蛋白質一多糖的好合物和凝聚物摘要：在關于蛋白質一多糖的靜電聚合物和凝聚物的形成的最新研究進展中，提出了其結構和特性。第一部分強調了復合物形成的熱力學，特別討論了燧和牖對其影響。對它們的結構進行了不同長度尺度上的描述，最新研究中包括了復合物和凝聚物的相序動力學。最后闡述了蛋白質一多糖復合物和凝聚物的相關功能性質在食品方面的應用。.前言靜電相互作用誘導像復合體和凝聚物等超分子生物高聚物的結構的形成是一種基本的理化現象，與很多已知的生物過程有關，如蛋白質的轉錄翻譯，抗原抗體反應和酶反應。一個原始的例子是沙堡蠕蟲的礦化管，它是由外源性的礦物顆粒和反向充電蛋白通過復凝聚法形成的膠合劑粘在一起。其他生物學上的相關示例有硫酸軟骨素蛋白聚糖、黏多糖透明質酸和軟骨連接蛋白形成的三元復合物為軟骨提供機械性能，肝素對等離子體抗凝血酶的約束抑制了一?系列的凝固蛋白，酒中果膠多糖和唾液中蛋白質的離子相互作用減弱了蛋白質單寧酸的相互作用而且有助于緩解澀味，蛋白質、多糖和胃酹的三元復合物的形成改變了肽的外形輪廓和它們的變應原性。生物高聚物之間的作用之中經常涉及的生理學過程是蛋白質多糖間的。蛋白質一多糖復合物和聚合體在工業應用中也非常重要，如微米級或納米級的封裝過程,多層次結構的設計，乳狀食物的形成和穩定，新型食物凝膠劑的形成和工業副產品中蛋白質的復性。由于蛋白質一多糖靜電相互作用和蛋白質一多糖復合物和凝聚物在工業上的巨大潛力，近十年越來越多的研究團隊開始專注于相關體系的研究。這種趨勢解釋了發表的相關文章呈指數增長的現象。正在科西斯舉行的研討會是從2000年以來的第六屈，這足以說明該領域的重要性，后來的兩個分別是關于蛋白質一聚合電解質絡合物形成和理論上和模擬方面的高分子絡合。一篇文章和評論的臨界分析指出了近幾年關注的最重要的基本問題有：1）蛋白質和多糖之間的靜電相互作用的熱力學描述中尤其重要的問題是絡合物形成或聚合的焙和焙的特性，但是其他弱的相互作用力也很重要，如氫鍵和疏水相互作用，2）蛋白質多糖復合物和凝聚物在不同尺度下的結構3）有可能會發生成核與生長如電位分離的機理，最后是4）對蛋白質一多糖復合物和聚合體的流變性能和界面行為的理解。當代研討會的特定目標就是突出以上提到的四點，主要集中在蛋白質一多糖體系。必要時，結果中獲得的蛋白質一蛋白質或蛋白質一聚合電解質體系可能會被提到，這是因為它們的特定喜好或理論原因。迄今為止他們的研究中還沒有詳細地考慮計算機模擬方面。值得注意的是蛋白質一多糖體系和蛋白質一多糖規合物也就是復合體通過共價相互作用聯系，遠超出本文的范圍。.熱力學方面在過去的幾年，相較于復合物和凝聚物的結構功能，蛋白質一多糖復合物的形成和聚合的能量學方面受到的關注較少。過去四年形勢的變化和大量發表的文章從這些現象的源頭解釋了復合物形成的熱力學特性和本質上的非共價相互作用。在關注這些不同方面之前，我們首先在本部分中給出一些關于高分子復合物形成的總體熱力學趨勢。當總的吉布斯自由能減小即AGV0時，高分子復合物的形成能夠自發的發生，不利的燧變來源于一經綁定生物聚合物流動性下降或者可能來源于復合物表面水的有序排列。由于水的結構的復雜度和過程的精細程度，很難估計總懶變對其影響。就焰變的影響而言同樣如此。溶劑重組占焰的很大?部分，擴展復合物表面的氫鍵網能夠使燧變更加有利，即使它和燧的影響是平衡的。其他對婚變的重要影響來自于直接的非共價相互作用，這就決定了在一個嚴格的檢測中對焰的約束。不管怎樣，對每個特殊的非共價相互作用的生成烯進行分類都是非常困難的。綜合考慮，回顧一下得到的蛋白質一多糖系統的數據。基于相變的量熱學的測量值和溫度的獨立性，其他文章中也得到了相同的結論，基于兔合物的形成依賴于很強的離子強度，復合物形成過程中的吸熱信號通過等溫滴定微量熱儀記錄下來。最近的另一篇通過等溫滴定量熱法研究了聚合物的靜電疊層集合，也得出了聚電解質之間的配合物的形成幾乎完全由端推動，盡管實驗證明焰變是負的而且絕對值大于端變。實際上出現的情況比預期的更復雜，要考慮一些實驗通過等溫滴定量熱法表明生物高分子之間的聚合主要是放熱的。此外，還指出等溫滴定量熱法捆綁記錄的熱量展示了吸熱和放熱信號連續出現的復模式，甚至吸熱放熱信號同時出現。這些復雜的模式很難解釋，而且幾乎不可能適合傳統的綁定模式。然而吸熱信號伴隨著放熱信號的出現，為了呈現整體構圖，顧及帶相反電荷的聚合電解質所表現出的所謂的冷凝現象是很重要的。如果兩個電荷間的距離比貝耶倫長度短在復合物形成期間，電荷中和了帶有反向電荷的粒子，這導致了被壓縮的抗衡離子的釋放從而恢復到與自由分子的平移端相同。現在人們認為這種效果在凝結作用很重要的具有極強電荷的聚合電解質和凝結作用被忽略的帶弱電荷的聚合電解質之間是非常不同的。最近，關于通過帶有兩種相反電荷的聚合電解質和不同鹽濃度形成復合物的能量學輪廓的系統研究通過朗格文動力學模蟄得以實現。盡管事實是研究中僅考慮到靜電作用力，聚合電解質在相同的電荷密度下在好的溶劑中可塑性很強，在形成復合物時不會產生沉淀，得到相關性很強的結果，給了上述看似矛盾的結果一個很好的理解。特別的是弱電荷聚合電解質之間復合物的形成是靠由于靜電吸引產生的負的焙變來推動的，同時平衡離子彈放端是次要原因。另一方面，強電荷聚合電解質之間形成聚合物是通過大量抗衡粒子釋放嫡和對抗正的烯變。平衡離子釋放燧作為鹽濃度的一個功能有個很大的變化是只在高電荷聚合電解質中被發現。可能更重要的是不斷增加的靜電相互作用改變了從負到正的結合能的現象。這個結果與蛋白質和多糖的滴定實驗高度相關，就像ITC。添加少量一種生物高聚物到另一種的多余問題可以歸結于增加相互作用強度。因此，在一些ITC試驗中記錄吸熱和放熱圖形可以促進一部分平衡禽?子的釋放，由于縮合聚合配合物沒有忽略水分子釋放的可能性和生物高聚物的構象變化也可發揮作用。最后一點會在本文處理結構的部分得到證明。靜電相互作用在蛋白質一多糖復合物和聚合體的形成中的重要性從1900年被熟知。但是，對后來蛋白質和多糖之間的非庫倫定律的復合物形成和后來的凝聚知之甚少。文獻中查不到相關的系統研究，但是接下來我們能夠看到另外的弱能量相互作用，尤其是氫鍵，也有疏水相互作用能夠在兩種帶有相反電荷的生物聚合物形成復合物和凝聚物時起到重要作用。有一種策略發現其他弱能量相互作用的影響有例如反應體系的溫度變化、加入不同濃度的鹽或者化合物如尿素。影響復合物和凝聚物的決定性因素是不同的溫度能夠與氫鍵和疏水相互作用的重要性相適應。低溫原則上有利于氫鍵，而高溫則有利于疏水相互作用。因此，降低溫度能夠輕微的增加在由乳清蛋白和卡拉膠組成的體系中產生電位差時的pho這?結果表明，在疏水相互作用很強的情況下，少有靜電相互作用在誘導相位分離中是必須的。溫度的降低在復合體系中能夠誘導相位分離，帶有相似電荷的11S球蛋白和竣甲基纖維素再次強調了氫鍵的重要性。一些作者認為靜電相互作用主要是在一開始的生物高聚物形成復合物時很重要,但是大規模的聚合或者凝聚主要是靠氫鍵和疏水相互作用推動，取決于溫度。實際上，這可能是高度系統相關的因為有時候高分子之間的靜電相互作用是不可能的，除非加熱產生很強的疏水相互作用。相反的，不管是在復合物形成的臨界PH還是在明膠一瓊脂體系產生電位差時的pH都沒有溫度效應，妨礙了一些總體趨勢的得出。利用1TC實驗，鍵焰隨溫度的變化能夠提供摩爾熱容，ACp,是一個主要源于自由分子和復合分子表面水合作用變化程度的參數，較小程度上來源于分子震動的變化。對一些蛋白質一多糖體系的ACp進行計算得到大量正值，這是一個離子化或電荷中和的典型特征。這種現象發生的主要原因是聚合物形成后溶劑中很少有帶電基團。另一方面，疏水相互作用會產生一個負的acp。一個^Cp是正值但是ah參數剩余完全有利的溫度研究，即ahvo,表示了氫鍵的重大作用。我們以一個簡短的討論結束本節，當蛋白質和多糖攜帶相同的靜電荷，接近蛋白質的等電點時可溶性復合物的形成。許多研究表明，這種復合物形成的主要原因是蛋白質上存在小“補丁”，也就是局部區域有較高的電荷密度。例如，蒙特卡洛模擬實驗證明靈活的陰離子聚電解質與a-乳白蛋白和B-乳球蛋白在它們的等單點相互作用，分別通過一個單獨的大正面“補丁”和多重小電荷“補丁工用另一種方式來描述這種現象就是離子偶極相互作用克服了離子之間的相互排斥。然而，另一種可能的解釋是當多酸或多堿足夠強時或者蛋白質有足夠高的約束能力，反轉的電荷可能會誘導蛋白質。電容是蛋白質的固有特性，定義為通過與聚電解質的相互作用來改變帶電量的能力。最近，通過蒙特卡洛模擬和微擾理論表明，a-乳清蛋白，B-乳球蛋白和溶菌酶在等電點處和接近等電點處顯示出很強的電容。通過感應電荷的相互作用，會誘導蛋白質和聚電解質之間額外的和強大的吸引力。3.蛋白質-多糖復合物的多尺度結構和相序動力學為了更好地從微觀、中觀以及宏觀理解蛋白質-多糖復合物的結構，一些這方面的研究已經展開。蛋白質-多糖復合物的多尺度結構在分子水平上，復:合物的形成可導致蛋白質部分和多糖部分的分子改變。有研究者研究了B-酪蛋白與k-卡拉膠和?-卡拉膠在螺旋卷曲轉變中的相互作用。研究結果表明，0-酪蛋白降低了卡拉膠的螺旋度，并且生成的復合物相比于酪蛋白能溶解在更寬的pH范圍內。除了這個研究，復合物的生成對蛋白質結構和熱穩定性的影響還有更多報道。一個有趣的發現是，蛋白質分子的變化可能發生在復合物生成之前也可能發生在之后.前一種情況蛋白質結構的改變有利于?與多糖的相互作用，而且又是也是必要的。例如，在pH2.75,豌豆球蛋白的B折疊部分變松，但是與阿拉伯樹膠的相互作用在此時卻最強。另一個有意思的發現是，蛋白質與多糖發生最大相互作用時，會觀察到蛋白質的二級結構在一定程度上加強。值得注意的是，蛋白質構象的變化甚至可以發生在蛋白質和中性多糖之間，就像被報道過的牛血清蛋白和葡聚糖。通過小角激光散射系統(SALS)形成的葡萄糖酸6內酯(GDL)可控酸化過程可被用于表征B-乳球蛋白-黃原膠體系、B-乳球蛋白-果膠體系、B-乳球蛋白-阿拉伯樹膠體系的結構特征。黃原膠或果膠和蛋白質之間的相互作用是生成蛋白質-多糖復合物，而阿拉伯膠與蛋白質是形成凝聚物。凝聚物和復合物的形成可能與硬度和多糖的電荷密度有關，較硬的形成系合物，較柔韌的形成凝聚物。B-乳球蛋白-黃原膠復合物內部結構的變化可以通過分維度(DF)來測定。乳球蛋白-黃原膠復合物形成之初分維度大約在1.8,接著分形聚集物的結構會變得更加緊密，分維度范圍大約在2.25-2.37.復合物結構的重組過程通過剪切被進一步放大并受蛋白多糖比影響。應用到黃原膠上的動態高壓處理會誘導更多初期共聚物的形成。與從天然黃原膠中得到的復合物相比，隨后重組產生的共聚物具有更緊湊的結構。B乳球蛋白在與果膠復合的過程中也形成了分形聚集物，分維度的范圍在1.5到2.5.Cousin和他的同事在中子小角散射(SANS)實驗中使用對比度變化來檢測復合物內部的蛋白質和聚甩解質的局部結構。溶菌酶和聚苯乙烯磺酸鈉(PSSDNa)依據聚苯乙烯鏈的長度和各組分的電荷比在pH4.7時形成了三種主要類型的復合物。當電荷比接近1時，形成致密的微球。隨后結合SANS和紫外滴定對致密微球的內部細節進行研究。在過去的四年中，主要的關注的是蛋白質和多糖凝聚物的組織分析。小角X射線散射測量乳清蛋白-黃原膠復合物的結果顯示，凝聚相是致密和結構化的。它可以通過pH值、蛋白質和多糖的比重以及離子強度來調整。王和他的同事用中子小角散射(SANS)提出B乳球蛋白-果膠凝聚物的兩種微觀結構模型。蛋白質：多糖=10:1,NaCl含量0.1M,蛋白質分子獨立的分布在果膠，當增大比例和鹽含量時，由于蛋白的自我聚集傾向，會發現較大的蛋白質結構域。具有更精確的分子特征控制的蛋白質-聚電解質系統被用來研究凝聚物的結構排列。Bohidar和同事檢測了牛血清蛋白(BSA)和陽離子聚電解質(PDADMAC)的凝聚物。DLS(動態光散射)揭示蛋白質快速擴散的多種模式，這表明該蛋白具有低束縛力。粘彈性測量顯示了不牢固網絡的形成，固體狀的具有較低的張力，液體狀的張力較高。前面所說的網絡模型和中間相模型可以解釋這種現象。在此模型中，蛋白質存在于獨立的微區，其中一個域在蛋白質和聚電解質中更集中。但這樣所用的方法并不能區分這兩種模型。Kayitmazer和他的同事使用熒光標記的BSA和標記了的聚電解質完成了對凝聚物內擴散的檢測。通過實驗，這些作者提出了一個明確而系統的論點用于中間相模型的使用。凝聚物獨特的特征與廣泛存在的部分嵌入(50-700納米)互相連通的密域的稀域有關。在短尺度內，蛋白質的移動性不受這些簇的影響，而在中間尺度，作者提出，由于“致密結構域的曲折效應和界面處的吸附作用”，蛋白質移動減慢。研究這種獨特的結構是否可以在蛋白質二級結構的增益的開始觀察到也是非常有意義的。3.2pH誘導的結構轉變以及相序動力學2.1pH誘導的結構轉變靜電相互作用在蛋白質和多糖復合物形成、凝聚過程中發揮著非常重要的作用。事實上，靜電相互作用的強度主要受生物聚合物的電荷密度(直接由混合分散液的pH決定)控制。結果是，pH誘導蛋白質-多糖復合物的結構改變引發了很多思考。結合動態光散射，電泳遷移率，比濁法，圓二色，相相差顯微鏡檢查，在兔合物形成/凝聚過程中，與結構和相變相關相關的六個pH值被定義為：可溶性絡合物的形成(PHsc：4.90);蛋白質構象變化(PL：4.80);復合物物的聚集(pHca：4.7);相分初始(pHps:4.4)；凝聚物的形成(pHca:4.2).研究表明復合凝聚物可以用散射剖面的斜率來表征，但是還需要另外的一些實驗。研究的結果說明相互作用的蛋白質多糖體系是多尺度結構。2.2.相序動力學重要的見解是最近從能量學和蛋白多糖復合物和凝聚物的多尺度結構獲得。較少注意到蛋白質-多糖體系以及聚電解質-聚電解質系統的復合物生成/凝聚過程中的相序動力學。根據酸化時間來測量的小角激光散射系統(SALS)被用來測量B乳球蛋白-黃原膠系統，B乳球蛋白-果膠系統以及B乳球蛋白-阿拉伯膠系統。對這三個系統來說，及時是在相分離的開始，散射函數是散射波矢量q的單調遞減函數，這被看作是核形成與生長(NG)的信號。亞穩相分離(SD)機制通常被看做是生物大分子復合凝聚現象的一般機制。但還有一些爭議。4蛋白質-多糖復合物的功能性蛋白質和多糖形成的非共價靜電復合物使得設計新穎的微觀結構成為可能，這依賴于復合結構所處的初始環境條件、大分子的內在特性、相互作用的動力學/相位差、以及物理方法的使用。微觀結構可以成塊，或者更可能進入凝聚物相，這些取決于高分子總濃度，并產生新的流變學性質。由于蛋白質-多糖復合物的協同效應，復合體系可能具有特定的空氣/水或油/水的界面性質。在蛋白質-多糖復合物中蛋白質的熱穩定性根據生物高分子聚合理論，球狀蛋白的熱穩定性可以被改善或被破壞。在亞麻籽膠-肉蛋白的體系、按甲基纖維素-乳清蛋白或竣甲基纖維素一B-乳球蛋白體系中觀察到了蛋白質熱穩定性的增強，相反，乳球蛋白和殼聚糖的靜電復合顯著增強了蛋白質的熱聚集。肝素降低了溶菌酶的熱穩定性，可能是由于有多重結合位點。最近的兩項研究表明，復合蛋白變性了但是既沒有聚合陽離子，也沒有聚合陰離子。由于可溶性復合物帶電荷，復合物之間的靜電排斥可以防止熱誘導的蛋白質-蛋白質相互作用和大規模聚集。重要的是，加熱可以誘導形成穩定的蛋白質-多糖復合物來對抗隨后的pH改變。這樣的穩定化可能是由于聚合蛋白和其中的多糖形成的網狀結構。然而，有可能通過物理方法穩定蛋白和多糖的復合物這一觀點對工業化應用是非常重要的。2流變行為和凝膠特性在本節中，重點將放在敘述凝聚相的流變學性質，另外一些是比較少的關于蛋白質-多糖混合物的例子。凝聚體可能表現的像一種彈性凝膠或類似的濃縮溶液。最近的動態振蕩剪切流變學測量結果表明，在亳秒級測得的凝聚物的粘性性質可以歸因于瞬間的聚合電解質鏈與蛋白質的相互作用區域（帶相反電荷）。第二個模型描述了分散在聚合物網絡中的異構大分子離子富集區（對系統的響應有更短的弛豫時間）。在純蛋白質、多糖系統進行的研究中也報道了這種雙重流變行為。然而，在這些例子中，它似乎是多糖的分子結構對凝聚所得凝膠狀或濃縮聚合物溶液樣行為的重要作用。在兩種生物大分子混合的情況下，當電荷完全中和時測得的粘度最大。凝聚體形成后，隨著時間的延伸，朝著更富有彈性的方向發展。這可能是由于蛋白質分子沿著多糖鏈的局部重組。當使用的是線性的多糖時，形成的凝聚體是凝膠狀（由于多糖的靈活的結構）。凝膠強度隨著多糖分子量增大而增加。可以利用復合物的這種粘彈性設計食品凝膠（最近，有研究利用熱處理后的乳清蛋白質分離物-黃原膠的靜電復合物代替脂肪作為蛋糕糖霜或餅干填充。球狀蛋白質（卵清蛋白質）與脫乙酰基多糖的靜電復合物經熱變性后可用于生產穩定和pH敏感的納米凝膠，用于化妝品或藥物）。蛋白質-多糖復合物在空氣/水和油/水界面的界面性質與發泡和乳化制品相關。3.在空氣/水界面的行為特性和發泡性蛋白質-多糖復合物的形成可以用來修飾蛋白質在空氣/水界面的吸附動力學，但還需要修飾吸附層的微觀結構，從而控制其穩定性。已根據初始蛋白質多糖的混合比例提出了兩種吸附模型：i）因多糖過量而導致復合物帶電時，熱力學限制蛋白質吸附在界面處；ii）當該蛋白質多糖比接近電荷中和時，及合物擴散限制吸附。當蛋白質比復合物先吸附在界面時，形成的界面網絡有更高的剪切模量；但由復合物的吸附形成的界面網絡的剪切模量比單獨的蛋白質形成的大，完全中和時的最大，這說明了分子重組對于形成的界面網絡的粘彈性的重要性。復合物吸附在形成最初階段更容易在界面形成粘彈性網絡，所得的膜在24h內顯示出低透氣性并且泡沫穩定性好。研究表明，使用中性配合物需首選在空氣/水界面建立密集的粘彈性界面，具有降低透氣性和提高泡沫穩定性的特性4油/水行為和乳化性能不像在使用蛋白質-多糖復合物的空氣/水界面穩定的研究有限，后來食品乳狀液的穩定能力被廣泛測試。兩種方法用來生成乳劑通過蛋白質-多糖復合物來穩定，?種是水乳化的油相中復合物的分散，第二種是水乳化的油相中生物聚合物的分散，（斟酌了很多遍，實在不知道咋對了）緊隨其后的是一個清洗步驟和第二個生物聚合物（所謂的逐層或或LBL技術）。顯然，這兩個技術導致不同的界面組成和結構，但也導致不同的乳液穩定性（乳狀沉淀或絮凝由pH、離子強度或溫度決定）。B-乳球蛋白質?高甲氧基果膠中性配合物在油/水界面的吸附導致界面層，具有更大的膨脹彈性與純蛋白質或與可溶性復合物相比。同樣，使用植物蛋白質，發現可以在油/水界面測量更小或等效表面膨脹彈性,這時混合豌豆球蛋白質和阿拉伯樹膠保持恒定蛋白質多糖比,使pH分別為2.75和3.5。最近研究比較了用LBL或輔助方法穩定的酪蛋白質酸鈉-硫酸葡聚糖乳劑的穩定性，表明LBL乳劑在pH降低時更易絮凝，說明乳劑制備的重要性及在最終乳劑穩定性中界面結構。蛋白質-多糖復合物的界面活性的一個應用是設計適于各種親脂性材料釋放的微米或納米膠囊，這樣的化合物易被氧化或有強烈的后味。最近研究表明為了促進與唾液蛋白質（如黏蛋白質）的相互作用，乳劑在口腔內的行為可由界面層電荷引發。因此，黏蛋白質與多糖相互作用強，所形成的的復合物能夠抵抗固體基質上的SDS解吸。5結論和未來發展在蛋白質和多糖（復合物，聚合的復合物和凝聚物）間通過非共價鍵相互作用形成超分子結構，這在過去三四年是研究熱。除了理解復雜的形成機制和不同級結構的形成機制的基本興趣之外，也解釋了為什么成為研究熱點。越來越多的蛋白質-多糖復合物的研究，很多的研究提出大分子帶相反電荷或者全部的相似電荷，也提出蛋白質顯示帶電“補丁”或高電容量。這種復合物的形成在中性生物聚合物中的研究很少見，但是由于科學家的好奇心，這種情況應該這幾年以后得到改善。一種更有發展前景的方法是通過酶催化控制架構來形成新的生物聚合物，這種仿制的聚合物的方法應該能夠形成新的超分子結構，這種結構會提高穩定性和原始功能特性。基本的觀點來看，最近提出的非常有趣的關于蛋白質-多糖的相互作用的力能學，復合物和凝聚物和相位順序動力學的多級有序結構的觀