以高疏水性大米蛋白为例的多物理场耦合胁迫对蛋白质高级结构及功能的作用机制

Rice proteins, with extremely high nutritional and biocompatible value, are among the most hydrophobic proteins. For the first time, our group prepared rice proteins with high solubility but intact molecular integrity by imposing multi-field coupling stresses, i.e., molten globule transition by ionic stress followed by mechanical stresses of different origin. In this proposal, we aim to unveil the synergistic effects of these physical stresses by investigating: (1) the relationship between proton activity (PA) and the degree of MG transition, as well as the molecular basis of disaggregation of rice proteins induced by micro-fluidization; (2) the effects of ionic stress-micro-fluidization stress-molecular ladder mechanical stress on the sub-aggregates of rice proteins based on the molecular ladder formed by phase transition of the solvents; (3) the targeted design of modified rice proteins with tunable functionalities based on the establishment of a mathematical model describing the relationship between the strength of multi-field coupling stresses and the degree of structural modifications. Meanwhile, the research will lay the theoretical and technical foundations of protein modifications under multi-field coupling technique.

大米蛋白极具营养特性及生物相容性，但其疏水性属植物蛋白之首。我们已发现，大米蛋白经离子胁迫导致的溶融态（MG）转变后，机械胁迫可保持其一级结构的同时，显著提高其溶解性。为此，基于多物理场耦合胁迫的增效作用，深入探讨多重物理场胁迫对大米蛋白构象及功能的影响机制：（1）在离子液体营造的高质子活力环境中，实施微通道胁迫，形成蛋白质小聚体，揭示离子液体胁迫-微通道胁迫影响MG结构的分子学机制；（2）以溶剂晶体作为能量传递介质，搭建外来机械能做功于蛋白质小聚体构象的分子梯，揭示离子液体胁迫-微通道胁迫-分子梯机械胁迫改变大米蛋白高级结构的作用机理；（3）建立并验证多物理场耦合胁迫与蛋白质构象变化的结构层次和程度间的数学模型，以实现大米蛋白功能性改善的定向定量设计。本项目将建立多物理场耦合胁迫改性大米蛋白高级结构的理论机制和技术方法，也可为其它疏水性蛋白质的高级结构物理改性研究提供新的理论和途径。

大米蛋白（Rice proteins，RPs）因高营养价值和低致敏性等特点，被认为是人类膳食优质的蛋白来源。然而，由于其结构的高疏水性导致其溶解性极差，在食品工业中的应用受限。传统蛋白增溶技术存在氨基酸损失、得率较低和成本高昂等缺点，亟需一种适用于RPs的新型增溶技术，在保留其营养价值的前提下，有效提升其商业应用潜力。在本研究利用微通道技术作为诱导条件，完成RPs与鳕鱼蛋白（Cod proteins，CPs）的结构组装，制备亲水性RPs-CPs复合体（CRPs），有效提升RPs的溶解度达54倍。在此基础上，探究了RPs与CPs复合结构的组装机制和增溶机理，并通过外源添加淀粉纳米晶（Starch nanocrystals，SNCs），进一步提升CRPs的乳化稳定性，同时探究CRPs和SNCs结合机理及油水双亲行为。.本项目重要成果如下：（1）制备了RPs与CPs的亲水性复合蛋白（CRPs），有效提升RPs是水溶性约54倍，并发现RPs水溶性提升效果与CPs比例呈正相关。（2）借助微通道技术的诱导作用，RPs和CPs在疏水相互作用和氢键作用的共同驱使下，组装为粒径80~150 nm的纳米粒子，在不破坏蛋白一级结构的基础上改造RPs为亲水性三维构象。（3）微通道诱导结构组装提升大米蛋白水溶性的机制为：鳕鱼蛋白并入CRPs，为组装结构内部引入静电斥力，促进大米蛋白发生β折叠-α螺旋转变，从而增强其三维构象的亲水性，提升水溶性。（4）微通道诱导结构组装后，RPs乳化活性指数提升约4.8倍，赖氨酸（Lys）含量增至1.7倍，必需氨基酸含量远超联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）的推荐摄入量。（5）通过外源添加SNCs，利用其与CRPs的结合进一步提升蛋白乳化稳定性。.本项目基于微通道诱导的大米蛋白与外源蛋白的结构组装，建立了提升疏水性大米蛋白水溶性、功能性和营养价值的简便方法。在实现RPs结构的亲水性改造的基础上，利用RPs-CPs组装蛋白与SNCs的结合进一步提升蛋白的乳化稳定性，以拓展其在食品加工中的应用潜力。同时，为高疏水性蛋白的功能导向性结构改造提供理论依据和可行策略。

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