末端缩短麦芽糊精的分子结构对其消化性和加工性能的影响

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Impact of molecular structure on the digestibility and processing performance of terminally shortened maltodextrins

　　

摘要

酶法改性在有效增强麦芽糊精的功能特性以满足食品和工业领域的应用需求方面具有广阔前景。本研究通过多次β-淀粉酶水解制备了末端缩短麦芽糊精（TSMD），相较于β-极限糊精和普通麦芽糊精，TSMD表现出快速消化淀粉比例降低、溶解速率更快、黏度更低，并且在4°C储存30天后仍保持透明性。增加α-淀粉酶的用量可进一步提升TSMD的性能。结构分析表明，TSMD具有低分子量、β-淀粉酶水解速率降低、α-1,6糖苷键相对比例高以及大量短链链段。致密的短链簇阻碍了消化酶的结合，从而降低了TSMD的可消化性。同时，低聚合度的短链结构削弱了分子间相互作用，导致更快的溶解和更低的黏度。此外，由于外链无法形成双螺旋结构，TSMD的透明稳定性得到了增强。综上所述，本研究阐明了TSMD的结构-功能关系，表明其具有作为连接食品加工业中营养需求与技术需求的通用原料的潜力。

引言

麦芽糊精是葡萄糖值（DE）低于20的淀粉水解产物，包含从寡糖到多糖的多种糖类。麦芽糊精通过淀粉的酶解或酸解制备，包含直链淀粉和支链淀粉的降解产物。这些葡萄糖聚合物主要由α-1,4-糖苷键连接，分支点由α-1,6-糖苷键提供（Zheng等，2025）。麦芽糊精被认定为食品应用安全（GRAS编号21 CFR 184.1444），并广泛用作质构改良剂、胶凝剂、脂肪替代品、体积增强剂、细胞保护剂和包装基质以延长产品保质期（Saavedra-Leos等，2015；Takeiti等，2010）。麦芽糊精的性质主要由水解程度决定，应用标准以不同的DE值定义。不同DE值的麦芽糊精表现出不同的物理化学性质，包括吸湿性、渗透压和黏度。值得注意的是，其稳定性和溶解性受高分子量组分控制，而黏度、结晶性和甜度主要受低分子量组分影响。

需要认识到麦芽糊精的局限性。由于长线性链和分支链的再缔合与回生作用，麦芽糊精溶液在储存过程中状态往往不稳定（Karl，2017；You等，2023）。此外，麦芽糊精可被人胰α-淀粉酶快速消化，因此不适合作为糖尿病患者的饮食，因为会升高血糖水平并破坏葡萄糖稳态（Yusraini等，2013）。这些缺陷可能限制麦芽糊精的工业应用。采用各种改性技术来改善麦芽糊精的物理化学性质，其中化学和酶法是最常见的。化学改性通过一系列化学反应（包括酯化（Park & Walsh，2019；Udomrati等，2020）、交联（Zheng等，2007）和醚化（Zheng等，2013））来增强麦芽糊精的性质、稳定性和可消化性。然而，化学改性会产生大量废水，导致环境污染和潜在的健康风险。另一方面，酶法改性提供了一种有前景且环保的替代方案，能够生产"清洁标签原料"。该过程涉及使用特定酶对淀粉进行受控水解，从而生产具有特定结构和所需性质的麦芽糊精。

β-淀粉酶（EC 3.2.1.2）是一种外切酶，从糖原或淀粉的非还原性末端依次切断α-1,4-糖苷键，顺序释放麦芽糖（Xu等，2025）。当β-淀粉酶作用于直链淀粉时，主要将直链淀粉转化为麦芽糖或麦芽三糖；而作用于支链淀粉时，则产生麦芽糖和β-极限糊精（LD；Tester & Qi，2011）。然而，我们的初步研究发现，传统单步水解所得LD的β-淀粉酶水解率约为20%（结果见第3.3.4节），表明外链中大量的葡萄糖单元未被水解。传统单步酶解工艺的水解不充分，未能解决改性麦芽糊精固有的溶解时间过长和快速消化等缺陷。

基于上述研究空白，本研究提出核心假设：多阶段循环β-淀粉酶水解可以截短LD的残余长外链，制备末端缩短麦芽糊精（TSMD）。所得短分支结构增强了储存稳定性，实现了快速溶解并降低了酶促消化性。本研究的创新主要体现在三个方面。首先，不同于传统单步β-淀粉酶水解模型的水解效率低和链截短不完全，本研究采用多阶段酶解策略，实现了LD残余链的充分末端水解，突破了传统单酶反应制备改性麦芽糊精的结构局限。其次，本研究制备了一种具有高支化密度和均匀缩短外链的新型TSMD，克服了原粮和单步改性麦芽糊精的不良性能缺陷。第三，本研究系统表征了TSMD的精细分子结构和物理化学性质，阐明了改性麦芽糊精的内在结构-性质关系。这些发现可能为设计具有定制结构和理想性质的麦芽糊精以用于潜在工业应用提供重要指导。

章节摘要

材料

木薯淀粉（淀粉含量：87.5%；水分含量：11.5%；灰分含量≤0.2%；纯度>99%）购自泰国华亿国际贸易有限公司（中国上海）。普通麦芽糊精（MD；DE 6）购自罗盖特兄弟公司（法国莱斯特尔姆）。大麦来源的β-淀粉酶（10⁶ U/mL）购自烟台美特生物科技有限公司（山东），热稳定α-淀粉酶（来自地衣芽孢杆菌，2 × 10⁴ U/mL）购自江苏博利生物制品有限公司（江苏）。

多步β-淀粉酶解降低了TSMD的可消化性

Englyst测定法是评估淀粉体外消化性的经典技术，根据模拟胃肠模型中的葡萄糖释放动力学，将淀粉分为快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）（Englyst等，1992）。然而，淀粉水解遵循伪一级反应，表观水解率随着消化过程中底物的逐渐消耗而自然下降。因此，研究者提出采用动力学模型进行定量化和合理化的

结论

淀粉经多次β-淀粉酶水解后，与MD和LD相比，其体外消化性显著降低，溶解时间和溶液黏度也明显降低。增加热稳定α-淀粉酶的用量可进一步增强这些优势。所得TSMD表现出低分子量、短外链和高α-1,6糖苷键相对比例。TSMD的结构特征可能共同阻碍了消化酶的作用，

CRediT作者贡献声明

许佳鑫：原稿撰写、方法论、调查研究。孔昊存：审阅与编辑、验证、监督。李丹阳：数据管理、概念构思。李才明：可视化、软件、形式化分析。顾正彪：资源获取、项目管理。李兆丰：审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的财务利益或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。

致谢

本研究获得国家重点研发计划（2022YFF1100600/2022YFF1100605）、国家自然科学基金（编号32472281和32302011）以及江南大学食品科学与资源国家重点实验室研究计划（编号SKLF-ZZA-202404）的资助。

许佳鑫|孔昊存|李丹阳|李才明|顾正彪|李兆丰

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡214122