糊化对高直链淀粉玉米淀粉体外发酵的差异化影响

《Carbohydrate Polymers》：Gelatinization differentially impacts in vitro fermentation of high-amylose maize starch

　　

摘要

根据食物的热处理方式不同，膳食中部分淀粉可能在肠道上部未被完全消化，进入结肠后可供微生物发酵。本研究采用体外粪便批次发酵模型，考察不同糊化程度（DG）的高直链玉米淀粉（HAMS）的可发酵性。与原生HAMS相比，糊化HAMS在发酵前4小时产生了更多气体和酸性物质，这归因于细菌对糊化HAMS的结合力更强。在发酵终点，HAMS和糊化程度为22.8%的HAMS（DG22.8）产生了更多的丁酸，而糊化程度≥45.5%的HAMS则产生了更多的乙酸和丙酸。不同糊化程度HAMS发酵产生的短链脂肪酸（SCFA）特征与特定SCFA产生菌种的富集有关。糊化程度≥45.5%的HAMS在产气量、产酸量和微生物群组成方面没有明显差异，但与HAMS和HAMS-DG22.8相比，注意到机会致病菌（Escherichia_Shigella和Collinsella）的增殖。本研究表明，发酵底物中糊化淀粉的含量显著影响发酵行为，较高比例的糊化淀粉进入结肠发酵可能对肠道健康产生不利影响。

引言

淀粉广泛存在于许多主食中，并对人体健康发挥着重要作用。淀粉在食用前通常会经历不同的热处理（Liu等，2022），从而导致不同程度的糊化并增加其对淀粉酶水解的敏感性（Wang, Chao等，2019；Wang & Copeland，2013）。根据体外酶解速率，淀粉可分为快速消化淀粉（RDS，20分钟内水解）、慢速消化淀粉（SDS，20至120分钟内水解）和抗性淀粉（RS，120分钟后仍消化）（Englyst等，1992）。RDS在上部胃肠道中被快速消化为葡萄糖，与餐后血糖水平升高有关。因此，长期过量摄入RDS被认为会增加饮食相关慢性疾病的风险，如2型糖尿病（Brennan，2005）。相比之下，SDS和RS被认为分别有益于调节餐后血糖水平和维持肠道健康。特别是，RS经结肠细菌发酵可产生多种对宿主有益的代谢产物，包括短链脂肪酸（SCFAs）（DeMartino & Cockburn，2020）。

饮食中的糊化淀粉通常被认为在小肠中易于消化，只有相对少量的未消化或部分消化的淀粉可进入大肠（Wang & Copeland，2013）。然而，在某些条件下，部分糊化淀粉可能因小肠中消化较慢或不完整而到达结肠。这些条件可能包括上部肠道转运时间较短（Klostermann等，2024）、淀粉在食物基质中被包裹（Kraithong等，2023），或淀粉酶抑制剂的存在，如食物中的多酚类物质或糖尿病药物阿卡波糖（Zhu等，2019）。研究表明，可消化淀粉的存在可以影响RS在体外模型体系中的可发酵性。例如，回生淀粉（RS3）中的可消化淀粉被快速发酵并改变了实际RS3的可发酵性，其程度取决于RS3中RDS和RS的含量（Klostermann等，2024）。在另一项体外研究中，与未煮熟的淀粉相比，煮熟的高直链小麦淀粉（未经酶预消化）被快速发酵，产生的丁酸较少，且Prevotella和Ruminococcaceae菌的相对丰度降低（Bui等，2020）。淀粉类食品在加工或准备过程中使用的不同热和水合条件导致淀粉糊化程度不同。我们假设在某些条件下，不同糊化程度（DG）的淀粉在小肠中逃逸完全消化后进入大肠，可能对结肠内容物的发酵行为产生不同影响。然而，目前尚无关于不同糊化程度糊化淀粉在结肠中可发酵性的相关信息。

因此，本研究的目的是利用体外粪便批次发酵模型体系，确定不同糊化程度（DG）如何影响糊化淀粉的发酵行为。在不同水分和温度条件下制备的高直链玉米淀粉糊化产物直接在体外体系中发酵，不进行预先酶消化。测定产气量、产酸量和SCFA产量，并分析微生物谱。本研究提供了关于不同烹饪方式的淀粉进入大肠后如何影响结肠微生物发酵以及进而影响肠道健康的重要见解。

章节摘要

材料

高直链玉米淀粉（HAMS，Gelose 80，直链淀粉含量：78.0%）购自Penford Co., Ltd.（澳大利亚新南威尔士州）。HAMS的平均摩尔分子量（M_w）通过配备折射率（RI）和多角度激光光散射（MALLS）检测器的高性能体积排阻色谱（HPSEC）测定为1.09×10⁶ g/mol（图S1），方法参照先前报道的方法（Zhu等，2024）。果聚低聚糖（FOS）由Ingredion Co. Ltd.提供。

不同糊化程度HAMS的制备

采用指定的加热条件（表S2）获得糊化程度（DG）在22.8%至100%之间的糊化淀粉样品。相应地，焓变（ΔH）从原生HAMS（DG0）的21.1 J/g降至完全糊化HAMS（DG100）的零值。

不同糊化程度HAMS的体外消化性

糊化程度（DG）对体外发酵特性的影响被认为与HAMS的消化性有关，因此测定了不同糊化程度HAMS中RDS、SDS和RS的含量百分比（表1）。原生HAMS表现出

结论

综上所述，本研究探讨了糊化程度对HAMS体外粪便发酵的影响。随着HAMS糊化程度的增加，其快速消化淀粉和慢速消化淀粉的含量增加，而抗性淀粉的含量减少。原生HAMS和DG22.8的HAMS在发酵过程中产生的气体少于糊化程度≥45.5%的HAMS，并且产生的SCFAs组成也存在关键差异。HAMS的发酵

CRediT作者贡献声明

Qian Wang：撰写——初稿，方法论，调查研究。Shaokang Wang：撰写——审阅与编辑，指导。Simeng Li：调查研究。Jinglin Yu：撰写——审阅与编辑。Les Copeland：撰写——审阅与编辑。Shujun Wang：撰写——审阅与编辑，指导，资金获取，构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（32030084，U22A20545）提供的资金支持。

Qian Wang|Shaokang Wang|Simeng Li|Jinglin Yu|Les Copeland|Shujun Wang