酶法改性淀粉顆粒的研究進(jìn)展

翟一潭，柏玉香，李曉曉，王 禹，邱立忠，卞希良，金征宇,

（1.江南大學(xué)食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，食品安全國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2.諸城興貿(mào)玉米開發(fā)有限公司，山東 濰坊 262200）

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子化合物[1]，目前主流的商品淀粉按照來源可以分為谷物淀粉、豆類淀粉和根莖類淀粉3 類[2]。直鏈淀粉和支鏈淀粉是淀粉的兩種主要組成成分，淀粉的來源和品種不同，其直鏈淀粉含量也不同[3-4]。自然界中也存在一些幾乎全部由支鏈淀粉組成的淀粉，即蠟質(zhì)淀粉[5]。作為一種重要的可再生和環(huán)境友好型資源，淀粉及其衍生物在食品、紡織、造紙、制藥、塑料、黏合劑等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用[6]。然而，由于淀粉自身存在一定的缺陷，如不溶于水、糊化溫度過高、糊化后易回生等，極大地限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用[7]，因此，對淀粉的改性研究具有重大意義。

常規(guī)的物理或化學(xué)變性均屬于顆粒改性，而酶法改性往往需要糊化體系。近年來，淀粉顆粒的酶法改性隨著酶開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展逐步得到重視。淀粉顆粒的酶法改性具備4 個(gè)特點(diǎn)：1）真實(shí)反映食品加工過程中酶對淀粉的作用情況。通常情況下，酶在食品體系中對淀粉的作用均是在顆粒狀態(tài)下進(jìn)行。如面包改良劑中的α-淀粉酶[8]就是在面團(tuán)中對小麥淀粉顆粒進(jìn)行修飾后從而提高面包的品質(zhì)。2）為非糊化處理，在改性淀粉同時(shí)保留了顆粒的糊化特性。改性后的淀粉以顆粒形式存在，大部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有受到影響，仍然保留了糊化過程中的各種性質(zhì)（如黏度特性等）。3）針對性地改造淀粉特定區(qū)域，賦予淀粉獨(dú)特特性。大部分酶只能作用于顆粒的非結(jié)晶區(qū)，對結(jié)晶區(qū)影響很小。使用不同來源和功能的酶可以賦予改性淀粉不同的功能屬性。4）節(jié)約能源，不經(jīng)過糊化即可得到產(chǎn)物?；诖耍芯棵阜ǜ男灶w粒淀粉具有重要意義。本文將圍繞淀粉顆粒酶法改性的研究進(jìn)展，對淀粉顆粒酶法改性中的水解酶類及其表征方法等方面進(jìn)行系統(tǒng)性論述，以期對酶法改性淀粉顆粒研究提供參考。

1 淀粉顆粒分子結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征

1.1 淀粉顆粒分子結(jié)構(gòu)

天然淀粉以顆粒的形式貯存于植物的各個(gè)器官中，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉構(gòu)成。直鏈淀粉呈線性結(jié)構(gòu)，幾乎沒有分支，相對分子質(zhì)量介于105～106之間，支鏈淀粉呈高度分支的簇狀結(jié)構(gòu)，相對分子質(zhì)量在107～109之間[9]。天然淀粉顆粒由交替出現(xiàn)的“生長環(huán)”的無定形層和半結(jié)晶層組成，厚度在100～400 nm之間[9]。其中，無定形區(qū)主要由直鏈淀粉分子構(gòu)成，半結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉分子構(gòu)成；半結(jié)晶區(qū)中又包含結(jié)晶片層和非晶片層。淀粉顆粒這種特殊的無定形區(qū)和半結(jié)晶區(qū)交替出現(xiàn)的排列方式，使得其對光產(chǎn)生了特殊的折射現(xiàn)象，即“偏光十字”。蠟質(zhì)玉米淀粉顆粒在不同水平的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 淀粉顆粒結(jié)構(gòu)在不同水平的示意圖[9]Fig.1 Schematic representation of starch structure at various levels[9]

1.2 淀粉顆粒形態(tài)特征

國內(nèi)外常用于觀察淀粉顆粒的儀器有光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡等。與光學(xué)顯微鏡相比，掃描電子顯微鏡的景深比光學(xué)顯微鏡大幾百倍，成像具有立體感；此外，它比光學(xué)顯微鏡有更高的分辨率和放大倍數(shù)[10]。Jane[10]和Martínez[11]等研究發(fā)現(xiàn)，不同來源的淀粉在顆粒形狀、尺寸和表面結(jié)構(gòu)上差異明顯，如馬鈴薯淀粉呈近似球形，表面光滑（圖2A1、A2[11]）；A型小麥淀粉呈鐵餅狀，表面光滑，B型小麥淀粉呈近似球形（圖2B1、B2[12]）；玉米淀粉呈多面體形，表面粗糙（圖2C1、C2[13]）；綠豆淀粉呈腎形，表面光滑（圖2D1、D2[14]）。

圖2 淀粉顆粒形態(tài)掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscopic images of starch granules

表1 幾種常見來源的淀粉顆粒形態(tài)Table 1 Morphological analysis of starch granules from several common sources

幾種常見來源的淀粉顆粒形態(tài)特征如表1所示。淀粉顆粒形態(tài)與種類之間存在3 種規(guī)律：1）淀粉顆粒在形態(tài)上與其來源的植物具有相似性。成熟的較大馬鈴薯淀粉顆粒在形態(tài)上與馬鈴薯的塊根類似，多數(shù)豆類淀粉形態(tài)與相應(yīng)的豆粒近似。2）來源不同但科屬相同的淀粉顆粒在形態(tài)上具有相似性。如同為豆科的綠豆、紅豆等的淀粉顆粒在形態(tài)上都為腎形或卵形，玉米和糯玉米、高粱和糯高粱淀粉顆粒都呈不規(guī)則多邊形且顆粒表面不光滑、有凹陷。3）來源完全不同的淀粉在尺寸及形態(tài)上差異明顯[2]。因此，不同來源淀粉顆粒的性質(zhì)差異將為酶法改性提供挑戰(zhàn)。具有不同表面形態(tài)的淀粉顆粒在酶法改性程度和方式上存在差異，為進(jìn)一步研究淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及得到不同性質(zhì)的酶法改性淀粉顆粒提供可能。此外，淀粉顆粒的晶型和分子組成也可能對酶修飾產(chǎn)生影響，如A型結(jié)晶的淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)雙螺旋結(jié)構(gòu)堆積緊密，直鏈淀粉含量高的顆粒溶脹程度會受到抑制，這些都可能降低酶對淀粉顆粒修飾的可及性。

淀粉植物來源以及淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)特征（如淀粉鏈間締合、顆粒晶型和結(jié)晶度以及直鏈淀粉含量等）會影響酶對淀粉顆粒的作用[22]。玉米淀粉顆粒呈多面體形，表面有凹陷，存在通向顆粒中心的細(xì)孔，因此容易受到α-淀粉酶的水解作用而形成多孔結(jié)構(gòu)，一些豆類來源的淀粉（如綠豆淀粉）呈卵形，表面光滑，因此被α-淀粉酶水解的程度較輕，難以制作多孔淀粉。有研究報(bào)道，淀粉顆粒的A型結(jié)晶比B型結(jié)晶對酶水解的敏感性更高[23]。Xu Jinchuan等[24]報(bào)道直鏈淀粉含量高的玉米淀粉對酶水解的抗性更強(qiáng)。因此，通過對淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，可以預(yù)測出其對酶的敏感性。同樣地，淀粉的結(jié)構(gòu)特征也會對其應(yīng)用產(chǎn)生很大的影響。大米淀粉顆粒的尺寸與均質(zhì)后的脂肪球相似，并且與脂肪質(zhì)感類似，因此大米淀粉很適合做脂肪替代品[25]。然而從淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，分析其對酶水解的敏感性及應(yīng)用途徑的相關(guān)報(bào)道鮮少，因此可作為未來研究的一個(gè)重要方向。

2 淀粉顆粒水解酶

糊化后的淀粉不存在完整的淀粉顆粒，因此能夠?qū)Φ矸垲w粒進(jìn)行改性的酶必須具備作用于未糊化淀粉的能力，即生淀粉酶。生淀粉酶是淀粉酶的一種特殊類型，包括α-淀粉酶[26]、β-淀粉酶[27]、葡萄糖淀粉酶[28]、普魯蘭酶[29]和異淀粉酶[30]等。生淀粉酶對淀粉顆粒的作用效果受到很多因素的影響，如淀粉顆粒的來源、生淀粉酶的種類和處理時(shí)間等[31]。

Sreenath[31]使用來自諾維信公司編號BAN-120L的α-淀粉酶水解玉米淀粉顆粒，發(fā)現(xiàn)玉米淀粉顆粒表面出現(xiàn)了很多孔洞，并伴隨葡萄糖、麥芽糖等還原糖的釋放。Sarikaya等[32]使用來自Bacillus amyloliquefacien的α-淀粉酶和來自Bacillus cereus的β-淀粉酶水解不同來源的淀粉顆粒，并對比了它們對淀粉顆粒的作用能力，發(fā)現(xiàn)β-淀粉酶活力遠(yuǎn)低于α-淀粉酶，β-淀粉酶僅對玉米淀粉有水解作用，而對其他種類淀粉幾乎沒有水解作用。Li Yadi等[33]報(bào)道分支酶可以修飾木薯淀粉顆粒，改變顆粒中支鏈淀粉的鏈長并且有助于顆粒中直鏈淀粉的重結(jié)晶，從而改善木薯淀粉的流變特性，增強(qiáng)其在食品加工行業(yè)中的適用性。Tong Zhenyu等[34]發(fā)現(xiàn)在70 ℃下溶脹后的玉米淀粉顆粒使用顆粒淀粉水解酶（Genencor International，包含Trichoderma reesei表達(dá)的來自Aspergillus kawachi的α-淀粉酶和來自Trichoderma reesei的葡萄糖淀粉酶）水解后，95%的玉米淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。Li Zhaofeng等[35]也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，溶脹的玉米淀粉顆粒在顆粒淀粉水解酶的作用下可以有效轉(zhuǎn)化為葡萄糖。

除了使用單一酶進(jìn)行改性外，為了達(dá)到更好的改性效果或者彌補(bǔ)單一酶改性的不足，往往使用多酶混合或連續(xù)酶修飾的方法改性淀粉顆粒。在多孔淀粉的生產(chǎn)中，α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶表現(xiàn)出協(xié)同作用，混合酶修飾生產(chǎn)的多孔淀粉形態(tài)結(jié)構(gòu)和吸附能力最佳[36]。除了混合酶修飾，多酶連續(xù)修飾也可以起到很好的修飾效果。Guo Li等[37]報(bào)道了使用分支酶和轉(zhuǎn)葡糖苷酶連續(xù)修飾對馬鈴薯淀粉顆粒的協(xié)同作用，單獨(dú)使用分支酶或轉(zhuǎn)葡糖苷酶只能從外向內(nèi)地修飾淀粉顆粒，而經(jīng)分支酶修飾的馬鈴薯淀粉顆粒再用轉(zhuǎn)葡糖苷酶進(jìn)行修飾，由于兩酶之間存在的協(xié)同作用，可以同時(shí)作用于馬鈴薯淀粉顆粒的內(nèi)部和外部，并起到更好的改性效果。同樣地，使用三酶修飾也可以起到改善修飾效果的作用。Li Hui等[38]研究發(fā)現(xiàn)β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶連續(xù)修飾改善了小麥淀粉的流變和糊化特性，首先β-淀粉酶從淀粉的非還原性末端連續(xù)地切下麥芽糖，減少淀粉外鏈長度并產(chǎn)生β-葡聚糖，然后轉(zhuǎn)葡糖苷酶通過水解和轉(zhuǎn)糖基作用催化β-葡聚糖生成β,T-葡聚糖，最后普魯蘭酶進(jìn)一步切斷β,T-葡聚糖的α-1,6糖苷鍵，形成具有合適長度（聚合度6～12）的線性鏈。結(jié)果表明，三重連續(xù)酶處理改善了小麥淀粉的鏈長分布、黏彈性和凝膠強(qiáng)度。同樣地，Li Hui等[39]也報(bào)道了以上3 種酶的連續(xù)修飾能夠增加大米淀粉的抗性淀粉含量，降低改性大米淀粉的血糖生成指數(shù)。

3 淀粉顆粒的酶改性方法

3.1 預(yù)處理

為了提高淀粉顆粒對酶的敏感性，可以對顆粒進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理以提高反應(yīng)效率。目前常用的預(yù)處理方法有水熱處理、超聲波處理、凍融循環(huán)處理和機(jī)械處理等。

水熱處理作為一種物理預(yù)處理方式，包括濕熱處理和退火處理，且這兩種方式都會保留淀粉的顆粒形態(tài)[40-42]。這兩種方式都需要控制處理過程中淀粉的含水量、溫度以及加熱時(shí)間[43]。不同之處在于濕熱處理是在有限的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%～30%）和較高的溫度（高于糊化溫度，90～120 ℃）條件下進(jìn)行處理，而退火處理則是淀粉在過量水中和較低的溫度（高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，但低于糊化溫度）條件下進(jìn)行處理[44]。已有的研究表明，經(jīng)過濕熱處理的淀粉顆粒X射線衍射圖[45]、結(jié)晶度[45-46]、溶脹能力[45]、糊化參數(shù)[45-47]、淀粉糊黏度[47]、淀粉凝膠質(zhì)地[47]以及對α-淀粉酶等酶的敏感性[47]都會發(fā)生較大變化。退火處理同樣會引起淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的改變并提高顆粒對酶的敏感性，有研究報(bào)道，退火處理增加了西米淀粉對α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的敏感性[48]。

超聲波處理是指將淀粉懸浮在水或其他液體介質(zhì)中，施加一定功率的超聲波進(jìn)行處理。頻率超過16 kHz的機(jī)械波通過空化作用產(chǎn)生的“微射流”、“高剪切力和湍流”以及“高壓”會引起淀粉顆粒的部分降解和原有結(jié)構(gòu)的改變，同時(shí)超聲波處理產(chǎn)生的自由基也會破壞淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)[49-51]。已有的研究表明，超聲波處理會使淀粉顆粒表面形成裂紋和凹陷[52]，對淀粉顆粒的結(jié)晶度[53]、分子結(jié)構(gòu)和糊化特性[51]都會產(chǎn)生顯著的影響。Qian Junqing等[54]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超聲波預(yù)處理的玉米淀粉顆粒更容易受到真菌淀粉酶的攻擊，其產(chǎn)生的孔隙比未經(jīng)預(yù)處理的淀粉孔隙大得多，這可能是由于超聲波的空化作用破壞了淀粉晶體結(jié)構(gòu)，在顆粒表面上出現(xiàn)了更多的無定形區(qū)域，這些區(qū)域更易被水解。

凍融循環(huán)處理是指將淀粉分散在水中，然后在冰箱中凍結(jié)（-10～-35 ℃）數(shù)小時(shí)后取出，室溫或水?。ㄒ话悴怀^60 ℃）解凍并重復(fù)操作的過程[55]。經(jīng)過凍融循環(huán)處理的淀粉顆粒表面會產(chǎn)生凹槽，但不會破壞顆粒的完整性。

機(jī)械處理也會破壞淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，使淀粉對酶的敏感性增加。機(jī)械碾磨過程中淀粉顆粒會受到各種力（如剪切、撞擊、碰撞和摩擦）的作用，顆粒形態(tài)、粒度和表面性質(zhì)發(fā)生變化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞[56]。有研究報(bào)道機(jī)械損傷淀粉的酶促水解速率較原淀粉更高[57]。

3.2 酶改性條件

酶法改性淀粉顆粒要保證在酶改性的過程中和改性后淀粉的顆粒形態(tài)始終得以保留。淀粉的糊化起始溫度多在60 ℃左右，所以酶改性的溫度一般不超過60 ℃，具體處理?xiàng)l件見表2。

表2 酶改性淀粉顆粒的處理?xiàng)l件Table 2 Treatment conditions for enzymatically modified starch granules

3.3 干燥條件

達(dá)到最佳的改性時(shí)間后，添加酸或堿滅酶，在適當(dāng)條件下離心后收集的淀粉經(jīng)過蒸餾水或乙醇溶液洗滌、干燥，最后研磨過篩制得酶法改性的淀粉顆粒。實(shí)驗(yàn)室研究酶法改性淀粉顆粒常用的干燥方法有真空干燥、冷凍干燥和烘箱干燥等，具體干燥條件見表3。

表3 酶改性淀粉顆粒干燥條件Table 3 Drying conditions for enzymatically modified starch granules

由表3可知，實(shí)驗(yàn)室研究中多采用冷凍干燥的方式獲得成品的酶改性淀粉顆粒。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，考慮到成本的因素，幾乎沒有使用冷凍干燥的淀粉類產(chǎn)品。工業(yè)生產(chǎn)不同來源的原淀粉都是經(jīng)過機(jī)械或真空脫水后，進(jìn)行氣流干燥。預(yù)糊化淀粉是一種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的物理改性淀粉，其最后的干燥方式有滾筒干燥和噴霧干燥，但這兩種干燥方式都會使淀粉發(fā)生糊化，破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)。化學(xué)變性淀粉的生產(chǎn)方式分為濕法、干法和有機(jī)溶劑法，其中由濕法和有機(jī)溶劑法生產(chǎn)的變性淀粉干燥方式一般也為氣流干燥。因此，若將來酶改性淀粉顆粒發(fā)展到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的階段，也可以考慮氣流干燥的干燥方式，在保證顆粒結(jié)構(gòu)不被破壞的前提下盡可能降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品價(jià)值。

4 改性淀粉顆粒的性質(zhì)表征手段

4.1 形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析手段

改性淀粉顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)通常采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析。掃描電子顯微鏡圖中可以清晰地觀察到顆粒表面的凹痕和孔洞，還可以根據(jù)不同酶解時(shí)間淀粉顆粒的電子顯微鏡圖推測出酶對淀粉顆粒的作用方式和特點(diǎn)[29,33]。Dhital等[61]使用異硫氰酸熒光素和四甲基異硫氰酸羅丹明熒光染料標(biāo)記以及激光掃描共聚焦顯微鏡等手段監(jiān)測反應(yīng)過程中淀粉無定形區(qū)的損失、結(jié)晶區(qū)的保留、產(chǎn)物形貌變化及酶與淀粉結(jié)合部位等，解析不同酶對不同顆粒淀粉無定形區(qū)、結(jié)晶區(qū)改性程度及酶作用于顆粒淀粉的位點(diǎn)，明確酶催化淀粉顆粒的作用機(jī)制。酶法改性也會對淀粉的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，針對淀粉不同的性質(zhì)有不同的研究手段。如使用碘染色法測定表觀直鏈淀粉含量[39,60]，使用陰離子交換色譜法測定淀粉的鏈長分布[39]，使用排阻色譜法[60]測定淀粉的分子質(zhì)量，使用1H核磁共振測定α-1,4和α-1,6糖苷鍵的比例[60]等。淀粉是一種多晶態(tài)聚合物，可以分為A型、B型、C型和V型4 種晶型。淀粉顆粒的結(jié)晶度直接影響其糊化性質(zhì)，進(jìn)而對應(yīng)用產(chǎn)生很大影響。X射線衍射法和紅外光譜法是研究淀粉結(jié)晶性質(zhì)和特點(diǎn)的常用方法。

小角散射也被用于淀粉結(jié)構(gòu)的表征，小角散射是小角中子散射和小角X射線散射技術(shù)的統(tǒng)稱，這兩種技術(shù)都能夠探測約1 nm到幾百納米尺寸范圍的結(jié)構(gòu)，探測范圍介于納米級的晶體結(jié)構(gòu)和微米級的顯微結(jié)構(gòu)之間，從而彌合現(xiàn)代晶體學(xué)和顯微鏡技術(shù)之間在空間分辨率方面的差距。淀粉科學(xué)中，小角度散射技術(shù)最重要的成就是對天然淀粉顆粒中半結(jié)晶生長環(huán)的層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征[62]。圖3顯示了利用不同散射方法和電子顯微鏡技術(shù)檢測和觀察到的淀粉顆粒層級結(jié)構(gòu)。小角散射技術(shù)可以探測淀粉顆粒中的片層結(jié)構(gòu)，從而填補(bǔ)了淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)到晶體結(jié)構(gòu)研究之間的空白。

圖3 淀粉顆粒各層級結(jié)構(gòu)可用的檢測手段[63]Fig.3 Available methods for detection of starch granules at various levels[63]

4.2 理化性質(zhì)表征手段

在低于糊化溫度的條件下對淀粉顆粒進(jìn)行酶法改性可以有效地改變原淀粉的溶脹力、溶解度、糊化特性、淀粉糊及淀粉凝膠的流變性質(zhì)等。淀粉顆粒的溶脹力和溶解度反映了淀粉與水作用能力的強(qiáng)弱。不同學(xué)者對淀粉顆粒溶脹力和溶解度的測定方法一致但條件有所不同：在一定溫度（低于淀粉的糊化溫度）的水浴條件下攪拌淀粉溶液，一段時(shí)間后離心獲取上清液，干燥至恒質(zhì)量。溶脹力定義為上清液干質(zhì)量與殘余淀粉干質(zhì)量比，溶解度定義為上清液干質(zhì)量與原淀粉質(zhì)量比[26,29,60]。差示掃描量熱儀可以快速測定淀粉的糊化焓、糊化起始溫度、糊化峰值溫度、糊化終止溫度以及糊化溫度范圍（糊化終止溫度-糊化起始溫度）等糊化特性[64]。改性淀粉的成糊特性可以通過快速黏度分析儀直觀反映[38]。在快速黏度分析儀曲線中可以得到糊化過程中淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度等黏度數(shù)值。淀粉糊及淀粉凝膠的流變學(xué)特性可以使用旋轉(zhuǎn)流變儀定量測定[33]，這些數(shù)據(jù)可以用于指導(dǎo)改性淀粉的實(shí)際應(yīng)用。

5 酶法改性淀粉理化性質(zhì)及其對食品品質(zhì)的影響

5.1 酶法改性淀粉顆粒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

5.1.1 顆粒形態(tài)

酶對淀粉顆粒的水解作用分為兩類：一類是離心水解，酶作用于顆粒的外圍，在顆粒表面形成層狀的鱗片結(jié)構(gòu)；另一類是向心水解，從顆粒表面開始向中心水解，在顆粒表面形成孔洞[32]。通過對改性淀粉顆粒形態(tài)的分析可以為解析淀粉顆粒結(jié)構(gòu)提供借鑒。近年來，關(guān)于酶法改性對淀粉顆粒形態(tài)的影響研究見表4。

表4 酶法改性對淀粉顆粒形態(tài)的影響Table 4 Effect of enzymatic modification on the morphology of starch granules

5.1.2 晶型和結(jié)晶度

酶改性對淀粉顆粒的晶型和結(jié)晶度有不同程度的影響，這取決于酶和淀粉的種類以及改性時(shí)間。經(jīng)過分支酶和轉(zhuǎn)葡糖苷酶的組合修飾后，馬鈴薯淀粉的晶型由B型結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)镃型結(jié)晶。馬鈴薯淀粉顆粒晶型的轉(zhuǎn)變可能是經(jīng)酶修飾后，支鏈淀粉的B1鏈含量增加，顆粒非結(jié)晶區(qū)的分支密度增加，使分支點(diǎn)間距離的縮短，從而導(dǎo)致淀粉的自發(fā)重結(jié)晶[37]。Li Ping等[29]報(bào)道使用脫支酶修飾馬鈴薯淀粉顆粒并不能引起淀粉晶型的改變，但改性后淀粉顆粒的結(jié)晶度相較于原淀粉明顯下降。天然大米淀粉為典型的A型晶體，經(jīng)過β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶的連續(xù)修飾后，改性淀粉的晶型不發(fā)生改變。連續(xù)的酶修飾沒有改變大米淀粉的晶型，可能是因?yàn)樵诘陀诤瘻囟鹊臈l件下改性淀粉顆粒并不能完全破壞淀粉的結(jié)晶性質(zhì)；此外，酶修飾過程中的一些操作條件和大量產(chǎn)生的具有相近長度（聚合度≤13）的短直鏈有利于A型結(jié)晶的產(chǎn)生[39]。

由10 個(gè)以上葡萄糖殘基組成的支鏈淀粉側(cè)鏈相互之間以氫鍵連接形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋結(jié)構(gòu)通過堆積排列可以形成淀粉顆粒的A型、B型或者C型結(jié)構(gòu)。其中A型結(jié)晶的淀粉分子內(nèi)支鏈淀粉的側(cè)鏈較短，雙螺旋結(jié)構(gòu)的堆積較B型結(jié)晶更為緊密[65]。因此，若酶對淀粉顆粒的修飾作用適當(dāng)縮短了支鏈淀粉的側(cè)鏈長度并增大了分支密度，使雙螺旋的堆積更為緊密，則有可能引起淀粉顆粒的晶型由B型轉(zhuǎn)變?yōu)锳型。但在天然淀粉顆粒中，因?yàn)橹ф湹矸蹅?cè)鏈形成的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)緊密，使得酶修飾的可及性下降，因此，目前報(bào)道中通過酶修飾引起淀粉顆粒晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)較少，多數(shù)研究中酶對淀粉顆粒的修飾作用僅能引起顆粒結(jié)晶度的改變。

5.1.3 微觀結(jié)構(gòu)

很多研究證實(shí)，直鏈淀粉含量、支鏈淀粉的鏈長以及淀粉的相對分子質(zhì)量與淀粉的功能性質(zhì)密切相關(guān)[66]。根據(jù)聚合度的不同可以將淀粉側(cè)鏈分為fa鏈（聚合度6～12）、fb1鏈（聚合度13～24）、fb2鏈（聚合度25～36）和fb3鏈（聚合度≥37）[67]。分支酶和轉(zhuǎn)葡糖苷酶對馬鈴薯淀粉的組合修飾可以有效增加淀粉顆粒中fa鏈的數(shù)量并同時(shí)減少fb2和fb3鏈的數(shù)量，變化程度取決于改性時(shí)間[37]。α-淀粉酶和β-淀粉酶組合修飾紅薯淀粉使淀粉中fa鏈和fb1鏈比例增加，fb3鏈比例下降。在此基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)葡糖苷酶的修飾可以加劇這種變化趨勢。此外，酶處理也會降低淀粉的分子質(zhì)量[60]。β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶組合改性大米淀粉顆粒也會改變原淀粉中鏈長分布，而且普魯蘭酶的改性會顯著提高大米淀粉中的表觀直鏈淀粉含量，這是酶使支鏈淀粉外側(cè)鏈脫支所導(dǎo)致的[39]。

5.2 酶法改性對淀粉顆粒理化性質(zhì)的影響

5.2.1 溶脹力和溶解度

α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶混合水解淀粉顆粒形成的多孔淀粉比相應(yīng)的原淀粉具有更高的溶脹力和溶解度。經(jīng)過兩次濕熱預(yù)處理后再用混合酶水解制備的多孔小麥淀粉溶解度和溶脹力分別高于天然淀粉和只經(jīng)過兩次濕熱預(yù)處理的淀粉樣品。這種現(xiàn)象與酶水解后無定形區(qū)域的直鏈淀粉浸出有關(guān)，從而導(dǎo)致淀粉樣品的溶解度增加[58]。凍融循環(huán)預(yù)處理后用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的混合酶水解制得的多孔玉米淀粉溶脹力和溶解度同樣高于原淀粉和僅經(jīng)凍融循環(huán)預(yù)處理的淀粉樣品。這是由于水解產(chǎn)生的孔洞破壞了顆粒的無定形區(qū)域，使顆粒更易發(fā)生溶脹[26]。因此，酶對淀粉顆粒特定區(qū)域（無定形區(qū)）的改造，賦予了改性顆粒更大的溶脹力和溶解度。α-淀粉酶和β-淀粉酶修飾的紅薯淀粉顆粒溶解度顯著高于原淀粉，這是由于酶處理導(dǎo)致淀粉鏈解聚，產(chǎn)生低分子質(zhì)量和低分支度的葡聚糖鏈。此外，在直鏈淀粉上引入新的分支點(diǎn)可防止重結(jié)晶，而支鏈淀粉的分支點(diǎn)增加會破壞高度有序的結(jié)構(gòu)并抑制鏈重排，提高溶解度[60]。

在淀粉顆粒加熱糊化的過程中直鏈淀粉會抑制顆粒的溶脹，而具有較長支鏈的支鏈淀粉會促進(jìn)顆粒溶脹[29]。因此，若顆粒無定形區(qū)中的直鏈淀粉在酶修飾的作用下被水解，引起顆粒內(nèi)直鏈淀粉含量的下降，改性淀粉顆粒的溶脹力就會較原淀粉有顯著提升?，F(xiàn)有的研究也證實(shí)了這一結(jié)論，α-淀粉酶水解原淀粉產(chǎn)生的多孔淀粉溶脹力大于原淀粉[36]。

5.2.2 糊化特性

由于對淀粉顆粒的改性在非糊化條件下進(jìn)行，所以改性淀粉仍然保留了糊化特性，并且酶對淀粉顆粒的修飾會改變其糊化溫度和糊化焓。分支酶修飾木薯淀粉顆粒引起改性淀粉糊化起始溫度、糊化峰值溫度和糊化焓升高。糊化起始溫度的升高是由于淀粉顆粒的形態(tài)發(fā)生了變化，以及直鏈淀粉發(fā)生重結(jié)晶。糊化焓的提高表明改性使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高[33]。與天然淀粉相比，脫支酶處理的馬鈴薯淀粉和玉米淀粉樣品均顯示出更高的糊化溫度和更低的糊化焓。糊化溫度的升高歸因于脫支酶的水解作用，糊化焓降低則是因?yàn)樗膺^程中支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的損失[29]。轉(zhuǎn)葡糖苷酶和分支酶修飾的馬鈴薯淀粉顆粒糊化溫度和糊化焓相比于原淀粉均有所降低，這是因?yàn)槊阜ǜ男詫?dǎo)致長鏈數(shù)量的減少并產(chǎn)生大量耐熱性較差的短雙螺旋結(jié)構(gòu)，降低了改性淀粉顆粒的穩(wěn)定性[37]。酶修飾對淀粉糊化溫度和糊化焓的影響取決于酶修飾是否穩(wěn)定了淀粉的結(jié)構(gòu)，如果酶修飾增強(qiáng)了穩(wěn)定顆粒結(jié)構(gòu)的雙螺旋或者使雙螺旋結(jié)構(gòu)排列更加有序，就會提高糊化溫度和糊化焓；反之，如果酶修飾破壞了穩(wěn)定淀粉鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵或者縮短了雙螺旋鏈的長度，就會引起糊化溫度和糊化焓的降低。此外，酶解破壞顆粒的無定形區(qū)增加顆粒的相對結(jié)晶度也會引起糊化溫度的升高。

5.2.3 流變性能

脫支酶對淀粉顆粒的修飾會降低糊化過程中的峰值黏度，但降低程度與淀粉來源有關(guān)。在相同的條件下使用脫支酶修飾馬鈴薯淀粉和玉米淀粉顆粒，改性馬鈴薯淀粉峰值黏度顯著下降了56%，而改性玉米淀粉峰值黏度僅降低了15%[29]。淀粉的峰值黏度主要與直鏈淀粉含量、支鏈淀粉的支鏈長度分布以及淀粉中的某些基團(tuán)和脂質(zhì)等成分有關(guān)。直鏈淀粉抑制淀粉顆粒的溶脹，支鏈淀粉特別是較長的支鏈能夠促進(jìn)淀粉顆粒的溶脹，使淀粉在升溫過程中黏度增加。因此，酶對顆粒內(nèi)直鏈和支鏈淀粉的修飾會顯著影響淀粉在糊化過程中的黏度特性。Li Hui等[38]研究發(fā)現(xiàn)普魯蘭酶修飾的小麥淀粉顆粒峰值黏度低于天然小麥淀粉，這是因?yàn)槠蒸斕m酶的修飾會產(chǎn)生更長的直鏈淀粉，增加直鏈淀粉含量，抑制淀粉溶脹，從而引起峰值黏度的下降。此外，使用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶修飾淀粉顆粒，在顆粒表面形成的多孔狀結(jié)構(gòu)也會顯著影響改性淀粉的糊化特性。Benavent-Gil等[68]研究發(fā)現(xiàn)多孔淀粉表面孔洞的孔徑、孔徑面積比與峰值黏度呈負(fù)相關(guān)。峰值黏度與谷值黏度的差值稱為崩解值，崩解值反映糊化淀粉在溫度和剪切作用下的耐受能力。Dura等[69]報(bào)道多孔淀粉的崩解值比天然淀粉低。所以，酶修飾可以通過改變直鏈淀粉和支鏈淀粉含量以及比例、改變淀粉的顆粒形態(tài)進(jìn)而改進(jìn)淀粉的糊化特性。高濃度淀粉糊在淀粉回生后產(chǎn)生淀粉凝膠，酶對淀粉顆粒的修飾會顯著改變淀粉凝膠的流變性能。Li Hui等[38]報(bào)道小麥淀粉依次經(jīng)過β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶的修飾后，小麥淀粉凝膠的強(qiáng)度提高，并且凝膠體系變得更加穩(wěn)定。盡管很多學(xué)者報(bào)道了淀粉顆粒的酶修飾對淀粉凝膠結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)的影響，但關(guān)于酶修飾引起的淀粉分子結(jié)構(gòu)改變對淀粉回生程度影響的報(bào)道鮮少。

5.3 酶法改性對食品品質(zhì)的影響

酶對淀粉顆粒的改性會顯著影響以淀粉為主體的食品品質(zhì)。面包改良劑可以有效提高面包品質(zhì)，延長面包保質(zhì)期，這是由于改良劑中的淀粉酶類起到了很大作用。面團(tuán)攪打發(fā)酵過程中，淀粉酶對小麥淀粉顆粒的水解會釋放葡萄糖等供酵母發(fā)酵產(chǎn)氣的物質(zhì)，從而增大面包體積，某些淀粉酶釋放的寡糖對淀粉回生起到抑制作用，能夠延長面包貯存期。Zhang Lei等[70]報(bào)道了一種產(chǎn)生麥芽六糖的α-淀粉酶，其通過改變淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生大量的麥芽低聚糖來抑制全麥面包貯存過程中淀粉的老化，從而達(dá)到改善面團(tuán)性能、增大面團(tuán)體積（圖4A）的效果。此外，添加了淀粉酶的面包切片相比于對照組有更加致密且不均勻的氣孔（圖4B），有效改善了面包結(jié)構(gòu)。

圖4 淀粉酶對小麥面團(tuán)和面包品質(zhì)的影響[70]Fig.4 Effect of amylase on wheat dough and bread quality[70]

淀粉作為一種食品添加劑具有增稠和凝膠的作用，可以通過賦予食品適當(dāng)?shù)馁|(zhì)感和控制食品基質(zhì)中水分的流動，從而提高食品品質(zhì)和貯藏穩(wěn)定性[71]。因此，淀粉的流變特性對其在食品工業(yè)中的應(yīng)用起到?jīng)Q定性的作用。酶修飾調(diào)整淀粉的分子結(jié)構(gòu)對其流變行為有很大影響。分支酶通過改性木薯淀粉顆粒，能夠改善其流動性和抗剪切性，提高其對機(jī)械加工的穩(wěn)定性，同時(shí)改性使木薯淀粉糊更具彈性，淀粉凝膠硬度更高并且降低了木薯淀粉糊的溫度依賴性。因此，可以通過酶修飾設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有所需流變特性的木薯淀粉基產(chǎn)品[33]。Li Hui等[38]研究發(fā)現(xiàn)小麥淀粉經(jīng)過β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶的修飾后會引起淀粉糊黏彈性和凝膠強(qiáng)度的顯著改變。這種改性方法提高了小麥淀粉的品質(zhì)，可作為軟糖、布丁、甜點(diǎn)和果醬等小麥淀粉類食品的添加劑，用于制備基于小麥面粉的新食品，使其具有更好的感官和質(zhì)地特性。酶修飾淀粉顆粒改變其分子結(jié)構(gòu)也會影響淀粉基食品的消化性。有學(xué)者報(bào)道了一種使用β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶和普魯蘭酶連續(xù)修飾大米淀粉顆粒的改性方法，改性后的大米淀粉無論是蒸煮前還是蒸煮后都對酶水解表現(xiàn)出了很強(qiáng)的抵抗力，并且改性大米淀粉的血糖指數(shù)與原淀粉相比有所降低。這一結(jié)果為開發(fā)低血糖指數(shù)的淀粉基功能食品提供了新的思路和借鑒[39]。

綜上，選用適合的酶單獨(dú)或組合修飾淀粉顆粒，通過改變直鏈淀粉的鏈長、支鏈淀粉的分支密度和外側(cè)鏈長度等分子結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)顆粒內(nèi)直鏈和支鏈淀粉的比例，不但可以提升淀粉基食品的質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)，還可以改善食品的消化特性，提升其營養(yǎng)品質(zhì)。但目前酶修飾淀粉顆粒在淀粉基食品中的應(yīng)用十分有限，這主要是因?yàn)榈矸刍称敷w系內(nèi)成分復(fù)雜，除淀粉外還含有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等組分，很難精準(zhǔn)定量酶對淀粉顆粒的改性程度，此外，淀粉基食品中的其他組分也會對酶的修飾效果產(chǎn)生影響。

6 結(jié) 語

多孔淀粉是一類研究應(yīng)用較為成熟的酶改性淀粉顆粒。多孔淀粉的產(chǎn)生是利用了酶對淀粉顆粒非結(jié)晶區(qū)的水解作用，賦予了淀粉獨(dú)特的吸附特性；其孔隙率高、比表面積大、堆積密度低、吸附能力強(qiáng)，可以直接作為吸附載體使用。蔣夢蘭等[72]將制備的馬鈴薯多孔淀粉作為吸水劑和保濕劑用于墻體涂料中，除直接作吸附劑外，多孔淀粉還可以用于包埋活性物質(zhì)。伍秀英[73]使用玉米多孔淀粉包埋番茄紅素，采用有機(jī)溶劑法處理的多孔淀粉包埋番茄紅素，一個(gè)月后保留率達(dá)到40%，使用混合抽濾法結(jié)合低溫冷藏，一個(gè)月后的保留率高達(dá)85%以上。此外，也有很多研究報(bào)道了使用不同功能的酶改性淀粉顆粒對淀粉性質(zhì)的改善，以及改性淀粉顆粒對食品品質(zhì)的影響。但這些研究都停留在較淺顯的階段，仍有很多工作有待開展。

酶法改性淀粉減少了化學(xué)試劑的使用，符合當(dāng)下綠色環(huán)保的理念，同時(shí)直接對顆粒改性又可以省去淀粉糊化的步驟，能夠降低能耗、節(jié)省成本，因此已經(jīng)成為近年來研究的熱點(diǎn)。但關(guān)于酶修飾淀粉顆粒的研究仍存在以下不足：1）現(xiàn)有報(bào)道的可以有效修飾淀粉顆粒的酶種類較少，且對淀粉顆粒的修飾程度有待進(jìn)一步提高；2）缺少對淀粉底物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，以闡明用于特定用途的淀粉顆粒應(yīng)具備何種特點(diǎn)；3）酶對淀粉顆粒的改性機(jī)制不明確，缺乏有效的研究手段；4）缺乏簡便有效的酶活力檢測方法。未來可以著重突破以上幾點(diǎn)不足，從而更好地推動淀粉顆粒酶法改性的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)酶法改性淀粉顆粒的工業(yè)化生產(chǎn)。