原子力显微镜应用于食物蛋白质结构的分析

原子力显微镜（afm）是20世纪80年代中期由Binning等人在扫描隧道显微镜（stm）的基础上发展起来的一种具有原子级高分辨率的新型显微工具，其利用细微的探针感知针尖端和样品表面原子之间的相互作用力，通过原子力的变化反映样品表面的起伏变化。原子力显微镜与普通显微镜相比，具有以下优势：高分辨率，能够观察从微米到纳米范围的微观结构，观察范围覆盖了从光学显微镜到电子显微镜所能观察的领域，且有很高的垂直方向的分辨率；原子力显微镜观察时几乎不用对样品进行预处理，使样品保持在天然或接近天然状态，可分析导体、半导体及绝缘体；样品可在空气和水溶液环境中连续成像，无需在真空条件下操作；由于原子力显微镜的针尖可以是不参与电化学反应的非导体，所以它对反应过程无扰动，可以得到更准确的数据和信息。原子力显微镜因其上述优势目前已被广泛应用于材料科学、生物科学、化工、食品和医药研究等领域。

食品中的蛋白质、糖类、脂质是食品的典型营养组分，具有独特的化学与物理性质以及营养功能，在食品生产加工过程中，这些组分的变化，会影响到食品体系色泽、风味、营养、质构和安全等，随着人们对食品品质要求的提高，目前，从组分的微观结构上探索其对食品品质的影响越来越引起研究者的重视。

蛋白是食品中的结构和营养物质之一，1993年，原子力显微镜作为一种先进的工具首次应用于食品中蛋白质的检测。原子力显微镜可用以分析蛋白质单体，利用原子力显微镜研究了蛋白质单体的分子量和蛋白质体积之间的关系，蛋白质分子量随着蛋白质体积的增加而增加，两者之间具有很好的相关性（相关系数(0.994）；利用原子力显微镜所测蛋白质体积可与所评估的蛋白质体积进行很好的比较，测量所达到的分辨率取决于蛋白质与云母表面接触的牢固程度。原子力显微镜可对蛋白质单体进行三维成像并测量其分子体积，这种方法可以检测多体蛋白中蛋白单体的数目，并可在分子水平上研究蛋白单体。利用原子力显微镜首次在溶液状态下研究了肌球蛋白和肌联蛋白的结构，使原子力显微镜在溶液状态下测量分子之间的相互作用成为可能。利用原子力显微镜研究了类胡萝卜素含量高低对玉米蛋白结构的影响以及氯乙酸和油酸对玉米蛋白自组装结构的影响。结果显示：低类胡萝卜素含量玉米蛋白有球形（直径约为20nm）、棒状（约为170nm）和分支形状（约为200nm）；高类胡萝卜素含量玉米蛋白只有球形（直径约为20-200nm）；低类胡萝卜素含量玉米蛋白添加氯乙酸和油酸后形成两种类型的表面。当蛋白质聚集形成网状结构时即形成凝胶，因此，蛋白质聚集在凝胶过程中起着重要作用。原子力显微镜因分辨率高而成为研究蛋白质聚集体的一种强有力的工具，可用于蛋白质颗粒和聚集体的成像。利用原子力显微镜研究了大豆蛋白的聚集和凝胶过程，以更好地了解豆腐的质地特性，原子力显微镜检测了11S、7S和2S蛋白质的聚合过程，结果显示：聚集速率11S>7S>2S，2S蛋白虽然在大豆蛋白质中含量最少，但是在聚集过程中起了关键作用。Tay等接着研究了大豆蛋白中2S片段结构与功能的关系，阐明了2S大豆蛋白和其他蛋白质片段的功能和结构特性。原子力显微镜不仅可直接对单个分子和聚集体成像，也可用于生物聚集体之间相互作用的研究。Roesch等利用原子力显微镜研究了角叉胶和乳球蛋白体系所形成的多糖B蛋白凝胶，原子力显微镜结果显示：天然蛋白质的高度在2-6nm之间，蛋白质会影响角叉胶的聚集；在固体接触条件下研究混合物凝胶则可观察到相分离；样品的表面形貌研究显示角叉胶和乳球蛋白之间缺少相互作用。

近年来，研究者还利用原子力显微镜对蛋白膜的表面形貌及特性进行研究。利用原子力显微镜研究了玉米蛋白膜的表面形貌，结果显示：玉米蛋白膜浇注乙酸后要比浇注乙醇溶液后表面更加光滑。利用原子力显微镜研究了玉米蛋白吸附于亲水和疏水表面后玉米蛋白层的形貌，提出玉米蛋白膜的表面特性取决于其所吸附的表面，在亲水性表面，其粗糙度值要高且具有明显环形结构，在疏水性表面，玉米蛋白膜表面没有明显特征。原子力显微镜除应用于研究蛋白质结构及蛋白凝胶等外，还可应用于对蛋白质和表面活性剂以及不同蛋白质之间在界面处相互作用的研究。利用原子力显微镜研究了表面活性剂的类型对空气I水界面表面活性剂B蛋白质交互作用的影响，破坏蛋白质网络结构的表面压力的大小取决于表面活性剂的性质，离子型表面活性剂所需的表面压力要大于非离子型表面活性剂，离子型表面活性剂和蛋白质之间的相互作用改变了蛋白质网络结构的力学特性。利用原子力显微镜研究了空气I水和油I水界面分子之间的交互作用。原子力显微镜也可用于蛋白质吸附于表面后对蛋白质结构的测定，利用原子力显微镜观察了在不同pH条件下B-乳球蛋白吸附于云母表面后结构和形貌的改变，结果表明：在不同pH条件下，原子力显微镜探针可以拉伸和展开吸附的B-球蛋白分子，在中性和酸性条件下，B-乳球蛋白分子维持了其固有的构造，在碱性条件下，原子力显微镜探针和吸附蛋白层之间巨大的静电排斥力与B-乳球蛋白分子的变形状态相一致。

原子力显微镜在探测单个分子在不同条件下结构的改变上是一种强有力的工具。蛋白质广泛应用于各种食品中，它不仅具有提高营养价值的功能，而且具有改善各种食品品质、质构的功效。原子力显微镜已应用于对蛋白质结构的分析，将其应用于对蛋白质物理和化学性质的分析是今后的一个研究方向。