淀粉蔗糖酶对A型、B型和C型谷物淀粉的酶促链延长作用：抗性淀粉设计的通用结构-功能规律

《Food Research International》：Enzymatic chain elongation of A-, B-, and C-type grain starches by amylosucrase: Universal structure–function rules for resistant-starch design

淀粉改性策略及其对营养功能的影响：通过系统性研究Amylosucrase对玉米、土豆、木薯等六种不同结晶类型（A/B/C型）淀粉的链延伸作用，发现该酶可显著提高抗性淀粉（RS）含量23%-57%，同时降低快速消化淀粉比例。结构分析表明，Amylosucrase通过定向延长支链（DP6-24→B2/B3型），促使A/C型结晶向B型转变，导致结晶度提升、热稳定性增强及消化性改善。本研究为功能性淀粉开发提供了普适性策略。

　　

李世阳|林玉峰|赵进|饶佳佳|Islam Shahidul|方宝晨|徐敏伟

北达科他州立大学植物科学系，美国法戈市，ND 58108

摘要

淀粉蔗糖酶是一种有前景的、环保的淀粉改性工具，能够精确控制对健康和工业应用至关重要的结构特性。本研究在一致的反应条件下，探讨了它对来自六种植物的具有A型、B型和C型结晶度的天然淀粉的影响。通过系统的酶促链延长作用，我们观察到分子结构的显著变化，特别是B₂（含有25–36个葡萄糖单元的聚合物链）和B₃（含有超过37个葡萄糖单元的聚合物链）链的富集，无论淀粉的来源如何。这些结构重构促进了部分结晶转变（A型和C型向B型转变），提高了相对结晶度，并显著改善了热性能。值得注意的是，抗性淀粉（RS）含量增加了23–57%，而快速消化的淀粉含量减少，从而增强了营养价值。相关性分析显示，RS与长链结构和较高的糊化温度呈正相关，这突显了酶处理的功能性优势。我们的发现表明，淀粉蔗糖酶作为一种一步策略，可用于工程化具有更强抗消化性和更好结构有序性的淀粉，具有广泛的应用前景。

引言

淀粉是人类饮食中的基本碳水化合物，也是食品、制药和工业应用中的关键成分（Jung等人，2022年）。它作为主要能量来源，赋予各种食品产品质地、增稠和凝胶化特性（Gebre等人，2024年）。然而，天然淀粉通常存在局限性，包括热稳定性差、易受酶水解以及功能特性有限，这些限制了其在加工食品和其他行业中的应用。快速消化淀粉的高血糖指数（GI）是一个主要问题，可能导致餐后高血糖和肥胖及2型糖尿病等代谢性疾病（Yang等人，2022年）。此外，大多数主食淀粉缺乏足够的抗性淀粉（RS），RS在小肠中无法被消化，并通过结肠发酵发挥健康膳食纤维的作用（Englyst等人，1992年）。

鉴于这些挑战，人们探索了多种淀粉改性策略来提高功能特性、改善消化性并增加RS含量，从而扩大其在食品和营养领域的应用潜力（Jiali等人，2024年；Wang等人，2019年）。传统上，物理和化学改性方法（如反复的高压灭菌-冷却循环和交联反应）能耗高且涉及合成化学物质，限制了其广泛应用，并增加了化学污染的风险（Sangwongchai等人，2024年；Woo & Seib，2002年）。相比之下，酶促改性提供了一种有效且环保的策略，可以精确控制淀粉的物理化学性质，同时增强其在食品、化妆品和制药领域的功能多样性（Zhang等人，2019年）。

最近，来自Neisseria polysaccharea的淀粉蔗糖酶（一种属于糖苷水解酶家族13（GH13）的葡萄糖基转移酶（EC 2.4.1.4）受到了越来越多的关注（MacGregor等人，2001年）。它利用蔗糖将葡萄糖基团转移到淀粉链的非还原端，促进支链延长（Roblin等人，2013年）。重组淀粉蔗糖酶已被广泛用于多种淀粉的改性，包括蜡质玉米、大米和大麦，改性后线性链的回生可能会增强淀粉的抗消化性（Kim等人，2013年；Wang等人，2019年）。

尽管淀粉蔗糖酶在淀粉改性方面具有潜力，但以往的研究仅证明了它能够延长支链淀粉的支链并改变结晶度和消化性，但这些结果是在不同类型的淀粉和不一致的酶活性及反应条件下获得的。这种方法难以区分观察到的功能改进是由于酶本身的作用还是受到这些淀粉特定组成的影响（Jung等人，2022年；Zhang等人，2017年；Zhang等人，2019年）。因此，仍需全面阐明在相同反应条件下，A型、B型和C型淀粉如何响应单步糊化后的淀粉蔗糖酶延长作用，以及其结构转变的普遍原理与来源特异性原理。此外，还需要一个连贯的框架来明确淀粉蔗糖酶引起的改性如何影响不同类型淀粉的热稳定性、分子组织和消化性。我们假设统一的单步淀粉蔗糖酶处理将选择性地延长A型、B型和C型淀粉的短外部支链淀粉（DP 6–24），使其转化为更长的B₂/B₃链——从而推动这三种结晶形式向共同的B型结构转变。这种重塑将稳定双螺旋结构，提高糊化温度，并一致地增加抗性淀粉含量，同时减少不同植物来源的快速消化部分。

在这项研究中，我们系统地研究了淀粉蔗糖酶对来自六种具有不同结晶类型（A型、B型和C型）的淀粉的影响，重点关注链长分布、结晶度和分子组织的变化，以及这些变化对热稳定性和体外消化性的影响。通过系统分析这些参数，本研究旨在建立酶促链延长、淀粉结构重组和消化抗性之间的明确关联，为增强淀粉功能提供见解，并支持开发用于功能性食品、膳食纤维富集和工业应用的定制淀粉基成分。

材料

材料

使用的商业淀粉包括：玉米淀粉（Onuva LLC，B0C23VSGH3，纯度>98%，直链淀粉含量11.74±1.92%），马铃薯淀粉（Judee's LLC，B00D39204O，纯度>98%，直链淀粉含量18.46±3.24%），木薯淀粉（Crop by pop LLC，B0CWPV8KPV，纯度>98%，直链淀粉含量11.75±0.95%），绿豆淀粉（Season LLC，B086RJRF39，纯度>98%，直链淀粉含量25.92±1.07%），以及红薯淀粉（Imperial Taste LLC，B007XXP9BC，纯度>98%，直链淀粉含量16.21±2.43%）

淀粉蔗糖酶介导的淀粉改性

如图S1a所示，纯化的重组淀粉蔗糖酶的分子量为72 kDa，与先前研究中基于氨基酸序列计算出的72,787 kDa一致（Park等人，2018年）。纯化淀粉蔗糖酶的活性为69.15单位/mg。如图S1b所示，淀粉蔗糖酶表现出Michaelis-Menten行为，相应地计算出了V_max和K_m值。

结论

总之，我们的研究表明，淀粉蔗糖酶改性是一种强大且通用的策略，可以增强淀粉的营养功能。淀粉蔗糖酶显著延长了来自玉米、小麦、马铃薯、木薯和红薯的天然淀粉中支链淀粉分子的链长，从而增加了抗性淀粉的含量并提高了对淀粉酶水解的抵抗力。然而，结构重组的程度取决于淀粉的类型：

CRediT作者贡献声明

李世阳：撰写——原始草稿，可视化，实验研究。林玉峰：软件处理。赵进：资源获取，正式分析。饶佳佳：资源获取。Islam Shahidul：资源获取。方宝晨：方法论设计。徐敏伟：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，数据整理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了农业实验站（AES）Hatch项目ND 02248的支持。作者感谢国家科学基金会（NSF）为购买本研究使用的仪器提供的资金支持。

作者感谢美国农业部（USDA）的Arun Rajamohan博士提供DSC仪器支持，这对热分析实验至关重要。