酶法支链延长修饰对蜡质玉米淀粉消化特性的影响机制

Traditionally, the type III resistant starch (RS3) is produced from the expensive high amylose corn starch. Thus, its application is restricted for the high cost. It is known that amylosucrase (AS) which has the transglycosylation activity can extend the branch-chains of waxy corn starch (WCS). The yield of RS3 from the AS modified WCS can be enormously increased. However, the effect of AS modification on the digestibility of WCS is not clear by now. The aims of this project are as follows: (1) preparation of AS modified WCSs with different degrees of branch-chain elongation by control of reaction conditions; (2) characterization of molecular structure and basic physicochemical property changes of the modified WCSs by HPSEC, HPAEC, RVA, DSC, TGA and XRD, so as to reveal the intrinsic link between the structure changes and the physicochemical properties variations after enzymatic modification; (3) study of digestibility of modified WCSs by the classical in vitro digestibility analysis, and elucidation of the effect of molecular structure and physicochemical property changes on the digestion rate and digestion resistibility; (4) isolation and characterization of the resistant components, in order to establish the correlations between degrees of branch-chain elongation and digestion resistibility of WCS at the molecular level. This project will provide scientific guidance and theoretical basis for the application of green enzymatic treatment technology in starch modification.

传统方法生产3型抗性淀粉（RS3）因以高直链淀粉为原料而成本高昂，应用受限。利用淀粉蔗糖酶的转糖基活力对蜡质玉米淀粉（WCS）酶法改性后，改性WCS的RS3含量大幅增加，但是酶法支链延长修饰对WCS消化特性的影响机制目前尚不明晰。本项目拟通过控制酶反应条件制得分子支链被不同程度延长修饰的WCS；采用凝胶过滤色谱、阴离子交换色谱表征支链修饰后WCS的分子结构变化，采用快速粘度仪、差示扫描量热仪、X-射线衍射等手段研究改性后WCS的基本理化性质变化，揭示改性后WCS的分子结构变化与其理化特性变化之间的内在联系；随后采用经典体外消化法研究改性WCS的消化特性，阐明分子结构和理化性质的变化对消化速度和抗消化性能的影响；并对分离出的抗消化组分进行分子结构表征，以期在分子水平上构建WCS的支链延长修饰与其抗消化性之间的关联性。项目的顺利实施，为绿色酶处理技术在淀粉改性中的应用提供科学指导和理论依据。

研究了淀粉蔗糖酶（AS）对蜡质玉米淀粉（WCS）的修饰改性，对改性前后淀粉的基本理化性质进行了分析，并在分子水平上阐明酶法支链延长修饰对WCS消化特性的影响机制。AS的酶学性质分析结果表明：AS在中性偏碱范围内酶活较为稳定，其最适酶活pH为7.0；最适酶活温度为35℃。以WCS作为受体时，AS的支链延长反应活性要高于水解、直链合成以及异构化反应活性。以转糖基率（TR）为指标，考察了酶反应进程，结果表明：反应温度、蔗糖浓度、酶活是影响反应进程重要因素；在1%WCS常压煮沸1h、反应温度35℃、0.20 mol/L蔗糖、2800U/L酶活水平的反应条件下，酶反应过程可用对数函数拟合，其拟合所得回归方程为Y=63.819ln(X+0.905)+59.383（Y为转糖基率，X为反应时间），R2=0.986。AS的修饰改性显著延长了蜡质玉米淀粉的各个支链，同时，在反应体系出现沉淀前，AS对受体分子的每一个非还原性末端都进行接枝延长；在反应体系出现沉淀后，AS仅对暴露在颗粒表面的非还原性末端进行接枝延长。AS的修饰改性对淀粉理化性质和分子结构有着显著的影响，与A型的原淀粉相比，改性淀粉的结构更为致密，且呈现出B型结晶特性；原淀粉的分子量为11.05×107 g/mol，当TR=147%时，改性淀粉的分子量为26.64×107 g/mol；改性淀粉中Fr I（DP＞30）组分显著增加，Fr II（13＜DP＜30）和Fr III（DP＜13）组分显著减小，支链DPw由25.47（原淀粉）增加至50.27（TR=147%）；改性淀粉热力学分析表明长链有助于形成热稳定性更高的结晶结构。AS的延长修饰作用，以及修饰过后淀粉回生形成堆积致密的块状结构和B型结晶结构是形成抗性淀粉的主要原因。不同TR改性淀粉中的抗性淀粉含量的差异与淀粉颗粒中双螺旋及AS作用模式相关。淀粉酶在消化过程中优先作用于改性淀粉的无定形区。抗性组分分子结构表征表明，相对合适的链长（DP 22-32）有利于抗性淀粉的形成，同时沉淀后AS在颗粒表面所形成的极长链易被消化。