淀粉基未來食品及其制備方法研究進(jìn)展

宿玲恰， 吳 敬*

（1. 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江南大學(xué)， 江蘇無錫 214122；2. 江南大學(xué)生物工程學(xué)院， 江蘇無錫 214122）

民以食為天，食物是人類生存和發(fā)展的首要需求。 在人類文明歷程中，一直在為吃飽肚子而奮斗。自農(nóng)耕文明時(shí)期，人們從食物的采集者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)者。 中國(guó)早期的農(nóng)業(yè)格局主要表現(xiàn)為，在北方主要是種植粟的旱作農(nóng)業(yè)，在南方則是以種植水稻為主的水田農(nóng)業(yè)，此外，人們還種植了谷、黍、粱、大豆、小豆、大麻、小麥、瞿麥等多種作物[1]。 根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性好、產(chǎn)量高且穩(wěn)定、收集加工方便、耐儲(chǔ)存、易消化、口感佳、營(yíng)養(yǎng)好等需求，通過物競(jìng)?cè)藫?，逐漸形成了南稻北麥的格局，并一直流傳至今[2]。 稻麥的主要組分為淀粉（碳水化合物），占據(jù)了60%～80%的比例[3-4]。 目前，人們還常食用以淀粉組分為主的玉米、紅薯、馬鈴薯、山藥、綠豆、豌豆、燕麥等食品，通常稱這些食品為淀粉類食品。 淀粉類食品經(jīng)過加工烹飪后可直接食用，淀粉還可以進(jìn)一步被加工為各類糊精及糖漿，其結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)和風(fēng)味得到改善，廣泛用于飲料、烘焙、奶制品、罐頭、糖果、啤酒等食品工業(yè)[3，5-6]。

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展迅速，人民生活水平發(fā)生了翻天覆地的變化，也形成了一些過量飲食及高熱量飲食的習(xí)慣，造成體內(nèi)能量過剩，導(dǎo)致肥胖人數(shù)快速上升，并帶來一系列亞健康問題。 為了應(yīng)對(duì)這些問題， 我國(guó)各級(jí)相關(guān)部門提出合理膳食行動(dòng)，鼓勵(lì)全社會(huì)“減鹽、減油、減糖”。 對(duì)于“減糖”而言，應(yīng)減少蔗糖、葡萄糖、果糖等游離糖攝入量，同時(shí)還需關(guān)注隱形糖。 淀粉類食品即為一種隱形糖，因?yàn)榈矸奂捌浣到猱a(chǎn)物可被人體消化酶降解成葡萄糖[7]?！吨袊?guó)食物成分表標(biāo)準(zhǔn)版》數(shù)據(jù)顯示，淀粉類食品的升糖指數(shù)普遍較高，以標(biāo)準(zhǔn)食物葡萄糖計(jì)為100，比如大米飯（精米）為90、大米飯（糙米）為78、饅頭（富強(qiáng)粉）為88、饅頭（全麥粉）為82、麥芽糖為105等。 升糖指數(shù)還與淀粉來源、淀粉結(jié)構(gòu)和加工烹飪方法有關(guān)[8-9]。 這些升糖指數(shù)高的食物進(jìn)入腸道后消化快、吸收好，易導(dǎo)致高血糖和高血壓等問題產(chǎn)生，增加罹患肥胖、糖尿病和心血管疾病等的風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

鑒于淀粉類食品（碳水化合物）帶來的諸多問題，引發(fā)了低碳水化合物飲食的熱潮，甚至取消一切碳水化合物，以減少能量攝入量。 事實(shí)上，攝入一定量的碳水化合物對(duì)人體健康是必需的。 從生理角度來講， 人體50%的能量建議由碳水化合物提供，并且葡萄糖是大腦的主要能量來源，葡萄糖代謝的嚴(yán)格調(diào)節(jié)是大腦生理機(jī)能的關(guān)鍵[12-13]。 從心理需求來講， 自古以來人們已經(jīng)習(xí)慣于以淀粉為主食，難以接受長(zhǎng)期不吃碳水化合物的生活。

基于人類生存環(huán)境和飲食需求的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)食品行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。 為了解決食物供給、食物質(zhì)量、食品安全和營(yíng)養(yǎng)等問題，未來食品行業(yè)將開發(fā)和利用多學(xué)科前沿顛覆性技術(shù)，根據(jù)營(yíng)養(yǎng)與功能的多元化需求，實(shí)現(xiàn)未來食品高效、智能、定制化生產(chǎn)[14-15]。 淀粉基未來食品為未來食品技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，開展淀粉基未來食品科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，高效生產(chǎn)出更加營(yíng)養(yǎng)、健康、美味的新型淀粉加工食品，對(duì)我國(guó)食品工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。 目前，已有多種方法可以適當(dāng)改變淀粉類食品性質(zhì)，獲得低熱量且具有益生作用的淀粉改性產(chǎn)品。 這些產(chǎn)品主要包括抗性淀粉、環(huán)糊精、抗性糊精和低聚異麥芽糖等。 作者介紹了其生化特征和生理功能，重點(diǎn)闡述了各產(chǎn)品的制備方法，列舉和分析了相關(guān)案例，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)提出了建議。

1 抗性淀粉

抗性淀粉（resistant starch，RS）是不被健康個(gè)體小腸所吸收的淀粉及其降解物的總稱，是一種不可溶膳食纖維，存在于多種淀粉類食品中。 抗性淀粉具有許多優(yōu)良的理化特性，如溶脹性、增黏性和成膠性好、持水性低、粒徑小、顏色淺、口感舒適，可在食品加工過程中有效改善加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)[16-17]?？剐缘矸劭梢栽诖竽c中被腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸（如乳酸和琥珀酸等）以及多種氣體。抗性淀粉及其代謝產(chǎn)物能夠在人體內(nèi)發(fā)揮多種生理功能，如改善胃腸道功能、預(yù)防多種腸道疾病、防控糖尿病、降低血糖指數(shù)和膽固醇、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫、增加有益菌、促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收等，從而促進(jìn)人體健康[18-19]。 因此，抗性淀粉作為一種新型膳食纖維，其性質(zhì)和功能優(yōu)于傳統(tǒng)膳食纖維，已成為食品領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，引起了食品企業(yè)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)家和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。

根據(jù)來源和性質(zhì)差異，抗性淀粉可分為5 種類型（見表1）。 其中，RS1 和RS2 主要來源于天然淀粉，其晶體結(jié)構(gòu)緊密，并且由于顆粒大導(dǎo)致比表面積??；同時(shí)，淀粉顆粒表面的光滑致密層能夠阻礙淀粉與酶分子接觸，因此消化率低[20]。 RS3、RS4 和RS5 均需經(jīng)過淀粉加工改性生成。 RS3 是目前研究和應(yīng)用最廣泛的抗性淀粉類型，它是一種在加工過程中通過老化回生作用由直鏈淀粉形成的短直鏈晶體；RS4 是在化學(xué)作用下通過改變淀粉分子結(jié)構(gòu)或引入新的化學(xué)基團(tuán)，從而限制其被酶解并且也不能被微生物發(fā)酵利用的淀粉；RS5 是一種新型抗性淀粉，是由直鏈淀粉與脂質(zhì)結(jié)合形成的具有螺旋結(jié)構(gòu)的復(fù)合物[18，21]。

表1 抗性淀粉的分類、來源和特征[16，22]Table 1 Classification, sources and characteristics of resistant starch

抗性淀粉含量受到淀粉來源、顆粒結(jié)構(gòu)、晶體類型、直鏈淀粉和支鏈淀粉組分比例、加工工藝、儲(chǔ)存條件等多種因素的影響。 鑒于抗性淀粉優(yōu)良的功能特性和市場(chǎng)需求，越來越多的研究人員致力于通過改進(jìn)傳統(tǒng)的改性方法和技術(shù)創(chuàng)新來提高抗性淀粉產(chǎn)量，以促進(jìn)抗性淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)。 目前，抗性淀粉（主要指RS3、RS4 和RS5）主要是通過物理法、化學(xué)法、生物法的單一工藝或多種工藝組合進(jìn)行制備，通過改變分子組成和結(jié)構(gòu)，達(dá)到抗消化的作用。

RS3 可通過熱處理、擠壓處理、微波處理、超聲波處理等物理法以及淀粉脫支酶和α-淀粉酶等酶解法制備。RS3 的制備過程通常分為兩步：第一步為淀粉水化和糊化，將淀粉漿在高溫下處理使淀粉顆粒溶脹、分裂，直鏈淀粉作為一種無規(guī)則的螺旋聚合物被浸出到溶液中，淀粉脫支酶和α-淀粉酶等能夠通過部分水解淀粉聚合物促進(jìn)該過程發(fā)生；第二步淀粉回生，柔性直鏈淀粉聚合物以雙螺旋的形式重結(jié)晶，形成通過氫鍵連接的更緊密結(jié)晶結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 RS3 制備流程Fig. 1 Production process of RS3

由于RS3 主要是由直鏈淀粉老化回生生成，因此，直鏈淀粉的含量對(duì)RS3 的制備至關(guān)重要。 天然淀粉分子中主要含α-1，4 糖苷鍵和α-1，6 糖苷鍵，其中α-1，6 糖苷鍵使淀粉分子形成分支結(jié)構(gòu)。 淀粉脫支酶能夠水解分支點(diǎn)的α-1，6 糖苷鍵，產(chǎn)生直鏈淀粉。早在1986 年，Berry 等報(bào)道了在不同來源淀粉中加入淀粉脫支酶對(duì)淀粉進(jìn)行脫支處理提高了抗性淀粉含量[23]。隨后，已有大量研究考察并優(yōu)化了淀粉脫支酶處理?xiàng)l件并聯(lián)合多種工藝來進(jìn)一步提升抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見表2）。研究表明，提高加酶量和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于支鏈淀粉充分脫支，提升結(jié)晶程度和抗性淀粉含量， 如當(dāng)以糯米淀粉為底物，經(jīng)普魯蘭酶處理4 h 和24 h 時(shí)，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到30%和44%[24]。 以蠟質(zhì)高粱淀粉為底物，經(jīng)異淀粉酶處理8 h 和12 h， 抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到32.1%和74.4%[25]。 壓熱—冷卻及其重復(fù)處理、變溫循環(huán)、超聲波處理等是與淀粉脫支酶結(jié)合促進(jìn)淀粉回生和提高抗性淀粉含量的常用方法。Babu 等研究了壓熱處理、脫支時(shí)間和回生溫度對(duì)甘薯淀粉組分的影響，發(fā)現(xiàn)脫支處理21 h 和4 ℃回生24 h 后可使抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到63%[26]；Li等將小麥淀粉經(jīng)普魯蘭酶脫支處理和3 次濕熱處理后，形成了更有序的結(jié)構(gòu)，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80.50%[27]。 當(dāng)脫支后的葛根淀粉和糯米淀粉在4 ℃和-20 ℃交替溫度 （每隔24 h 變溫） 循環(huán)處理4 d后，結(jié)晶量均達(dá)到最大，分別為78.80%和82.78%，有利于生成更多的抗性淀粉[28-29]。 此外，考慮到較短的直鏈淀粉有利于分子接觸并形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，采用α-淀粉酶或β-淀粉酶對(duì)淀粉進(jìn)行一定降解可以降低聚合度，增加淀粉分子的流動(dòng)性，從而增強(qiáng)制備效果，如Zhou 等發(fā)現(xiàn)經(jīng)普魯蘭酶處理的秈稻淀粉的抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.2%，當(dāng)α-淀粉酶進(jìn)行預(yù)處理，淀粉分子鏈長(zhǎng)減小，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到47.0%[30]。

表2 淀粉脫支處理協(xié)同其他工藝制備抗性淀粉Table 2 Preparation of resistant starch by starch debranching treatment and other processes

RS4 主要是通過添加化學(xué)試劑使淀粉分子發(fā)生酯化、磷酸化、醚化、羥丙基化等作用而制得，由于化學(xué)基團(tuán)的引入，淀粉分子結(jié)構(gòu)改變，空間位阻增大，淀粉與消化酶的結(jié)合位點(diǎn)減少，抗酶解能力增強(qiáng)[41-43]。 如Sha 等采用乙?；▽?duì)早秈稻進(jìn)行化學(xué)改性，當(dāng)乙?；|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.59%～5.30%時(shí)，RS4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于53%，并且發(fā)現(xiàn)乙酰化淀粉的抗酶解性取決于淀粉顆粒的取代度和完整性[44]。 Wu 等首次采用真空、微波和紅外照射方法合成了檸檬酸酯化的芭蕉淀粉，并研究了淀粉分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和體外消化情況的變化，當(dāng)取代度達(dá)到0.273 時(shí)，耐熱性的抗性淀粉最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到86.5%[43]。 王步樞等采用檸檬酸處理甘薯淀粉，通過酯化反應(yīng)使淀粉分子交聯(lián)，以獲得檸檬酸甘薯淀粉酯，并且抗性淀粉含量隨著檸檬酸甘薯淀粉酯取代度的增加而增加，到一定程度時(shí)完全不被酶解。 同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)淀粉酯化過程中發(fā)生一定降解，聚合度降低，并且適當(dāng)取代度的檸檬酸淀粉酯白度增加[45]。 Sang 等通過在堿性條件下加入三偏磷酸鈉使小麥淀粉被磷酸化，從而得到高度交聯(lián)的淀粉，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，二淀粉單磷酸酯水平與RS4 含量正相關(guān)（R=0.96），并且與膳食總纖維水平正相關(guān)（R=0.90）[46]。 Falsafi 等也發(fā)現(xiàn)提高交聯(lián)劑三偏磷酸鈉/三聚磷酸鈉濃度、增大pH 值和運(yùn)用超聲處理能夠提高抗性淀粉含量[42]。牛博文等將紅薯淀粉進(jìn)行了醋酸酯化、羧甲基醚化以及磷酸酯交聯(lián)化，得到的3 種抗性淀粉抗酶解性均比原淀粉顯著提高，并且酯化和醚化淀粉略高于交聯(lián)淀粉[47]。 Lyu 等將甘薯淀粉經(jīng)過羧甲基化和槲皮素共價(jià)修飾，獲得了一種抗氧化性和耐熱性強(qiáng)的新型RS4-槲皮素-羧甲基甘薯淀粉酯[48]。

RS5 通常是由直鏈淀粉和脂質(zhì)形成的復(fù)合物，脂質(zhì)的烷基鏈部分包含在直鏈淀粉螺旋空腔中，而極性基團(tuán)在外部[49]。 Hasjim 等采用高直鏈玉米淀粉VII（HA7）與棕櫚酸復(fù)合制備了該種新型抗性淀粉，并采用熱處理、 異淀粉酶脫支處理以促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物形成，獲得的抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.7%，顯著高于原淀粉（35.4%），這主要?dú)w因于脫支淀粉回生和淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成[50]。 隨后，多項(xiàng)研究表明，淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物可由各種來源的淀粉制備，并且適當(dāng)水平的脫支處理可以產(chǎn)生更多長(zhǎng)度合適的線性鏈，從而促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成[51-54]。當(dāng)制備木薯、 水稻和鷹嘴豆的淀粉-月桂酸復(fù)合物時(shí)，與未脫支淀粉相比，經(jīng)普魯蘭酶脫支處理后，復(fù)合物含量增加了2～9 倍，并且隨著支鏈淀粉含量和脫支生成的短鏈比例的增加而增加[51]。 隨著脫支時(shí)間延長(zhǎng)（從2 h 到24 h），高直鏈玉米淀粉-月桂酸復(fù)合物從3.22 g/hg（以干淀粉計(jì)）增加到3.71 g/hg，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25.3%增加到45.6%[54]。 除了淀粉種類和脫支處理等影響外，不同脂質(zhì)對(duì)于復(fù)合物的形成也具有一定影響。 Okumus 等研究了棕色小扁豆淀粉和不同脂質(zhì)復(fù)合對(duì)抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在生淀粉和熟淀粉中添加脂質(zhì)均能顯著增加抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中在熟淀粉中添加氫化葵花油獲得的抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，比原淀粉增加了67.7%[55]。Lu 等研究表明，以普魯蘭酶脫支后的糯玉米淀粉與不同碳鏈長(zhǎng)度的飽和脂肪酸（C6 至C18）形成復(fù)合物時(shí)，碳原子數(shù)與復(fù)合指數(shù)值呈線性負(fù)相關(guān)（R2=0.94）。 可能是由于隨著碳鏈長(zhǎng)度增加，空間位阻增大，溶解度降低，并且脫支淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量和螺旋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度都低于直鏈淀粉，不利于碳原子數(shù)較高的飽和脂肪酸進(jìn)入淀粉空腔。 同時(shí)，與脫支淀粉相比， 復(fù)合物相對(duì)結(jié)晶度提高了2～3倍，并且與脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度呈正相關(guān)，長(zhǎng)鏈脂肪酸形成的抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)也高于短鏈脂肪酸，由己酸的33.06%增加到硬脂酸的47.43%[56]。 然而，也有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈脂肪酸更有利于與普魯蘭酶脫支后的小麥淀粉形成復(fù)合物，這可能與不同的制備工藝和淀粉來源有關(guān)[57]。

2 環(huán)糊精

環(huán)糊精是由α-1，4-糖苷鍵連接形成的環(huán)狀低聚糖。 常見的α-、β-以及γ-環(huán)糊精分別由6 個(gè)、7個(gè)或8 個(gè)葡萄糖單元組成[58]。其中，α-環(huán)糊精空腔最小，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、溶解度高、難消化等優(yōu)勢(shì)，并且還能夠預(yù)防和改善糖尿病、 調(diào)整腸胃功能、改善便秘、減肥等。 因此，α-環(huán)糊精被認(rèn)為是一種新型的膳食纖維[59-60]。

環(huán)糊精通常由環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（cyclodextrin glycosyltransferase，CGTase） 催化淀粉或其衍生物發(fā)生環(huán)化反應(yīng)（分子內(nèi)轉(zhuǎn)糖基化反應(yīng)）產(chǎn)生[61]。 根據(jù)CGTase 主產(chǎn)物類型，CGTase 可分為α-、β-及γ-CGTase，以及混合型α/β-和β/γ-CGTase[62]。然而，CGTase 的產(chǎn)物特異性差，天然來源的CGTase轉(zhuǎn)化淀粉生成的產(chǎn)物均為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的α-、β-、γ-環(huán)糊精混合物，導(dǎo)致下游分離提取成本高。 為了提高CGTase 產(chǎn)物特異性，研究者開展了CGTase 結(jié)構(gòu)解析和分子改造的工作[63]?；贑GTase 晶體結(jié)構(gòu)以及底物或底物類似物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)分析和定點(diǎn)突變研究表明，位于活性中心附近的底物結(jié)合凹槽通常存在9 個(gè)亞位點(diǎn)，分別為供體底物結(jié)合亞位點(diǎn)-7～-1 以及受體底物結(jié)合亞位點(diǎn)+1 和+2，每個(gè)亞位點(diǎn)結(jié)合一個(gè)葡萄糖單元[64-65]。 研究表明，-7、-6和-3 亞位點(diǎn)是影響CGTase 催化制備環(huán)糊精產(chǎn)物特異性的關(guān)鍵區(qū)域，相關(guān)氨基酸突變會(huì)使各環(huán)糊精生成比率發(fā)生顯著變化[66-68]。 目前已有一些α-CGTase 分子改造提升α-環(huán)糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究（見表3）。 當(dāng)?shù)孜锾擎湹姆沁€原端在CGTase 的-7或-6 亞位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，經(jīng)過環(huán)化反應(yīng)可分別生成產(chǎn)物β-環(huán)糊精或α-環(huán)糊精。 通過分子改造可減弱-7 亞位點(diǎn)糖單元與酶的相互作用， 使P. macerans CGTase 產(chǎn)β-環(huán)糊精能力降低，從而提升α-環(huán)糊精比率[68]。 -3 亞位點(diǎn)對(duì)于線性或環(huán)狀糖鏈的構(gòu)象具有顯著影響， 因此也可通過優(yōu)化-3 亞位點(diǎn)提升CGTase 的產(chǎn)物特異性。 將-3 亞位點(diǎn)Asp372 和Tyr89 進(jìn)行定點(diǎn)突變，可獲得α-環(huán)糊精產(chǎn)物比率提升的突變體，這可能與穩(wěn)定環(huán)化反應(yīng)過程中間態(tài)有關(guān)[69]。

表3 α-CGTase 分子改造提升α-環(huán)糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Molecular modification of α-CGTase to increase α-cyclodextrin mass ratio

改進(jìn)CGTase 催化工藝也是一種提高α-環(huán)糊精比率的有效手段。 根據(jù)CGTase 催化制備環(huán)糊精的過程中是否添加有機(jī)試劑，該過程可分為非溶劑控制過程和溶劑控制過程。 前者主要是基于3 種環(huán)糊精的不同溶解度進(jìn)行分離，但該法主要適用于溶解度較低的β-環(huán)糊精的制備[61]；后者是添加有機(jī)試劑，選擇性與某種環(huán)糊精形成不溶于水的復(fù)合物沉淀， 阻礙環(huán)糊精與CGTase 活性中心結(jié)合并削弱產(chǎn)物抑制效應(yīng)，促使反應(yīng)向生成特定環(huán)糊精的方向進(jìn)行，從而提高特定環(huán)糊精的產(chǎn)量[73]?？赏ㄟ^添加醇類分子作為復(fù)合劑提高α-環(huán)糊精產(chǎn)量， 如Gawande等在Klebsiella pneumonia α-CGTase 催化反應(yīng)體系中添加了體積分?jǐn)?shù)為2% 的正丁醇，α-環(huán)糊精產(chǎn)量提高了2.8 倍，α-環(huán)糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到95.6%[74]。 Li等系統(tǒng)研究了25 種醇對(duì)環(huán)糊精產(chǎn)率和環(huán)糊精配比的影響，發(fā)現(xiàn)線性一元醇對(duì)α-環(huán)糊精合成的影響大于碳原子數(shù)相近的支鏈一元醇和二醇。線性醇對(duì)α-環(huán)糊精選擇性的影響最大，大于8 個(gè)碳原子的線性飽和一元醇最能提高α-環(huán)糊精的選擇性[75]。 此外，研究者發(fā)現(xiàn)正己烷和環(huán)己烷等飽和烴試劑也可作為復(fù)合劑提升α-環(huán)糊精產(chǎn)量[76]。

CGTase 催化制備α-環(huán)糊精還存在底物轉(zhuǎn)化率低的問題，研究表明，3 種環(huán)糊精的總轉(zhuǎn)化率普遍低于60%[70，72，77]。其原因是天然淀粉底物中存在α-1，4糖苷鍵和α-1，6 糖苷鍵， 但CGTase 不能水解α-1，6-糖苷鍵，導(dǎo)致分支糊精不能被利用[78]。為了提高底物利用率，需要CGTase 與淀粉脫支酶（普魯蘭酶或異淀粉酶）進(jìn)行協(xié)同催化。 然而，由于環(huán)糊精會(huì)抑制常見淀粉脫支酶（如普魯蘭酶）的催化活性[70]，脫支與環(huán)化過程需分步進(jìn)行，第一步為淀粉脫支酶水解淀粉α-1，6 糖苷鍵， 第二步為CGTase 催化環(huán)化反應(yīng)生成環(huán)糊精。 Rendleman 采用普魯蘭酶和CGTase 分步催化制備環(huán)糊精，轉(zhuǎn)化率提升至84%，但由于淀粉脫支后的短直鏈淀粉產(chǎn)物容易形成結(jié)晶沉淀，后續(xù)的環(huán)化反應(yīng)緩慢，反應(yīng)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)天[80]。Duan 等鑒定了一種不受環(huán)糊精抑制的異淀粉酶， 當(dāng)其與α-CGTase 同步作用于淀粉制備環(huán)糊精時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到84.6%，并且由于脫支反應(yīng)產(chǎn)生的短直鏈淀粉能夠及時(shí)被α-CGTase 環(huán)化， 產(chǎn)生的結(jié)晶沉淀量有限，因此反應(yīng)周期大大縮短，只有24 h[78]。

3 抗性糊精

抗性糊精，又稱難消化糊精、異麥芽糊精、改性糊精， 是一類含有耐人體消化酶消化的α-1，6、α-1，3 和α-1，2 糖苷鍵的麥芽糊精（此處也包括可溶性α-葡聚糖），其不易被人體內(nèi)消化酶降解，能夠進(jìn)入大腸并促進(jìn)益生菌增殖； 同時(shí)它還具有水溶性好、飽腹感強(qiáng)、耐熱、耐酸、低褐變等特點(diǎn)，作為一種優(yōu)質(zhì)水溶性膳食纖維在保健品、烘焙、飲料、乳制品等行業(yè)應(yīng)用廣泛[81-82]。

抗性糊精的傳統(tǒng)制備方法主要是高溫酸解化學(xué)法，其過程為將淀粉在高溫酸性條件下處理形成含有不同鍵型的焦糊精，然后進(jìn)一步采用α-淀粉酶降解其中易消化的α-1，4 糖苷鍵，并通過色譜分離純化獲得抗性糊精產(chǎn)品[81，83]。 然而，該方法原料利用率低、能源消耗大，并且易產(chǎn)生糠醛類有害成分。 采用α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶催化制備抗性糊精能夠作為一種高效、綠色、節(jié)能、安全的替代方法，改進(jìn)抗性糊精生產(chǎn)工藝，顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)。

α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶能夠水解淀粉或麥芽糊精等糖基供體的α-1，4 糖苷鍵，然后將活化的糖基轉(zhuǎn)移到糖基受體上從而形成特異的糖苷鍵，主要包括分支酶、α-葡萄糖苷酶、麥芽糖淀粉酶、4，6-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、4，3-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶等[84-85]。 其中，4，6-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶和4，3-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶是近幾年發(fā)現(xiàn)的GH70 家族酶的新分支， 能夠分別催化生成α-1，6 和α-1，3 糖苷鍵，并且具有作用底物譜較寬、產(chǎn)物形式多樣、抗性成分及產(chǎn)率較高等優(yōu)勢(shì)[84]。

根據(jù)其產(chǎn)物類型結(jié)構(gòu)， 主要分為兩種形式，第一種是線性結(jié)構(gòu)的α-葡聚糖/低聚糖（見圖2（a）），主要由多個(gè)連續(xù)的α-1，6 糖苷鍵連接葡萄糖單元而成，其還原端含有少量α-1，4 糖苷鍵連接的葡萄糖單元[86]。由于該種產(chǎn)物α-1，6 糖苷鍵含量高，因此具有高度抗消化能力。 例如，Gangoiti 等鑒定了Exiguobacterium sibiricum 255-15 來源的酶GtfC，其能夠催化麥芽四糖到麥芽七糖以及直鏈淀粉制備的異麥芽/麥芽寡糖（isomalto/malto-oligoside，IMMO），產(chǎn)物中α-1，6 糖苷鍵的比例與底物鏈長(zhǎng)呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)以直鏈淀粉為底物時(shí)，產(chǎn)物中α-1，6 糖苷鍵的比例最高，為52%[87]。Leemhuis 等以Lactobacillus reuteri 121 GTFB 酶催化30 種不同來源的淀粉、麥芽糊精、α-葡聚糖底物制備異麥芽/麥芽多糖（isomalto/malto-polysaccharides，IMMPs），發(fā)現(xiàn)GTFB單獨(dú)催化富含直鏈淀粉且分支度低的底物時(shí)，α-1，6 糖苷鍵的比例最高， 而當(dāng)GTFB 反應(yīng)前或反應(yīng)時(shí)，底物經(jīng)過脫支處理，基本上所有底物均可被利用。 通過底物選擇、添加脫支酶、調(diào)整反應(yīng)時(shí)間和GTFB 酶濃度， 可以控制IMMP 產(chǎn)品中α-1，6 糖苷鍵的比例為0～92%[86]。

第二種是含分支結(jié)構(gòu)的α-葡聚糖 （見圖2（b）），主要是以含有1～5 個(gè)由α-1，4 糖苷鍵連接的麥芽低聚糖為結(jié)構(gòu)單元，通過α-1，6 和α-1，3 糖苷鍵連接而成，α-1，6 或α-1，3 糖苷鍵位于糖鏈末端或分支點(diǎn)[88-89]。 由于α-1，6 糖苷鍵和α-1，3 糖苷鍵不是連續(xù)出現(xiàn)的， 其含量普遍低于上述第一種產(chǎn)物。 有研究者鑒定了Azotobacter chroococcum NCIMB 8003 來源的一種新型4，6-α-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶GtfD， 其催化淀粉的產(chǎn)物為具有交替α-1，4 和α-1，6 糖苷鍵的高相對(duì)分子質(zhì)量支鏈α-葡聚糖，與Lactobacillus reuteri 葡聚糖酶以蔗糖為底物合成的產(chǎn)物非常相似[90]。隨后，鑒定了4 個(gè)GtfD 酶，并發(fā)現(xiàn)Paenibacillus beijingensis DSM 24997 來源的GtfD能夠分別合成高相對(duì)分子質(zhì)量（2.7×107）和低相對(duì)分子質(zhì)量（1.9×104）的α-葡聚糖，其α-1，4 和α-1，6糖苷鍵的比例分別為71∶29 和77∶23。 該α-葡聚糖消化性與其α-1，4 和α-1，6 糖苷鍵比例呈負(fù)相關(guān)[88]。該課題組還鑒定了Lactobacillus fermentum NCC 2970 來源的4，3-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶， 該酶為目前發(fā)現(xiàn)的惟一一個(gè)能夠催化淀粉類底物合成含α-1，3糖苷鍵的α-葡聚糖酶。當(dāng)以麥芽七糖和直鏈淀粉為底物時(shí)，產(chǎn)物中以α-1，4 糖苷鍵和α-1，3 糖苷鍵連接的葡萄糖殘基的摩爾比分別為86∶14 和81∶19[89]。

由于上述含α-1，4 和α-1，6 糖苷鍵的產(chǎn)物仍可被人體消化酶部分消化，因此，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)引入α-1，3 糖苷鍵，作為進(jìn)一步降低其消化性的有效途徑。 分支葡聚糖蔗糖酶、4，6-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶和4，3-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶同屬于GH70 家族，能夠分別以蔗糖為供體和右旋糖苷為受體引入α-1，2或α-1，3 糖苷鍵[91-92]。 有研究表明L. kunkeei DSM 12361 分支葡聚糖蔗糖酶GtfZ-CD2 還能夠以IMMP 為受體， 生成含α-1，3 糖苷鍵的α-葡聚糖（見圖2（c））。 體外消化研究結(jié)果表明，隨著α-1，3糖苷鍵比例增加，經(jīng)過修飾的IMMP 產(chǎn)物的消化率顯著降低，高支化的聚合物基本不被消化[93]。

圖2 含α-1，6 糖苷鍵的不同產(chǎn)物結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagrams of different products including α-1，6 glycosidic bonds

4 低聚異麥芽糖

低聚異麥芽糖（isomalto-oligosaccharides，IMOs）主要是以α-1，6 糖苷鍵連接的異麥芽糖、 潘糖、異麥芽三糖及異麥芽四糖等低聚糖， 具有不易被消化、甜度低、耐熱耐酸性強(qiáng)、保濕性好等特征，并且還具有促進(jìn)益生菌增殖、防齲齒、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等生理功能，已在食品行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[94-95]。

低聚異麥芽糖通常是采用α-淀粉酶、β-淀粉酶和普魯蘭酶等將淀粉部分降解后，再通過α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶催化轉(zhuǎn)苷反應(yīng)生成[94，96]。Niu 等以玉米淀粉為底物， 通過Bacillus amyloliquefaciens α-淀粉酶，barley bran β-淀粉酶、Bacillus naganoensis 普魯蘭酶和Aspergillus niger α-葡萄糖苷酶復(fù)配催化制備IMOs， 經(jīng)過反應(yīng)條件優(yōu)化，IMOs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到49.09%（以異麥芽糖、異麥芽三糖和潘糖計(jì)）[96]。 Lee等采用Bacillus stearothermophilus 麥芽糖淀粉酶和Thermotoga maritime α-葡萄糖苷酶催化液化后的玉米淀粉時(shí)，得到的IMOs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到68%[97]。 陳董力以Aspergillus niger α-葡萄糖苷酶催化麥芽糖制備IMOs 的轉(zhuǎn)化率為60%[98]。 在IMOs 組分中，異麥芽三糖為促進(jìn)雙歧桿菌增殖的主要組分，而上述方法獲得的異麥芽三糖含量較低。 易子玲提出了使用4，6-α-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶催化淀粉合成右旋糖酐，再使用異麥芽三糖右旋糖酐酶降解右旋糖酐制備IMOs 的兩步法工藝，獲得的異麥芽三糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)65.2%[99]。

5 展 望

在食品組分中，碳水化合物是人體熱量的主要來源， 淀粉基食品為食用碳水化合物的主要組分。降低淀粉基食品總熱量是防控肥胖等亞健康問題的有效膳食干預(yù)手段。 通過新型淀粉加工工藝，提高其抗消化性能，降低其熱量，從而生產(chǎn)出各類適應(yīng)于人類健康需求的新型食品。 酶是淀粉基未來食品高效生產(chǎn)的生物芯片，還需進(jìn)一步開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的催化性能更優(yōu)的淀粉加工關(guān)鍵酶，并實(shí)現(xiàn)其低成本規(guī)?；l(fā)酵制備，基于淀粉轉(zhuǎn)化過程中多組分多反應(yīng)類型特征，實(shí)現(xiàn)各種酶合理高效的復(fù)配催化應(yīng)用， 推動(dòng)淀粉基未來食品的工業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)，從而走進(jìn)消費(fèi)者的餐桌。 同時(shí)，闡明淀粉改性產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對(duì)益生功效的影響規(guī)律，并通過功能計(jì)算設(shè)計(jì)開發(fā)適合不同人群生理需求的系列產(chǎn)品，為實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)應(yīng)用指明方向，助力健康中國(guó)建設(shè)。