酶法改性淀粉颗粒的研究进展

翟一潭，柏玉香，李晓晓，王 禹，邱立忠，卞希良，金征宇,

（1.江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，食品安全与营养协同创新中心，食品安全国际联合实验室，江苏 无锡 214122；2.诸城兴贸玉米开发有限公司，山东 潍坊 262200）

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子化合物[1]，目前主流的商品淀粉按照来源可以分为谷物淀粉、豆类淀粉和根茎类淀粉3 类[2]。直链淀粉和支链淀粉是淀粉的两种主要组成成分，淀粉的来源和品种不同，其直链淀粉含量也不同[3-4]。自然界中也存在一些几乎全部由支链淀粉组成的淀粉，即蜡质淀粉[5]。作为一种重要的可再生和环境友好型资源，淀粉及其衍生物在食品、纺织、造纸、制药、塑料、黏合剂等行业均有广泛的应用[6]。然而，由于淀粉自身存在一定的缺陷，如不溶于水、糊化温度过高、糊化后易回生等，极大地限制了其在工业中的应用[7]，因此，对淀粉的改性研究具有重大意义。

常规的物理或化学变性均属于颗粒改性，而酶法改性往往需要糊化体系。近年来，淀粉颗粒的酶法改性随着酶开发和应用技术的发展逐步得到重视。淀粉颗粒的酶法改性具备4 个特点：1）真实反映食品加工过程中酶对淀粉的作用情况。通常情况下，酶在食品体系中对淀粉的作用均是在颗粒状态下进行。如面包改良剂中的α-淀粉酶[8]就是在面团中对小麦淀粉颗粒进行修饰后从而提高面包的品质。2）为非糊化处理，在改性淀粉同时保留了颗粒的糊化特性。改性后的淀粉以颗粒形式存在，大部分结晶结构没有受到影响，仍然保留了糊化过程中的各种性质（如黏度特性等）。3）针对性地改造淀粉特定区域，赋予淀粉独特特性。大部分酶只能作用于颗粒的非结晶区，对结晶区影响很小。使用不同来源和功能的酶可以赋予改性淀粉不同的功能属性。4）节约能源，不经过糊化即可得到产物。基于此，研究酶法改性颗粒淀粉具有重要意义。本文将围绕淀粉颗粒酶法改性的研究进展，对淀粉颗粒酶法改性中的水解酶类及其表征方法等方面进行系统性论述，以期对酶法改性淀粉颗粒研究提供参考。

1 淀粉颗粒分子结构和形态特征

1.1 淀粉颗粒分子结构

天然淀粉以颗粒的形式贮存于植物的各个器官中，主要由直链淀粉和支链淀粉构成。直链淀粉呈线性结构，几乎没有分支，相对分子质量介于105～106之间，支链淀粉呈高度分支的簇状结构，相对分子质量在107～109之间[9]。天然淀粉颗粒由交替出现的“生长环”的无定形层和半结晶层组成，厚度在100～400 nm之间[9]。其中，无定形区主要由直链淀粉分子构成，半结晶区主要由支链淀粉分子构成；半结晶区中又包含结晶片层和非晶片层。淀粉颗粒这种特殊的无定形区和半结晶区交替出现的排列方式，使得其对光产生了特殊的折射现象，即“偏光十字”。蜡质玉米淀粉颗粒在不同水平的结构如图1所示。

图1 淀粉颗粒结构在不同水平的示意图[9]Fig.1 Schematic representation of starch structure at various levels[9]

1.2 淀粉颗粒形态特征

国内外常用于观察淀粉颗粒的仪器有光学显微镜和扫描电子显微镜等。与光学显微镜相比，扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大几百倍，成像具有立体感；此外，它比光学显微镜有更高的分辨率和放大倍数[10]。Jane[10]和Martínez[11]等研究发现，不同来源的淀粉在颗粒形状、尺寸和表面结构上差异明显，如马铃薯淀粉呈近似球形，表面光滑（图2A1、A2[11]）；A型小麦淀粉呈铁饼状，表面光滑，B型小麦淀粉呈近似球形（图2B1、B2[12]）；玉米淀粉呈多面体形，表面粗糙（图2C1、C2[13]）；绿豆淀粉呈肾形，表面光滑（图2D1、D2[14]）。

图2 淀粉颗粒形态扫描电子显微镜图Fig.2 Scanning electron microscopic images of starch granules

表1 几种常见来源的淀粉颗粒形态Table 1 Morphological analysis of starch granules from several common sources

几种常见来源的淀粉颗粒形态特征如表1所示。淀粉颗粒形态与种类之间存在3 种规律：1）淀粉颗粒在形态上与其来源的植物具有相似性。成熟的较大马铃薯淀粉颗粒在形态上与马铃薯的块根类似，多数豆类淀粉形态与相应的豆粒近似。2）来源不同但科属相同的淀粉颗粒在形态上具有相似性。如同为豆科的绿豆、红豆等的淀粉颗粒在形态上都为肾形或卵形，玉米和糯玉米、高粱和糯高粱淀粉颗粒都呈不规则多边形且颗粒表面不光滑、有凹陷。3）来源完全不同的淀粉在尺寸及形态上差异明显[2]。因此，不同来源淀粉颗粒的性质差异将为酶法改性提供挑战。具有不同表面形态的淀粉颗粒在酶法改性程度和方式上存在差异，为进一步研究淀粉颗粒结构及得到不同性质的酶法改性淀粉颗粒提供可能。此外，淀粉颗粒的晶型和分子组成也可能对酶修饰产生影响，如A型结晶的淀粉颗粒结晶区双螺旋结构堆积紧密，直链淀粉含量高的颗粒溶胀程度会受到抑制，这些都可能降低酶对淀粉颗粒修饰的可及性。

淀粉植物来源以及淀粉颗粒的结构特征（如淀粉链间缔合、颗粒晶型和结晶度以及直链淀粉含量等）会影响酶对淀粉颗粒的作用[22]。玉米淀粉颗粒呈多面体形，表面有凹陷，存在通向颗粒中心的细孔，因此容易受到α-淀粉酶的水解作用而形成多孔结构，一些豆类来源的淀粉（如绿豆淀粉）呈卵形，表面光滑，因此被α-淀粉酶水解的程度较轻，难以制作多孔淀粉。有研究报道，淀粉颗粒的A型结晶比B型结晶对酶水解的敏感性更高[23]。Xu Jinchuan等[24]报道直链淀粉含量高的玉米淀粉对酶水解的抗性更强。因此，通过对淀粉颗粒的结构特征进行分析，可以预测出其对酶的敏感性。同样地，淀粉的结构特征也会对其应用产生很大的影响。大米淀粉颗粒的尺寸与均质后的脂肪球相似，并且与脂肪质感类似，因此大米淀粉很适合做脂肪替代品[25]。然而从淀粉颗粒的结构特征出发，分析其对酶水解的敏感性及应用途径的相关报道鲜少，因此可作为未来研究的一个重要方向。

2 淀粉颗粒水解酶

糊化后的淀粉不存在完整的淀粉颗粒，因此能够对淀粉颗粒进行改性的酶必须具备作用于未糊化淀粉的能力，即生淀粉酶。生淀粉酶是淀粉酶的一种特殊类型，包括α-淀粉酶[26]、β-淀粉酶[27]、葡萄糖淀粉酶[28]、普鲁兰酶[29]和异淀粉酶[30]等。生淀粉酶对淀粉颗粒的作用效果受到很多因素的影响，如淀粉颗粒的来源、生淀粉酶的种类和处理时间等[31]。

Sreenath[31]使用来自诺维信公司编号BAN-120L的α-淀粉酶水解玉米淀粉颗粒，发现玉米淀粉颗粒表面出现了很多孔洞，并伴随葡萄糖、麦芽糖等还原糖的释放。Sarikaya等[32]使用来自Bacillus amyloliquefacien的α-淀粉酶和来自Bacillus cereus的β-淀粉酶水解不同来源的淀粉颗粒，并对比了它们对淀粉颗粒的作用能力，发现β-淀粉酶活力远低于α-淀粉酶，β-淀粉酶仅对玉米淀粉有水解作用，而对其他种类淀粉几乎没有水解作用。Li Yadi等[33]报道分支酶可以修饰木薯淀粉颗粒，改变颗粒中支链淀粉的链长并且有助于颗粒中直链淀粉的重结晶，从而改善木薯淀粉的流变特性，增强其在食品加工行业中的适用性。Tong Zhenyu等[34]发现在70 ℃下溶胀后的玉米淀粉颗粒使用颗粒淀粉水解酶（Genencor International，包含Trichoderma reesei表达的来自Aspergillus kawachi的α-淀粉酶和来自Trichoderma reesei的葡萄糖淀粉酶）水解后，95%的玉米淀粉转化为葡萄糖。Li Zhaofeng等[35]也发现了相似的结果，溶胀的玉米淀粉颗粒在颗粒淀粉水解酶的作用下可以有效转化为葡萄糖。

除了使用单一酶进行改性外，为了达到更好的改性效果或者弥补单一酶改性的不足，往往使用多酶混合或连续酶修饰的方法改性淀粉颗粒。在多孔淀粉的生产中，α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶表现出协同作用，混合酶修饰生产的多孔淀粉形态结构和吸附能力最佳[36]。除了混合酶修饰，多酶连续修饰也可以起到很好的修饰效果。Guo Li等[37]报道了使用分支酶和转葡糖苷酶连续修饰对马铃薯淀粉颗粒的协同作用，单独使用分支酶或转葡糖苷酶只能从外向内地修饰淀粉颗粒，而经分支酶修饰的马铃薯淀粉颗粒再用转葡糖苷酶进行修饰，由于两酶之间存在的协同作用，可以同时作用于马铃薯淀粉颗粒的内部和外部，并起到更好的改性效果。同样地，使用三酶修饰也可以起到改善修饰效果的作用。Li Hui等[38]研究发现β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶连续修饰改善了小麦淀粉的流变和糊化特性，首先β-淀粉酶从淀粉的非还原性末端连续地切下麦芽糖，减少淀粉外链长度并产生β-葡聚糖，然后转葡糖苷酶通过水解和转糖基作用催化β-葡聚糖生成β,T-葡聚糖，最后普鲁兰酶进一步切断β,T-葡聚糖的α-1,6糖苷键，形成具有合适长度（聚合度6～12）的线性链。结果表明，三重连续酶处理改善了小麦淀粉的链长分布、黏弹性和凝胶强度。同样地，Li Hui等[39]也报道了以上3 种酶的连续修饰能够增加大米淀粉的抗性淀粉含量，降低改性大米淀粉的血糖生成指数。

3 淀粉颗粒的酶改性方法

3.1 预处理

为了提高淀粉颗粒对酶的敏感性，可以对颗粒进行适当的预处理以提高反应效率。目前常用的预处理方法有水热处理、超声波处理、冻融循环处理和机械处理等。

水热处理作为一种物理预处理方式，包括湿热处理和退火处理，且这两种方式都会保留淀粉的颗粒形态[40-42]。这两种方式都需要控制处理过程中淀粉的含水量、温度以及加热时间[43]。不同之处在于湿热处理是在有限的水分质量分数（10%～30%）和较高的温度（高于糊化温度，90～120 ℃）条件下进行处理，而退火处理则是淀粉在过量水中和较低的温度（高于玻璃态转化温度，但低于糊化温度）条件下进行处理[44]。已有的研究表明，经过湿热处理的淀粉颗粒X射线衍射图[45]、结晶度[45-46]、溶胀能力[45]、糊化参数[45-47]、淀粉糊黏度[47]、淀粉凝胶质地[47]以及对α-淀粉酶等酶的敏感性[47]都会发生较大变化。退火处理同样会引起淀粉结构及性质的改变并提高颗粒对酶的敏感性，有研究报道，退火处理增加了西米淀粉对α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的敏感性[48]。

超声波处理是指将淀粉悬浮在水或其他液体介质中，施加一定功率的超声波进行处理。频率超过16 kHz的机械波通过空化作用产生的“微射流”、“高剪切力和湍流”以及“高压”会引起淀粉颗粒的部分降解和原有结构的改变，同时超声波处理产生的自由基也会破坏淀粉颗粒的结构[49-51]。已有的研究表明，超声波处理会使淀粉颗粒表面形成裂纹和凹陷[52]，对淀粉颗粒的结晶度[53]、分子结构和糊化特性[51]都会产生显著的影响。Qian Junqing等[54]发现，经超声波预处理的玉米淀粉颗粒更容易受到真菌淀粉酶的攻击，其产生的孔隙比未经预处理的淀粉孔隙大得多，这可能是由于超声波的空化作用破坏了淀粉晶体结构，在颗粒表面上出现了更多的无定形区域，这些区域更易被水解。

冻融循环处理是指将淀粉分散在水中，然后在冰箱中冻结（-10～-35 ℃）数小时后取出，室温或水浴（一般不超过60 ℃）解冻并重复操作的过程[55]。经过冻融循环处理的淀粉颗粒表面会产生凹槽，但不会破坏颗粒的完整性。

机械处理也会破坏淀粉颗粒的结构，使淀粉对酶的敏感性增加。机械碾磨过程中淀粉颗粒会受到各种力（如剪切、撞击、碰撞和摩擦）的作用，颗粒形态、粒度和表面性质发生变化，结晶结构受到破坏[56]。有研究报道机械损伤淀粉的酶促水解速率较原淀粉更高[57]。

3.2 酶改性条件

酶法改性淀粉颗粒要保证在酶改性的过程中和改性后淀粉的颗粒形态始终得以保留。淀粉的糊化起始温度多在60 ℃左右，所以酶改性的温度一般不超过60 ℃，具体处理条件见表2。

表2 酶改性淀粉颗粒的处理条件Table 2 Treatment conditions for enzymatically modified starch granules

3.3 干燥条件

达到最佳的改性时间后，添加酸或碱灭酶，在适当条件下离心后收集的淀粉经过蒸馏水或乙醇溶液洗涤、干燥，最后研磨过筛制得酶法改性的淀粉颗粒。实验室研究酶法改性淀粉颗粒常用的干燥方法有真空干燥、冷冻干燥和烘箱干燥等，具体干燥条件见表3。

表3 酶改性淀粉颗粒干燥条件Table 3 Drying conditions for enzymatically modified starch granules

由表3可知，实验室研究中多采用冷冻干燥的方式获得成品的酶改性淀粉颗粒。但在实际工业生产中，考虑到成本的因素，几乎没有使用冷冻干燥的淀粉类产品。工业生产不同来源的原淀粉都是经过机械或真空脱水后，进行气流干燥。预糊化淀粉是一种已经实现工业化生产的物理改性淀粉，其最后的干燥方式有滚筒干燥和喷雾干燥，但这两种干燥方式都会使淀粉发生糊化，破坏淀粉的颗粒结构。化学变性淀粉的生产方式分为湿法、干法和有机溶剂法，其中由湿法和有机溶剂法生产的变性淀粉干燥方式一般也为气流干燥。因此，若将来酶改性淀粉颗粒发展到实现工业化生产的阶段，也可以考虑气流干燥的干燥方式，在保证颗粒结构不被破坏的前提下尽可能降低生产成本，提高产品价值。

4 改性淀粉颗粒的性质表征手段

4.1 形态和结构分析手段

改性淀粉颗粒的形态结构通常采用扫描电子显微镜进行分析。扫描电子显微镜图中可以清晰地观察到颗粒表面的凹痕和孔洞，还可以根据不同酶解时间淀粉颗粒的电子显微镜图推测出酶对淀粉颗粒的作用方式和特点[29,33]。Dhital等[61]使用异硫氰酸荧光素和四甲基异硫氰酸罗丹明荧光染料标记以及激光扫描共聚焦显微镜等手段监测反应过程中淀粉无定形区的损失、结晶区的保留、产物形貌变化及酶与淀粉结合部位等，解析不同酶对不同颗粒淀粉无定形区、结晶区改性程度及酶作用于颗粒淀粉的位点，明确酶催化淀粉颗粒的作用机制。酶法改性也会对淀粉的微观结构产生影响，针对淀粉不同的性质有不同的研究手段。如使用碘染色法测定表观直链淀粉含量[39,60]，使用阴离子交换色谱法测定淀粉的链长分布[39]，使用排阻色谱法[60]测定淀粉的分子质量，使用1H核磁共振测定α-1,4和α-1,6糖苷键的比例[60]等。淀粉是一种多晶态聚合物，可以分为A型、B型、C型和V型4 种晶型。淀粉颗粒的结晶度直接影响其糊化性质，进而对应用产生很大影响。X射线衍射法和红外光谱法是研究淀粉结晶性质和特点的常用方法。

小角散射也被用于淀粉结构的表征，小角散射是小角中子散射和小角X射线散射技术的统称，这两种技术都能够探测约1 nm到几百纳米尺寸范围的结构，探测范围介于纳米级的晶体结构和微米级的显微结构之间，从而弥合现代晶体学和显微镜技术之间在空间分辨率方面的差距。淀粉科学中，小角度散射技术最重要的成就是对天然淀粉颗粒中半结晶生长环的层状结构进行了表征[62]。图3显示了利用不同散射方法和电子显微镜技术检测和观察到的淀粉颗粒层级结构。小角散射技术可以探测淀粉颗粒中的片层结构，从而填补了淀粉的颗粒结构到晶体结构研究之间的空白。

图3 淀粉颗粒各层级结构可用的检测手段[63]Fig.3 Available methods for detection of starch granules at various levels[63]

4.2 理化性质表征手段

在低于糊化温度的条件下对淀粉颗粒进行酶法改性可以有效地改变原淀粉的溶胀力、溶解度、糊化特性、淀粉糊及淀粉凝胶的流变性质等。淀粉颗粒的溶胀力和溶解度反映了淀粉与水作用能力的强弱。不同学者对淀粉颗粒溶胀力和溶解度的测定方法一致但条件有所不同：在一定温度（低于淀粉的糊化温度）的水浴条件下搅拌淀粉溶液，一段时间后离心获取上清液，干燥至恒质量。溶胀力定义为上清液干质量与残余淀粉干质量比，溶解度定义为上清液干质量与原淀粉质量比[26,29,60]。差示扫描量热仪可以快速测定淀粉的糊化焓、糊化起始温度、糊化峰值温度、糊化终止温度以及糊化温度范围（糊化终止温度-糊化起始温度）等糊化特性[64]。改性淀粉的成糊特性可以通过快速黏度分析仪直观反映[38]。在快速黏度分析仪曲线中可以得到糊化过程中淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度等黏度数值。淀粉糊及淀粉凝胶的流变学特性可以使用旋转流变仪定量测定[33]，这些数据可以用于指导改性淀粉的实际应用。

5 酶法改性淀粉理化性质及其对食品品质的影响

5.1 酶法改性淀粉颗粒的形态和结构

5.1.1 颗粒形态

酶对淀粉颗粒的水解作用分为两类：一类是离心水解，酶作用于颗粒的外围，在颗粒表面形成层状的鳞片结构；另一类是向心水解，从颗粒表面开始向中心水解，在颗粒表面形成孔洞[32]。通过对改性淀粉颗粒形态的分析可以为解析淀粉颗粒结构提供借鉴。近年来，关于酶法改性对淀粉颗粒形态的影响研究见表4。

表4 酶法改性对淀粉颗粒形态的影响Table 4 Effect of enzymatic modification on the morphology of starch granules

5.1.2 晶型和结晶度

酶改性对淀粉颗粒的晶型和结晶度有不同程度的影响，这取决于酶和淀粉的种类以及改性时间。经过分支酶和转葡糖苷酶的组合修饰后，马铃薯淀粉的晶型由B型结晶转变为C型结晶。马铃薯淀粉颗粒晶型的转变可能是经酶修饰后，支链淀粉的B1链含量增加，颗粒非结晶区的分支密度增加，使分支点间距离的缩短，从而导致淀粉的自发重结晶[37]。Li Ping等[29]报道使用脱支酶修饰马铃薯淀粉颗粒并不能引起淀粉晶型的改变，但改性后淀粉颗粒的结晶度相较于原淀粉明显下降。天然大米淀粉为典型的A型晶体，经过β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶的连续修饰后，改性淀粉的晶型不发生改变。连续的酶修饰没有改变大米淀粉的晶型，可能是因为在低于糊化温度的条件下改性淀粉颗粒并不能完全破坏淀粉的结晶性质；此外，酶修饰过程中的一些操作条件和大量产生的具有相近长度（聚合度≤13）的短直链有利于A型结晶的产生[39]。

由10 个以上葡萄糖残基组成的支链淀粉侧链相互之间以氢键连接形成双螺旋结构，双螺旋结构通过堆积排列可以形成淀粉颗粒的A型、B型或者C型结构。其中A型结晶的淀粉分子内支链淀粉的侧链较短，双螺旋结构的堆积较B型结晶更为紧密[65]。因此，若酶对淀粉颗粒的修饰作用适当缩短了支链淀粉的侧链长度并增大了分支密度，使双螺旋的堆积更为紧密，则有可能引起淀粉颗粒的晶型由B型转变为A型。但在天然淀粉颗粒中，因为支链淀粉侧链形成的结晶区结构紧密，使得酶修饰的可及性下降，因此，目前报道中通过酶修饰引起淀粉颗粒晶型发生转变的结构较少，多数研究中酶对淀粉颗粒的修饰作用仅能引起颗粒结晶度的改变。

5.1.3 微观结构

很多研究证实，直链淀粉含量、支链淀粉的链长以及淀粉的相对分子质量与淀粉的功能性质密切相关[66]。根据聚合度的不同可以将淀粉侧链分为fa链（聚合度6～12）、fb1链（聚合度13～24）、fb2链（聚合度25～36）和fb3链（聚合度≥37）[67]。分支酶和转葡糖苷酶对马铃薯淀粉的组合修饰可以有效增加淀粉颗粒中fa链的数量并同时减少fb2和fb3链的数量，变化程度取决于改性时间[37]。α-淀粉酶和β-淀粉酶组合修饰红薯淀粉使淀粉中fa链和fb1链比例增加，fb3链比例下降。在此基础上增加转葡糖苷酶的修饰可以加剧这种变化趋势。此外，酶处理也会降低淀粉的分子质量[60]。β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶组合改性大米淀粉颗粒也会改变原淀粉中链长分布，而且普鲁兰酶的改性会显著提高大米淀粉中的表观直链淀粉含量，这是酶使支链淀粉外侧链脱支所导致的[39]。

5.2 酶法改性对淀粉颗粒理化性质的影响

5.2.1 溶胀力和溶解度

α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶混合水解淀粉颗粒形成的多孔淀粉比相应的原淀粉具有更高的溶胀力和溶解度。经过两次湿热预处理后再用混合酶水解制备的多孔小麦淀粉溶解度和溶胀力分别高于天然淀粉和只经过两次湿热预处理的淀粉样品。这种现象与酶水解后无定形区域的直链淀粉浸出有关，从而导致淀粉样品的溶解度增加[58]。冻融循环预处理后用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的混合酶水解制得的多孔玉米淀粉溶胀力和溶解度同样高于原淀粉和仅经冻融循环预处理的淀粉样品。这是由于水解产生的孔洞破坏了颗粒的无定形区域，使颗粒更易发生溶胀[26]。因此，酶对淀粉颗粒特定区域（无定形区）的改造，赋予了改性颗粒更大的溶胀力和溶解度。α-淀粉酶和β-淀粉酶修饰的红薯淀粉颗粒溶解度显著高于原淀粉，这是由于酶处理导致淀粉链解聚，产生低分子质量和低分支度的葡聚糖链。此外，在直链淀粉上引入新的分支点可防止重结晶，而支链淀粉的分支点增加会破坏高度有序的结构并抑制链重排，提高溶解度[60]。

在淀粉颗粒加热糊化的过程中直链淀粉会抑制颗粒的溶胀，而具有较长支链的支链淀粉会促进颗粒溶胀[29]。因此，若颗粒无定形区中的直链淀粉在酶修饰的作用下被水解，引起颗粒内直链淀粉含量的下降，改性淀粉颗粒的溶胀力就会较原淀粉有显著提升。现有的研究也证实了这一结论，α-淀粉酶水解原淀粉产生的多孔淀粉溶胀力大于原淀粉[36]。

5.2.2 糊化特性

由于对淀粉颗粒的改性在非糊化条件下进行，所以改性淀粉仍然保留了糊化特性，并且酶对淀粉颗粒的修饰会改变其糊化温度和糊化焓。分支酶修饰木薯淀粉颗粒引起改性淀粉糊化起始温度、糊化峰值温度和糊化焓升高。糊化起始温度的升高是由于淀粉颗粒的形态发生了变化，以及直链淀粉发生重结晶。糊化焓的提高表明改性使淀粉颗粒结构的稳定性提高[33]。与天然淀粉相比，脱支酶处理的马铃薯淀粉和玉米淀粉样品均显示出更高的糊化温度和更低的糊化焓。糊化温度的升高归因于脱支酶的水解作用，糊化焓降低则是因为水解过程中支链淀粉双螺旋结构的损失[29]。转葡糖苷酶和分支酶修饰的马铃薯淀粉颗粒糊化温度和糊化焓相比于原淀粉均有所降低，这是因为酶法改性导致长链数量的减少并产生大量耐热性较差的短双螺旋结构，降低了改性淀粉颗粒的稳定性[37]。酶修饰对淀粉糊化温度和糊化焓的影响取决于酶修饰是否稳定了淀粉的结构，如果酶修饰增强了稳定颗粒结构的双螺旋或者使双螺旋结构排列更加有序，就会提高糊化温度和糊化焓；反之，如果酶修饰破坏了稳定淀粉链双螺旋结构的氢键或者缩短了双螺旋链的长度，就会引起糊化温度和糊化焓的降低。此外，酶解破坏颗粒的无定形区增加颗粒的相对结晶度也会引起糊化温度的升高。

5.2.3 流变性能

脱支酶对淀粉颗粒的修饰会降低糊化过程中的峰值黏度，但降低程度与淀粉来源有关。在相同的条件下使用脱支酶修饰马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒，改性马铃薯淀粉峰值黏度显著下降了56%，而改性玉米淀粉峰值黏度仅降低了15%[29]。淀粉的峰值黏度主要与直链淀粉含量、支链淀粉的支链长度分布以及淀粉中的某些基团和脂质等成分有关。直链淀粉抑制淀粉颗粒的溶胀，支链淀粉特别是较长的支链能够促进淀粉颗粒的溶胀，使淀粉在升温过程中黏度增加。因此，酶对颗粒内直链和支链淀粉的修饰会显著影响淀粉在糊化过程中的黏度特性。Li Hui等[38]研究发现普鲁兰酶修饰的小麦淀粉颗粒峰值黏度低于天然小麦淀粉，这是因为普鲁兰酶的修饰会产生更长的直链淀粉，增加直链淀粉含量，抑制淀粉溶胀，从而引起峰值黏度的下降。此外，使用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶修饰淀粉颗粒，在颗粒表面形成的多孔状结构也会显著影响改性淀粉的糊化特性。Benavent-Gil等[68]研究发现多孔淀粉表面孔洞的孔径、孔径面积比与峰值黏度呈负相关。峰值黏度与谷值黏度的差值称为崩解值，崩解值反映糊化淀粉在温度和剪切作用下的耐受能力。Dura等[69]报道多孔淀粉的崩解值比天然淀粉低。所以，酶修饰可以通过改变直链淀粉和支链淀粉含量以及比例、改变淀粉的颗粒形态进而改进淀粉的糊化特性。高浓度淀粉糊在淀粉回生后产生淀粉凝胶，酶对淀粉颗粒的修饰会显著改变淀粉凝胶的流变性能。Li Hui等[38]报道小麦淀粉依次经过β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶的修饰后，小麦淀粉凝胶的强度提高，并且凝胶体系变得更加稳定。尽管很多学者报道了淀粉颗粒的酶修饰对淀粉凝胶结构和流变性质的影响，但关于酶修饰引起的淀粉分子结构改变对淀粉回生程度影响的报道鲜少。

5.3 酶法改性对食品品质的影响

酶对淀粉颗粒的改性会显著影响以淀粉为主体的食品品质。面包改良剂可以有效提高面包品质，延长面包保质期，这是由于改良剂中的淀粉酶类起到了很大作用。面团搅打发酵过程中，淀粉酶对小麦淀粉颗粒的水解会释放葡萄糖等供酵母发酵产气的物质，从而增大面包体积，某些淀粉酶释放的寡糖对淀粉回生起到抑制作用，能够延长面包贮存期。Zhang Lei等[70]报道了一种产生麦芽六糖的α-淀粉酶，其通过改变淀粉颗粒内部结构和产生大量的麦芽低聚糖来抑制全麦面包贮存过程中淀粉的老化，从而达到改善面团性能、增大面团体积（图4A）的效果。此外，添加了淀粉酶的面包切片相比于对照组有更加致密且不均匀的气孔（图4B），有效改善了面包结构。

图4 淀粉酶对小麦面团和面包品质的影响[70]Fig.4 Effect of amylase on wheat dough and bread quality[70]

淀粉作为一种食品添加剂具有增稠和凝胶的作用，可以通过赋予食品适当的质感和控制食品基质中水分的流动，从而提高食品品质和贮藏稳定性[71]。因此，淀粉的流变特性对其在食品工业中的应用起到决定性的作用。酶修饰调整淀粉的分子结构对其流变行为有很大影响。分支酶通过改性木薯淀粉颗粒，能够改善其流动性和抗剪切性，提高其对机械加工的稳定性，同时改性使木薯淀粉糊更具弹性，淀粉凝胶硬度更高并且降低了木薯淀粉糊的温度依赖性。因此，可以通过酶修饰设计和生产具有所需流变特性的木薯淀粉基产品[33]。Li Hui等[38]研究发现小麦淀粉经过β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶的修饰后会引起淀粉糊黏弹性和凝胶强度的显著改变。这种改性方法提高了小麦淀粉的品质，可作为软糖、布丁、甜点和果酱等小麦淀粉类食品的添加剂，用于制备基于小麦面粉的新食品，使其具有更好的感官和质地特性。酶修饰淀粉颗粒改变其分子结构也会影响淀粉基食品的消化性。有学者报道了一种使用β-淀粉酶、转葡糖苷酶和普鲁兰酶连续修饰大米淀粉颗粒的改性方法，改性后的大米淀粉无论是蒸煮前还是蒸煮后都对酶水解表现出了很强的抵抗力，并且改性大米淀粉的血糖指数与原淀粉相比有所降低。这一结果为开发低血糖指数的淀粉基功能食品提供了新的思路和借鉴[39]。

综上，选用适合的酶单独或组合修饰淀粉颗粒，通过改变直链淀粉的链长、支链淀粉的分支密度和外侧链长度等分子结构，调节颗粒内直链和支链淀粉的比例，不但可以提升淀粉基食品的质构和感官品质，还可以改善食品的消化特性，提升其营养品质。但目前酶修饰淀粉颗粒在淀粉基食品中的应用十分有限，这主要是因为淀粉基食品体系内成分复杂，除淀粉外还含有蛋白质、脂质等组分，很难精准定量酶对淀粉颗粒的改性程度，此外，淀粉基食品中的其他组分也会对酶的修饰效果产生影响。

6 结 语

多孔淀粉是一类研究应用较为成熟的酶改性淀粉颗粒。多孔淀粉的产生是利用了酶对淀粉颗粒非结晶区的水解作用，赋予了淀粉独特的吸附特性；其孔隙率高、比表面积大、堆积密度低、吸附能力强，可以直接作为吸附载体使用。蒋梦兰等[72]将制备的马铃薯多孔淀粉作为吸水剂和保湿剂用于墙体涂料中，除直接作吸附剂外，多孔淀粉还可以用于包埋活性物质。伍秀英[73]使用玉米多孔淀粉包埋番茄红素，采用有机溶剂法处理的多孔淀粉包埋番茄红素，一个月后保留率达到40%，使用混合抽滤法结合低温冷藏，一个月后的保留率高达85%以上。此外，也有很多研究报道了使用不同功能的酶改性淀粉颗粒对淀粉性质的改善，以及改性淀粉颗粒对食品品质的影响。但这些研究都停留在较浅显的阶段，仍有很多工作有待开展。

酶法改性淀粉减少了化学试剂的使用，符合当下绿色环保的理念，同时直接对颗粒改性又可以省去淀粉糊化的步骤，能够降低能耗、节省成本，因此已经成为近年来研究的热点。但关于酶修饰淀粉颗粒的研究仍存在以下不足：1）现有报道的可以有效修饰淀粉颗粒的酶种类较少，且对淀粉颗粒的修饰程度有待进一步提高；2）缺少对淀粉底物结构特点的分析，以阐明用于特定用途的淀粉颗粒应具备何种特点；3）酶对淀粉颗粒的改性机制不明确，缺乏有效的研究手段；4）缺乏简便有效的酶活力检测方法。未来可以着重突破以上几点不足，从而更好地推动淀粉颗粒酶法改性的发展，实现酶法改性淀粉颗粒的工业化生产。