综述：解开非晶糖在转变温度（Tg）附近分子运动机制的谜团——从分子动力学模拟的角度出发

《Current Opinion in Food Science》：Untangling Molecular Mobility of Amorphous Sugars near the Tg – A Molecular Dynamics Simulations Perspective

　　

刘欢|范芳辉

深圳大学化学与环境工程学院食品科学与工程系，中国深圳518060

理解非晶糖在玻璃化转变温度（Tg）附近的分子运动性（Mm）是食品材料科学的核心。分子动力学（MD）模拟的最新进展为人们提供了前所未有的原子级见解，揭示了力场选择、氢键作用、水分子塑化和蛋白质拥挤如何影响Tg附近的松弛动力学。虽然均方位移（MSD）对于长距离平移运动仍然至关重要，但基于组分分解的均方根位移（RMSD）类指标可以通过跟踪在一致制备的糖-水体系中的初始构型偏差来补充MSD，前提是明确参考框架、平移贡献、归一化以及针对松弛或传输可观测量的验证。MD研究支持水分子引起的塑化/抗塑化现象，并表明蛋白质效应反映了空间位阻、特异性结合和优先水合作用。当结合了经过验证的力场、适合该领域的描述符和实验基准时，这些进展可以将该领域从描述性观察转向预测性建模。通过整合MD、实验和AI技术，可能进一步加速食品稳定性工程的发展，实现可扩展的模式识别和更准确的运动性预测。

引言

理解非晶糖在玻璃化转变温度（Tg）附近的分子运动性（Mm）对于食品物理学和生物制药稳定性至关重要，因为这些动力学特性决定了物质的物理化学稳定性和保质期[1]。在非晶体系中，Mm是多维的：局部旋转和构象波动是次要松弛过程的基础，而平移运动则导致大尺度的不稳定。在过去二十年里，分子动力学（MD）模拟已成为实验不可或缺的补充手段，能够提供在不同热和水合条件下的碳水化合物体系的原子级洞察[2, 3]。广泛使用的力场（如CHARMM等）已被应用于糖类、糖-水混合物和糖-蛋白质系统，但由于参数化差异，构象和扩散预测结果存在差异[4, 5]。传统的描述符（如均方位移（MSD）、扩散系数和均方根偏差（RMSD）可以捕捉平移运动或构型变化，但可能无法完全反映尺寸异质性、组分特异性动力学或瞬态非平衡效应。最近，基于组分分解的RMSD类指标可以补充这些测量方法，但需要针对传输或松弛可观测量进行验证[6]。糖与水之间的氢键相互作用强烈调节松弛动力学，水通常作为塑化剂降低Tg并加速Mm[7]。蛋白质或聚合物辅料通过改变空间位阻和氢键网络进一步影响运动性[8]。本综述批判性地介绍了基于MD的方法来探究非晶糖的Mm，旨在将原子级解释与实验可获得的参数联系起来。它讨论了力场选择、系统平均和组分依赖的描述符，阐明了Tg附近的氢键作用和水分子塑化现象，并探讨了蛋白质如何通过结合和空间位阻效应改变运动性。总体而言，没有一种单一的移动性描述符适用于所有Tg附近的非晶糖；描述符的选择必须根据具体条件、力场特性进行，并通过实验进行验证。

章节片段

力场选择策略

尽管传统的原子级MD通常在Tg附近的时间尺度为皮秒到纳秒，但它对于揭示稳定性的原子级起源仍然不可或缺。由于时间尺度上的差异，标准MD在Tg附近可能无法完全捕捉长距离平移扩散，而快速计算冷却可能会保留过多的自由体积，从而改变相对于实验老化样品的表观Tg或运动性。因此，直接获取Tg以下的扩散数据需要谨慎处理。尽管如此，MD仍然具有重要的价值。

MSD和扩散系数

基于布朗运动理论的MSD是衡量随机分子运动的经典统计方法。通过跟踪时间依赖的粒子位移，MSD可以直接提供平移运动性，并通过爱因斯坦关系计算自扩散系数。果糖的扩散系数随温度升高而增加，并与实验结果高度吻合[29]，而葡萄糖的扩散速度比水慢，在较高温度下MSD斜率更陡峭。

稀薄水溶液

在稀薄的水糖溶液中，主导现象是由水合壳层摩擦、粘度和溶质-水氢键调节的流体动力学扩散。在这种情况下，基于MSD计算的自扩散系数是主要的描述符，通常可以与NMR、泰勒色散或脉冲场梯度测量结果进行对比。对水溶液中葡萄糖和果糖的模拟表明，葡萄糖周围的强氢键形成与较低的MSD斜率相关。

从Mm视角看蛋白质-糖相互作用

蛋白质通过特异性结合、优先水合作用和空间位阻的协同作用显著改变非晶糖的Mm（表2）。在原子层面，糖通过氢键、疏水接触和静电相互作用与非共价地与蛋白质残基相互作用，从而限制其平移和构象运动。例如，果糖通过多个氢键与HSA相互作用，显著抑制了其运动性。

结论

MD模拟已从描述性工具发展成为解析Tg附近非晶糖Mm的重要框架。可靠的预测取决于力场的准确性、模型构建、制备协议、冷却速率、系统规模、样本选择、采样长度和实验验证。借助先进的力场（如CHARMM36m和GLYCAM06h）以及改进的运动性描述符，MD现在能够阐明氢键作用、水合作用和大分子拥挤如何影响运动性。

CRediT作者贡献声明

刘欢：撰写——原始草稿、研究方法；范芳辉：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了深圳市科技计划（项目编号：JCYJ20240813142806009）的支持。

利益冲突声明

作者感谢食品材料科学实验室（Lab 434）的Keyan Ou在数据组织方面提供的帮助。作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

参考文献

在评审期间发表的特别有趣的论文已被标出：