显著降低，说明疏水相互作用是EISA过程中的主要驱动力。相比之下，尿素处理虽然在早期阶段也减少了浊度，但其作用逐渐减弱，而DTT的处理对浊度变化的影响较小，表明二硫键在该过程中并非关键因素。这些发现为理解玉米醇溶蛋白的自组装机制提供了新的视角，并强调了溶剂蒸发动力学在调控纳米结构层次中的重要性。

此外，研究还探讨了玉米醇溶蛋白胶体颗粒的粒径分布（PDI）随浓度变化的趋势。在0.75%和1.0%浓度下，PDI值较高，表明颗粒尺寸分布较宽；而在1.5%至3.0%浓度范围内，PDI值下降并趋于稳定，这可能意味着颗粒之间的相互作用更加有序。然而，当浓度升至4.5%时，PDI值再次上升，显示出更宽的尺寸分布，这可能与高浓度下颗粒之间的聚集现象有关。这一结果表明，玉米醇溶蛋白在不同浓度条件下的自组装行为存在明显的非线性特征，需要进一步研究其在复杂环境中的行为模式。

本研究的成果不仅为玉米醇溶蛋白的自组装机制提供了新的理论依据，还为开发基于该蛋白的递送系统奠定了基础。通过揭示浓度、结构演变与物理化学性质之间的关系，研究团队能够更深入地理解玉米醇溶蛋白在食品和生物材料中的应用潜力。同时，研究也指出，尽管目前的实验主要基于模型溶剂系统，但未来还需要进一步探讨其在实际食品基质中的行为，以优化其在复杂环境中的性能表现。

综上所述，玉米醇溶蛋白在蒸发诱导自组装过程中的形态演变和结构转变是一个复杂且多阶段的过程，受到多种非共价作用力的共同影响。通过系统的实验分析和理论探讨，本研究不仅揭示了这一过程的关键机制，还为相关领域的进一步研究提供了重要的参考。这些发现对于提升玉米醇溶蛋白在生物材料和食品工程中的应用价值具有重要意义，也为开发更高效的递送系统提供了科学支持。