分子模拟技术在食品分子互作中的应用研究进展

王娟娟，李海平

(天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津，300134)

生物体系的宏观性质或反应机制都具有微观过程，大多数生命科学体系的微观过程都涉及2个或多个分子之间的相互作用[1]。如果仅仅依靠科学实验进行微观分子互作机理探索，则普遍存在分子数量繁多、实验费时费力、实验数据波动有偏差等缺陷，导致科研的方向性差，效率非常低，难度极其高[2]。为了解决实验手段的局限性，分子模拟技术应运而生。考虑到食品基质的复杂性和反应的多样性，一般可以先借助分子模拟技术对食品分子之间的作用模式、结合位点和影响因素等进行预测，为实验研究提供方向，减少实验的盲目性，探索更多可能性，节约因大量重复实验所花费的时间及成本；也可以借助分子模拟技术解释实验现象，从分子水平上提供作用机理的详细信息，有助于提高科研人员对研究体系的认知水平，为进一步改变实验条件奠定理论基础[3]。本文从分类、基本原理和设计思路介绍了分子模拟技术，总结了分子对接、分子动力学和量子力学3种分子模拟技术常用的软件特点及其在相应食品科学领域的应用现状，以期为分子模拟技术在食品科学研究中进一步应用提供参考。

1 分子模拟技术的原理及设计思路

分子模拟是将理论方法与计算机技术相结合，以原子/分子水平的分子模型来模拟分子的结构和行为，从微观角度解释分子体系的各种物理化学性质和分子间互作机理，进而指导宏观科学实验[4]。与科学实验相比，分子模拟可以提供分子尺度上的详细图像，有助于深入理解分子间相互作用[5]。选择适合食品研究体系的分子模拟技术有助于快速、深入地理解食品分子互作机理及其构效关系，不仅能够为实验设计提供指导，还有助于检验实验结果的准确性，为改进实验方法提供理论依据，从而提高科研效率。分子模拟技术主要有5种：分子对接、分子动力学、量子力学、分子力学和蒙特卡洛。总体而言，这些模拟技术各具特点：分子对接技术能够快速预测出2个物质的最佳作用位点和结合模式，筛选出最有可能出现的受体-配体复合物，特别适用于食品成分中活性物质的高通量筛选。分子动力学、分子力学和蒙特卡洛技术能够模拟百万级原子的大分子体系，而量子力学技术适合模拟原子数为几十到一百的小分子体系，能够描述电子结构的变化，所以在食品中主要用于食品添加剂这类小分子物质的研究。分子动力学技术相比量子力学、分子力学和蒙特卡洛技术而言，具有以下优点：能够计算任何温度下分子体系的结构和性质，而量子力学仅能在绝对零度的条件下计算；能够描述体系的动态规律，而分子力学仅能描述体系的静态特性；能够描述不同温度下体系从一种热力学状态转化为另一种热力学状态的过程，而蒙特卡洛仅能描述特定温度下的分子结构特征[6]。利用分子动力学技术对体系模拟之前，一般需要借助分子力学/蒙特卡洛技术对输入结构进行构型优化，将优化后的构型作为分子动力学模拟的初始构型，可以减少模拟时长。食品一般是富含大分子和小分子的混合体系，食品组分之间、食品组分与机体之间、食品组分与环境之间不可避免地存在互作关系，而且这种互作关系往往具有动态过程。因此分子对接、分子动力学和量子力学技术成为研究食品体系常用的3种技术。

1.1 分子对接技术

分子对接技术是利用计算机模拟程序把配体小分子放在受体活性位点处，按照几何互补和能量互补的原则，通过打分函数筛选出配体与受体间最佳结合模式的一种技术[7]。分子对接的一般设计思路如图1所示。分子对接技术根据对接模型的简化程度可分为三大类：刚性对接、半柔性对接和柔性对接。在刚性对接过程中，参与对接的分子构象保持不变，只改变配体在受体活性中心的位置，该技术工作量和计算难度最小，适用于蛋白-蛋白、蛋白-核酸等比较大的体系；半柔性对接则是在对接过程中允许配体构象变化，而受体被固定，该技术既能考察柔性也能保证较高的计算速率，适用于处理大分子和小分子之间的对接；柔性对接是指在对接过程中，允许分子构像自由变化，所以它的对接精度更高，更接近分子间作用的真实情况，但同时也加大了计算量，耗时较长，因此适用于较小的体系，一般用于考察分子间的精确作用模式[8]。分子对接技术常用的免费软件有AutoDock、LeDock、rDock、UCSF DOCK等，商业软件主要有Glide、GOLD、MOE Dock、LigandFit、FlexX等。自2013年以来，分子对接技术在食品领域有关蛋白-配体的结合状态、食品功能性成分作用位点、农兽药作用机理等方面的应用已取得重大突破[2]。

1.2 分子动力学技术

分子动力学技术是依据牛顿力学，通过原子间相互作用势或分子力学力场来研究原子或分子体系在时间和空间上运动的计算机模拟技术，是通过微观体系来反映物质宏观性质的一种有效技术[9]。分子动力学技术一般遵循4个步骤：前期准备、对输入的分子进行几何优化、分子动力学模拟、对产出数据进行分析，具体步骤如图2所示。分子动力学技术可以在微观水平上产生原子的位置和速度等信息，再利用统计力学将这种微观信息转化为宏观可见信息(如压力、能量、热容等)，从而探索分子的结构、运动和功能之间的关系[10]。分子动力学技术常用的免费软件有GROMACS、Materials Studio、LAMMPS、RedMD等，商业软件主要有AMBER、CHARMM、GROMOS等。分子动力学技术近些年在食品领域的应用越来越广泛，已经从小分子扩展到大分子，甚至是各种相互作用的分子组的复杂系统。

图1 分子对接技术设计思路Fig.1 Design idea of molecular docking technology

图2 分子动力学技术设计思路Fig.2 Design idea of molecular dynamics technology

1.3 量子力学技术

量子力学技术的本质是对薛定谔方程近似求解得到分子的能量和其他相关性质，成为描述微观粒子运动规律的可靠工具。根据在求解薛定谔方程时所做的近似不同，量子力学技术主要分为从头算法、半经验方法和密度泛函理论(density functional theory，DFT)计算[11]。从头算法完全由理论推导求解薛定谔方程，没有考虑电子相关能，得到的计算结果相对不可靠；半经验计算优化了薛定谔方程求解过程，比从头算法速度快，计算有机体系精度较高；DFT计算可以直接确定精确的基态能量和电子密度，是解决电子结构理论中许多复杂问题的强有力的工具[12]。DFT计算常用软件有Gaussian、Materials Studio(MS)和Chemcraft等，该算法的具体步骤如图3所示。DFT计算既克服了从头算法忽略电子相关能计算的缺点，又具有短时处理大分子体系的优点，已被广泛应用于食品科学、材料科学、药物设计等领域，以解决分子的结构和性质、光谱、热化学、反应机理等问题。

图3 量子力学技术(DFT计算)设计思路Fig.3 Design idea of quantum mechanics technology (DFT calculation)

2 分子对接技术在食品分子互作中的应用

2.1 基于AutoDock的分子对接技术在食品分子互作中的应用

AutoDock是一款免费的开源软件，用于执行大分子受体和小分子配体的对接和虚拟筛选。该软件由AutoGrid和AutoDock两个程序组成，AutoGrid主要负责格点中相关能量的计算，AutoDock则负责构象搜索及评价。AutoDock的最新版本使用的是拉马克遗传算法，此算法比传统的遗传算法和模拟退火算法的效率更高。因此，AutoDock成为当下最流行的分子对接软件之一，被广泛用于研究食品成分与蛋白质之间的相互作用。

2.1.1 酶活性调控

食品生产加工过程中常伴随色泽、质构、风味、成分等方面的变化，这都与原料中存在的酶密切相关。另外，许多功能性食品成分也是通过影响人体中一些关键酶的活性而发挥作用。基于AutoDock的分子对接技术是研究食品成分与酶活性之间关系的强有力工具。YUE等[13]借助AutoDock对决明子茶主要活性化合物橙黄决明素与胃蛋白酶进行分子对接发现，橙黄决明素通过氢键和疏水相互作用与胃蛋白酶结合并破坏胃蛋白酶的结构，进而影响胃蛋白酶对脂肪、胆固醇等营养成分的消化吸收，从分子水平上解释了橙黄决明素降血脂的机理，为开发富含橙黄决明素的功能性饮料提供理论依据。黄嘌呤氧化酶是生成尿酸的关键酶，抑制该酶的活性可有效降低尿酸水平。ZHAO等[14]利用光谱法证实了类黄酮9、27、34可抑制黄嘌呤氧化酶的活性，并且证实类黄酮9对黄嘌呤氧化酶的抑制活性明显高于其他2种，随后用AutoDock将这3种类黄酮分别与黄嘌呤氧化酶进行分子对接，对接结果如图4所示，类黄酮9(a)、27(b)、34(c)均与黄嘌呤氧化酶疏水口袋上的氨基酸残基形成较强的氢键相互作用，由(d)中3种类黄酮结合位点对比可知，类黄酮9位于黄嘌呤氧化酶的最佳结合位点处，从分子水平上解释了这3种类黄酮抑制尿酸升高的机理和类黄酮9抑制活性高的原因，并验证了实验结果的正确性，为将类黄酮添加到功能性食品中辅助治疗高尿酸血症提供参考依据。以上2项研究表明，食品成分与酶结合通过引起酶的结构和构象发生变化而降低酶的活性。然而，XIE等[15]用AutoDock将芭蕉根茎中分离的木质素与α-淀粉酶进行分子对接，发现木质素通过氢键与α-淀粉酶活性位点附近的残基结合，从而诱导了α-淀粉酶的活化，该研究不仅提高了芭蕉残渣在食品工业中的利用率，还提供了一种低成本提高α-淀粉酶活性的方法。这些研究均表明基于AutoDock的分子对接技术是研究食品成分与酶相互作用的有效手段，可以为一些活性物质筛选或结构修饰提供新的理论依据，同时也有助于理解酶活性调控的机理，从而促进活性物质作为功能性食品成分在保健品中的应用。

a-类黄酮9与的黄嘌呤氧化酶的分子对接结果；b-类黄酮27与的黄嘌呤氧化酶的分子对接结果；c-类黄酮34与的黄嘌呤氧化酶的分子对接结果；d-三种类黄酮与的黄嘌呤氧化酶的分子对接结果图4 类黄酮9、27和34与的黄嘌呤氧化酶的分子对接结果[14]Fig.4 Molecular docking results of flavonoid 9,27 and 34 colored as magentas with xanthine oxidase

2.1.2 食品毒素检测

基于AutoDock的分子对接技术也可用于研究农、兽药残留及生物毒素对食品安全的隐患。基于AutoDock的分子对接技术不仅可用于探究杀虫剂与昆虫体内酶的作用机理，为开发昆虫体内酶的生物传感器及评价传感器的检测能力提供理论基础[16]，还可用于分析适配体(analytical aptamer 125，Apt 125)与抗生素氟苯尼考的结合机制，进而有助于开发检测牛奶中抗生素残留的简便、快速、灵敏的传感器[17]。借助AutoDock的分子对接技术分析食品和饮料中常见的2种真菌毒素(桔霉素和玉米赤霉烯酮)与人血清白蛋白的结合特性，有助于深入了解真菌毒素的毒理学机制，对预防其毒性作用或开发潜在的有效解毒剂都有帮助[18-19]。综上，基于AutoDock的分子对接技术应用于食品毒素检测，不仅可以便捷地评价用于检测农、兽药传感器的灵敏度并为改进传感器的构建方式提供理论依据，还能探究毒素在人体内的作用机理，为降低其毒副作用提供理论指导。

2.2 基于Discovery Studio(DS)的分子对接技术在食品分子互作中的应用

DS是一款面向生命科学领域的分子模拟软件，目前主要用于研究蛋白质的结构和功能。DS中的分子对接模块有刚性对接(LibDock)、分子对接(CDOCKER)和柔性对接(Flexible Docking)。LibDock适用于小分子-大分子的刚性对接，可用于高通量虚拟筛选；CDOCKER是基于CHARMm力场的半柔性对接程序；Flexible Docking用于研究配体和受体相互作用的关键残基的精准对接。

基于DS的分子对接技术主要被用来研究生物活性肽。生物活性肽是一类具有抑菌、抗氧化、降胆固醇、降血压和免疫调节等多种生物功能的特殊蛋白质片段，广泛存在于植物性和动物性食品中，能够调节机体功能或状况，对人体健康发挥有益作用，是功能性食品研究的热点。借助DS中的反向找靶(pharmacophore)和CDOCKER模块，能够对金枪鱼不同组织(胰腺[20]、鱼卵[21]和暗色肉[22])酶解液中优势肽进行功能预测并分析其抗氧化活性。董丽莎等[23]利用DS中CDOCKER模块将黑线鳕鱼皮胶原蛋白胰蛋白酶酶解的优势肽与抗氧化相关的Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)进行分子对接，对接位点的信息为分析多肽类化合物激活Keap1活性的分子机制提供了依据，有助于提高多肽类物质在抗氧化中的应用。基于DS的分子对接技术也被用于食品中降压肽的虚拟筛选中。高血压是血管紧张素转换酶(angiotensin converting enzyme，ACE)过度活动所导致的，因此，抑制ACE的活动可以降低高血压，基于DS的Libdock模块是一种有效的IC50估计工具和ACE抑制短肽的虚拟筛选方法[24]。另外，WU等[25]利用DS中Flexible Docking模块将蚕蛹蛋白酶解液中Ala-Ser-Leu肽与ACE进行分子对接发现，Ala-Ser-Leu肽通过与ACE的S1口袋(Ala354)和S2口袋(Gln281和His353)形成非常强的氢键，对ACE产生抑制作用，从而达到降压目的。由于多肽酶解液是组成、丰度和肽链长度均不同的混合物，借助动物实验或细胞模型等来筛选和验证多肽酶解液的功能，是一项费时费力的工作。分子对接技术较科学实验的优势在于其短时间、低成本从食品中高通量筛选出优势肽，并且可以深入了解活性肽与受体之间的作用活性位点，进而促进天然产物中活性肽在抗氧化、辅助降血压等功能性食品中的应用。

3 分子动力学技术在食品分子互作中的应用

3.1 基于GROMACS的分子动力学技术在食品分子互作中的应用

GROMACS是一款能够模拟数以百万计粒子体系的开源分子动力学程序包，几乎支持所有的算法，其计算速度约是其他同类软件的3～10倍。GROMACS主要用于模拟许多具有复杂成键作用的生物化学分子，如蛋白质、脂质和核酸，但因其在计算非键相互作用(通常在模拟中占主导地位)方面的速度非常快，也常用于非生物体系(如接枝共聚物)的模拟[10]。

3.1.1 蛋白质吸附

GROMACS软件可以对蛋白质的吸附现象进行分子动力学模拟。ALGHAMDI等[26]运用GROMACS软件，采用全原子分子动力学技术，探讨了绿豆防御素VrD1肽在二棕榈酰磷脂酰胆碱双分子层上的吸附作用，从原子尺度上揭示了VrD1肽抗真菌活性的机理，补充了实验研究的不足，为VrD1肽作为抗菌剂在食品中的应用提供理论依据。蛋白质在水-油界面的吸附与其作为易发泡食品或乳状食品的稳定剂密切相关。科学实验难以在分子尺度下描述蛋白质在水-油界面吸附过程的详细信息，而基于GROMACS的全原子分子动力学技术能从分子水平上详细描述蛋白质在不同水-油(癸烷、辛醇和三油酸甘油酯)界面上的吸附机理以及吸附过程中伴随的蛋白质微观结构变化[27]。另外，在食品长期生产加工过程中，蛋白质会因吸附作用粘附在生产设备上，不仅会降低生产效率，还会造成食品污染。基于GROMACS的分子动力学技术可以获得与实验结果高度吻合的蛋白质吸附等温线，不仅减少了色谱法测定吸附等温线所需的材料和时间，更重要的是可以提供蛋白质吸附过程的微观信息，有助于更详细地理解蛋白质的吸附过程，预测吸附量，为开发抗蛋白吸附材料提供参考依据[28]。综上，基于GROMACS的分子动力学技术能够精确模拟蛋白质的吸附过程和吸附机理，提供精准的吸附等温线，有助于食品行业从业人员更好地利用蛋白质的有利吸附，避免不利吸附。

3.1.2 抗冻蛋白

抗冻蛋白(antifreeze protein，AFPs)因具有热滞活性、抑制冰晶再结晶的特性，可有效抑制食品加工贮藏中常出现的淀粉回生、蛋白质变性、水果汁液流失等负面现象，在冷冻食品工业领域具有广阔的应用前景[29]。然而，AFPs目前在食品领域的应用十分有限，主要原因是实验手段对AFPs的抗冻机理研究还不够透彻。近几年出现了1种省时省力的非实验研究方法，即基于GROMACS的分子动力学技术研究抗冻蛋白的作用机理和抗冻活性中心。MEISTER等[30]基于GROMACS的分子动力学技术发现1种昆虫体内的AFP抑制冰晶生长的机理符合吸附-抑制模型(图5)。另外，KUMARI等[31]基于GROMACS的分子动力学技术对AFP III与特定突变体(T18 N)的抗冻活性进行了比较，发现突变体的抗冻活性仅为野生型AFP的10%。基于GROMACS的分子动力学技术可以从分子尺度上深入理解AFPs的作用机理，为食品抗冻技术提供新的研究方向，有助于探究AFPs对冷冻食品品质调控的机制，同时也为开发更多具有应用价值的AFPs种类及促进其在食品领域的应用提供理论参考，对延长食品贮藏期和提高冷冻产品的质量具有积极意义。

3.1.3 食品成分在溶液中的状态

借助GROMACS软件能够对食品成分在溶液中的状态进行分子动力学模拟。LPEZ等[32]借助GROMACS从分子水平上描述了直链淀粉在脂质溶液中的动力学过程，发现直链淀粉在脂质尾部和淀粉疏水空腔的相互作用驱动下，最终折叠成V型构象，该研究加深了对V型构象直链淀粉形成的理解，为V型构象直链淀粉递送疏水营养物质提供理论依据。CHENG等[33]借助GROMACS进一步对直链淀粉-亚油酸复合物在水中构象变化的稳定性进行分子动力学模拟。在模拟过程中，亚油酸和直链淀粉分子形成螺旋结构稳定存在于水中，4C1是直链淀粉中葡萄糖单元与亚油酸相互作用过程中的主要环构象。分子动力学技术从原子水平上充分理解了直链淀粉和亚油酸络合的机理，为调控淀粉回生和糊化，抑制不饱和脂肪酸氧化提供新方法。GRNAS等[34]利用GROMACS对β-环糊精与咖啡中酚类、绿原酸和咖啡酸在水溶液中形成包合物的过程及包合物的稳定性进行分子动力学模拟，从分子水平上了解到包合物主要通过范德华相互作用达到稳定，并且氢键会提高包合物的稳定性，这为环糊精控制咖啡中苦味成分的释放过程提供参考。另外，基于GROMACS的分子动力学模拟已被用于深入了解食品中大分子成分(直链淀粉、蛋白质和脂肪酸)自组装成的纳米颗粒掺入可溶性小分子(1-萘酚)的过程，解决了低溶解度活性小分子应用受限的问题[35]。基于GROMACS的分子动力学技术是描述淀粉、蛋白质及小分子活性物质在溶液中状态的有力工具，为解决淀粉改性、蛋白质变性和稳定性及小分子活性物质溶解性等问题提供理论指导。

图5 AFP抑制冰晶生长机理示意图[30]Fig.5 Schematic diagram of AFP inhibiting ice crystal growth mechanism

3.2 基于MS的分子动力学技术在食品分子互作中的应用

MS是为材料科学领域开发的一款分子模拟软件。研究者可以利用其构建分子的三维结构模型，通过对构建好的模型进行一系列运算分析可以准确预测物质的相关性质及分子或原子间的互作关系。MS因其包括量子力学、分子力学、分子动力学和介观模拟等多种分子模拟技术，近些年被广泛应用于食品行业。

3.2.1 玻璃化转变温度

基于MS的分子动力学技术已成为研究物质玻璃化转变温度(glass transition temperature，Tg)的有效工具。Tg与食品加工和贮藏期间出现结块、结晶、粘滞、坍塌、氧化反应和非酶褐变等变化密切相关，已被广泛用来预测食品的稳定性[36]。ZHOU等[37]利用MS对不同含水量的β-环糊精(β-cyclodextrin，β-CD)进行分子动力学模拟以预测其Tg，为扩大β-CD在提高食品基质的水溶性、稳定性和生物利用度等方面的应用提供参考。周国辉等[38]利用MS的分子动力学技术预测水分对蔗糖、海藻糖等小分子糖Tg和扩散系数的影响，有助于调控糖类物质的贮藏条件，使其保持原有风味并扩大小分子糖在保健食品中的应用。邱福生等[39]借助MS的分子动力学技术预测了壳聚糖的Tg，对壳聚糖在食品领域的应用有重要意义，同时借助实验验证了模拟结果的准确性，证明基于MS的分子动力学技术可用于预测高聚物Tg。综上，基于MS的分子动力学技术能很好地预测物质Tg，为调控食品加工贮藏条件参数的设置提供指导，从而有效解决食品加工与贮藏过程中出现的一系列与食品稳定性相关的问题。

3.2.2 食品包装材料

随着生活水平的提高, 人们对食品包装材料的要求逐渐趋于安全、环保和健康，可降解、可食用,纳米级食品包装材料在未来将得到广泛的应用。基于MS的分子动力学技术应用于食品包装材料的设计，可以显著降低新材料的开发成本，是研究食品包装材料性能的有力工具。LIU等[40]基于MS的分子动力学技术，解释了壳聚糖与姜黄素分子之间的微观相互作用对其形成的共混膜宏观性能的影响，并通过红外光谱进一步确定了模拟结果的正确性，认为该共混膜在食品包装和农产品贮藏方面具有潜在应用价值。SUN等[41]利用MS对α-生育酚与改性介孔二氧化硅孔壁的相互作用进行分子动力学模拟，从分子水平上理解了改性介孔二氧化硅的缓释机理，开发了1种负载有α-生育酚的介孔二氧化硅活性低密度聚乙烯抗氧化包装膜，可用于易氧化食品的包装中。与其他分子模拟软件相比，MS在材料上的研究比较成熟，基于该软件的分子动力学技术研究食品包装材料最为恰当。

4 量子力学技术在食品分子互作中的应用

4.1 基于Gaussian的量子力学技术在食品分子互作中的应用

Gaussian程序是由剑桥大学攻读数学系的研究生Pople创建的一个基于量子力学理论和方法解决化学问题的分子模拟软件。该软件包含从头算、半经验和DFT等多种方法，可以对小分子物质的核磁共振、红外光谱、拉曼光谱、热力学性质等进行精确计算。Gaussian程序中DFT方法已被广泛用于食品添加剂的作用机理和定量分析研究中，为科学地使用食品添加剂提供理论指导。

4.1.1 天然抗氧化剂机理

天然抗氧化剂因更加安全，可替代合成抗氧化剂的使用等优点将是今后的发展趋势。研究天然抗氧化剂的抗氧化机理与活性的关系，对其应用有巨大潜力。很多科研人员借助Gaussian程序预测天然抗氧化剂的抗氧化机理及活性位点等。HASSANZADEH等[42]借助Gaussian程序，采用DFT方法研究发现橄榄苦苷的抗氧化活性位点是C3，该位点解离能低、自旋密度和电子分布合理，与先前清除自由基实验结果吻合。王兰娇等[43]利用Gaussian程序对13种蓝莓花色苷的抗氧化活性进行DFT计算，其计算结果与体外抗氧化实验结果一致，可见基于Gaussian程序的DFT计算可用于蓝莓花色苷抗氧化活性研究中。SARKAR等[44]基于Gaussian程序，采用DFT方法对黄酮类化合物进行定量构效关系研究，从电子水平上解释了黄酮分子结构、电子密度等与自由基清除活性之间的关系，阐明了黄酮抗氧化活性的机理，并根据结论设计了具有良好抗氧化活性的新抗氧化剂。借助Gaussian程序对天然抗氧化剂的作用机理及抗氧化活性精准地做DFT计算，有助于以更低的成本深入理解天然抗氧化剂在机体内的代谢过程及毒副作用等，为进一步开发天然抗氧化剂并扩大其在食品领域的应用范围提供理论依据。

4.1.2 食品添加剂安全性

食品添加剂已经成为现代食品生产加工不可缺少的物质，了解其毒理学性质及开发高灵敏度、便捷的食品添加剂检测技术至关重要。YADAV等[45]为了探讨植物香料中1种常见成分雌二醇的毒副作用，采用Gaussian程序的DFT方法分析了人类肝脏中细胞色素p450酶催化雌二醇上的苄基碳(C1)位置的脂肪族羟基化的反应机理，探索了整体反应能量分布，并了解了反应过程中过渡态、中间体和产物配合物电子排列的形成，说明基于Gaussian程序的DFT计算是深入了解植物香料在人体中产生有毒代谢物过程的有效工具。DUARTE等[46]借助Gaussian程序的DFT方法比较了区间偏最小二乘法和协同偏最小二乘法测定人工合成甜味剂(阿斯巴甜、甜蜜素、糖精和安赛蜜)的准确性，并确定了与甜味剂振动模式相关的谱带，为食品添加剂的质量控制和监测提供了新的分析方法。DUAN等[47]借助Gaussian程序对表面增强拉曼光谱法测定的安赛蜜特征峰的振动模式进行DFT计算，验证了表面增强拉曼光谱法检测的灵敏性和可靠性。基于Gaussian程序的DFT计算为食品添加剂的检测提供了一种低成本、高灵敏度和高可靠性的新技术，还可将DFT计算得到的理论数据与实际检测结果进行相互验证，为改进食品添加剂检测技术提供可靠依据，使得食品添加剂的开发商及使用者能更好地把握食品添加剂的毒副作用，进而科学地使用食品添加剂，为现代食品的安全性提供保障。

5 多种分子模拟技术在食品分子互作中的联合应用

分子模拟技术能够在短时间内模拟大量多因素变量实验，预测实验结果。后期只需继续科学实验对得到的最佳预测结果验证即可，大大减少了科学实验的盲目性，节省了人力、时间和实验器材等。然而，仅仅依靠1种分子模拟技术得到的模拟结果可能存在分析不够客观全面、可靠性低等问题，不能使模拟体系达到最佳效果。多种分子模拟技术结合使用在一定程度上能够优势互补，有助于提高模拟结果的可信度，可有效克服使用一种模拟技术的局限性。

一个体系若借助多种分子模拟技术，从不同方面对其评价会更全面、更具说服力。然而，由于大多数软件只适用于1种模拟技术或更适合做某种模拟计算，所以多种分子模拟技术结合使用必须依靠对应的多个软件结合使用才能实现。比如，A软件利用分子对接技术，B软件利用分子动力学技术对同一个体系进行模拟，以达到相互验证或者补充的目的。ZHAN等[48]通过传统实验确定了β-乳球蛋白在pH 7.4时可以与辣椒素通过疏水作用自发结合，并基于Autodock的分子对接技术验证了实验结果，还利用GROMACS进行分子动力学模拟，发现β-乳球蛋白与辣椒素之间的结合也涉及范德华相互作用。GENG等[49]利用AutoDock对杨梅素、黄芩苷分别与β-乳球蛋白进行分子对接获得最佳结合模式，再利用GROMACS进行分子动力学模拟，解释了同步荧光中色氨酸残基的最大发射峰红移归因于杨梅素、黄芩苷与β-乳球蛋白的Trp 19残基结合，其主要结合力是氢键和范德华力，该研究为避免β-乳球蛋白和类黄酮结合引起食品感官上出现涩味、颜色变化等不良反应提供理论指导。CUI等[50]基于AutoDock Vina的分子对接技术发现，儿茶素通过氢键和疏水作用结合到胰蛋白酶的S1口袋，并用软件NAMD进行分子动力学模拟证实了对接结果，分析了儿茶素-胰蛋白酶复合物的稳定性，为基于新型多酚的功能性食品和营养配方的设计提供参考。每种分子模拟技术都有其独特之处，在分子模拟中起着不同的作用，但也存在一些不可否认的缺点。比如，分子对接技术被广泛应用于活性物质的高通量筛选，计算简单，但准确性较差；分子动力学技术的模拟环境更接近真实情况，准确度更高，但运算速度慢。2种模拟技术结合使用比单独使用一种技术更加高效、准确，并且能够达到优势互补的效果，是研究食品这类复杂体系极具潜力的方法。

分子模拟技术中最重要的一点便是模拟软件的选择，表1总结了常用分子模拟软件在食品中的应用及特点。由于每款软件本身具有一定的偏向性，如GROMACS更适合蛋白质的模拟，而Materials Studio更适用于食品包装材料的研发，选择一款适合模拟体系的软件，不仅可以节省时间，还能准确高效地获得模拟计算结果，进而加快科研进度，降低成本。

表1 分子模拟软件在食品中的应用及特点Table 1 Application and characteristics of molecular simulation software in food science

6 结论与展望

分子模拟技术作为一种新兴技术,以其高效、直观、经济、快速等优点在食品领域逐步受到关注。它可以为食品科学研究提供微观基础数据，为食品领域科研人员对食品分子互作机理和构效关系的理解提供线索。本文综述的分子模拟技术可分为三类：基于AutoDock、Discovery Studio软件的分子对接技术；基于GROMACS、Materials Studio软件的分子动力学技术；基于Gaussian软件的量子力学技术。其中，基于AutoDock的分子对接技术比Discovery Studio在食品中的应用更加普及；GROMACS比Materials Studio在生物体系中做分子动力学模拟更成熟。另外，Discovery Studio特有的反向找靶模块能很好地用于食品活性小分子的虚拟筛选中，基于Gaussian软件的DFT计算主要应用于食品添加剂的研究中。准确把握分子模拟软件的适用范围，为选择适合食品体系的分子模拟技术及实现该技术对应的软件提供方便，有助于加深食品领域科研人员对食品组分互作机理的理解和构效关系的认识。

虽然上述分子模拟技术有各自的优势，但也存在一些局限性。比如分子对接技术目前主要是用来研究蛋白质和小分子配体相互作用规律，未来应注重多糖-小分子、脂肪-小分子等相关的研究和相互作用影响因素如温度、pH、离子等方面的研究；Discovery Studio虽然是一款很好用的蛋白分析软件，但目前主要用于药物开发中，在食品中的应用相对较少；Materials Studio是一款具有多种分子模拟技术的软件，可以对一个食品体系进行多方面的研究，并且该软件特有的介观模拟模块很适合模拟食品这类大分子混合体系，但介观模拟目前在食品体系的应用相对较少，希望未来可以被充分利用；分子对接技术相比分子动力学技术计算速度更快，但精确度较低，真实性更差，将2种技术结合使用效果可能更好，但目前联合运用2种技术模拟食品体系的研究较少，也未见2种技术结合使用与1种技术单独使用得到的模拟结果对比的报道。分子模拟技术在食品领域的应用日渐增多，但是与医药领域相比，该技术在食品领域的发展才处于起步阶段，主要原因之一是许多食品组分的结构是未知的，而目前的分子模拟技术主要应用于已知分子结构体系的模拟。

随着计算机技术的快速发展，新的分子模拟技术也在不断崛起，相信分子模拟技术将进一步系统、深入地支撑食品分子互作研究，在食品领域的地位将会越来越重。