《Food Chemistry》：High-level substitution slows fermentation and modulates the gut microbiota in modified starches esterified with short-chain fatty acids
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•可控制备了DS（1.0–2.5）呈梯度分布的C2–C4酯化淀粉。•酯化淀粉的V型晶体与发酵速率呈负相关。•高DS（2.5）酯化淀粉表现出温和、可控的发酵特性，pH保持稳定。•酯化淀粉实现了与rafted酰基基团相匹配的靶向短链脂肪酸（SCFA）释放。•酯化淀粉对肠道菌群具有
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可控制备了DS（1.0–2.5）呈梯度分布的C2–C4酯化淀粉。
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酯化淀粉的V型晶体与发酵速率呈负相关。
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高DS（2.5）酯化淀粉表现出温和、可控的发酵特性，pH保持稳定。
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酯化淀粉实现了与rafted酰基基团相匹配的靶向短链脂肪酸（SCFA）释放。
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酯化淀粉对肠道菌群具有正向调节作用。
引言
肠道菌群稳态对宿主健康至关重要，影响着肠道屏障功能、免疫调节和全身代谢平衡（Hou等，2022）。其结构和代谢功能的失调与多种慢性代谢性疾病的发生密切相关，包括炎症性肠病、结直肠癌、肥胖和2型糖尿病（Lavelle & Sokol, 2020）。可发酵膳食纤维，尤其是抗性淀粉（RS），作为关键碳源能够逃过上消化道消化，被结肠菌群特异性利用（Yang等，2017）。其核心益生元价值主要通过结肠发酵产生短链脂肪酸（SCFA）来实现，主要包括乙酸、丙酸和丁酸（De Vuyst & Leroy, 2011）。除了作为结肠上皮细胞的优选能量底物外，SCFA还具有多种生理功能，包括调节肠道屏障完整性、抑制慢性炎症、调控宿主糖脂代谢以及维持肠道免疫稳态，这些功能通过激活G蛋白偶联受体和抑制组蛋白去乙酰化酶来实现（Tan等，2014）。
除了可发酵性的二元分类之外，抗性淀粉的发酵速率已成为决定其生理效果的关键因素（Topping & Clifton, 2001）。快速发酵的抗性淀粉能够在大肠近端高效产生SCFA，为结肠上皮细胞提供快速能量，并迅速调节局部微生物生态（den Besten等，2013）。然而，这种快速发酵往往会导致短暂的过度产气、pH剧烈波动以及相关的胃肠不适，如腹胀和腹痛（Halmos等，2014）。此外，它还限制了SCFA益处向大肠远端的传递——该区域微生物密度更高，且与慢性肠道疾病关系密切（Ramos & Martín, 2021）。相比之下，缓慢发酵的抗性淀粉具有独特的优势：它支持SCFA在较长时间内持续释放，实现全结肠分布，并对远端肠道产生持久的营养效应（在体外条件下观察到），同时降低发酵系统中快速积气和胃肠不耐受的风险（Wang等，2024）。尽管具有这些优势，但大多数天然淀粉和传统改性抗性淀粉均表现为快速发酵特性，而关于缓慢发酵抗性淀粉的系统研究仍相对有限，凸显了对实现发酵动力学精确控制策略的迫切需求（Jiang等，2020）。
淀粉的化学酯化是一种食品级绿色改性策略，可调节其消化性和发酵行为，并已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于食品工业生产（Chen等，2011）。通过在淀粉分子的葡萄糖残基羟基上引入脂肪酸酯基团，这种改性通过空间位阻效应显著阻碍淀粉酶的结合作用，大大提高了淀粉的抗性（Zhan等，2021）。同时，接枝的脂肪酸基团可被结肠微生物脂肪酶水解并释放，成为相应SCFA的直接靶向递送载体（Zhang等，2025）。其中，基于C2–C4短链脂肪酸的乙酰化、丙酰化和丁酰化淀粉因其兼具优异的消化阻力和靶向SCFA递送性能而成为研究热点（Bodjrenou等，2025）。
脂肪酸链长和取代度（DS）被认为是决定酯化淀粉理化性质、消化阻力和发酵模式的两个核心结构参数（Bodjrenou等，2025）：链长决定酯键的酶敏感性和释放的SCFA类型，而DS直接决定取代羟基的比例、空间位阻程度和发酵阻力（Zhao等，2024）。然而，现有乙酰化、丙酰化和丁酰化淀粉研究主要集中在DS较低（<1.0）的产品上。虽然这类淀粉在一定程度上可以提高消化阻力并实现靶向SCFA递送（Bodjrenou等，2025；Zhang等，2025），但其发酵仍在大肠近端快速进行，关于发酵速率精确调控的结构策略仍有待进一步探索（Zia ud等，2017）。近期丁酰化淀粉的研究主要局限于低中DS范围和单一酰基类型分析（Sun等，2025），缺乏在高DS条件下不同酰基链长之间的系统比较。通过中高DS（>1.0，特别是DS 2.5）实现可控缓慢发酵的可行性，以及其潜在的结构决定因素和不同酰基链长下肠道菌群的系统响应，仍尚不清楚。为弥补这一空白，本研究设定DS范围为1.0–2.5，其中上限兼顾了高取代度产品的结构代表性和在肠道发酵系统中的生物学适用性。本研究旨在阐明三种SCFA酯化淀粉的结构-发酵功能关系及其肠道菌群调节效应，为理性设计具有定制化发酵动力学的酯化淀粉以用于靶向结肠健康干预提供理论基础（Zheng等，2024）。
为填补这一空白，成功合成了DS可控（1.0、2.0和2.5）的乙酸、丙酸和丁酸改性玉米淀粉。系统表征了其分子结构和理化性质，并进行相关性分析。随后采用体外肠道菌群发酵模型评估其发酵动力学，动态监测产气量、pH和SCFA浓度。聚焦于表现出最慢发酵特性的高DS（2.5）变体，进一步进行16S rRNA测序以阐明其对肠道菌群组成的调节效应。本研究的目的是阐明DS和酰基链长如何调节肠道菌群发酵行为的结构-功能关系，从而为理性设计缓慢发酵酯化淀粉以用于靶向肠道健康干预提供新的理论基础。
章节摘要
材料
玉米淀粉（食品级）购自滨州金汇玉米开发有限公司（中国滨州）。吡啶、乙酸酐、丙酸酐和丁酸酐均购自麦克林（中国上海）。0.5 M氢氧化钠和0.5 M盐酸标准溶液购自深圳化工（中国深圳）。挥发性游离酸标准品混合物（10 mM）购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。所有其他试剂均为
反应条件对酯化淀粉DS的影响及DS的可控合成
反应温度和时间、吡啶用量以及酸酐加入量是调节短链脂肪酸酯化淀粉取代度（DS）的关键参数。本研究系统考察了它们对乙酰化、丙酰化和丁酰化淀粉DS的影响。反应温度显著影响酯化效率；适当温度促进酰基与淀粉羟基之间的反应，而过高的温度
结论
本研究优化了短链脂肪酸酯化淀粉的合成参数，建立了乙酰化、丙酰化和丁酰化玉米淀粉的可控制备方法，其目标取代度（DS）分别为1.0、2.0和2.5。结构表征显示，酯化破坏了淀粉的原生氢键网络和A型结晶结构，并通过空间位阻和疏水性驱动新的V型晶体形成
作者贡献声明
许显康：原创草稿撰写、可视化、验证、形式分析、数据整理。白锦涛：调查研究、数据整理。郭启勇：审阅与编辑、调查研究。陈灵：审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得国家自然科学基金（32572507）的资助。
Xiankang Xu|Jintao Bai|Qiyong Guo|Ling Chen
