微生物发酵介导的淀粉改性：结构演变、机制探究、传统应用与未来前景

《Food Chemistry》：Microbial fermentation-mediated starch modification: Structural evolution, mechanistic insights, traditional application and future perspectives

　　

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  微生物发酵能够实现绿色淀粉的改性，并拓宽其应用范围。
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  经过发酵改性的淀粉具有抵抗消化和回生的潜力。
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  合成微生物群落和多组学技术可以推动发酵淀粉的生物加工技术发展。
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  将传统的发酵知识与面向未来的生物加工创新相结合。

引言

由于成本低、来源广泛、生物相容性和可生物降解性，淀粉在食品和其他行业中得到广泛应用（Wang et al., 2025; Xie et al., 2025）。然而，天然淀粉存在一些固有的局限性，如容易回生、吸水性低、剪切稳定性差、质地较弱以及粘度较低，这些因素严重限制了其工业应用（Punia Bangar et al., 2022）。通过改变淀粉的物理化学和功能特性，可以直接提升基于淀粉的食品品质（Xie et al., 2025），从而克服这些缺点。因此，开发有效的改性策略已成为研究的热点（Milanezzi & Silva, 2025）。

目前已有多种方法用于淀粉改性（图1A），包括物理方法（Magallanes-Cruz et al., 2023; Milanezzi & Silva, 2025）、化学方法（Magallanes-Cruz et al., 2023; Niu et al., 2026; Xie et al., 2025）、酶法（Guo et al., 2019; Li et al., 2020; Punia Bangar et al., 2022; Zheng & Zeng, 2025）以及生物方法（Luo et al., 2025; Park et al., 2025; Shao et al., 2025; Zhang, Hong et al., 2024）。特别是微生物发酵，它通过微生物代谢产物改变淀粉结构，是最古老的生物生产方法之一（Zhang, Wei, Zhang, et al., 2025）。这种技术结合了物理、酶法和化学改性的优点，提供了一种经济高效、安全且环保的方法（Xing et al., 2024; Xu et al., 2022）。越来越多的研究关注地域特有的主食（图1B），其中微生物既作为生物转化剂又作为天然防腐剂（Mukherjee et al., 2024）。发酵过程中产生的多种代谢产物具有复杂性和多功能性（图2A），能够改善风味、延长食品保质期并预防疾病（Deveci et al., 2023; Tamang et al., 2020）。此外，研究重点已从关注发酵面粉或食品基质的宏观质量变化，转向表征分离出的淀粉的层次结构。研究表明，发酵会侵蚀淀粉颗粒、改变孔结构和通道、降解直链淀粉和支链淀粉、重新分配支链长度、改变结晶和螺旋结构，并影响水的结合能力、糊化特性、凝胶化行为、消化率和回生过程（Gu et al., 2026; Ren et al., 2026; Zhang, Xu, Chen, et al., 2025）。不过，这些变化的方向并不具有普遍性，相对结晶度（RC）、糊化焓（ΔH）、糊化粘度、膨胀能力和凝胶模量可能会根据生物学环境和实验条件而增加、减少或呈现双相行为。

微生物对于实现可持续发展至关重要（Crowther et al., 2024）。通过对各种发酵食品的独特生物和化学成分进行科学研究，有助于将经验知识转化为经过验证的机制见解，并阐明其营养价值（Mukherjee et al., 2024）。作为主要的膳食成分，淀粉可以通过微生物发酵进行可持续改性，以提高功能性、增强能源效率并支持更环保的食品系统，尤其是利用微生物来源的成分（Maini Rekdal et al., 2024; Woern & Grossmann, 2023）。尽管之前的综述主要讨论了发酵食品、谷物淀粉的应用或一般的淀粉改性，但缺乏将微生物作用与结构演变及其对功能结果的关联进行综合分析的框架。

因此，本文综述了发酵介导的淀粉改性的最新进展，并比较了有针对性的淀粉发酵与整个淀粉基产品发酵过程中发生的淀粉改性的差异，特别是在最终产品功能方面的影响。通过将微生物种类、发酵方法、底物来源、工艺参数和微生物代谢产物与淀粉的多尺度结构、物理化学性质、消化率和功能性联系起来，本文进一步建立了解释不一致研究结果的条件依赖框架。在此基础上，我们批判性地分析了当前阻碍进一步发展的挑战，并提出了重要的未来研究方向，旨在为研究人员和工业制造商提供有价值的理论指导，以支持开发高效、可持续且精确控制的绿色淀粉改性策略。

章节摘录

参与淀粉发酵的微生物

微生物发酵是一种关键的生物技术策略，可用于改性来自多种底物的淀粉（Huang et al., 2024; Zhang, Zhu, et al., 2024）。在此过程中，微生物分解碳水化合物，产生能够改变淀粉结构和物理化学特性的酸和酶（表1），最终影响基于淀粉的食品的品质。这些效果很大程度上取决于微生物菌株、底物来源和发酵策略。

淀粉结构、物理化学性质和功能特性的变化

淀粉颗粒是一种层次结构材料，其分子架构、双螺旋结构、薄层结构、生长环、晶体区域、孔隙和外部形态相互关联（图2B）（Chi, Li, Huang, et al., 2021; Chi, Li, Zhang, et al., 2021; Tang et al., 2006）。微生物发酵在多个层面上影响淀粉的多尺度结构，从颗粒形态的宏观变化到分子结构和晶体组织的改变（Zhang, Li,

由微生物发酵驱动的淀粉生物改性机制

现代分子技术，如宏基因组学和扩增子测序，大大增强了我们对发酵系统中微生物群落组成、动态变化和功能能力的理解（Delogu et al., 2020; Sun et al., 2025）。宏基因组分析显示，在传统的甜薯淀粉生产中，乳酸菌和酵母是核心的功能微生物群（Al-Maqtari et al., 2023）。其中，乳酸杆菌

发酵介导的淀粉改性的食品应用

基于淀粉的凝胶食品在东方国家非常普遍，由于它们的质地和营养价值，这类食品非常适合各种含淀粉的食品（Wang et al., 2015）。然而，在提高整体产品质量（包括风味、保质期和健康益处）的同时，精确调控淀粉的回生过程极具挑战性。在这种情况下，微生物发酵具有独特优势。

当前面临的挑战

微生物发酵介导的淀粉改性具有巨大潜力，但其因果机制和工业再现性尚未得到充分验证。许多研究未能同时考虑微生物演替、酶活性、代谢产物和多尺度淀粉演变之间的关系，导致酸水解、酶促降解、微生物在淀粉颗粒上的附着以及淀粉链的分子重组等机制尚不明确（Bian et al., 2022; Chang

结论

微生物发酵主要通过酸性的、酶促的和代谢的作用影响淀粉的非晶区域，从而在其多尺度结构、物理化学性质、消化率和回生行为上产生条件依赖性的变化，这些变化取决于微生物种类、底物类型、发酵模式和工艺参数。本文的一个主要概念性进展是区分了针对特定成分的微生物改性与整体发酵过程中的淀粉改性。

CRediT作者贡献声明

Keke Zhang: 写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，数据整理，概念构思。Songli Wei: 调查，形式分析，数据整理。Linfeng Hu: 写作 – 审稿与编辑，资源提供。Hua Zhang: 写作 – 审稿与编辑，监督，资源协调，资金获取。Fengwei Xie: 写作 – 审稿与编辑，监督。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，作者使用了DeepL工具（https://www.deepl.com/zh/write）来检查语法并优化语言。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中原科技创新领军人才计划（254000510024）、河南省重点研发项目（231111113200）以及国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（U22A20537）的财政支持。

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