酶法處理對慢消化淀粉制備及特性的研究進展*

劉俊梅，楊盼盼，王　慶，王　丹，丁　偉，樸春紅，王玉華，于寒松, 李琢偉，胡耀輝

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林　長春　130118；2 吉林醫(yī)藥學院，吉林　吉林　132013; 3 長春職業(yè)技術(shù)學院，吉林　長春,130033)

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酶法處理對慢消化淀粉制備及特性的研究進展*

劉俊梅1，楊盼盼1，王慶1，王丹2，丁偉1，樸春紅1，王玉華1，于寒松1, 李琢偉3，胡耀輝1

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2 吉林醫(yī)藥學院，吉林吉林132013; 3 長春職業(yè)技術(shù)學院，吉林長春,130033)

緩慢消化淀粉作為新型的改性淀粉具有一定保健功能和應(yīng)用前景，對一些頑固性疾病有著預(yù)防和治療的重要作用，也將是一類特殊人群的首選膳食。酶法處理作為一種重要的技術(shù)應(yīng)用于緩慢消化淀粉的制備，簡單有效、可行性強。為加深酶法制備的了解，綜述了各種酶法制備緩慢消化淀粉條件的研究，脫支、轉(zhuǎn)苷處理對淀粉的理化性質(zhì)和功能特性的影響，以及在應(yīng)用前景方面的展望。

緩慢消化淀粉；酶法處理；理化特性

淀粉是由綠色植物經(jīng)光合作用合成的葡萄糖高聚體，主要貯藏在果實、種子、塊根中，是人類膳食中必不可少的碳水化合物主要來源。淀粉作為基礎(chǔ)原料主要作用于食品、醫(yī)藥、紡織、化工等工業(yè)生產(chǎn)中。

Englyst等在模擬淀粉體外消化的條件下，根據(jù)生物的自身可利用性，將其分為3類：快速消化淀粉(Ready digestible starch，RDS)、緩慢消化淀粉(Slowly digestible starch，SDS)和抗性淀粉resistant starch，RS)。緩慢消化淀粉(SDS)指那些在小腸中能被完全消化吸收但是速度較慢的淀粉(20～120 min)，如在大部分生的谷物(蠟質(zhì)玉米、生米、生面)、豌豆等一些未經(jīng)糊化的淀粉中SDS含量較高[1]。SDS 作為一種新型的功能性食品，具有緩慢消化吸收[2]、持續(xù)釋放能量、維持餐后血糖穩(wěn)態(tài)[3]、改善餐后血糖負荷[4]，控制糖尿病患者病情降低風險[5]、控制體重降低肥胖發(fā)生率[6]、維持長時間的飽腹感保持運動員耐力[7]。

SDS的形成受很多因素的影響，時下，國外在SDS制備與加工方法的研究方面有很多專利和文獻發(fā)表，國內(nèi)市場還沒有商品級的 SDS出現(xiàn)，因此深入探尋SDS的制備方法是十分必要的。SDS的制備方法在研究的過程中占據(jù)首要地位，根據(jù)淀粉改性過程的不同原理與加工過程的差異，慢消化淀粉的制備主要有以下四種方法：物理法、化學法、酶法、復(fù)合改性。

1　酶法改性對制備SDS條件的影響

酶法改性是淀粉改性最常用的方法之一，經(jīng)過淀粉酶催化水解或轉(zhuǎn)苷作用改變淀粉內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)縮短支鏈淀粉外鏈和直鏈淀粉的長度。淀粉經(jīng)過酶法改性后，減緩淀粉老化的影響，一些特性得到改善如流變特性，消化特性，很大程度的降低了淀粉的消化速率[8]。

酶脫支處理一般采用α-淀粉酶、β-淀粉酶普、魯蘭酶或異淀粉酶來水解淀粉分子中α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵,從而破壞淀粉的結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生更多的短鏈。其中β-淀粉酶作為外切酶，將淀粉的非還原端α-1,4糖苷鍵依次切開，得到麥芽糖單位，縮短淀粉連的長度，但不能越過分支點繼續(xù)水解。葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶可以催化水解低聚麥芽糖，促進轉(zhuǎn)移反應(yīng)，形成新的α-1,6葡萄糖苷鍵，同時生成具有多分支結(jié)構(gòu)的糖苷鍵。表1為幾種酶處理淀粉獲得SDS的最優(yōu)條件及結(jié)果。

表1　酶法處理制備SDS條件優(yōu)化Table 1　Optimization of enzymatic process for preparing SDS

2　酶法處理對SDS結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響

2.1酶法處理對淀粉糊化性質(zhì)的影響

淀粉經(jīng)過脫支重結(jié)晶后的開始溫度 To、峰值溫度Tp、結(jié)束溫度Tc 以及焓值ΔH 發(fā)生了明顯的變化，表明淀粉的結(jié)晶度、結(jié)構(gòu)和分子組成都有改變[24]。其中其中 To、Tp、Tc 顯著提高，張二娟等[13]在用普魯蘭酶脫支重結(jié)晶的過程中發(fā)現(xiàn)淀粉內(nèi)部的支、直鏈淀粉分子發(fā)生交互作用，有序定向重排列，使其內(nèi)部形成緊密穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，并有晶體生成。同樣畢禮政在超聲波輔助酶法制備SDS樣品過程中也得出淀粉結(jié)構(gòu)破壞，樣品有序重排后，晶體結(jié)構(gòu)變得更加致密[14]。起始與終止溫度差Tc-To提高顯著，Tc-To的變化反映淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異程度，Tc-To越大表明差異程度越大[25]，高群玉在雙酶協(xié)同制備玉米慢消化淀粉中驗證了這一結(jié)論[23]。Cooke 等認為ΔH 主要反映的是雙螺旋結(jié)構(gòu)的熔解而不是結(jié)晶體的熔解[26]。淀粉脫支重結(jié)晶后，淀粉鏈重新排列，將以前松散的結(jié)構(gòu)變得更加緊密有序。一小部分雙螺旋部分堆積有序結(jié)晶區(qū)，淀粉內(nèi)部總雙螺旋數(shù)量比未處理前少?？娿慬11]的研究中也指出在酶解得到的SDS中樣品結(jié)晶體被破壞， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)為大部分無定型區(qū)和一小部分支鏈淀粉短鏈構(gòu)成的有序雙螺旋結(jié)構(gòu)，因此所有樣品的焓值比原淀粉小。

2.2酶法處理對淀粉粘度的影響

酶法制備得到的SDS淀粉峰值粘度降低，低谷粘度略降低，而峰值時間增長。隨著水解時間的增加淀粉乳粘度逐漸降低，當酶量增大，加快水解淀粉的速度，粘度值下降也更為迅速，測得的最終粘度值較低[22]。高群玉雙酶處理制備中表明，經(jīng)過了脫支酶的處理后，淀粉鏈長度變短，導(dǎo)致淀粉的粘度值降低，但是淀粉并沒有被完全降解，因而粘度不會消失。在制備SDS過程中有序重排淀粉分子鏈以及對熱不敏感的變化，所以峰值時間有所延長[23]。

2.3酶法處理對淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

淀粉晶體結(jié)構(gòu)的類型主要為A型、B型和C型。這是在1937年，Katz等通過淀粉顆粒的X射線衍射圖，分辨晶體結(jié)構(gòu)類型呈現(xiàn)三種特征性，A 型結(jié)構(gòu)淀粉主要由短鏈構(gòu)成，B型結(jié)構(gòu)淀粉則由長鏈構(gòu)成，C型可能為A型和B型的混合物[27]。淀粉預(yù)糊化時顆粒破裂，破壞直鏈分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，直鏈延伸，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞[28]；再經(jīng)過脫支處理、冷卻和貯存過程后，淀粉鏈相互靠近，通過氫鍵相連，相互扭曲形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，折疊最后形成新的結(jié)晶，但是通過控制重結(jié)晶的條件，這些新形成的晶體不完美，有無定型結(jié)構(gòu)混雜其中，使這些晶體不連續(xù)[29]。此外，酶脫支重結(jié)晶的過程也包括一些有一定規(guī)則但還不能形成晶體的分子鏈聚合體，這些分子鏈聚合體具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有一定的抗酶解性，這些有序的分子鏈聚合體也是影響SDS 含量的一個關(guān)鍵因素[13]。

2.4酶法處理對淀粉形貌的影響

淀粉分子酶脫支處理后，直、支鏈淀粉分子重新排列，通過氫鍵結(jié)合重結(jié)晶，互相靠攏，組成新的混合結(jié)晶束，使淀粉結(jié)構(gòu)緊密，較原淀粉更為堅硬。改變淀粉預(yù)糊化脫支重結(jié)晶的條件，使淀粉糊凝沉程度不同，可獲得不同于原淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，淀粉具有了緩慢消化的功能[13]?？娒谟闷蒸斕m酶處理淀粉時發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酶脫支等反應(yīng)后淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)消失了，表面變得光滑高密度、不規(guī)則的大片狀淀粉碎片可以被觀察到[11]。同樣在高群玉的雙酶協(xié)同處理之后也出現(xiàn)不規(guī)則的碎片狀，碎片大小約為20～50 μm[23]。隨著結(jié)晶時間的變化，淀粉碎片外形不規(guī)則，出現(xiàn)棱角且表面微孔增加。Shin等的研究表明，通過增加脫支酶濃度和降低儲藏溫度可將 RDS、SDS與 RS重組成單晶體[30]。

2.5其他

淀粉分子量經(jīng)過酶脫支處理后下降，隨著脫支時間的延長，分子變小，D 值變大分子之間差別增大[13]。碘分子與淀粉的吸附能力與淀粉分支密度有關(guān)，酶將淀粉徹底水解，產(chǎn)物的最大吸收波長藍移的越大，產(chǎn)物與碘絡(luò)合物的吸光度值則越小[31]。熊珊珊,高群玉在研究葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶的處理時間長短對淀粉-碘吸附能力的影響時，也指出吸收峰的偏移程度與 SDS 含量的變化一致[22-23]。SDS淀粉糊的凍融穩(wěn)定性降低，由于支鏈分子減少，淀粉直鏈分子間的空間位阻減小，使其易于通過氫鍵進行有序化排列而喪失水分子。 SDS淀粉糊回生、凝沉后的沉穩(wěn)性較差，原因在于溶液中的空間位阻減小，易于取向，卻不至于擴散凌亂，分子趨于有序化的定向排列[32]。

3　展　望

近些年來，隨著變性淀粉的深入研究，SDS獨特的功能特性被更多人所注意，怎樣高效的制備出SDS成為了國內(nèi)外的研究熱點。酶法制備在國內(nèi)外的文獻專利中均有報道，在理化性質(zhì)方面都有一定的分析，但研究的程度還不夠深入，例如同種方法制備不同的原料，得到的SDS功能特性是否一樣，有何差別。制備方法也都不夠成熟，暫時沒有形成真正的商業(yè)化生產(chǎn)，這樣后續(xù)的SDS的實際應(yīng)用沒有辦法更好的實現(xiàn)，真正的SDS系列保健品的開發(fā)研究需要更多的人去努力。

[1]Englyst HN,Kingman SM,Cummings JH.Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J].Eur J Clin Nutr,1992,46(Suppl 2):33-50.

[2]Benton D, Ruffin M-P, Lassel T, et al. The delivery rate of dietary carbohydrates affects cognitive performance in both rats and humans[J]. Psychopharmacology, 2003, 166: 86-90.

[3]Bj?rck I, Liljeberg H, ?stman E. Low glycaemic-indexm food[J]. British Journal of Nutrition, 2000, 83: 149S-155S.

[4]Bhattacharya K, Orton R C, Qi X, et al. A novel starch for the treatment of glycogen storage diseases[J]. Journal of Inherited Metabolic Disease, 2007, 30: 350-357.

[5]Axelsen M, Smith U. Treatment for diabetes[P]. US Patent 6316427, 2001-11-13.

[6]Livesey G.Low-glycaemic diets and health: implications for obesity[J]. Proceedings of the Nutrition Society, 2005, 64: 105-113.

[7]Burke L M, Collier G R, Hargreaves M. Glycaemic index-a new tool in sport nutrition[J]. International Journal of Sport Nutrition, 1998(8): 401-415.

[8]Elliot H B, Srinivas J, Yuan Y. Properties of Starch Subjected to Partial Gelatinization and β-Amylolysis [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(2):666-674.

[9]Guraya HS,James C,Champagne E T.Effect of enzyme concentration and storage temperature on the formation of slowly digestible starch from cooked de branched rice starch[J].Starch/St?rke,2001,53:131-139.

[10]閔偉紅,劉舟,姜宏宇,等. 酶法制備玉米緩慢消化淀粉的工藝條件優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2009(06):296-300.

[11]繆銘. 慢消化淀粉的特性及形成機理研究[D].無錫:江南大學,2009.

[12]張寶月,陳理杰,宋賢良. 小麥緩慢消化淀粉的制備工藝研究[J]. 現(xiàn)代食品科技,2012(01):91-95，103.

[13]張二娟. 慢消化淀粉的制備及性質(zhì)研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[14]畢禮政,劉鐘棟,楊永美,等. 超聲波-酶法聯(lián)用制備玉米緩慢消化淀粉研究[J]. 中國食品添加劑,2012(04):177-180.

[15]Harmeet S G.Effect of Enzyme Concentration and Storage Temperature on the Formation of Slowly Digestible Starch from Cooked Debranched Rice Starch[J]. Starch,2001,53:131-139.

[16]胡耀輝,李彩霞,樸春紅,等. 普魯蘭酶和α-淀粉酶法制備緩慢消化淀粉的比較研究[J]. 糧油加工,2010(06):69-72.

[17]張斌. 慢消化淀粉的制備、性質(zhì)及其形成機理研究[D].廣州:華南理工大學,2011.

[18]Choi HJ,ShinS I,ChungKM,et al.Structural characteristics of slowly digestible waxy sorghum starch as affected bymodification process[A].2002 IFT Annual Meeting and Food Expo[C].Anaheim,California,2002.

[19]Hamaker B R, Xian-zhong Han. Slowly digestible starch[P]. WO, 2004066955,2004-08-12.

[20]于國萍,連蓮. 利用α-淀粉酶和β-淀粉酶制備緩慢消化淀粉[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報,2011(08):1-6.

[21]Ao Z, Simsek S, Zhang G, et al. Starch with a slow digestion property produced by altering its chain length, branch density, and crystalline structure[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55: 4540-4547.

[22]熊珊珊. 酶法合成慢消化淀粉研究[D].無錫:江南大學,2012.

[23]高群玉,王琳. 雙酶協(xié)同制備玉米慢消化淀粉及其性質(zhì)研究[J]. 現(xiàn)代食品科技,2013(10):2425-2430.

[24]Hooer R Vasanthan T. Effect of heat-moisture treatment on the structure and physicochemical properties of cereal, legume and tuber starches[J]. Carbohydrates, 1999, 252:33-53.

[25]Vasanthan T., Bhatty R. Physicochemical properties of small-and large-granule starches of waxy, regular, and high-amylose barleys[J]. Cereal Chemistry, 1996, 73(2): 199-207.

[26]Cooke D, Gidley M J. Loss of crystalline and molecular order during starch gelatinization: origin of the enthalpic transition[J].Carbohydrate Research,1992, 227:103-112.

[27]Donald A M. Understanding starch structure and functionality, In Eliasson A C (ed.), Starch in food: structure, function and applications[M].Cambridge & New York: Woodhead Publishing Limited & CRC Press LLC, 2004: 156-184.

[28]Cairns P, Sun L, Morris V J, et al. Physicochemical studies using amylose as an in vitro model for resistant starch[J]. Journal of Cereal Science, 1995, 21: 37-47.

[29]Song Y, Jane J. Characterization of barley starches of waxy, normal, and high amylose varieties[J]. Carbohydrate Polymer, 2000, 41: 365-377.

[30]Shin S I, Choi H J, Chung K M, et al. Slowly digestible starch from debranched waxy sorghum starch: preparation and properties[J]. Cereal Chemistry, 2004, 81: 404-408.

[31]Waduge R., Xu S., Seetharaman K. Iodine absorption properties and its effect on the crystallinity of developing wheat starch granules[J]. Carbohydrate Polymer, 2010, 82(3): 786-794

[32]畢禮政. 復(fù)合變性制備緩慢消化淀粉研究[D].河南工業(yè)大學,2012.

Research Progress on Enzymatic Treatment for the Slow Digestion Starch Preparation and Characterization*

LIUJun-mei1,YANGPan-pan1,WANGQing1,WANGDan2,DINGWei1,PIAOChun-hong1,WANGYu-hua1,YUHan-song1，LIZhuo-wei3,HUYao-hui1

(1 College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Jilin Changchun 130118; 2 Jilin Medical College，Jilin Jilin 132013; 2 Changchun Vocational Institute of Technology, Jilin Changchun 130033, China)

Slowly digestible starch as a new type of modified starch has a health care function and application prospects for the prevention and treatment has an important role in some of the intractable disease, it will also be a special class of preferred dietary groups. Enzymatic treatment as an important technique used in the preparation of starch digestion slow, simple and effective, feasible. To deepen understanding of enzymatic preparation, various enzymatic preparation for slowly digestible starch conditions, de branching, turn glycosides treatment on the physicochemical properties and functional properties of starch, and the outlook in terms of prospects were reviewed.

slowly digestible starch; enzymatic treatment; physical and chemical properties

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(項目編號：2013 GB2B100109)。

劉俊梅(1973-)，博士，副教授，研究方向食品生物化學與功能食品。

O62

A

1001-9677(2016)08-0015-03