陳園薈，紀杭燕，邱 超，龍 杰，陳 龍*,2,，徐振林，金征宇,2

（1.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2.食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學，江蘇 無錫 214122；3.華南農業(yè)大學食品學院，廣東 廣州 510642）

淀粉是人類各種飲食中碳水化合物的主要來源，在飲食結構中占據了重要地位[1]。淀粉包含直鏈淀粉和支鏈淀粉，兩者在淀粉顆粒中的分布、含量、晶型結構等影響淀粉對消化酶的敏感性及消化速率[2]。淀粉可在胃腸道中被酶、微生物等消化水解產生葡萄糖，經吸收后轉化成血糖及能量供人體利用。淀粉的消化特性與人體健康密切相關，其消化速度也與人體許多慢性疾病有關[3]，攝入過多的淀粉類食物會導致血糖異常升高，影響血糖的平穩(wěn)，進而影響機體的代謝平衡，導致肥胖、糖尿病等一系列慢性疾病。此外，高血糖生成指數（GI）、升糖負荷（GL）碳水化合物飲食可能會使腫瘤的發(fā)病率提高[4]。

目前，慢性病、惡性腫瘤的患病人數越來越多，患病群體趨于年輕化，其治療手段除藥物治療外，合理的飲食調控也是有效的預防和輔助治療手段[5]。低熱量淀粉及其衍生物在食品中的應用能夠有效防止餐后血糖的急劇升高，同時具有飽腹感，對慢性病的預防和治療有很大促進作用[6]。

低熱量淀粉及其衍生物因具有不易被消化酶作用的結構而具有慢消化性、抗消化性，從而降低了餐后血糖水平和能量攝入量，包含慢消化淀粉、抗性淀粉、環(huán)糊精、抗性糊精等。目前，制備低熱量淀粉及其衍生物的主要方法有物理方法、化學方法、酶法等[7]。與前兩者相比，酶法制備低熱量淀粉及其衍生物具有不可替代的優(yōu)勢，如反應專一性強、副產物少、少用或不用化學試劑、安全無毒、環(huán)境友好、綠色清潔等。

作者綜述了酶法制備低熱量淀粉及其衍生物過程中的關鍵酶和關鍵技術，有助于低熱量淀粉及其衍生物的開發(fā)和利用，為后續(xù)研究提供參考。

1 低熱量淀粉的酶法制備

低熱量淀粉主要為慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。慢消化淀粉指在實驗室模擬體外消化條件（pH 5.2，溫度37 ℃），在豬胰α-淀粉酶、糖化酶、轉化酶等多種酶作用下，酶解20～120 min 時得到的淀粉營養(yǎng)片段[8]。食用慢消化淀粉后不會造成血糖的急劇升高，有助于維持血糖穩(wěn)定?？剐缘矸凼且环N兼具有可溶性纖維與不可溶性膳食纖維特性的淀粉，在人體內無法被消化，且比普通膳食纖維具有更高的生理活性[9]?？剐缘矸鄄荒鼙恍∧c消化吸收，但可以在進入大腸后作為腸道菌群的發(fā)酵底物，可定量表示為在體外消化實驗中，酶作用120 min 仍未被水解的淀粉[10]。低熱量淀粉的酶法制備有助于獲得安全、健康的淀粉基食品。

1.1 低熱量淀粉的主要制備方法

目前，酶法制備低熱量淀粉一般采用α-淀粉酶、淀粉分支酶、淀粉脫支酶等。

α-淀粉酶又稱1，4-α-D-葡聚糖水解酶（EC 3.2.1.1），能夠水解淀粉、糖原或多糖的內部α-1，4糖苷鍵[11]。淀粉分支酶（EC 2.4.1.18）是一種糖基轉移酶，能夠水解淀粉的α-1，4 糖苷鍵，然后將供體鏈以α-1，6 糖苷鍵的形式連接到受體鏈上，通過提高淀粉分子的分支度來對淀粉進行改性[12]。淀粉脫支酶可切開支鏈淀粉分支點處的α-1，6 糖苷鍵[13]。根據作用方式的不同，可將脫支酶分為直接脫支酶和間接脫支酶兩大類。在淀粉的加工過程中多采用直接脫支酶，即普魯蘭酶和異淀粉酶[14]，普魯蘭酶與異淀粉酶的作用底物不同。異淀粉酶僅作用于支鏈淀粉分子的分支點，且要求含有α-1，6 糖苷鍵的糖鏈上含有3 個以上的葡萄糖單元；普魯蘭酶可以作用在α-1，4 糖苷鍵和α-1，6 糖苷鍵，通過α-1，6 糖苷鍵連接的兩個糖鏈均至少含有兩個α-1，4 糖苷鍵連接的葡萄糖單元[15]。

酶法制備低熱量淀粉受底物濃度、酶的用量、溫度、pH、反應時間等影響。通過對制備的工藝條件進行優(yōu)化，可有效提升低熱量淀粉的產量。但是單一酶法對淀粉的改性程度有限，產品得率不高，因此在實際應用中，常采用多酶復配方法或與物理改性手段聯(lián)用進行制備，使不同方法發(fā)揮協(xié)同作用，優(yōu)勢互補，以改善淀粉基食品的品質。如利用糖基轉移酶與α-淀粉酶協(xié)作降低支鏈長度并增加支鏈密度，進而增加結晶度來降低消化性[16]。值得注意的是，采用多酶復配方法時，應充分考慮不同酶的添加順序對低熱量淀粉品質及產量的影響。歐陽夢云等[17]以微波預糊化秈米淀粉為原料，研究了超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導雙酶法中普魯蘭酶和異淀粉酶的添加順序對抗性淀粉形成的影響，表明先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶可更好促進RS3的形成。當酶法改性與物理方法改性聯(lián)用時，如微波-酶法中微波的作用條件也是重要的優(yōu)化對象。

表1為酶法改性制備低熱量淀粉的工藝條件及得率。由表1可知，酶法制備低熱量淀粉的產量不僅受工藝條件的影響，而且與原淀粉的來源、結構等密切相關，如抗性淀粉的得率與原料中直鏈淀粉含量成正比[34]。Li 等研究了直鏈淀粉含量對面包質構和消化性的影響，發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量對面包的體外消化率有重要影響[33]。這可能是因為直鏈淀粉含量高的淀粉不易溶脹和糊化，使淀粉顆粒的完整性以及致密結構的保留程度較高，從而不利于酶的作用。Utsumi 等通過抑制分支酶的活性，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉中表觀直鏈淀粉的含量隨著抗性淀粉含量的提高而提高，但并非直鏈淀粉含量越高抗性淀粉的得率就越高[35]。劉樹興等研究了直鏈淀粉含量對小麥RS3得率的影響，發(fā)現(xiàn)當直鏈淀粉的含量為85%時，抗性淀粉的得率最大，之后隨著直鏈淀粉含量的增大，RS3的得率反而下降[36]。因此，酶法制備低熱量的淀粉不僅可以通過優(yōu)化工藝條件提升得率，也可以選易生成抗性淀粉的原料作為酶法制備的底物。

表1 酶法制備低熱量淀粉的工藝條件及得率Table 1 Preparation technology and yield of low calorie starch by enzymatic methods

值得注意的是，酶法制備低熱量淀粉雖然提升了淀粉抗消化性，但其他特性會受到影響，如凍融穩(wěn)定性、凝沉穩(wěn)定性、透明度下降[37]，從而影響其在食品加工中的實際應用。

1.2 低熱量淀粉的功能及應用

酶法制備低熱量淀粉主要通過改變淀粉的結構影響其性質，進而獲得理想的功能及應用。目前，低熱量淀粉尤其是抗性淀粉在食品加工行業(yè)獲得了極大的關注，甚至在醫(yī)藥行業(yè)也備受青睞。

1）調節(jié)血糖 慢消化淀粉的攝入可使人體攝食后血糖增加緩慢，溫和作用于血糖調節(jié)系統(tǒng)，避免胰島素分泌產生較大波動，從而避免或減弱高胰島素血癥、胰島素抵抗等代謝綜合征[8，38]。抗性淀粉不能被人體小腸吸收，可明顯降低空腹血糖和餐后血糖，增加胰島素的感受性，改善胰島素抵抗，起到控制和干預糖尿病病情的作用[10，39]。低熱量淀粉因為吸收代謝慢，又能增強飽腹感等，能夠有效降低膳食中能量的攝入，調節(jié)血糖代謝水平。楊帆等在飲食中用等熱量高抗性淀粉代替普通米飯，發(fā)現(xiàn)在試驗期內受試者的平均血糖逐日下降[40]。

2）降低血脂 目前，降低血脂的常用藥對人體健康存在潛在威脅，如加重肝臟代謝負擔、心律失常、膽結石等，因此無副作用的降脂方案更具發(fā)展?jié)撃芎蛢?yōu)勢。高靜等選取了80 例代謝綜合征患者，將其隨機分為兩組，分別采用高抗性淀粉大米和普通市售大米作為主食[41]。一年后，食用高抗性淀粉大米的患者，其血糖、血脂水平得到有效降低，高密度脂蛋白水平得到提高，肥胖情況也得到改善。

低熱量淀粉對血糖、血脂的調節(jié)，也為通過飲食途徑解決肥胖問題提供了更多可能，其主要通過減少能量攝入、增加飽腹感、促進脂肪分解等達到對體重控制的目的。

3）改善腸道菌群 腸道微生物能影響人體健康和疾病的發(fā)展?？剐缘矸蹮o法在小腸中直接消化吸收，但可以經腸道微生物發(fā)酵。目前，腸道菌群相關代謝產物被認為是人體的第九大系統(tǒng)[42]，其產物中的短鏈脂肪酸是重要的代謝調節(jié)物質，它們通過抑制或殺死腸道內的有害病菌、促進有益細菌的生長和繁殖來調節(jié)腸道菌群。這些短鏈脂肪酸也具有抗炎作用，能降低結腸炎的發(fā)生率[39，43]。此外，酸性的環(huán)境也有利于Ca、Mn、Fe 等元素以無機鹽的形式被腸道吸收[44]。腸道微生物及其代謝物又能夠協(xié)同促進RS 發(fā)揮緩解代謝綜合征、抗肥胖的功能[45]。

4）提升加工食品的品質 隨著慢性病的患者逐漸年輕化，健康飲食成為一種趨勢，在日常飲食中提高膳食纖維的攝入量可以有效預防并輔助治療慢性病。作為一種具有生物活性的物質，低熱量淀粉尤其是抗性淀粉，因其糖苷鍵的定位、物理或化學因素不能被消化酶水解而表現(xiàn)出膳食纖維的特性[46]。此外，隨著對低熱量淀粉功效研究的逐步深入，發(fā)現(xiàn)其在食品加工中的應用越來越廣泛，不僅具有功能食品特性，而且對改善食品品質具有重要意義?？剐缘矸蹜迷谟驼ㄊ称分?，可以增加食品的脆性；抗性淀粉是一類益生元，將其添加在發(fā)酵乳中，可以發(fā)揮益生作用，促進乳酸菌等的生長，且其本身作為糖類大分子，可以改善發(fā)酵乳的品質[47]。慢消化淀粉因其消化緩慢的特性，可用于功能性緩釋食品的開發(fā)，如長跑運動員的碳水化合物補充劑。

5）營養(yǎng)素的包埋與緩釋 慢消化淀粉可被小腸完全消化吸收，但是消化過程比較緩慢?？剐缘矸墼谛∧c中幾乎不被消化，具有物理屏障的功能。因此，慢消化淀粉及抗性淀粉可作為營養(yǎng)因子靶向控釋載體材料，用于生物活性物質或敏感物質的保存與緩釋。比如，抗性淀粉作為一種多聚物，分子間或分子內的連接形成網狀結構，可用于腸道菌群的包裹與輸送，將其轉運至結腸。該益生菌輸送體系已應用在食品行業(yè)中，能夠有效提高產品中活菌數?？剐缘矸垡部捎糜诿舾形镔|的控釋及其穩(wěn)定性的改善[48]。

1.3 低熱量淀粉的未來發(fā)展方向

SDS、RS 顯然已經成為研究熱點，但目前的研究存在一些局限性。主要包括3 點：首先，制備技術不完善，原淀粉、酶、工藝參數等直接影響SDS 和RS 的品質、功能性質以及加工適用性。篩選天然含有較高SDS、RS 含量或有利于SDS、RS 生成的淀粉作為原料，能夠降低成本、提高產量。優(yōu)選特定來源、結構的酶處理淀粉底物，專一性、特異性生成目標產物，并對工藝條件進行優(yōu)化，有助于提升目標產物的得率和品質。其次，SDS、RS 的功能研究多處于效能評價階段，缺乏其作用規(guī)律與機制的研究，且目前其生理效應評價多采用體外測定方法，缺乏體內測定。最后，相應產品的開發(fā)滯后，大多數技術停留在實驗室階段，SDS、RS 在復雜食品體系中的加工穩(wěn)定性問題（如熱穩(wěn)定性）以及與其他食物組分的構效關系等，還有待進一步研究。未來SDS、RS的酶法制備及應用要以問題為導向，針對目前存在的不足進行改善，如改進制備技術、明確作用機理、加快產品開發(fā)等。

2 低熱量糊精的酶法制備

低熱量淀粉的衍生物主要為糊精，包含環(huán)糊精、抗性糊精等。環(huán)糊精是由α-1，4 糖苷鍵連接形成的外親水內疏水的環(huán)狀低聚糖，包含α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精以及γ-環(huán)糊精，分別由6 個、7 個或8 個葡萄糖單元組成[49]。因其特殊的環(huán)形結構和性質，其對消化酶的耐受性強，具有難消化的特點。其中，α-環(huán)糊精空腔孔徑最小，具有化學性質穩(wěn)定、溶解度高、無毒、難消化等優(yōu)勢，是一種新型的膳食纖維[50]。但由于其孔徑較小，只適合包合小分子基團，應用范圍受限；β-環(huán)糊精的孔徑適中，價格低廉，但其疏水區(qū)域有限且溶解性相對較低，限制了其應用；γ-環(huán)糊精疏水孔徑大，且其溶解性和安全性都高于α-環(huán)糊精和β-環(huán)糊精，但合成成本較高，不適合于工業(yè)上大規(guī)模生產，應用受到限制[51-52]。抗性糊精是一種低黏度水溶性膳食纖維[53]，因其不會被消化系統(tǒng)消化吸收，可作為一種低熱量成分?？剐院臒崃恐挥?.19 J/g[54]，在英國和日本等國家，抗性糊精是一種不限制攝取量的安全物質，我國衛(wèi)計委也規(guī)定抗性糊精可作為普通食品成分在各類食品中不限量添加[55]。

2.1 低熱量環(huán)糊精的主要制備方法

1）環(huán)糊精的制備 環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶（CGTase）是酶法制備環(huán)糊精的關鍵酶，通過催化淀粉及其衍生物發(fā)生環(huán)化反應 （分子內轉糖基化反應）得到環(huán)糊精[56]。CGTase 是一類多功能酶，環(huán)化反應是其特征反應，通過切割α-1，4 糖苷鍵形成中間復合物，然后催化分子內轉糖苷反應形成環(huán)糊精。根據CGTase 在制備環(huán)糊精中所獲得的主產物比例可將其分為α-CGTase、β-CGTase、γ-CGTase[57]。但是，催化活性低、特異性差等限制了CGTase 的大規(guī)模工業(yè)化應用。此外，CGTase 只能作用于α-1，4 糖苷鍵，但淀粉中含有CGTase 不能水解的α-1，6 糖苷鍵，制約了環(huán)糊精的轉化率和得率，因此在酶法制備環(huán)糊精的過程中，常常采用淀粉脫支酶與CGTase 復配的方法提升底物的利用率和目標產物的產量。其催化過程分為兩步，第一步為利用淀粉脫支酶水解α-1，6 糖苷鍵，第二步用CGTase 催化環(huán)化反應生成環(huán)糊精。

表2為酶法制備環(huán)糊精的工藝條件、轉化率及得率。由表2可知，酶法制備環(huán)糊精的溫度、pH、時間、加酶量等影響淀粉底物的轉化率和目標環(huán)糊精得率。除此之外，絡合劑、下游分離純化技術等也是影響轉化周期、淀粉底物轉化率和環(huán)糊精得率的關鍵因素。

表2 酶法制備環(huán)糊精的工藝條件、轉化率及得率Table 2 Technological conditions，conversion rate and yield of cyclodextrin prepared by enzymatic methods

在酶法制備環(huán)糊精的過程中，存在產物抑制效應，阻礙反應繼續(xù)進行，主要原因是環(huán)糊精產物與淀粉底物競爭CGTase 酶的活性位點。通過選擇合適的有機溶劑作為絡合劑，與環(huán)糊精產物結合形成復合物，能夠解除產物抑制效應，提高產量。比如醇類能與環(huán)糊精形成包合物沉淀，促進反應的進行，提高α-環(huán)糊精的轉化率[64]。劉玉青等以α-CGTase為催化劑用于馬鈴薯淀粉制備α-環(huán)糊精，并在反應體系中加入乙醇、異丙醇、正丁醇、正癸醇等有機溶劑[65]。結果表明，在反應體系中加入正癸醇時，α-環(huán)糊精的轉化率最高，且易分離提取。盧滋研究了一系列醇類對α-環(huán)糊精酶法制備的影響，發(fā)現(xiàn)一元直鏈醇對α-環(huán)糊精合成的促進效果遠高于同碳原子數的一元支鏈醇和二元醇，并且利用混合醇為絡合劑可進一步降低環(huán)糊精制備的生產成本[66]。因此，選擇合適的絡合劑是酶法制備環(huán)糊精的關鍵一步。

此外，由于CGTase 特異性差，在制備環(huán)糊精時，其產物中含有不同比例的α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精、γ-環(huán)糊精或其他雜質，為了獲得目標環(huán)糊精，需要借助柱分離系統(tǒng)等對所得產物進行分離純化。合適的絡合劑也有利于產物的分離純化。

2）抗性糊精的制備 制備抗性糊精的主要方法有高溫酸解化學法和酶法[61]，但高溫酸解化學法主要為工業(yè)制備方法，存在原料利用率低、能源消耗大、產生糠醛類有害物質等缺點。酶法制備抗性糊精作為一種高效、安全、綠色的替代方法，得以廣泛應用?？剐院蚝胁灰妆幌缸饔玫摩?1，3 糖苷鍵和α-1，2 糖苷鍵而具有抗消化性，但天然淀粉中不含或極少含上述兩種糖苷鍵。因此，在抗性糊精的酶法制備過程中，能夠產生特異糖苷鍵的轉葡糖苷酶是關鍵。比如，4，3-α-葡萄糖基轉移酶能夠催化淀粉生成不易被消化酶水解的α-1，3糖苷鍵[67]。

表3為酶法制備抗性糊精的工藝條件與得率。由表3可知，由淀粉制備焦糊精，再由焦糊精制備抗性糊精，其抗性成分的含量明顯增多，這為未來抗性糊精的制備提供了新思路。選擇合適的淀粉底物也能有效提高抗性糊精的產量。朱潔分別以蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉、高直鏈玉米淀粉為原料制備抗性糊精，發(fā)現(xiàn)高直鏈淀粉產品制備的抗性糊精含量最高[71]。由于支鏈淀粉與直鏈淀粉相比有更多的還原端且再生緩慢，因此以支鏈淀粉為底物時環(huán)糊精的產量更高[59]。

表3 酶法制備抗性糊精的工藝條件及得率Table 3 Technological conditions and yield of preparation of resistant dextrin by enzymatic methods

2.2 低熱量糊精的功能及應用

1）微膠囊 環(huán)糊精的疏水空洞內可嵌入各種疏水性有機化合物，從而形成穩(wěn)定的包合物，起到保護或者緩釋的作用。環(huán)糊精的包合性應用在食品工業(yè)中可以提取功效成分[72-73]、脫除苦味澀味[74]、保鮮[75]；應用在醫(yī)藥行業(yè)，可以提升藥物的溶解度[76-78]、穩(wěn)定性[79]和中藥成分的提取率[80]，并降低毒副作用；抗性糊精不能被消化酶水解，但可在大腸被腸道微生物利用，因此可用做營養(yǎng)素的傳遞與輸送體系，利用分子包埋和微膠囊技術，在膳食中補充人體所需的營養(yǎng)素。

2）新型膳食纖維 α-環(huán)糊精和抗性糊精均具有膳食纖維的功能特性。多攝入膳食纖維能夠有效降低血糖和血脂，輔助預防或治療慢性疾病。比如，抗性糊精能形成凝膠來阻止糖類在體內的擴散，并抑制小腸對糖類的消化吸收，改善末梢組織對胰島素的感受性，使胰島素的感受性降低，從而抑制血糖和胰島素的升高[81]。

3）提升食品品質 在乳品和肉制品中，抗性糊精可用做脂肪替代物，在口感和風味不被影響的前提下，盡可能減少脂肪的存在，制備低脂、低熱產品，且抗性糊精的高持水性有利于減少產品的脫水收縮，保持水分和風味?？剐院部捎糜诤姹菏称分?，改善食品的品質。李方華等以抗性糊精代替蔗糖制備低熱量蛋糕，結果表明，添加抗性糊精后蛋糕的色澤、表面形態(tài)、水分含量等得到改善[82]。由于環(huán)糊精可以形成包合物，因此可以用于食品中香味物質的緩釋，或者包埋功能成分，用于功能食品的開發(fā)。

4）促進礦物質的吸收 在食品中加入具有良好加工性能、穩(wěn)定性的抗性糊精可以促進礦物質的吸收。在嬰幼兒配方奶粉中加入抗性糊精可以改善嬰兒體內雙歧桿菌下降帶來的營養(yǎng)素利用率降低的問題，促進鈣、鐵、鋅等微量元素的吸收，提高營養(yǎng)素利用率[54]。

2.3 低熱量環(huán)糊精的未來發(fā)展方向

環(huán)糊精和抗性糊精在食品中尤其是飲料中應用廣泛，但仍需更加高效、安全的生產和純化方法，以獲得工業(yè)化大規(guī)模生產高質量的環(huán)糊精和抗性糊精成分，擴大其應用范圍。雖然已有研究報道環(huán)糊精和抗性糊精對人體健康有積極作用，但其具體作用機制尚未完全闡明，仍需進一步研究。此外，抗性糊精和環(huán)糊精的酶法制備過程中常常伴隨著一些副產物或雜質的生成，對目標產物的最終得率和分離純化帶來消極影響，其根源是關鍵酶的催化特異性較差。為了解決這一問題，深入研究酶的來源、結構、生物發(fā)酵條件等對催化特異性的影響，實現(xiàn)對酶的優(yōu)選和改造是關鍵，進而實現(xiàn)對酶法制備環(huán)糊精和抗性糊精的性能和產率的改善。

3 展 望

伴隨著精細化飲食的發(fā)展，慢性病患病人群逐漸擴大，低熱量飲食已經成為一種趨勢。淀粉作為膳食中主要的熱量來源，對淀粉進行酶法改性制備低熱量淀粉及其衍生物符合安全、健康、綠色的發(fā)展需求。低熱量淀粉及其衍生物因其特殊的功能正逐漸在食品、醫(yī)藥等領域應用。但是關鍵酶的篩選、制備工藝、產品得率、下游分離純化、加工穩(wěn)定性等仍存在一些不足。目前主要從原料、工藝等方面來實現(xiàn)制備過程的優(yōu)化，缺乏對高活性、專一性關鍵酶的篩選，關鍵酶的生物發(fā)酵工藝尚未成熟。此外，酶法制備低熱量淀粉及其衍生物的消化性以及生理功能特性研究多停留在體外模擬消化實驗和動物實驗階段，相應產品的開發(fā)存在滯后問題，加工過程中低熱量淀粉及其衍生物的穩(wěn)定性也值得考慮。未來應以提升產物得率和品質為導向，加強酶法制備低熱量淀粉及其衍生物的前端調控和全程控制，實現(xiàn)相關技術從實驗室走向工業(yè)化大規(guī)模應用，推動特殊食品、功能食品、健康食品的開發(fā)與利用。