综述：淀粉来源低聚糖作为益生元在创新功能食品中的应用

《Food Research International》：Starch-derived oligosaccharides as prebiotics in innovative functional foods

　　

淀粉衍生寡糖（SDOs）是功能性食品的结构明确型益生元；连接类型、聚合度和分子构象决定SDOs的功能；酶促转糖基反应是生产功能性SDOs的关键途径；AI辅助酶工程是提升SDOs产量的策略。

**引言**

代谢紊乱的全球流行推动了功能性食品的需求（Ferreira等人，2023）。寡糖是一类低分子量的碳水化合物，聚合度（DP）在2–10的范围内通常被用于描述低DP淀粉相关寡糖。然而，精确的DP边界因各类寡糖而异。麦芽寡糖（MOSs）通常含有约3–10个α-D-吡喃葡萄糖单元，而异麦芽寡糖（IMOs）的DP范围一般在2–10左右（Ji等人，2024；Palaniappan & Emmambux，2023；Shinde & Vamkudoth，2022；Sorndech，2022）。因此，本综述主要聚焦于低DP淀粉衍生寡糖（SDOs）及其在功能性食品应用中的结构–功能关系。异麦芽酮糖在本综述中不被归类为SDO，因为它是通过蔗糖的酶促异构化产生的蔗糖衍生二糖；在相关情况下，它仅作为功能性碳水化合物或医学营养应用的外部对比参照进行讨论（Mu等人，2014）。SDOs的立体化学特征有助于决定其消化稳定性、微生物可及性和下游生理效应。IMOs富含的α-(1→6)连接模式赋予其对唾液和胰腺α-淀粉酶的抗性，这两种酶主要水解内部的α-(1→4)连接；然而，这并不意味着对小肠消化的完全抗性。小肠刷状缘α-葡萄糖苷酶，特别是蔗糖–异麦芽糖酶，能够水解异麦芽糖等含α-(1→6)连接的底物。因此，IMO的可消化性取决于DP和产品组成，较高DP的部分通常表现出较低的可消化性，更大比例的残余碳水化合物进入下肠（Amiri & Naim，2017；Kaneko等人，1992；Kaneko等人，1995；Quezada-Calvillo等人，2007）。体外肠道菌群培养研究表明，部分淀粉衍生的IMO制剂能够促进双歧杆菌和其他微生物种群的变化，以及有机酸或短链脂肪酸（SCFA）的产生（Logtenberg等人，2021；Plongbunjong等人，2017）。糖类生物转化的持续产生短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸（Dong等人，2024）。这些发现强调了SDO结构、微生物可及性与微生物代谢物产生之间的关系，为评估其在食品应用中的功能性相关性提供了机制基础。淀粉平台为制造这些下一代制剂提供了结构多样且可持续的基础（Pranoto，2022）。

结构化SDOs的工业合成依赖于酶促转糖基反应来重排天然淀粉底物。然而，野生型糖苷水解酶的催化效率往往受到热力学和结构因素的制约。在水相体系中，水作为竞争性亲核试剂，有利于水解反应而非转糖基反应，从而限制了目标寡糖的积累（Niu, Qiao等人，2017；Ojha等人，2015）。此外，天然酶相对开放的活性位点往往导致较差的区域选择性。这种糖基转移过程中的特异性缺乏会产生以不可预测的聚合度为特征的异质性混合物。这种产品不一致性增加了下游纯化的难度，并削弱了可重复生物效应所需的结构–功能一致性（Kuttiyawong等人，2015；Li等人，2016）。此外，工业淀粉液化需要较高的操作温度。然而，野生型酶通常缺乏足够的结构稳定性，导致在这些高温条件下迅速热变性（Zhou等人，2015）。

克服这些物理限制需要通过计算生物学系统地重新编程酶结构（Victorino Da Silva Amatto等人，2022）。将分子动力学模拟与量子力学/分子力学（QM/MM）计算相结合，有助于精确定位活性位点内过渡态的空间分布（Moremen & Haltiwanger，2019；Song等人，2020）。深度学习算法和基于结构的全新设计可以指导催化裂口的重塑。对关键氨基酸残基的合理操作可以改善受体定位并增加对α-(1,6)连接转糖基产物的选择性。关键在于，辅位点的重新编程解决了转糖基反应与水解反应之间的热力学冲突。在催化口袋中引入或破坏特定的氢键可以改变亲核试剂的定位并影响水解与转糖基反应的平衡。这些原子层面的变化可能减少水介导的水解反应并将反应平衡转向转糖基反应（Guo, Wang等人，2022）。同时，序列优化可产生具有增强结构刚性的工程酶变体，防止在极端加工温度下热展开（Danby & Withers，2016）。

在这些计算方法的基础上，人工智能（AI）领域的最新进展进一步拓展了酶设计策略，本综述还总结了从传统酶筛选向AI辅助设计的转变，以实现定制化的SDO生产（Tang等人，2025；Yang等人，2023；Zhou & Huang，2024）。通过评估深度学习和基于结构的方法如何应对传统生物催化限制，明确了高特异性转糖基反应的途径。这些生产进展随后在复杂的膳食基质中进行了评估，包括啤酒酿造基质，其中由黑曲霉转糖基酶介导的工序内转化在啤酒酿造过程中有效地富集了淀粉衍生寡糖（Li等人，2025；Li, Ge等人，2026）。在液体配方中，选定的SDO结构可以促进不稳定生物活性化合物对热和机械压力的包埋和保护。在固体食品基质中，选定的低聚物与直链淀粉形成氢键，从而增加糊化温度并延缓淀粉回生。在生理层面，DP和连接结构可以影响消化抗性并影响微生物可及性，但由此产生的健康效应取决于结构和配方。重要的是，支持性证据涵盖体外肠道菌群研究、细胞模型、动物研究以及数量较少的人类干预试验；本综述中区分了这些证据等级，以避免将临床前发现外推为已确立的人类效应。

**段落摘要**

**综述方法与证据综合**
本综述基于主要在Web of Science和PubMed文献数据库中进行的结构化文献检索，并辅以Google Scholar和出版平台（主要包括ScienceDirect（Elsevier）、SpringerLink和ACS Publications）的搜索。Google Scholar被用作补充搜索工具，以扩大文献覆盖范围并识别可能未被主要文献数据库轻松捕获的相关研究。

**SDOs的结构特征**
SDOs的物理化学行为和功能性应用与糖苷连接的区域特异性、DP和空间构象密切相关。本文讨论的代表性SDO类别表现出重叠但不完全相同的DP分布；因此，DP 2–10被视为主要的低DP范围，而非绝对的结构边界。这种从线性和分支链到环状结构的结构多样性，影响了其稳定性。

**天然转糖基酶的挖掘**
淀粉衍生寡糖的生物催化合成主要依赖于利用野生型糖苷水解酶（GHs）固有的水解和转移酶活性。与产生随机糖苷连接分布的化学水解不同，天然酶促途径通过多种催化机制提供了对聚合架构的区域特异性控制，便于从植物底物中精确组装功能性糖链。

**AI辅助酶发现的计算基础**
传统上，合理设计和定向进化是生物催化剂工程的主要方法。为克服经验筛选的局限性，基于结构的计算蛋白质设计提供了一种获取可靠结构参考信息的替代方法。基于物理能量函数的组合骨架组装实现了对随机突变不可及的构象状态的计算采样（Lapidoth等人，2018）。然而，这些方法……

**液体食品中的流变性、透明度和生物活性稳定**
液体食品基质的工程化要求从简单的热量甜味转向对流变性、稳定性和生理功能的精确调控。在纤维强化饮料配方中，黏度–浊度之间的权衡是一个持续的限制，功能性剂量通常会在感官透明度上做出妥协。麦芽寡糖（MOS）已作为流变性友好的纤维成分被探索用于此目的，因其独特特性被称为"隐形纤维"。

**结论与展望**
淀粉衍生寡糖（SDOs）为功能性食品开发提供了结构可调的平台。通过控制聚合度（DP）、连接区域特异性和环状拓扑结构，可以合理地调节其消化稳定性、微生物可及性、食品基质行为和生理效应。这些结构–功能关系也为使用人工智能（AI）辅助酶工程来生产具有改进特性的SDOs提供了明确的理论依据。

**生成式AI和AI辅助技术在论文制备过程中的声明**
在本工作的准备和修订过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Gemini（Google）来辅助英语语言润色和编辑修订。使用这些工具后，作者对所有AI辅助内容进行了批判性审查、编辑和核实，对照了原始文献和相关科学来源。AI工具未被用于独立的科学验证、研究数据解读、统计分析或最终科学结论。

**CRediT作者贡献声明**
刘星远：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、正式分析、数据整理。
唐佳伟：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、正式分析、数据整理。
宋晓丹：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、正式分析、数据整理。
贾熙涵：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写。
邓文军：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写。
唐梦晓：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何已知的可能影响本文报告的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了淮阴工学院自然科学研究项目（编号：25HGZ012）、西南（四川）作物基因改良与生物技术重点实验室开放基金（编号：2025ZWS001）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（编号：26CXJH6589）以及江苏省大学生创新训练计划项目（编号：X202511049470、X202511049285和X202511049250）的资助。

作者：刘星远｜唐佳伟｜宋晓丹｜贾熙涵｜邓文军｜唐梦晓｜李奥｜石豪｜谭中彪