pH和热诱导下乳清分离蛋白与阿拉伯胶分子组装行为及其荷载铁离子的释放机制

The iron complex with designed structure from proteins and polysaccharides to improve the organoleptic properties and bioavailability is very effective to solve the problem of iron fortification in food and iron deficiency. This project aims to study the molecular assembly from whey protein isolate (WPI) and gum arabic-iron complex (GAFe3+) induced by pH/temperature and its effect on iron ions release, and to explore the theory and method of novel iron ions delivery systems. GAFe3+ is prepared using the ion exchange method, and the iron ions binding and solution behavior will be characterized by XPS, fluorescent probe method, etc, respectively. The interaction between WPI and GAFe3+ induced by pH/temperature is studied through investigation of the aggregation of WPI/GAFe3+ complex by GPC-MALLS, SDS-PAGE, etc, and evaluation of the molecular structure with SAXS, AFM, etc. It may be described of the effect of molecules assembly behavior between WPI and GAFe3+ on the conformations of GAFe3+ and the combination of iron ions. And the release process of iron ions from WPI/GAFe3+ complex is tested in vitro simulated gastrointestinal digestion. The knowledge of the molecular assembly from WPI and GAFe3+ induced by pH/temperature and its effect on iron ions release is expected to enrich the theory and method of designing iron ions delivery systems, and the conclusions will provide scientific basis and technological guidance for iron-fortified foods manufacturing.

采用蛋白质和多糖等食品结构化大分子构建铁复合物结构，改善铁离子的感官特性和生物效价，是解决食品铁强化和铁缺乏的有效方法。本项目研究pH和热诱导下乳清分离蛋白（WPI）与载铁阿拉伯胶（GAFe3+）的分子组装行为及其荷载铁离子的释放机制，探索新型铁离子递送体系的理论和方法。采用离子交换法制备GAFe3+，用XPS、荧光探针法等分别表征铁离子结合状态和溶液行为；研究pH和热诱导下WPI与GAFe3+分子间相互作用，通过GPC-MALLS、SDS-PAGE等表征复合物的聚集状态，利用SAXS、AFM等评价复合物分子结构变化；阐明WPI与GAFe3+组装行为对GAFe3+分子构象及铁离子包载形式的影响；表征复合物在模拟胃肠液消化过程中铁离子的释放特性。pH和热诱导下WPI与GAFe3+分子组装行为及其荷载铁离子的释放机制的研究结果将丰富铁离子递送体系的理论，为铁强化食品制造提供科学依据和技术支撑。

铁缺乏是当前全球营养科学发展亟待解决的问题，采用食品加工的物理手段调控食品高分子与铁离子间相互作用来定向构建铁复合物，改善铁离子的感官特性和生物效价，是目前铁强化剂的研究热点和发展趋势。本项目主要探究pH和热诱导下WPI和GAFe3+的分子组装行为及其对荷载铁离子释放特性的影响机制。研究表明，GAFe3+中引入WPI，在pH 4.0、85℃加热15 min，GAFe3+可被包裹于受热聚集的WPI中，形成粒径均一、分布均匀的球状WPI/GAFe3+复合物（WGS），且在WPI: GAFe3+为1: 2时载铁量最大为23.16 mg/g；在pH 3.0，90℃加热5 h可形成WPI/GAFe3+纤维状复合物（WGF），GAFe3+分布于纤维状复合物聚集体交叉的节点处。在WPI: GAFe3+为15：1时WGF的载铁量最大为11.88 mg/g。在热聚集过程中，WGS中形成了二硫键，结构致密，疏水性提升，呈现较好的热稳定性，诱导WGS形成的内部作用力主要是静电和疏水作用；而WGF中α-螺旋减少、β-折叠增加、二硫键形成，诱导WGF形成的内部作用力主要是疏水作用。与WGS相比，WGF粉末的感官性良好，呈乳白色、质地细腻光滑、分布均匀、无异味，表明WGF能有效掩盖铁腥味。含WGS的乳液中粒子迁移速率极低，丙二醛生成缓慢，呈现良好的物理化学稳定性；含WGF的乳液中粒子迁移速率偏高，但丙二醛生成较慢，呈现较好的化学稳定性。与WGF相比，WGS稳定的Pickering乳液平均粒径较小、粒子迁移速率偏低、脂质氧化产物较少。WGS呈现优异的界面吸附活性和适宜润湿性，表明其具有良好的Pickering乳液稳定性。在仿生动态胃消化中，WGS消化稳定性良好，WGF虽发生部分水解但仍保持纤维状形貌；在动态肠消化中，WGS发生明显溶胀，WGF聚集体消失且纤维长度明显变短。WGS和WGF中的Fe3+在胃液中呈缓释，在肠液中呈突释，释放率分别达到56.10%和88.20%。推断WGS和WGF主要受小肠中的胰酶作用而发生水解，WGF比WGS酶解程度更高。由此可知，Fe3+的释放与蛋白和多糖的组装行为和复合物形貌密切相关。本项目深入理解了铁复合物结构与其功能性间的构效关系，解决了铁强化食品技术应用的关键基础科学问题，对发展新型复合铁强化食品配料技术具有重要的科学意义。