王娟娟，李海平

(天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津商業(yè)大學 生物技術(shù)與食品科學學院，天津，300134)

生物體系的宏觀性質(zhì)或反應(yīng)機制都具有微觀過程，大多數(shù)生命科學體系的微觀過程都涉及2個或多個分子之間的相互作用[1]。如果僅僅依靠科學實驗進行微觀分子互作機理探索，則普遍存在分子數(shù)量繁多、實驗費時費力、實驗數(shù)據(jù)波動有偏差等缺陷，導(dǎo)致科研的方向性差，效率非常低，難度極其高[2]。為了解決實驗手段的局限性，分子模擬技術(shù)應(yīng)運而生?？紤]到食品基質(zhì)的復(fù)雜性和反應(yīng)的多樣性，一般可以先借助分子模擬技術(shù)對食品分子之間的作用模式、結(jié)合位點和影響因素等進行預(yù)測，為實驗研究提供方向，減少實驗的盲目性，探索更多可能性，節(jié)約因大量重復(fù)實驗所花費的時間及成本；也可以借助分子模擬技術(shù)解釋實驗現(xiàn)象，從分子水平上提供作用機理的詳細信息，有助于提高科研人員對研究體系的認知水平，為進一步改變實驗條件奠定理論基礎(chǔ)[3]。本文從分類、基本原理和設(shè)計思路介紹了分子模擬技術(shù)，總結(jié)了分子對接、分子動力學和量子力學3種分子模擬技術(shù)常用的軟件特點及其在相應(yīng)食品科學領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為分子模擬技術(shù)在食品科學研究中進一步應(yīng)用提供參考。

1 分子模擬技術(shù)的原理及設(shè)計思路

分子模擬是將理論方法與計算機技術(shù)相結(jié)合，以原子/分子水平的分子模型來模擬分子的結(jié)構(gòu)和行為，從微觀角度解釋分子體系的各種物理化學性質(zhì)和分子間互作機理，進而指導(dǎo)宏觀科學實驗[4]。與科學實驗相比，分子模擬可以提供分子尺度上的詳細圖像，有助于深入理解分子間相互作用[5]。選擇適合食品研究體系的分子模擬技術(shù)有助于快速、深入地理解食品分子互作機理及其構(gòu)效關(guān)系，不僅能夠為實驗設(shè)計提供指導(dǎo)，還有助于檢驗實驗結(jié)果的準確性，為改進實驗方法提供理論依據(jù)，從而提高科研效率。分子模擬技術(shù)主要有5種：分子對接、分子動力學、量子力學、分子力學和蒙特卡洛。總體而言，這些模擬技術(shù)各具特點：分子對接技術(shù)能夠快速預(yù)測出2個物質(zhì)的最佳作用位點和結(jié)合模式，篩選出最有可能出現(xiàn)的受體-配體復(fù)合物，特別適用于食品成分中活性物質(zhì)的高通量篩選。分子動力學、分子力學和蒙特卡洛技術(shù)能夠模擬百萬級原子的大分子體系，而量子力學技術(shù)適合模擬原子數(shù)為幾十到一百的小分子體系，能夠描述電子結(jié)構(gòu)的變化，所以在食品中主要用于食品添加劑這類小分子物質(zhì)的研究。分子動力學技術(shù)相比量子力學、分子力學和蒙特卡洛技術(shù)而言，具有以下優(yōu)點：能夠計算任何溫度下分子體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而量子力學僅能在絕對零度的條件下計算；能夠描述體系的動態(tài)規(guī)律，而分子力學僅能描述體系的靜態(tài)特性；能夠描述不同溫度下體系從一種熱力學狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種熱力學狀態(tài)的過程，而蒙特卡洛僅能描述特定溫度下的分子結(jié)構(gòu)特征[6]。利用分子動力學技術(shù)對體系模擬之前，一般需要借助分子力學/蒙特卡洛技術(shù)對輸入結(jié)構(gòu)進行構(gòu)型優(yōu)化，將優(yōu)化后的構(gòu)型作為分子動力學模擬的初始構(gòu)型，可以減少模擬時長。食品一般是富含大分子和小分子的混合體系，食品組分之間、食品組分與機體之間、食品組分與環(huán)境之間不可避免地存在互作關(guān)系，而且這種互作關(guān)系往往具有動態(tài)過程。因此分子對接、分子動力學和量子力學技術(shù)成為研究食品體系常用的3種技術(shù)。

1.1 分子對接技術(shù)

分子對接技術(shù)是利用計算機模擬程序把配體小分子放在受體活性位點處，按照幾何互補和能量互補的原則，通過打分函數(shù)篩選出配體與受體間最佳結(jié)合模式的一種技術(shù)[7]。分子對接的一般設(shè)計思路如圖1所示。分子對接技術(shù)根據(jù)對接模型的簡化程度可分為三大類：剛性對接、半柔性對接和柔性對接。在剛性對接過程中，參與對接的分子構(gòu)象保持不變，只改變配體在受體活性中心的位置，該技術(shù)工作量和計算難度最小，適用于蛋白-蛋白、蛋白-核酸等比較大的體系；半柔性對接則是在對接過程中允許配體構(gòu)象變化，而受體被固定，該技術(shù)既能考察柔性也能保證較高的計算速率，適用于處理大分子和小分子之間的對接；柔性對接是指在對接過程中，允許分子構(gòu)像自由變化，所以它的對接精度更高，更接近分子間作用的真實情況，但同時也加大了計算量，耗時較長，因此適用于較小的體系，一般用于考察分子間的精確作用模式[8]。分子對接技術(shù)常用的免費軟件有AutoDock、LeDock、rDock、UCSF DOCK等，商業(yè)軟件主要有Glide、GOLD、MOE Dock、LigandFit、FlexX等。自2013年以來，分子對接技術(shù)在食品領(lǐng)域有關(guān)蛋白-配體的結(jié)合狀態(tài)、食品功能性成分作用位點、農(nóng)獸藥作用機理等方面的應(yīng)用已取得重大突破[2]。

1.2 分子動力學技術(shù)

分子動力學技術(shù)是依據(jù)牛頓力學，通過原子間相互作用勢或分子力學力場來研究原子或分子體系在時間和空間上運動的計算機模擬技術(shù)，是通過微觀體系來反映物質(zhì)宏觀性質(zhì)的一種有效技術(shù)[9]。分子動力學技術(shù)一般遵循4個步驟：前期準備、對輸入的分子進行幾何優(yōu)化、分子動力學模擬、對產(chǎn)出數(shù)據(jù)進行分析，具體步驟如圖2所示。分子動力學技術(shù)可以在微觀水平上產(chǎn)生原子的位置和速度等信息，再利用統(tǒng)計力學將這種微觀信息轉(zhuǎn)化為宏觀可見信息(如壓力、能量、熱容等)，從而探索分子的結(jié)構(gòu)、運動和功能之間的關(guān)系[10]。分子動力學技術(shù)常用的免費軟件有GROMACS、Materials Studio、LAMMPS、RedMD等，商業(yè)軟件主要有AMBER、CHARMM、GROMOS等。分子動力學技術(shù)近些年在食品領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)從小分子擴展到大分子，甚至是各種相互作用的分子組的復(fù)雜系統(tǒng)。

圖1 分子對接技術(shù)設(shè)計思路Fig.1 Design idea of molecular docking technology

圖2 分子動力學技術(shù)設(shè)計思路Fig.2 Design idea of molecular dynamics technology

1.3 量子力學技術(shù)

量子力學技術(shù)的本質(zhì)是對薛定諤方程近似求解得到分子的能量和其他相關(guān)性質(zhì)，成為描述微觀粒子運動規(guī)律的可靠工具。根據(jù)在求解薛定諤方程時所做的近似不同，量子力學技術(shù)主要分為從頭算法、半經(jīng)驗方法和密度泛函理論(density functional theory，DFT)計算[11]。從頭算法完全由理論推導(dǎo)求解薛定諤方程，沒有考慮電子相關(guān)能，得到的計算結(jié)果相對不可靠；半經(jīng)驗計算優(yōu)化了薛定諤方程求解過程，比從頭算法速度快，計算有機體系精度較高；DFT計算可以直接確定精確的基態(tài)能量和電子密度，是解決電子結(jié)構(gòu)理論中許多復(fù)雜問題的強有力的工具[12]。DFT計算常用軟件有Gaussian、Materials Studio(MS)和Chemcraft等，該算法的具體步驟如圖3所示。DFT計算既克服了從頭算法忽略電子相關(guān)能計算的缺點，又具有短時處理大分子體系的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于食品科學、材料科學、藥物設(shè)計等領(lǐng)域，以解決分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、光譜、熱化學、反應(yīng)機理等問題。

圖3 量子力學技術(shù)(DFT計算)設(shè)計思路Fig.3 Design idea of quantum mechanics technology (DFT calculation)

2 分子對接技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

2.1 基于AutoDock的分子對接技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

AutoDock是一款免費的開源軟件，用于執(zhí)行大分子受體和小分子配體的對接和虛擬篩選。該軟件由AutoGrid和AutoDock兩個程序組成，AutoGrid主要負責格點中相關(guān)能量的計算，AutoDock則負責構(gòu)象搜索及評價。AutoDock的最新版本使用的是拉馬克遺傳算法，此算法比傳統(tǒng)的遺傳算法和模擬退火算法的效率更高。因此，AutoDock成為當下最流行的分子對接軟件之一，被廣泛用于研究食品成分與蛋白質(zhì)之間的相互作用。

2.1.1 酶活性調(diào)控

食品生產(chǎn)加工過程中常伴隨色澤、質(zhì)構(gòu)、風味、成分等方面的變化，這都與原料中存在的酶密切相關(guān)。另外，許多功能性食品成分也是通過影響人體中一些關(guān)鍵酶的活性而發(fā)揮作用?；贏utoDock的分子對接技術(shù)是研究食品成分與酶活性之間關(guān)系的強有力工具。YUE等[13]借助AutoDock對決明子茶主要活性化合物橙黃決明素與胃蛋白酶進行分子對接發(fā)現(xiàn)，橙黃決明素通過氫鍵和疏水相互作用與胃蛋白酶結(jié)合并破壞胃蛋白酶的結(jié)構(gòu)，進而影響胃蛋白酶對脂肪、膽固醇等營養(yǎng)成分的消化吸收，從分子水平上解釋了橙黃決明素降血脂的機理，為開發(fā)富含橙黃決明素的功能性飲料提供理論依據(jù)。黃嘌呤氧化酶是生成尿酸的關(guān)鍵酶，抑制該酶的活性可有效降低尿酸水平。ZHAO等[14]利用光譜法證實了類黃酮9、27、34可抑制黃嘌呤氧化酶的活性，并且證實類黃酮9對黃嘌呤氧化酶的抑制活性明顯高于其他2種，隨后用AutoDock將這3種類黃酮分別與黃嘌呤氧化酶進行分子對接，對接結(jié)果如圖4所示，類黃酮9(a)、27(b)、34(c)均與黃嘌呤氧化酶疏水口袋上的氨基酸殘基形成較強的氫鍵相互作用，由(d)中3種類黃酮結(jié)合位點對比可知，類黃酮9位于黃嘌呤氧化酶的最佳結(jié)合位點處，從分子水平上解釋了這3種類黃酮抑制尿酸升高的機理和類黃酮9抑制活性高的原因，并驗證了實驗結(jié)果的正確性，為將類黃酮添加到功能性食品中輔助治療高尿酸血癥提供參考依據(jù)。以上2項研究表明，食品成分與酶結(jié)合通過引起酶的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象發(fā)生變化而降低酶的活性。然而，XIE等[15]用AutoDock將芭蕉根莖中分離的木質(zhì)素與α-淀粉酶進行分子對接，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素通過氫鍵與α-淀粉酶活性位點附近的殘基結(jié)合，從而誘導(dǎo)了α-淀粉酶的活化，該研究不僅提高了芭蕉殘渣在食品工業(yè)中的利用率，還提供了一種低成本提高α-淀粉酶活性的方法。這些研究均表明基于AutoDock的分子對接技術(shù)是研究食品成分與酶相互作用的有效手段，可以為一些活性物質(zhì)篩選或結(jié)構(gòu)修飾提供新的理論依據(jù)，同時也有助于理解酶活性調(diào)控的機理，從而促進活性物質(zhì)作為功能性食品成分在保健品中的應(yīng)用。

a-類黃酮9與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結(jié)果；b-類黃酮27與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結(jié)果；c-類黃酮34與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結(jié)果；d-三種類黃酮與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結(jié)果圖4 類黃酮9、27和34與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結(jié)果[14]Fig.4 Molecular docking results of flavonoid 9,27 and 34 colored as magentas with xanthine oxidase

2.1.2 食品毒素檢測

基于AutoDock的分子對接技術(shù)也可用于研究農(nóng)、獸藥殘留及生物毒素對食品安全的隱患?；贏utoDock的分子對接技術(shù)不僅可用于探究殺蟲劑與昆蟲體內(nèi)酶的作用機理，為開發(fā)昆蟲體內(nèi)酶的生物傳感器及評價傳感器的檢測能力提供理論基礎(chǔ)[16]，還可用于分析適配體(analytical aptamer 125，Apt 125)與抗生素氟苯尼考的結(jié)合機制，進而有助于開發(fā)檢測牛奶中抗生素殘留的簡便、快速、靈敏的傳感器[17]。借助AutoDock的分子對接技術(shù)分析食品和飲料中常見的2種真菌毒素(桔霉素和玉米赤霉烯酮)與人血清白蛋白的結(jié)合特性，有助于深入了解真菌毒素的毒理學機制，對預(yù)防其毒性作用或開發(fā)潛在的有效解毒劑都有幫助[18-19]。綜上，基于AutoDock的分子對接技術(shù)應(yīng)用于食品毒素檢測，不僅可以便捷地評價用于檢測農(nóng)、獸藥傳感器的靈敏度并為改進傳感器的構(gòu)建方式提供理論依據(jù)，還能探究毒素在人體內(nèi)的作用機理，為降低其毒副作用提供理論指導(dǎo)。

2.2 基于Discovery Studio(DS)的分子對接技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

DS是一款面向生命科學領(lǐng)域的分子模擬軟件，目前主要用于研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。DS中的分子對接模塊有剛性對接(LibDock)、分子對接(CDOCKER)和柔性對接(Flexible Docking)。LibDock適用于小分子-大分子的剛性對接，可用于高通量虛擬篩選；CDOCKER是基于CHARMm力場的半柔性對接程序；Flexible Docking用于研究配體和受體相互作用的關(guān)鍵殘基的精準對接。

基于DS的分子對接技術(shù)主要被用來研究生物活性肽。生物活性肽是一類具有抑菌、抗氧化、降膽固醇、降血壓和免疫調(diào)節(jié)等多種生物功能的特殊蛋白質(zhì)片段，廣泛存在于植物性和動物性食品中，能夠調(diào)節(jié)機體功能或狀況，對人體健康發(fā)揮有益作用，是功能性食品研究的熱點。借助DS中的反向找靶(pharmacophore)和CDOCKER模塊，能夠?qū)饦岕~不同組織(胰腺[20]、魚卵[21]和暗色肉[22])酶解液中優(yōu)勢肽進行功能預(yù)測并分析其抗氧化活性。董麗莎等[23]利用DS中CDOCKER模塊將黑線鱈魚皮膠原蛋白胰蛋白酶酶解的優(yōu)勢肽與抗氧化相關(guān)的Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)進行分子對接，對接位點的信息為分析多肽類化合物激活Keap1活性的分子機制提供了依據(jù)，有助于提高多肽類物質(zhì)在抗氧化中的應(yīng)用?；贒S的分子對接技術(shù)也被用于食品中降壓肽的虛擬篩選中。高血壓是血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin converting enzyme，ACE)過度活動所導(dǎo)致的，因此，抑制ACE的活動可以降低高血壓，基于DS的Libdock模塊是一種有效的IC50估計工具和ACE抑制短肽的虛擬篩選方法[24]。另外，WU等[25]利用DS中Flexible Docking模塊將蠶蛹蛋白酶解液中Ala-Ser-Leu肽與ACE進行分子對接發(fā)現(xiàn)，Ala-Ser-Leu肽通過與ACE的S1口袋(Ala354)和S2口袋(Gln281和His353)形成非常強的氫鍵，對ACE產(chǎn)生抑制作用，從而達到降壓目的。由于多肽酶解液是組成、豐度和肽鏈長度均不同的混合物，借助動物實驗或細胞模型等來篩選和驗證多肽酶解液的功能，是一項費時費力的工作。分子對接技術(shù)較科學實驗的優(yōu)勢在于其短時間、低成本從食品中高通量篩選出優(yōu)勢肽，并且可以深入了解活性肽與受體之間的作用活性位點，進而促進天然產(chǎn)物中活性肽在抗氧化、輔助降血壓等功能性食品中的應(yīng)用。

3 分子動力學技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

3.1 基于GROMACS的分子動力學技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

GROMACS是一款能夠模擬數(shù)以百萬計粒子體系的開源分子動力學程序包，幾乎支持所有的算法，其計算速度約是其他同類軟件的3～10倍。GROMACS主要用于模擬許多具有復(fù)雜成鍵作用的生物化學分子，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸，但因其在計算非鍵相互作用(通常在模擬中占主導(dǎo)地位)方面的速度非?？?，也常用于非生物體系(如接枝共聚物)的模擬[10]。

3.1.1 蛋白質(zhì)吸附

GROMACS軟件可以對蛋白質(zhì)的吸附現(xiàn)象進行分子動力學模擬。ALGHAMDI等[26]運用GROMACS軟件，采用全原子分子動力學技術(shù)，探討了綠豆防御素VrD1肽在二棕櫚酰磷脂酰膽堿雙分子層上的吸附作用，從原子尺度上揭示了VrD1肽抗真菌活性的機理，補充了實驗研究的不足，為VrD1肽作為抗菌劑在食品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。蛋白質(zhì)在水-油界面的吸附與其作為易發(fā)泡食品或乳狀食品的穩(wěn)定劑密切相關(guān)?？茖W實驗難以在分子尺度下描述蛋白質(zhì)在水-油界面吸附過程的詳細信息，而基于GROMACS的全原子分子動力學技術(shù)能從分子水平上詳細描述蛋白質(zhì)在不同水-油(癸烷、辛醇和三油酸甘油酯)界面上的吸附機理以及吸附過程中伴隨的蛋白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化[27]。另外，在食品長期生產(chǎn)加工過程中，蛋白質(zhì)會因吸附作用粘附在生產(chǎn)設(shè)備上，不僅會降低生產(chǎn)效率，還會造成食品污染?；贕ROMACS的分子動力學技術(shù)可以獲得與實驗結(jié)果高度吻合的蛋白質(zhì)吸附等溫線，不僅減少了色譜法測定吸附等溫線所需的材料和時間，更重要的是可以提供蛋白質(zhì)吸附過程的微觀信息，有助于更詳細地理解蛋白質(zhì)的吸附過程，預(yù)測吸附量，為開發(fā)抗蛋白吸附材料提供參考依據(jù)[28]。綜上，基于GROMACS的分子動力學技術(shù)能夠精確模擬蛋白質(zhì)的吸附過程和吸附機理，提供精準的吸附等溫線，有助于食品行業(yè)從業(yè)人員更好地利用蛋白質(zhì)的有利吸附，避免不利吸附。

3.1.2 抗凍蛋白

抗凍蛋白(antifreeze protein，AFPs)因具有熱滯活性、抑制冰晶再結(jié)晶的特性，可有效抑制食品加工貯藏中常出現(xiàn)的淀粉回生、蛋白質(zhì)變性、水果汁液流失等負面現(xiàn)象，在冷凍食品工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[29]。然而，AFPs目前在食品領(lǐng)域的應(yīng)用十分有限，主要原因是實驗手段對AFPs的抗凍機理研究還不夠透徹。近幾年出現(xiàn)了1種省時省力的非實驗研究方法，即基于GROMACS的分子動力學技術(shù)研究抗凍蛋白的作用機理和抗凍活性中心。MEISTER等[30]基于GROMACS的分子動力學技術(shù)發(fā)現(xiàn)1種昆蟲體內(nèi)的AFP抑制冰晶生長的機理符合吸附-抑制模型(圖5)。另外，KUMARI等[31]基于GROMACS的分子動力學技術(shù)對AFP III與特定突變體(T18 N)的抗凍活性進行了比較，發(fā)現(xiàn)突變體的抗凍活性僅為野生型AFP的10%。基于GROMACS的分子動力學技術(shù)可以從分子尺度上深入理解AFPs的作用機理，為食品抗凍技術(shù)提供新的研究方向，有助于探究AFPs對冷凍食品品質(zhì)調(diào)控的機制，同時也為開發(fā)更多具有應(yīng)用價值的AFPs種類及促進其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考，對延長食品貯藏期和提高冷凍產(chǎn)品的質(zhì)量具有積極意義。

3.1.3 食品成分在溶液中的狀態(tài)

借助GROMACS軟件能夠?qū)κ称烦煞衷谌芤褐械臓顟B(tài)進行分子動力學模擬。LPEZ等[32]借助GROMACS從分子水平上描述了直鏈淀粉在脂質(zhì)溶液中的動力學過程，發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉在脂質(zhì)尾部和淀粉疏水空腔的相互作用驅(qū)動下，最終折疊成V型構(gòu)象，該研究加深了對V型構(gòu)象直鏈淀粉形成的理解，為V型構(gòu)象直鏈淀粉遞送疏水營養(yǎng)物質(zhì)提供理論依據(jù)。CHENG等[33]借助GROMACS進一步對直鏈淀粉-亞油酸復(fù)合物在水中構(gòu)象變化的穩(wěn)定性進行分子動力學模擬。在模擬過程中，亞油酸和直鏈淀粉分子形成螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在于水中，4C1是直鏈淀粉中葡萄糖單元與亞油酸相互作用過程中的主要環(huán)構(gòu)象。分子動力學技術(shù)從原子水平上充分理解了直鏈淀粉和亞油酸絡(luò)合的機理，為調(diào)控淀粉回生和糊化，抑制不飽和脂肪酸氧化提供新方法。GRNAS等[34]利用GROMACS對β-環(huán)糊精與咖啡中酚類、綠原酸和咖啡酸在水溶液中形成包合物的過程及包合物的穩(wěn)定性進行分子動力學模擬，從分子水平上了解到包合物主要通過范德華相互作用達到穩(wěn)定，并且氫鍵會提高包合物的穩(wěn)定性，這為環(huán)糊精控制咖啡中苦味成分的釋放過程提供參考。另外，基于GROMACS的分子動力學模擬已被用于深入了解食品中大分子成分(直鏈淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪酸)自組裝成的納米顆粒摻入可溶性小分子(1-萘酚)的過程，解決了低溶解度活性小分子應(yīng)用受限的問題[35]?；贕ROMACS的分子動力學技術(shù)是描述淀粉、蛋白質(zhì)及小分子活性物質(zhì)在溶液中狀態(tài)的有力工具，為解決淀粉改性、蛋白質(zhì)變性和穩(wěn)定性及小分子活性物質(zhì)溶解性等問題提供理論指導(dǎo)。

圖5 AFP抑制冰晶生長機理示意圖[30]Fig.5 Schematic diagram of AFP inhibiting ice crystal growth mechanism

3.2 基于MS的分子動力學技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

MS是為材料科學領(lǐng)域開發(fā)的一款分子模擬軟件。研究者可以利用其構(gòu)建分子的三維結(jié)構(gòu)模型，通過對構(gòu)建好的模型進行一系列運算分析可以準確預(yù)測物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)及分子或原子間的互作關(guān)系。MS因其包括量子力學、分子力學、分子動力學和介觀模擬等多種分子模擬技術(shù)，近些年被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)。

3.2.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

基于MS的分子動力學技術(shù)已成為研究物質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(glass transition temperature，Tg)的有效工具。Tg與食品加工和貯藏期間出現(xiàn)結(jié)塊、結(jié)晶、粘滯、坍塌、氧化反應(yīng)和非酶褐變等變化密切相關(guān)，已被廣泛用來預(yù)測食品的穩(wěn)定性[36]。ZHOU等[37]利用MS對不同含水量的β-環(huán)糊精(β-cyclodextrin，β-CD)進行分子動力學模擬以預(yù)測其Tg，為擴大β-CD在提高食品基質(zhì)的水溶性、穩(wěn)定性和生物利用度等方面的應(yīng)用提供參考。周國輝等[38]利用MS的分子動力學技術(shù)預(yù)測水分對蔗糖、海藻糖等小分子糖Tg和擴散系數(shù)的影響，有助于調(diào)控糖類物質(zhì)的貯藏條件，使其保持原有風味并擴大小分子糖在保健食品中的應(yīng)用。邱福生等[39]借助MS的分子動力學技術(shù)預(yù)測了殼聚糖的Tg，對殼聚糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義，同時借助實驗驗證了模擬結(jié)果的準確性，證明基于MS的分子動力學技術(shù)可用于預(yù)測高聚物Tg。綜上，基于MS的分子動力學技術(shù)能很好地預(yù)測物質(zhì)Tg，為調(diào)控食品加工貯藏條件參數(shù)的設(shè)置提供指導(dǎo)，從而有效解決食品加工與貯藏過程中出現(xiàn)的一系列與食品穩(wěn)定性相關(guān)的問題。

3.2.2 食品包裝材料

隨著生活水平的提高, 人們對食品包裝材料的要求逐漸趨于安全、環(huán)保和健康，可降解、可食用,納米級食品包裝材料在未來將得到廣泛的應(yīng)用。基于MS的分子動力學技術(shù)應(yīng)用于食品包裝材料的設(shè)計，可以顯著降低新材料的開發(fā)成本，是研究食品包裝材料性能的有力工具。LIU等[40]基于MS的分子動力學技術(shù)，解釋了殼聚糖與姜黃素分子之間的微觀相互作用對其形成的共混膜宏觀性能的影響，并通過紅外光譜進一步確定了模擬結(jié)果的正確性，認為該共混膜在食品包裝和農(nóng)產(chǎn)品貯藏方面具有潛在應(yīng)用價值。SUN等[41]利用MS對α-生育酚與改性介孔二氧化硅孔壁的相互作用進行分子動力學模擬，從分子水平上理解了改性介孔二氧化硅的緩釋機理，開發(fā)了1種負載有α-生育酚的介孔二氧化硅活性低密度聚乙烯抗氧化包裝膜，可用于易氧化食品的包裝中。與其他分子模擬軟件相比，MS在材料上的研究比較成熟，基于該軟件的分子動力學技術(shù)研究食品包裝材料最為恰當。

4 量子力學技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

4.1 基于Gaussian的量子力學技術(shù)在食品分子互作中的應(yīng)用

Gaussian程序是由劍橋大學攻讀數(shù)學系的研究生Pople創(chuàng)建的一個基于量子力學理論和方法解決化學問題的分子模擬軟件。該軟件包含從頭算、半經(jīng)驗和DFT等多種方法，可以對小分子物質(zhì)的核磁共振、紅外光譜、拉曼光譜、熱力學性質(zhì)等進行精確計算。Gaussian程序中DFT方法已被廣泛用于食品添加劑的作用機理和定量分析研究中，為科學地使用食品添加劑提供理論指導(dǎo)。

4.1.1 天然抗氧化劑機理

天然抗氧化劑因更加安全，可替代合成抗氧化劑的使用等優(yōu)點將是今后的發(fā)展趨勢。研究天然抗氧化劑的抗氧化機理與活性的關(guān)系，對其應(yīng)用有巨大潛力。很多科研人員借助Gaussian程序預(yù)測天然抗氧化劑的抗氧化機理及活性位點等。HASSANZADEH等[42]借助Gaussian程序，采用DFT方法研究發(fā)現(xiàn)橄欖苦苷的抗氧化活性位點是C3，該位點解離能低、自旋密度和電子分布合理，與先前清除自由基實驗結(jié)果吻合。王蘭嬌等[43]利用Gaussian程序?qū)?3種藍莓花色苷的抗氧化活性進行DFT計算，其計算結(jié)果與體外抗氧化實驗結(jié)果一致，可見基于Gaussian程序的DFT計算可用于藍莓花色苷抗氧化活性研究中。SARKAR等[44]基于Gaussian程序，采用DFT方法對黃酮類化合物進行定量構(gòu)效關(guān)系研究，從電子水平上解釋了黃酮分子結(jié)構(gòu)、電子密度等與自由基清除活性之間的關(guān)系，闡明了黃酮抗氧化活性的機理，并根據(jù)結(jié)論設(shè)計了具有良好抗氧化活性的新抗氧化劑。借助Gaussian程序?qū)μ烊豢寡趸瘎┑淖饔脵C理及抗氧化活性精準地做DFT計算，有助于以更低的成本深入理解天然抗氧化劑在機體內(nèi)的代謝過程及毒副作用等，為進一步開發(fā)天然抗氧化劑并擴大其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

4.1.2 食品添加劑安全性

食品添加劑已經(jīng)成為現(xiàn)代食品生產(chǎn)加工不可缺少的物質(zhì)，了解其毒理學性質(zhì)及開發(fā)高靈敏度、便捷的食品添加劑檢測技術(shù)至關(guān)重要。YADAV等[45]為了探討植物香料中1種常見成分雌二醇的毒副作用，采用Gaussian程序的DFT方法分析了人類肝臟中細胞色素p450酶催化雌二醇上的芐基碳(C1)位置的脂肪族羥基化的反應(yīng)機理，探索了整體反應(yīng)能量分布，并了解了反應(yīng)過程中過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物配合物電子排列的形成，說明基于Gaussian程序的DFT計算是深入了解植物香料在人體中產(chǎn)生有毒代謝物過程的有效工具。DUARTE等[46]借助Gaussian程序的DFT方法比較了區(qū)間偏最小二乘法和協(xié)同偏最小二乘法測定人工合成甜味劑(阿斯巴甜、甜蜜素、糖精和安賽蜜)的準確性，并確定了與甜味劑振動模式相關(guān)的譜帶，為食品添加劑的質(zhì)量控制和監(jiān)測提供了新的分析方法。DUAN等[47]借助Gaussian程序?qū)Ρ砻嬖鰪娎庾V法測定的安賽蜜特征峰的振動模式進行DFT計算，驗證了表面增強拉曼光譜法檢測的靈敏性和可靠性?；贕aussian程序的DFT計算為食品添加劑的檢測提供了一種低成本、高靈敏度和高可靠性的新技術(shù)，還可將DFT計算得到的理論數(shù)據(jù)與實際檢測結(jié)果進行相互驗證，為改進食品添加劑檢測技術(shù)提供可靠依據(jù)，使得食品添加劑的開發(fā)商及使用者能更好地把握食品添加劑的毒副作用，進而科學地使用食品添加劑，為現(xiàn)代食品的安全性提供保障。

5 多種分子模擬技術(shù)在食品分子互作中的聯(lián)合應(yīng)用

分子模擬技術(shù)能夠在短時間內(nèi)模擬大量多因素變量實驗，預(yù)測實驗結(jié)果。后期只需繼續(xù)科學實驗對得到的最佳預(yù)測結(jié)果驗證即可，大大減少了科學實驗的盲目性，節(jié)省了人力、時間和實驗器材等。然而，僅僅依靠1種分子模擬技術(shù)得到的模擬結(jié)果可能存在分析不夠客觀全面、可靠性低等問題，不能使模擬體系達到最佳效果。多種分子模擬技術(shù)結(jié)合使用在一定程度上能夠優(yōu)勢互補，有助于提高模擬結(jié)果的可信度，可有效克服使用一種模擬技術(shù)的局限性。

一個體系若借助多種分子模擬技術(shù)，從不同方面對其評價會更全面、更具說服力。然而，由于大多數(shù)軟件只適用于1種模擬技術(shù)或更適合做某種模擬計算，所以多種分子模擬技術(shù)結(jié)合使用必須依靠對應(yīng)的多個軟件結(jié)合使用才能實現(xiàn)。比如，A軟件利用分子對接技術(shù)，B軟件利用分子動力學技術(shù)對同一個體系進行模擬，以達到相互驗證或者補充的目的。ZHAN等[48]通過傳統(tǒng)實驗確定了β-乳球蛋白在pH 7.4時可以與辣椒素通過疏水作用自發(fā)結(jié)合，并基于Autodock的分子對接技術(shù)驗證了實驗結(jié)果，還利用GROMACS進行分子動力學模擬，發(fā)現(xiàn)β-乳球蛋白與辣椒素之間的結(jié)合也涉及范德華相互作用。GENG等[49]利用AutoDock對楊梅素、黃芩苷分別與β-乳球蛋白進行分子對接獲得最佳結(jié)合模式，再利用GROMACS進行分子動力學模擬，解釋了同步熒光中色氨酸殘基的最大發(fā)射峰紅移歸因于楊梅素、黃芩苷與β-乳球蛋白的Trp 19殘基結(jié)合，其主要結(jié)合力是氫鍵和范德華力，該研究為避免β-乳球蛋白和類黃酮結(jié)合引起食品感官上出現(xiàn)澀味、顏色變化等不良反應(yīng)提供理論指導(dǎo)。CUI等[50]基于AutoDock Vina的分子對接技術(shù)發(fā)現(xiàn)，兒茶素通過氫鍵和疏水作用結(jié)合到胰蛋白酶的S1口袋，并用軟件NAMD進行分子動力學模擬證實了對接結(jié)果，分析了兒茶素-胰蛋白酶復(fù)合物的穩(wěn)定性，為基于新型多酚的功能性食品和營養(yǎng)配方的設(shè)計提供參考。每種分子模擬技術(shù)都有其獨特之處，在分子模擬中起著不同的作用，但也存在一些不可否認的缺點。比如，分子對接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于活性物質(zhì)的高通量篩選，計算簡單，但準確性較差；分子動力學技術(shù)的模擬環(huán)境更接近真實情況，準確度更高，但運算速度慢。2種模擬技術(shù)結(jié)合使用比單獨使用一種技術(shù)更加高效、準確，并且能夠達到優(yōu)勢互補的效果，是研究食品這類復(fù)雜體系極具潛力的方法。

分子模擬技術(shù)中最重要的一點便是模擬軟件的選擇，表1總結(jié)了常用分子模擬軟件在食品中的應(yīng)用及特點。由于每款軟件本身具有一定的偏向性，如GROMACS更適合蛋白質(zhì)的模擬，而Materials Studio更適用于食品包裝材料的研發(fā)，選擇一款適合模擬體系的軟件，不僅可以節(jié)省時間，還能準確高效地獲得模擬計算結(jié)果，進而加快科研進度，降低成本。

表1 分子模擬軟件在食品中的應(yīng)用及特點Table 1 Application and characteristics of molecular simulation software in food science

6 結(jié)論與展望

分子模擬技術(shù)作為一種新興技術(shù),以其高效、直觀、經(jīng)濟、快速等優(yōu)點在食品領(lǐng)域逐步受到關(guān)注。它可以為食品科學研究提供微觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為食品領(lǐng)域科研人員對食品分子互作機理和構(gòu)效關(guān)系的理解提供線索。本文綜述的分子模擬技術(shù)可分為三類：基于AutoDock、Discovery Studio軟件的分子對接技術(shù)；基于GROMACS、Materials Studio軟件的分子動力學技術(shù)；基于Gaussian軟件的量子力學技術(shù)。其中，基于AutoDock的分子對接技術(shù)比Discovery Studio在食品中的應(yīng)用更加普及；GROMACS比Materials Studio在生物體系中做分子動力學模擬更成熟。另外，Discovery Studio特有的反向找靶模塊能很好地用于食品活性小分子的虛擬篩選中，基于Gaussian軟件的DFT計算主要應(yīng)用于食品添加劑的研究中。準確把握分子模擬軟件的適用范圍，為選擇適合食品體系的分子模擬技術(shù)及實現(xiàn)該技術(shù)對應(yīng)的軟件提供方便，有助于加深食品領(lǐng)域科研人員對食品組分互作機理的理解和構(gòu)效關(guān)系的認識。

雖然上述分子模擬技術(shù)有各自的優(yōu)勢，但也存在一些局限性。比如分子對接技術(shù)目前主要是用來研究蛋白質(zhì)和小分子配體相互作用規(guī)律，未來應(yīng)注重多糖-小分子、脂肪-小分子等相關(guān)的研究和相互作用影響因素如溫度、pH、離子等方面的研究；Discovery Studio雖然是一款很好用的蛋白分析軟件，但目前主要用于藥物開發(fā)中，在食品中的應(yīng)用相對較少；Materials Studio是一款具有多種分子模擬技術(shù)的軟件，可以對一個食品體系進行多方面的研究，并且該軟件特有的介觀模擬模塊很適合模擬食品這類大分子混合體系，但介觀模擬目前在食品體系的應(yīng)用相對較少，希望未來可以被充分利用；分子對接技術(shù)相比分子動力學技術(shù)計算速度更快，但精確度較低，真實性更差，將2種技術(shù)結(jié)合使用效果可能更好，但目前聯(lián)合運用2種技術(shù)模擬食品體系的研究較少，也未見2種技術(shù)結(jié)合使用與1種技術(shù)單獨使用得到的模擬結(jié)果對比的報道。分子模擬技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多，但是與醫(yī)藥領(lǐng)域相比，該技術(shù)在食品領(lǐng)域的發(fā)展才處于起步階段，主要原因之一是許多食品組分的結(jié)構(gòu)是未知的，而目前的分子模擬技術(shù)主要應(yīng)用于已知分子結(jié)構(gòu)體系的模擬。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，新的分子模擬技術(shù)也在不斷崛起，相信分子模擬技術(shù)將進一步系統(tǒng)、深入地支撐食品分子互作研究，在食品領(lǐng)域的地位將會越來越重。