分子模擬技術在食品分子互作中的應用研究進展

王娟娟，李海平

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

生物體系的宏觀性質或反應機制都具有微觀過程，大多數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，則普遍存在分子數量繁多、實驗費時費力、實驗數據波動有偏差等缺陷，導致科研的方向性差，效率非常低，難度極其高[2]。為了解決實驗手段的局限性，分子模擬技術應運而生。考慮到食品基質的復雜性和反應的多樣性，一般可以先借助分子模擬技術對食品分子之間的作用模式、結合位點和影響因素等進行預測，為實驗研究提供方向，減少實驗的盲目性，探索更多可能性，節約因大量重復實驗所花費的時間及成本；也可以借助分子模擬技術解釋實驗現象，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[3]。本文從分類、基本原理和設計思路介紹了分子模擬技術，總結了分子對接、分子動力學和量子力學3種分子模擬技術常用的軟件特點及其在相應食品科學領域的應用現狀，以期為分子模擬技術在食品科學研究中進一步應用提供參考。

1 分子模擬技術的原理及設計思路

分子模擬是將理論方法與計算機技術相結合，以原子/分子水平的分子模型來模擬分子的結構和行為，從微觀角度解釋分子體系的各種物理化學性質和分子間互作機理，進而指導宏觀科學實驗[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有助于快速、深入地理解食品分子互作機理及其構效關系，不僅能夠為實驗設計提供指導，還有助于檢驗實驗結果的準確性，為改進實驗方法提供理論依據，從而提高科研效率。分子模擬技術主要有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，這些模擬技術各具特點：分子對接技術能夠快速預測出2個物質的最佳作用位點和結合模式，篩選出最有可能出現的受體-配體復合物，特別適用于食品成分中活性物質的高通量篩選。分子動力學、分子力學和蒙特卡洛技術能夠模擬百萬級原子的大分子體系，而量子力學技術適合模擬原子數為幾十到一百的小分子體系，能夠描述電子結構的變化，所以在食品中主要用于食品添加劑這類小分子物質的研究。分子動力學技術相比量子力學、分子力學和蒙特卡洛技術而言，具有以下優點：能夠計算任何溫度下分子體系的結構和性質，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規律，而分子力學僅能描述體系的靜態特性；能夠描述不同溫度下體系從一種熱力學狀態轉化為另一種熱力學狀態的過程，而蒙特卡洛僅能描述特定溫度下的分子結構特征[6]。利用分子動力學技術對體系模擬之前，一般需要借助分子力學/蒙特卡洛技術對輸入結構進行構型優化，將優化后的構型作為分子動力學模擬的初始構型，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、食品組分與環境之間不可避免地存在互作關系，而且這種互作關系往往具有動態過程。因此分子對接、分子動力學和量子力學技術成為研究食品體系常用的3種技術。

1.1 分子對接技術

分子對接技術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，通過打分函數篩選出配體與受體間最佳結合模式的一種技術[7]。分子對接的一般設計思路如圖1所示。分子對接技術根據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，參與對接的分子構象保持不變，只改變配體在受體活性中心的位置，該技術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象變化，而受體被固定，該技術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]。分子對接技術常用的免費軟件有AutoDock、LeDock、rDock、UCSF DOCK等，商業軟件主要有Glide、GOLD、MOE Dock、LigandFit、FlexX等。自2013年以來，分子對接技術在食品領域有關蛋白-配體的結合狀態、食品功能性成分作用位點、農獸藥作用機理等方面的應用已取得重大突破[2]。

1.2 分子動力學技術

分子動力學技術是依據牛頓力學，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，是通過微觀體系來反映物質宏觀性質的一種有效技術[9]。分子動力學技術一般遵循4個步驟：前期準備、對輸入的分子進行幾何優化、分子動力學模擬、對產出數據進行分析，具體步驟如圖2所示。分子動力學技術可以在微觀水平上產生原子的位置和速度等信息，再利用統計力學將這種微觀信息轉化為宏觀可見信息(如壓力、能量、熱容等)，從而探索分子的結構、運動和功能之間的關系[10]。分子動力學技術常用的免費軟件有GROMACS、Materials Studio、LAMMPS、RedMD等，商業軟件主要有AMBER、CHARMM、GROMOS等。分子動力學技術近些年在食品領域的應用越來越廣泛，已經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雜系統。

圖1 分子對接技術設計思路Fig.1 Design idea of molecular docking technology

圖2 分子動力學技術設計思路Fig.2 Design idea of molecular dynamics technology

1.3 量子力學技術

量子力學技術的本質是對薛定諤方程近似求解得到分子的能量和其他相關性質，成為描述微觀粒子運動規律的可靠工具。根據在求解薛定諤方程時所做的近似不同，量子力學技術主要分為從頭算法、半經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求解薛定諤方程，沒有考慮電子相關能，得到的計算結果相對不可靠；半經驗計算優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能量和電子密度，是解決電子結構理論中許多復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能計算的缺點，又具有短時處理大分子體系的優點，已被廣泛應用于食品科學、材料科學、藥物設計等領域，以解決分子的結構和性質、光譜、熱化學、反應機理等問題。

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

2 分子對接技術在食品分子互作中的應用

2.1 基于AutoDock的分子對接技術在食品分子互作中的應用

AutoDock是一款免費的開源軟件，用于執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能量的計算，AutoDock則負責構象搜索及評價。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之間的相互作用。

2.1.1 酶活性調控

食品生產加工過程中常伴隨色澤、質構、風味、成分等方面的變化，這都與原料中存在的酶密切相關。另外，許多功能性食品成分也是通過影響人體中一些關鍵酶的活性而發揮作用。基于AutoDock的分子對接技術是研究食品成分與酶活性之間關系的強有力工具。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現，橙黃決明素通過氫鍵和疏水相互作用與胃蛋白酶結合并破壞胃蛋白酶的結構，進而影響胃蛋白酶對脂肪、膽固醇等營養成分的消化吸收，從分子水平上解釋了橙黃決明素降血脂的機理，為開發富含橙黃決明素的功能性飲料提供理論依據。黃嘌呤氧化酶是生成尿酸的關鍵酶，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種類黃酮結合位點對比可知，類黃酮9位于黃嘌呤氧化酶的最佳結合位點處，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。以上2項研究表明，食品成分與酶結合通過引起酶的結構和構象發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素與α-淀粉酶進行分子對接，發現木質素通過氫鍵與α-淀粉酶活性位點附近的殘基結合，從而誘導了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篩選或結構修飾提供新的理論依據，同時也有助于理解酶活性調控的機理，從而促進活性物質作為功能性食品成分在保健品中的應用。

a-類黃酮9與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結果；b-類黃酮27與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結果；c-類黃酮34與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結果；d-三種類黃酮與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結果圖4 類黃酮9、27和34與的黃嘌呤氧化酶的分子對接結果[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的分子對接技術也可用于研究農、獸藥殘留及生物毒素對食品安全的隱患。基于AutoDock的分子對接技術不僅可用于探究殺蟲劑與昆蟲體內酶的作用機理，為開發昆蟲體內酶的生物傳感器及評價傳感器的檢測能力提供理論基礎[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合機制，進而有助于開發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合特性，有助于深入了解真菌毒素的毒理學機制，對預防其毒性作用或開發潛在的有效解毒劑都有幫助[18-19]。綜上，基于AutoDock的分子對接技術應用于食品毒素檢測，不僅可以便捷地評價用于檢測農、獸藥傳感器的靈敏度并為改進傳感器的構建方式提供理論依據，還能探究毒素在人體內的作用機理，為降低其毒副作用提供理論指導。

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

DS是一款面向生命科學領域的分子模擬軟件，目前主要用于研究蛋白質的結構和功能。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鍵殘基的精準對接。

基于DS的分子對接技術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、降血壓和免疫調節等多種生物功能的特殊蛋白質片段，廣泛存在于植物性和動物性食品中，能夠調節機體功能或狀況，對人體健康發揮有益作用，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，能夠對金槍魚不同組織(胰腺[20]、魚卵[21]和暗色肉[22])酶解液中優勢肽進行功能預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勢肽與抗氧化相關的Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白-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，有助于提高多肽類物質在抗氧化中的應用。基于DS的分子對接技術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換酶(angiotensin converting enzyme，ACE)過度活動所導致的，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進行分子對接發現，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。分子對接技術較科學實驗的優勢在于其短時間、低成本從食品中高通量篩選出優勢肽，并且可以深入了解活性肽與受體之間的作用活性位點，進而促進天然產物中活性肽在抗氧化、輔助降血壓等功能性食品中的應用。

3 分子動力學技術在食品分子互作中的應用

3.1 基于GROMACS的分子動力學技術在食品分子互作中的應用

GROMACS是一款能夠模擬數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雜成鍵作用的生物化學分子，如蛋白質、脂質和核酸，但因其在計算非鍵相互作用(通常在模擬中占主導地位)方面的速度非常快，也常用于非生物體系(如接枝共聚物)的模擬[10]。

3.1.1 蛋白質吸附

GROMACS軟件可以對蛋白質的吸附現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，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用提供理論依據。蛋白質在水-油界面的吸附與其作為易發泡食品或乳狀食品的穩定劑密切相關。科學實驗難以在分子尺度下描述蛋白質在水-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能從分子水平上詳細描述蛋白質在不同水-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微觀結構變化[27]。另外，在食品長期生產加工過程中，蛋白質會因吸附作用粘附在生產設備上，不僅會降低生產效率，還會造成食品污染。基于GROMACS的分子動力學技術可以獲得與實驗結果高度吻合的蛋白質吸附等溫線，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吸附過程的微觀信息，有助于更詳細地理解蛋白質的吸附過程，預測吸附量，為開發抗蛋白吸附材料提供參考依據[28]。綜上，基于GROMACS的分子動力學技術能夠精確模擬蛋白質的吸附過程和吸附機理，提供精準的吸附等溫線，有助于食品行業從業人員更好地利用蛋白質的有利吸附，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、抑制冰晶再結晶的特性，可有效抑制食品加工貯藏中常出現的淀粉回生、蛋白質變性、水果汁液流失等負面現象，在冷凍食品工業領域具有廣闊的應用前景[29]。然而，AFPs目前在食品領域的應用十分有限，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的分子動力學技術發現1種昆蟲體內的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的分子動力學技術對AFP III與特定突變體(T18 N)的抗凍活性進行了比較，發現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，為食品抗凍技術提供新的研究方向，有助于探究AFPs對冷凍食品品質調控的機制，同時也為開發更多具有應用價值的AFPs種類及促進其在食品領域的應用提供理論參考，對延長食品貯藏期和提高冷凍產品的質量具有積極意義。

3.1.3 食品成分在溶液中的狀態

借助GROMACS軟件能夠對食品成分在溶液中的狀態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溶液中的動力學過程，發現直鏈淀粉在脂質尾部和淀粉疏水空腔的相互作用驅動下，最終折疊成V型構象，該研究加深了對V型構象直鏈淀粉形成的理解，為V型構象直鏈淀粉遞送疏水營養物質提供理論依據。CHENG等[33]借助GROMACS進一步對直鏈淀粉-亞油酸復合物在水中構象變化的穩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構穩定存在于水中，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構象。分子動力學技術從原子水平上充分理解了直鏈淀粉和亞油酸絡合的機理，為調控淀粉回生和糊化，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定，并且氫鍵會提高包合物的穩定性，這為環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用受限的問題[35]。基于GROMACS的分子動力學技術是描述淀粉、蛋白質及小分子活性物質在溶液中狀態的有力工具，為解決淀粉改性、蛋白質變性和穩定性及小分子活性物質溶解性等問題提供理論指導。

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的分子動力學技術在食品分子互作中的應用

MS是為材料科學領域開發的一款分子模擬軟件。研究者可以利用其構建分子的三維結構模型，通過對構建好的模型進行一系列運算分析可以準確預測物質的相關性質及分子或原子間的互作關系。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，近些年被廣泛應用于食品行業。

3.2.1 玻璃化轉變溫度

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

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用。基于MS的分子動力學技術應用于食品包裝材料的設計，可以顯著降低新材料的開發成本，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，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果的正確性，認為該共混膜在食品包裝和農產品貯藏方面具有潛在應用價值。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研究食品包裝材料最為恰當。

4 量子力學技術在食品分子互作中的應用

4.1 基于Gaussian的量子力學技術在食品分子互作中的應用

Gaussian程序是由劍橋大學攻讀數學系的研究生Pople創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、半經驗和DFT等多種方法，可以對小分子物質的核磁共振、紅外光譜、拉曼光譜、熱力學性質等進行精確計算。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。

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點將是今后的發展趨勢。研究天然抗氧化劑的抗氧化機理與活性的關系，對其應用有巨大潛力。很多科研人員借助Gaussian程序預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方法研究發現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果吻合。王蘭嬌等[43]利用Gaussian程序對13種藍莓花色苷的抗氧化活性進行DFT計算，其計算結果與體外抗氧化實驗結果一致，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效關系研究，從電子水平上解釋了黃酮分子結構、電子密度等與自由基清除活性之間的關系，闡明了黃酮抗氧化活性的機理，并根據結論設計了具有良好抗氧化活性的新抗氧化劑。借助Gaussian程序對天然抗氧化劑的作用機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的代謝過程及毒副作用等，為進一步開發天然抗氧化劑并擴大其在食品領域的應用范圍提供理論依據。

4.1.2 食品添加劑安全性

食品添加劑已經成為現代食品生產加工不可缺少的物質，了解其毒理學性質及開發高靈敏度、便捷的食品添加劑檢測技術至關重要。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機理，探索了整體反應能量分布，并了解了反應過程中過渡態、中間體和產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方法比較了區間偏最小二乘法和協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的譜帶，為食品添加劑的質量控制和監測提供了新的分析方法。DUAN等[47]借助Gaussian程序對表面增強拉曼光譜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。基于Gaussian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，還可將DFT計算得到的理論數據與實際檢測結果進行相互驗證，為改進食品添加劑檢測技術提供可靠依據，使得食品添加劑的開發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，為現代食品的安全性提供保障。

5 多種分子模擬技術在食品分子互作中的聯合應用

分子模擬技術能夠在短時間內模擬大量多因素變量實驗，預測實驗結果。后期只需繼續科學實驗對得到的最佳預測結果驗證即可，大大減少了科學實驗的盲目性，節省了人力、時間和實驗器材等。然而，僅僅依靠1種分子模擬技術得到的模擬結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。多種分子模擬技術結合使用在一定程度上能夠優勢互補，有助于提高模擬結果的可信度，可有效克服使用一種模擬技術的局限性。

一個體系若借助多種分子模擬技術，從不同方面對其評價會更全面、更具說服力。然而，由于大多數軟件只適用于1種模擬技術或更適合做某種模擬計算，所以多種分子模擬技術結合使用必須依靠對應的多個軟件結合使用才能實現。比如，A軟件利用分子對接技術，B軟件利用分子動力學技術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結合，并基于Autodock的分子對接技術驗證了實驗結果，還利用GROMACS進行分子動力學模擬，發現β-乳球蛋白與辣椒素之間的結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殘基結合，其主要結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合引起食品感官上出現澀味、顏色變化等不良反應提供理論指導。CUI等[50]基于AutoDock Vina的分子對接技術發現，兒茶素通過氫鍵和疏水作用結合到胰蛋白酶的S1口袋，并用軟件NAMD進行分子動力學模擬證實了對接結果，分析了兒茶素-胰蛋白酶復合物的穩定性，為基于新型多酚的功能性食品和營養配方的設計提供參考。每種分子模擬技術都有其獨特之處，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，分子對接技術被廣泛應用于活性物質的高通量篩選，計算簡單，但準確性較差；分子動力學技術的模擬環境更接近真實情況，準確度更高，但運算速度慢。2種模擬技術結合使用比單獨使用一種技術更加高效、準確，并且能夠達到優勢互補的效果，是研究食品這類復雜體系極具潛力的方法。

分子模擬技術中最重要的一點便是模擬軟件的選擇，表1總結了常用分子模擬軟件在食品中的應用及特點。由于每款軟件本身具有一定的偏向性，如GROMACS更適合蛋白質的模擬，而Materials Studio更適用于食品包裝材料的研發，選擇一款適合模擬體系的軟件，不僅可以節省時間，還能準確高效地獲得模擬計算結果，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用及特點Table 1 Application and characteristics of molecular simulation software in food science

6 結論與展望

分子模擬技術作為一種新興技術,以其高效、直觀、經濟、快速等優點在食品領域逐步受到關注。它可以為食品科學研究提供微觀基礎數據，為食品領域科研人員對食品分子互作機理和構效關系的理解提供線索。本文綜述的分子模擬技術可分為三類：基于AutoDock、Discovery Studio軟件的分子對接技術；基于GROMACS、Materials Studio軟件的分子動力學技術；基于Gaussian軟件的量子力學技術。其中，基于AutoDock的分子對接技術比Discovery Studio在食品中的應用更加普及；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及實現該技術對應的軟件提供方便，有助于加深食品領域科研人員對食品組分互作機理的理解和構效關系的認識。

雖然上述分子模擬技術有各自的優勢，但也存在一些局限性。比如分子對接技術目前主要是用來研究蛋白質和小分子配體相互作用規律，未來應注重多糖-小分子、脂肪-小分子等相關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中，在食品中的應用相對較少；Materials Studio是一款具有多種分子模擬技術的軟件，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用相對較少，希望未來可以被充分利用；分子對接技術相比分子動力學技術計算速度更快，但精確度較低，真實性更差，將2種技術結合使用效果可能更好，但目前聯合運用2種技術模擬食品體系的研究較少，也未見2種技術結合使用與1種技術單獨使用得到的模擬結果對比的報道。分子模擬技術在食品領域的應用日漸增多，但是與醫藥領域相比，該技術在食品領域的發展才處于起步階段，主要原因之一是許多食品組分的結構是未知的，而目前的分子模擬技術主要應用于已知分子結構體系的模擬。

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