GH77家族4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶在淀粉改性中應(yīng)用的研究進展

柏玉香，范旭瑤，王 禹，金征宇,，劉博群

（1.江南大學(xué)食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，食品安全國際聯(lián)合實驗室，江蘇 無錫 214122；2.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130062）

淀粉是高分子碳水化合物，主要由直鏈淀粉分子、支鏈淀粉分子和中間級分組成，其精細結(jié)構(gòu)對于淀粉的結(jié)構(gòu)及功能特性均有非常大的影響[1]，許多研究通過改變淀粉的結(jié)構(gòu)來改變淀粉的理化性質(zhì)。在目前的各種處理方法中，酶改性比化學(xué)改性更受青睞，因為酶改性方法提供了具有“清潔標(biāo)簽”優(yōu)勢的產(chǎn)品[2]。糖苷水解酶（glycoside hydrolase，GH）77家族的4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶（4-α-glucotransferase，4αGT）（EC 2.4.1.25）作用于α1→4糖苷鍵。由于4αGT可以利用直鏈淀粉延長支鏈淀粉的外側(cè)鏈，因此被廣泛應(yīng)用于改性淀粉來生產(chǎn)熱可逆淀粉凝膠，其不同的催化作用可以形成大環(huán)糊精（large ring cyclodextrin，LRCD）[3]、慢消化淀粉[4]等不同產(chǎn)物。除了單酶催化反應(yīng)外，4αGT可以與分支酶（branching enzyme，BE）進行雙酶復(fù)配[5]，降低淀粉的水解速率，產(chǎn)生抗消化性更強的α-葡聚糖，4αGT還可以與淀粉蔗糖酶[6]在沒有直鏈淀粉為底物的情況下，僅利用蔗糖生產(chǎn)LRCD。

近年來，人們將酶改性的淀粉應(yīng)用于食品方面，4αGT能夠抑制年糕在冷藏期間的回生[7]，經(jīng)過4αGT改性的淀粉被包含在低脂產(chǎn)品的配方中賦予產(chǎn)品獨特乳脂質(zhì)地的特性[8]，例如蛋黃醬和凝固型及攪拌型酸奶，4αGT還可以合成麥芽寡糖基蔗糖替代蔗糖減少齲齒的發(fā)生[9]，合成異麥芽低聚糖替代普通甜味劑改善腸道菌群[10]，4αGT改性淀粉可替代蔗糖、麥芽糊精和碳水化合物等作為冷凍保護劑[11]，包封姜黃素來維持姜黃素的生物穩(wěn)定性[12]。雖然4αGT改性淀粉在食品中應(yīng)用廣泛，但仍在改善熔化溫度和質(zhì)地結(jié)構(gòu)等方面面臨挑戰(zhàn)。本綜述圍繞GH77家族4αGT在改性淀粉中應(yīng)用的研究進展，通過對現(xiàn)有文獻的整理總結(jié)，對4αGT的功能、淀粉的改性、在食品中的應(yīng)用及挑戰(zhàn)等方面進行系統(tǒng)性論證，以期對4αGT酶法改性淀粉的研究提供參考。

1 4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶

4αGT存在于GH13、GH57和GH77家族。GH77家族的4αGT由來源分為兩種，一種是來源于Escherichia coli等細菌中的麥芽糖淀粉酶，另一種是來源于馬鈴薯塊莖、胡蘿卜根、番茄果實等植物中的D-酶[13]，兩種來源的4αGT的氨基酸序列具有明顯的同源性。

4αGT催化4 種不同類型的反應(yīng)：歧化、環(huán)化、耦合和水解反應(yīng)[14]（圖1）。該酶首先催化分子間轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)，切斷葡聚糖分子中一個α1→4糖苷鍵，將一個α-葡聚糖分子向另一個α-葡聚糖分子轉(zhuǎn)移（歧化反應(yīng)）；也可催化分子內(nèi)轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)，即分子內(nèi)部葡聚糖分子的轉(zhuǎn)移生成環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）（環(huán)化反應(yīng)）；同時該酶可催化發(fā)生環(huán)化反應(yīng)的逆反應(yīng)，使得CD分子環(huán)打開并將其中一個線性片段轉(zhuǎn)移到另外的糖受體上（耦合反應(yīng)）；此外，新生成的還原端在一定程度上并不轉(zhuǎn)移到糖受體上，而是與水分子結(jié)合，即水解反應(yīng)[15]。4αGT切斷淀粉分子中的α1→4糖苷鍵，產(chǎn)生的游離分子片段又可在酶的作用下通過α1→4糖苷鍵連接于淀粉分子鏈上從而實現(xiàn)淀粉鏈與鏈之間的重組[16]。

圖1 4αGT催化反應(yīng)示意圖Fig. 1 Reactions catalyzed by 4αGT

不同4αGT的獨特作用方式取決于微生物的種類。迄今為止，已經(jīng)對不同來源的4αGT進行了研究，包括Acidothermuscellulolyticus[17]、Aeribacillus pallidus[18]、Aquifex aeolicus[3]、Bifidobacterium longum[19]、Corynebacterium glutamicum[20-22]、Pyrobaculum aerophilum[23]、Synechocystis[24]、Thermotoga maritima[25]、Thermus aquaticus[26-33]、Thermus scotoductus[34]、Thermus thermophilus[35-41]。

近年來，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，4αGT的規(guī)?；苽湟殉蔀榭赡?，其在實際應(yīng)用領(lǐng)域的潛力也越來越受到人們的關(guān)注。研究表明，4αGT應(yīng)用于淀粉中，可以改變淀粉的分子結(jié)構(gòu)、調(diào)整其鏈的長度、改善淀粉凝膠特性、促成LRCD的生成，且對淀粉主鏈具有緩慢適度降解等功能[42]，從而達到對淀粉理化特性進行優(yōu)化以及提高淀粉基食品品質(zhì)的目的[43,44]。

2 淀粉改性應(yīng)用

2.1 淀粉凝膠

在植物中，淀粉以晶體形式儲存在緊湊的球形顆粒中[45]，并且在室溫下完全不溶于水，這些顆粒的形狀和大小取決于植物來源。在水中加熱時，淀粉顆粒吸水膨脹，使直鏈淀粉分子不斷從膨潤的淀粉顆粒中溶出，并由螺旋結(jié)構(gòu)伸展成線形結(jié)構(gòu)。當(dāng)對淀粉溶液進一步加熱與攪拌后，保留著支鏈淀粉分子的淀粉殘存顆粒發(fā)生破裂并進入水相，這是淀粉糊化過程[46]。隨后的冷卻導(dǎo)致回生[47]，在淀粉糊冷卻放置過程中，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子又會通過氫鍵等作用力發(fā)生聚集，形成淀粉凝膠（圖2）。

圖2 淀粉凝膠的形成過程示意圖[46]Fig. 2 Schematic diagram of the starch gel formation process[46]

回生的過程是不可逆的，即加熱凝膠不會導(dǎo)致其溶解。天然淀粉抗回生性低[48]，雖然可以形成凝膠，但缺乏加熱凝膠轉(zhuǎn)變成液體的可逆相變特性，即熱可逆性。4αGT改性淀粉凝膠很好地解決了這一難題。據(jù)報道，熱可逆淀粉凝膠形成原因可能是重組側(cè)鏈形成相對分子質(zhì)量較高的支鏈淀粉簇以及缺乏長直鏈淀粉鏈[49]。通常，在4αGT處理淀粉的過程中，表觀直鏈淀粉含量降低[14]，支鏈淀粉的鏈長分布變寬[7]，得到高熱穩(wěn)定性的熱可逆淀粉凝膠[8]。4αGT不僅用于改性糊化淀粉，還可用于改性未糊化的淀粉顆粒。已有研究表明，糊化的高直鏈馬鈴薯淀粉、豌豆淀粉、大米淀粉、玉米淀粉經(jīng)4αGT改性形成淀粉凝膠后，相比于原天然淀粉凝膠，凝膠結(jié)構(gòu)更堅硬，凝膠質(zhì)地均得到改善，由連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ驅(qū)踊蚶w維狀結(jié)構(gòu)，脆性、剛性和彈性更大[27]。Lee等[49]得到的4αGT改性的大米淀粉凝膠在4～70 ℃展現(xiàn)出幾乎完美的熱可逆性。Oh等[25]研制得到的經(jīng)4αGT改性的玉米淀粉顆粒比原淀粉顯示出更寬的熔融溫度范圍和更低的熔融焓，相對結(jié)晶度降低，溶解度增加，糊狀透明度有所提高。

近年來，有報道稱4αGT改性的熱可逆淀粉凝膠有望在食品工業(yè)中成為明膠替代物。明膠是食品應(yīng)用中廣泛使用的水膠體[50-51]，可與水結(jié)合形成熱可逆凝膠[52]，幾乎無味且透明[53]，是膠原蛋白衍生的動物蛋白。然而，由于明膠屬于動物來源制品，因此不能用于素食或猶太食品的生產(chǎn)和加工[35]。改性的馬鈴薯淀粉和木薯淀粉熱可逆凝膠的凝膠強度與明膠相當(dāng)[23]，Hansen等[36]在實驗中發(fā)現(xiàn)，相同濃度下，經(jīng)4αGT改性后，高直鏈馬鈴薯淀粉凝膠的硬度約為明膠的2 倍，豌豆淀粉凝膠的硬度與明膠相當(dāng)。經(jīng)研究，可能的原因為支鏈淀粉側(cè)鏈延長后產(chǎn)生長度接近直鏈淀粉的外側(cè)鏈，促進支鏈雙螺旋的形成，而雙螺旋結(jié)構(gòu)更耐熱，因此改性后的淀粉凝膠熔點增加[37]。最后通過低場氫譜核磁共振弛豫法評估凝膠特性發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉的長鏈（聚合度（degree of polymerization，DP）60～80）對凝膠形成有著重要作用，且影響硬凝膠的產(chǎn)生[38]。

除了產(chǎn)生熱可逆凝膠和改善凝膠質(zhì)地[54]，使用4αGT改性淀粉還可以提高淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性[55]，降低表觀分子質(zhì)量和糊化淀粉黏度，增加溶解度。Lee等[49]發(fā)現(xiàn)經(jīng)4αGT處理后的大米淀粉凝膠的相對分子質(zhì)量下降明顯，在4 次凍融循環(huán)中均保持10%的脫水收縮量，極大地提高了凍融穩(wěn)定性。Lee等[34]發(fā)現(xiàn)無論處理變量如何，所有4αGT改性的大米淀粉凝膠均在40 ℃下開始融化。

2.2 大環(huán)糊精

LRCD是葡萄糖單元由α1→4糖苷鍵首尾相連的環(huán)狀化合物，屬于CD的一種，其DP通常在9以上[56]（圖3），可形成疏水通道，例如V型直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)。與CD相比，LRCD在冷水中的溶解度和穩(wěn)定性更高，而且LRCD可以通過將各種有機和無機客體分子捕獲到疏水腔中，與客體分子形成包合物，從而導(dǎo)致客體分子的溶解度、穩(wěn)定性和生物學(xué)特性發(fā)生變化[57]。LRCD在各種工業(yè)中有著多種潛在應(yīng)用，在食品工業(yè)的應(yīng)用中改善食品和飲料產(chǎn)品的質(zhì)地、口感、風(fēng)味、味道以及適口性[56]；在紡織印染中用于染色可提高染色效果，增加顏色的牢固度[58]；在制藥工業(yè)具有穩(wěn)定和溶解大的不溶或不穩(wěn)定藥物分子的高潛力，如與乙酸維生素E形成絡(luò)合物以提高溶解度[21]；在生物技術(shù)中作為蛋白質(zhì)伴侶的人工伴侶添加到商業(yè)性蛋白質(zhì)復(fù)性試劑盒中[59]，即將LRCD分子中摻入清潔劑，這種洗滌劑可防止變性酶的聚集，并適當(dāng)促進蛋白質(zhì)復(fù)性；LRCD還可以用作基因遞送系統(tǒng)中的生物材料[32]。通常，商業(yè)馬鈴薯直鏈淀粉被認為是生產(chǎn)LRCD的最佳底物，然而，由于其制備困難、費時且價格昂貴，LRCD的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用受到極大束縛，同時，不同DP的LRCD的商業(yè)規(guī)模選擇性生產(chǎn)也限制了其工業(yè)實用性[60]。

圖3 部分LRCD環(huán)狀結(jié)構(gòu)模式圖[56]Fig. 3 Part of large ring cyclodextrin ring structures diagram[56]

為了擺脫LRCD在工業(yè)應(yīng)用中的限制，人們嘗試?yán)?αGT的分子內(nèi)轉(zhuǎn)糖基化活性，通過環(huán)化反應(yīng)改性淀粉產(chǎn)生LRCD，以降低LRCD生產(chǎn)成本并生產(chǎn)專門針對性的新型淀粉材料。各項研究表明，影響LRCD產(chǎn)量和DP的因素有4 個。1）底物的類型。以淀粉為底物時，直鏈淀粉含量越高[29]，支鏈淀粉長支鏈越長，LRCD產(chǎn)量越大，表明4αGT優(yōu)先使用長鏈的無支鏈葡萄糖聚合物生產(chǎn)LRCD[39]。Kuttiyawong等[21]發(fā)現(xiàn)經(jīng)4αGT改性的未加工木薯淀粉比可溶性木薯淀粉作底物產(chǎn)生的LRCD更多。但使用含直鏈淀粉和高度分支的支鏈淀粉的完整淀粉聚合物作為底物會導(dǎo)致LRCD產(chǎn)量下降[31]，且沒有支鏈淀粉脫支的LRCD產(chǎn)量僅為脫支支鏈淀粉的一半[32]，因此，對天然淀粉進行脫支預(yù)處理可能是一種有效提高LRCD產(chǎn)量的方法。以麥芽低聚糖為底物時，4αGT最小供體是麥芽糖，最小受體是葡萄糖，最小轉(zhuǎn)移單位是葡萄糖。以蔗糖為底物時，Kim等[6]聯(lián)合4αGT與淀粉蔗糖酶一鍋法合成LRCD。2）酶的種類。根據(jù)產(chǎn)生4αGT的微生物種類，可以生成不同聚合度的LRCD，如來源Thermus aquaticus的4αGT處理淀粉易產(chǎn)生DP 5的環(huán)狀葡聚糖，來自Aquifex aeolicus和Synechocystis的4αGT分別產(chǎn)生最小為DP 16和DP 22的LRCD等[24]。4αGT與其他酶聯(lián)合作用提高LRCD產(chǎn)量，Chu等[31]依次用異淀粉酶和4αGT對甘薯淀粉進行處理，得到LRCD產(chǎn)量為48.56%，與高直鏈淀粉的產(chǎn)量相當(dāng)。3）有機溶劑。4αGT在二甲基亞砜體系中反應(yīng)產(chǎn)生LRCD，相比于水體系的產(chǎn)量更大[22,30]。4）反應(yīng)時間。隨著反應(yīng)時間的延長，較小環(huán)狀分子通過耦合反應(yīng)（形成較大線性分子）和環(huán)化反應(yīng)（形成較大LRCD分子）形成更大的環(huán)狀分子，較小的LRCD分子減少，較大LRCD分子成為主要成分，LRCD產(chǎn)量下降。

2.3 慢消化淀粉

在人類營養(yǎng)學(xué)中，根據(jù)淀粉消化的速率和程度，用體外分析方法將其定量為3 個連續(xù)的組分[61]：在20 min內(nèi)消化的淀粉組分為快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS），在20～120 min之間消化的淀粉組分為緩慢消化的淀粉（slowly digestible starch，SDS），其余不會再消化的組分為抗性淀粉（resistant starch，RS）。SDS在經(jīng)過小腸時被緩慢消化，導(dǎo)致葡萄糖緩慢而長時間地釋放到血流中，即低血糖反應(yīng)，有助于控制和預(yù)防高血糖相關(guān)疾病[62]。在熱加工碳水化合物產(chǎn)品中SDS含量較少，因此通過提高SDS含量來改善食品質(zhì)量已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究人員關(guān)注的領(lǐng)域。

4αGT可以形成具有緩慢消化和抗性特性的新型支鏈淀粉簇，降低淀粉消化速率[63]，增強淀粉慢消化性能。在4αGT改性淀粉的過程中，直鏈淀粉含量降低，淀粉分子質(zhì)量降低，會有長側(cè)鏈支鏈淀粉、中等相對分子質(zhì)量的支鏈淀粉、LRCD、低聚糖以及單糖等多種組分產(chǎn)生，這些復(fù)雜的組分對淀粉的消化特性作用不一，而支鏈淀粉的回生有利于淀粉慢消化特性的形成[4]。因此，在4αGT改性的不同階段，改性淀粉的消化特性有較大的差異。Jiang Huan等[17]用4αGT改性玉米淀粉，其SDS和RS含量增加。曹旭等[44]選用較高濃度的4αGT在較短的時間改性大米淀粉，可以得到較高含量的SDS；隨著改性時間的延長，淀粉中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，而且4αGT濃度越高，其下降得越快。

3 4αGT與其他酶在淀粉改性中的作用

4αGT在淀粉改性方面的研究主要集中于對淀粉凝膠結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響，而對淀粉消化性能的影響報道尚不多見。在4αGT改性淀粉生產(chǎn)LRCD時，類似直鏈淀粉的α-1,4-葡聚糖雖然是LRCD的有利底物，但其存在溶解性低的問題，需要額外的增溶過程[20]。因此，為打破4αGT在單獨改性淀粉時產(chǎn)生的淀粉消化速率問題和LRCD底物不溶等局限性，人們嘗試將4αGT與其他酶進行協(xié)同作用以發(fā)生復(fù)合反應(yīng)達到理想效果。

3.1 分支酶

BE（EC 2.4.1.18）是淀粉或糖原生物合成中的關(guān)鍵酶之一，其催化反應(yīng)遵循α-保留型的雙置換機制，先水解供體淀粉鏈上的某一α1→4糖苷鍵，產(chǎn)生具有還原性末端的鏈段，繼而將該鏈段轉(zhuǎn)移至受體糖鏈上的葡萄糖單元的C6位置形成α1→6分支點[64-65]。它能催化3 類反應(yīng)：鏈間支化、鏈內(nèi)環(huán)化和鏈內(nèi)支化，BE反應(yīng)時，若供體鏈與受體鏈為同一條糖苷鏈，則為鏈內(nèi)轉(zhuǎn)移。若供體鏈與受體鏈為不同的糖苷鏈，則為鏈間轉(zhuǎn)移。若淀粉分支酶水解所得鏈段自身進行環(huán)化作用，則為鏈內(nèi)環(huán)化[66]。BE通過作用于淀粉的遠程結(jié)構(gòu)（即淀粉的結(jié)晶區(qū)）使得淀粉的結(jié)晶區(qū)被破壞，分子質(zhì)量減小[67]。

淀粉中的α1→6糖苷鍵比α1→4糖苷鍵的水解速率低[68]，BE通過增加α1→6糖苷鍵的數(shù)量使支鏈淀粉鏈長變短，增加淀粉溶解度并減少回生沉淀[64]，4αGT對淀粉改性可增加產(chǎn)品的耐降解性。當(dāng)二者進行雙酶催化反應(yīng)時（圖4），多糖分支增加，與天然淀粉相比，增加和重新定位的α1→6糖苷鍵具有空間位阻作用，從而抑制水解消化速率。值得關(guān)注的是，雙酶的添加順序影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，Hansen等[36]在糊化的豌豆淀粉中依次加入4αGT和BE，獲得了具有較短支鏈的改性淀粉。Sorndech等[69]按照BE→4αGT→BE的順序?qū)δ臼淼矸鄹男裕a(chǎn)生具有致密支鏈、低消化率的潛在新型可溶性α-葡聚糖，他們對蠟質(zhì)玉米淀粉與直鏈淀粉也進行相同的改性實驗，結(jié)果表明，與單獨使用BE相比，以BE→4αGT→BE進行的酶反應(yīng)可以生產(chǎn)出抗消化性更強的α-葡聚糖產(chǎn)品[5]。

圖4 4αGT和BE催化產(chǎn)生改性淀粉的示意圖Fig. 4 Schematic diagram of 4αGT and branching enzyme catalyzed to obtain modified starch

3.2 淀粉蔗糖酶

淀粉蔗糖酶（amylosucrase，AS）（EC 2.4.1.4）是利用蔗糖的葡糖基轉(zhuǎn)移酶，催化類似直鏈淀粉聚合物的α-1,4-葡聚糖的合成以及多種外源受體的轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)。在以蔗糖為唯一底物時，AS催化3 種酶促反應(yīng)：聚合、異構(gòu)化和水解反應(yīng)?？纱呋酆戏磻?yīng)是AS的獨特特征，合成僅由α1→4糖苷鍵連接的α-葡聚糖，不需要任何引物或核苷酸活化的糖（如ADP-或UDP-葡萄糖）作為前體，僅利用蔗糖中糖苷鍵的斷裂釋放的能量。同時，AS通過異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)生一定數(shù)量的蔗糖異構(gòu)體并催化水解反應(yīng)，從蔗糖中釋放葡萄糖和果糖[70]。目前，有關(guān)4αGT與AS雙酶反應(yīng)的報道較少，Kim等[6]在沒有制備合成直鏈淀粉底物的情況下，嘗試通過4αGT和AS對高可溶性蔗糖協(xié)同生物轉(zhuǎn)化合成LRCD（圖5），在同時添加4αGT與AS時，LRCD最大產(chǎn)量為9.6%，順序添加AS與4αGT時，LRCD最大產(chǎn)量為3.3%，盡管LRCD產(chǎn)量較低，但該反應(yīng)不僅簡化了LRCD的合成過程，而且解決了如何使底物可溶和可循環(huán)這一亟待解決的問題[70]。

圖5 4αGT和AS協(xié)同催化蔗糖生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)Fig. 5 Sucrose bioconversion reactions catalyzed by 4αGT and amylosucrase

4 淀粉改性在食品中的應(yīng)用

淀粉是人們?nèi)粘Ｉ钤S多食品的主要基礎(chǔ)構(gòu)成成分，如米飯、饅頭和面條等。這些食品大多數(shù)是在淀粉凝膠態(tài)下被食用，因此淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性決定著食品的品質(zhì)和口感[42]。4αGT能夠改善淀粉凝膠特性，從而對淀粉基食品品質(zhì)的提高具有積極作用。年糕是韓國最受歡迎的傳統(tǒng)食品，自古以來就在節(jié)日和盛宴上制作和享用，但是，年糕在儲存過程中淀粉的高凝沉速率會縮短其保質(zhì)期，導(dǎo)致無法以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)年糕。Seo等[7]成功地將4αGT處理過的大米淀粉用于年糕的生產(chǎn)，顯著抑制了年糕在冷藏期間的回生。在制備即煮食品時，通常干燥步驟會消耗能量并可能導(dǎo)致味道損失，而凝膠型提取物由于其容易融化的特性，對于保持某些即煮食品的品質(zhì)可能是有利的。4αGT改性淀粉粉末是潛在的凝膠劑，Jeong等[19]將咖喱粉與4αGT改性馬鈴薯熱可逆淀粉凝膠結(jié)合作為速溶湯粉的替代品。凝膠-咖喱懸浮在70 ℃的水中時，凝膠完全融化，等量的咖喱粉則沒有融化，還可以通過控制4αGT反應(yīng)時間來調(diào)節(jié)凝膠的熔融溫度，這在工業(yè)應(yīng)用中是非常有利的。

近年來，低脂食品愈發(fā)受到大眾歡迎，但在制備時很難維持傳統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)，需要使用不同脫脂成分來替代去除脂肪時損失的品質(zhì)。改性淀粉由于其低成本和賦予產(chǎn)品獨特乳脂質(zhì)地的特性而經(jīng)常包含在低脂產(chǎn)品的配方中。在蛋黃醬和低脂涂抹醬中，4αGT改性淀粉發(fā)揮脂肪替代物和乳脂狀增強劑的作用，可作為功能性產(chǎn)品開發(fā)。4αGT改性淀粉產(chǎn)生的熱可逆膠凝作用以及改性淀粉的融化可能發(fā)揮脂肪替代功能，部分結(jié)晶乳制品脂肪的融化可以替代全脂乳制品的整體奶油感。Mun等[26]將蛋黃醬脂肪與黃原膠混合后，用4αGT處理的大米淀粉糊進行部分取代，發(fā)現(xiàn)蛋黃醬的流變性、穩(wěn)定性和微觀結(jié)構(gòu)都被改變。Do等[8]用經(jīng)4αGT改性的大米淀粉、橄欖油、蛋黃和一些次要成分制成食用特性類似全脂涂抹醬的熱可逆低脂涂抹醬，嘗試使用酶促反應(yīng)改性淀粉開發(fā)一種具有與全脂人造黃油類似食用特性的食用可分散脂肪配方。

4αGT改性淀粉在凝固型酸奶和攪拌型酸奶中也有相同的作用，而且對后者效果更明顯。van der Marrel等[35]研發(fā)的ETENIATM457是4αGT改性馬鈴薯淀粉的凝膠產(chǎn)品，可增強無脂、低脂和高脂酸奶中的乳脂感并改善質(zhì)地。Alting等[71]用2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的4αGT改性馬鈴薯淀粉凝膠代替凝固型全脂酸奶中3.5%的脂肪。Kanning等[72]發(fā)現(xiàn)含1.5%脂肪和0.5% 4αGT改性馬鈴薯淀粉凝膠的攪拌型酸奶乳脂感與含3%脂肪的全脂酸奶相當(dāng)。

目前，人們對于各種糖果、口香糖和飲料的食品添加劑的需求正在增長，而4αGT在兩種健康甜味劑開發(fā)領(lǐng)域具有一定潛力。一種是越來越受糖果和飲料生產(chǎn)商歡迎的蔗糖替代品麥芽寡糖基蔗糖[73]。麥芽寡糖基蔗糖已在人類和實驗動物中得到證明，不會被變形鏈球菌利用而誘發(fā)齲齒，因此，與蔗糖相比，麥芽寡糖基蔗糖能夠減少蛀牙的發(fā)生。Saehu等[9]利用4αGT從木薯淀粉中合成了一系列麥芽寡糖基蔗糖混合物。另一種作為甜味劑被廣泛用于各種食品和飲料中的是異麥芽低聚糖（isomalto-oligosaccharide，IMO）。IMO作為結(jié)腸益生菌種群的營養(yǎng)物質(zhì)，可改善宿主健康狀態(tài)[74]。IMO的糖漿黏度低、抗結(jié)晶且甜度低，可用作糖尿病患者的替代糖，能夠改善腸道菌群或預(yù)防齲齒[75]。4αGT和α-轉(zhuǎn)葡糖苷酶分別單獨催化G3底物，前者催化產(chǎn)生含有線性麥芽低聚糖的產(chǎn)物，而后者催化產(chǎn)生短鏈IMO，有趣的是，當(dāng)結(jié)合使用4αGT和α-轉(zhuǎn)葡糖苷酶時，得到的IMO鏈長于現(xiàn)有市售IMO產(chǎn)品[76]。而Kaneko等[10]研究指出，長鏈IMO在小腸中的吸收程度要比短鏈IMO低得多，并且持續(xù)時間更長。

冷凍是保存食物最有效的方法之一，但冷凍會對食物的品質(zhì)造成一定程度的損傷，為了保護食物免于產(chǎn)生不良變化并改善冷凍產(chǎn)品的技術(shù)性能，經(jīng)常使用冷凍保護物質(zhì)，其中最有效的冷凍保護劑是碳水化合物，例如蔗糖、山梨醇、麥芽糊精等[77]，然而它們的應(yīng)用受到甜味的限制。4αGT改性的大米淀粉或米粉由于其較高的結(jié)合水的能力、低甜度、低黏度和低熱量，有可能作為冷凍食品中的低甜度冷凍保護劑來代替碳水化合物冷凍保護劑。Kim等[11]在實驗中證明含有4αGT改性米粉的面條即使在凍融循環(huán)后仍可以保持硬度、彈性和耐嚼性。

姜黃素是一種可以抗癌、抗炎和抗氧化的多酚化合物[78]，然而，由于其較低的水溶性和化學(xué)穩(wěn)定性，在食品工業(yè)中的應(yīng)用非常有限。Park等[12]用4αGT處理的大米淀粉包封姜黃素后，姜黃素的溶解度、在紫外線和不同pH值下的穩(wěn)定性以及生物利用度都有所增加，改善了姜黃素的化學(xué)穩(wěn)定性，而且可以通過改變淀粉濃度或淀粉與姜黃素的比例，在提高生物利用度的同時不增加脂肪含量。

5 淀粉改性產(chǎn)品應(yīng)用的挑戰(zhàn)

在生產(chǎn)熱可逆凝膠中使用4αGT是為明膠尋求替代品和使用凝膠化產(chǎn)品的突破。但是，在其可以用作明膠替代品之前，需要考慮一些問題。首先，在凝膠效果方面，明膠比植物來源的凝膠硬度更大，凝結(jié)速度更快，并且人體口腔含有的唾液淀粉酶會降解淀粉凝膠，影響口感。4αGT改性淀粉凝膠不透明，而明膠凝膠是完全透明的。其次，在凝膠質(zhì)地方面，通過BE作用增加的α1→6糖苷鍵雖然減緩了淀粉在溶液中的回生，但對凝膠質(zhì)地有負面影響。最后，在融化溫度方面，明膠的獨特功能是在人體溫度周圍融化，使香氣釋放達到最佳狀態(tài)[79]，而4αGT改性淀粉凝膠融化溫度較高。因此，正如Hansen等[36]指出，不管4αGT如何處理，淀粉凝膠與明膠有著很大不同，作為真正的植物來源明膠替代品，必須進一步抑制熔點。4αGT改性的熱可逆淀粉凝膠或許不一定作為明膠替代品，可視其自身特定的性質(zhì)擴展為可使用的凝膠產(chǎn)品。而且在4αGT作用不同種類淀粉制備熱可逆凝膠時，化學(xué)氧化馬鈴薯淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉凝膠質(zhì)地沒有改善，小麥淀粉凝膠質(zhì)地降低，在各項研究中對于熱可逆現(xiàn)象與淀粉結(jié)構(gòu)的關(guān)系和解釋相對較少。

在食品中，4αGT賦予蛋黃醬和低脂涂抹醬相對較高的熱可逆性，但也導(dǎo)致低脂涂抹醬熔化溫度高于市售人造黃油的熔化溫度，而且4αGT對其流變及穩(wěn)定性的改變高度依賴于油和淀粉的濃度以及黃原膠的存在，還需要進一步通過控制酶的類型、淀粉類型和反應(yīng)條件來制備具有各種質(zhì)地特性的新型改性淀粉。