文章鉴读|东北农业大学食品学院江连洲教授：分子动力学在植物蛋白、脂质和多糖中的应用进展

食品工业科技编辑部

2025-06-17

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哈尔滨商业大学旅游烹饪学院，东北农业大学食品学院孙莹，方胥伟，杨斐然，刘申，卢冰琳，赵钜阳，江连洲等人重点介绍了分子动力学（MD）的基本概念、原理和方法，以及其在植物蛋白、脂质和多糖研究中的应用进展。重点包括MD模拟在研究分子间相互作用机制、热力学状态变化和大分子系统中的优势，特别是在食品领域中的应用。文章还指出MD技术在植物蛋白、脂质和多糖研究中的不足，并综述了MD在食品植物蛋白、脂类和多糖中的研究进展，旨在为该技术在食品领域的广泛应用提供参考和新的见解。

摘要：食品组分在加工过程中会发生复杂的变化，通过传统的方法很难从分子层面对试验结果进行预测和分析。分子动力学（Molecular dynamics，MD）模拟是一项高效、低成本和客观的技术。MD模拟作为一种重要的理论计算分析手段，对于深入揭示食品组分之间的相互作用机制起着至关重要的辅助作用，近年来引起了人们的广泛关注。本文介绍了关于MD模拟的基本原理、概念以及评定的相关指标，阐述了MD常用的软件和力场，梳理了MD在植物蛋白、脂质和多糖中的最新进展，以期为MD模拟在食品领域的应用提供新的思路和参考。

PART.01

结果

1 分子动力学

本章节主要介绍了分子动力学（MD）的基本概念、应用领域、工作流程以及相关软件和力场。重点内容包括：1. 分子动力学是一种模拟微观级原子和分子相互作用的计算技术，通过追踪分子和原子的运动来观察系统行为的时间序列演变。2. 计算机技术的发展推动了分子动力学的快速发展，使其能够模拟包含数万粒子的系统，并描述不同温度下分子体系的热力学状态变化。3. 分子动力学模拟的流程包括建模、选择软件和力场、能量最小化处理、平衡和运行MD模拟。4. 分子动力学模拟中常用的软件有GROMACS、AMBER、CHARMM、LAMMPS和NAMD，它们各有特点，适用于不同的应用需求。5. 力场是用于计算原子间作用力的函数，选择合适的力场对获得准确结果至关重要。6. 分子动力学模拟结果的分析指标包括均方根偏差（RMSD）、均方根波动（RMSF）和旋转半径（Rg），这些指标反映了系统的稳定性和结构变化。7. 分子动力学还可以计算结合能和自由能，通过MM-GBSA方法分析蛋白质配体的结合机制。

2 分子动力学模拟在植物蛋白、脂质和多糖中的应用

本章节重点介绍了分子动力学模拟在植物蛋白、脂质和多糖中的应用。主要包括以下几个方面：1. 分子动力学模拟在研究大豆分离蛋白（SPI）与花青素结合机理、淀粉与SPI相互作用、以及SPI与其他食品组分结合方面的应用。2. 分子动力学模拟在探究玉米醇溶蛋白（Zein）与不同生物分子相互作用、以及作为递送载体的功能优化方面的应用。3. 分子动力学模拟在研究花生蛋白（PP）在不同pH条件下的结构稳定性、致敏性以及与风味物质相互作用方面的应用。4. 分子动力学模拟在分析小麦蛋白的致敏机制以及结构变化方面的应用。5. 分子动力学模拟在研究多糖构象变化、热聚集行为以及与蛋白相互作用方面的应用。6. 分子动力学模拟在研究油脂氧化、甘油三酯与水分子相互作用以及乳液凝胶体系中的分子机理方面的应用。

图 1 分子动力学模拟的工作流程

Figure 1. Workflow of molecular dynamics simulation

表 1 分子动力学模拟的工作流程

Table 1. Workflow of molecular dynamics simulation

图 2 氢键形成示意图

Figure 2. Schematic diagram of hydrogen bond formation

图 3 7S和Ca-An、淀粉与7S、11S的MD模拟

Figure 3. MD simulation of 7S and Ca-An, starch with 7S and 11S

注：A和B分别为7S和Ca-An之间的RMSD和Rg图；C和D分别为7S或11S在95 ℃和4 ℃下MD模拟得到的淀粉分子结合的RMSD和SASA结果。

图 4 β-LG-Zein、Zein-EGCG、BSA和Zein的MD模拟

Figure 4. MD simulation of β-LG-Zein, Zein-EGCG, BSA, and Zein

注：A：β-LG-Zein复合物的残基能量贡献谱；B：Zein-EGCG复合物的残基能量贡献谱；C~D：BSA和Zein的残基分解。

图 5 不同pH下Ara h 1的RMSD（A）和RMSF（B）图

Figure 5. RMSD (A) and RMSF (B) plots of Arah1 at different pH

图 6 添加橙皮素前后GSA的MD模拟

Figure 6. MD simulation of GSA before and after adding hesperidin

注：A为RMSD，B为RMSF，C为Rg，D为结合能。

图 7 温度对白芨多糖糖苷键二面角构象的影响

Figure 7. Temperature-dependent conformational changes of glycosidic bond dihedral angles in Bletilla striata polysaccharides

注：糖苷键编号对应结构：1.MB04-GA05，2.GA05-MB06，3.MB07-GA08，4.GA08-MB09，5.MB10-GA11，6.GA11-MB12。

图 8 333 K时脂肪酶二级结构的MD模拟

Figure 8. MD simulation of the secondary structure of lipase at 333 K

注：A为Rg，B为RMSD，C为RMSF。

图 9 原花青素在油-水体系中的MD模拟

Figure 9. MD simulation of proanthocyanidins in oil-water system

注：A1：PA2构象；B1：PA6构象；A2：PA2在0 ns时的构象；B2：PA6在0 ns时的构象；A3：PA2在100 ns时的构象；B3：PA6在100 ns时的构象。

PART.02

思维导图

PART.03

结论

本章节总结了分子动力学（MD）在植物蛋白、多糖和脂类研究中的应用进展，指出MD技术在食品领域的应用仍处于初级阶段，但具有巨大潜力。同时，章节也提到了MD模拟的局限性，包括模拟环境的简化、计算资源需求大以及学习成本高等问题，并期待未来在软件、算法和计算机科学的发展下，MD模拟的准确度和效率将得到提升。

引用本文：孙莹，方胥伟，杨斐然，等. 分子动力学在植物蛋白、脂质和多糖中的应用进展[J]. 食品工业科技，2025，46（11）：422−433. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024060377.

Citation：SUN Ying, FANG Xuwei, YANG Feiran, et al. Advances in the Application of Molecular Dynamics to Plant Protein, Lipid and Polysaccharide[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(11): 422−433. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024060377.

基金项目：国家自然科学基金（32372386）；黑龙江省自然科学基金（LH2022C048）。

通信作者简介

江连洲，东北农业大学食品学院，教授，博士生导师。2019年中国工程院院士有效候选人，IAFoST国际食品科学院院士，国务院学科评议组成员、国家科学技术奖评审专家、农业部现代农业产业技术体系岗位科学家、教育部科学技术委员会农林学部委员、教育部高等学校食品科学与工程类教学指导委员会委员、美国油脂化学家学会（AOCS）中国分会主席、中国大豆产业协会副会长、全国大豆产业技术战略联盟理事长、科技部“十四五”食品科技发展规划总体专家组成员、中国食品科学技术学会监事会监事、黑龙江省粮油食品学会理事长、国家高层次人才、“龙江学者”特聘教授、“泰山学者”领军人才、龙江科技英才。曾获全国优秀科技工作者、国务院特殊津贴、美国油脂化学家协会杰出成就奖、黑龙江省杰出青年科学基金、黑龙江省“五一”劳动奖章、黑龙江省教育系统优秀共产党员、黑龙江省高校师德先进个人等荣誉称号。

2019年中国工程院院士有效候选人，IAFoST国际食品科学院院士，国务院学科评议组成员、国家科学技术奖评审专家、农业部现代农业产业技术体系岗位科学家、教育部科学技术委员会农林学部委员、教育部高等学校食品科学与工程类教学指导委员会委员、美国油脂化学家学会（AOCS）中国分会主席、中国大豆产业协会副会长、全国大豆产业技术战略联盟理事长、科技部“十四五”食品科技发展规划总体专家组成员、中国食品科学技术学会监事会监事、黑龙江省粮油食品学会理事长、国家高层次人才、“龙江学者”特聘教授、“泰山学者”领军人才、龙江科技英才。曾获全国优秀科技工作者、国务院特殊津贴、美国油脂化学家协会杰出成就奖、黑龙江省杰出青年科学基金、黑龙江省“五一”劳动奖章、黑龙江省教育系统优秀共产党员、黑龙江省高校师德先进个人等荣誉称号。

（以上信息来自东北农业大学官网）

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荟聚食品英才，

共创美好未来

各位专家学者：

为推动食品科学领域的知识经验交流，促进食品产业的创新发展，2025第三届食品科学家论坛及产学研交流大会、2025宁夏食品科学论坛暨《食品工业科技》与 Food Innovation and Advances 编委会会议将于2025年8月4-6日在银川召开。本次论坛将以“荟聚食品英才，共创美好未来”为主题，旨在为食品科学家提供交流平台，加强技术交流和创新能力融合。

本届论坛拟邀请食品科学领域研究机构的多位专家学者，围绕基础研究领域的前沿进展、产业发展最新动态，展开深入的学术交流与探讨。同时，我们将就未来的合作和交流平台建设进行对话，总结经验、传播知识、思考未来，共同推动食品科技创新和可持续发展。

食品科学家是推动食品学科发展、产业进步的中坚力量，而青年科学家是重要力量。本次论坛诚挚邀请国内外各大院校、科研院所、食品企业等专家共同参与，期待食品科学家、青年科学家、博士研究生、硕士研究生积极提交研究成果，分享研究心得，共同推动食品学科的发展。本届论坛不仅为国内外食品学科领域的交流与合作提供了平台，也将为食品期刊、食品饮料企业、仪器商提供展览、展示。Food Junction：2025第三届食品科学家论坛及产学研交流大会期待与您相约“塞上江南”——银川。

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