在体外条件下，使用哺乳动物肠道黏膜中的酶对由去支链蜡质玉米淀粉和高直链玉米淀粉形成的淀粉球粒进行消化

《Carbohydrate Polymers》：In vitro mammalian intestine mucosal enzymatic digestion of starch spherulites formed from debranched waxy maize and high-amylose maize starches

淀粉球晶的酶解性受偏光类型和表面结构影响显著。研究制备了四种B型结晶的淀粉球晶，结果显示负偏光球晶（WMS/?和HAMS/?）因表面裂纹多、酶接触面积大，水解率最高（68.8%和61.9%），而正偏光HAMS/+球晶结构更紧密，水解率最低（31.8%）。表明淀粉球晶的抗性不仅取决于结晶度和链长，还与分子排列、聚集行为及表面形态密切相关。

　　

Jo Myeongsu | Shi Yong-Cheng

堪萨斯州立大学粮食科学与工业系，曼哈顿，KS，66506，美国

摘要

淀粉球晶是一种由去支链淀粉形成的放射状结晶聚集体，最近被认定为一种独特的抗性淀粉形式。然而，它们对哺乳动物黏膜酶（人体小肠中主要的淀粉消化酶）的酶促水解敏感性仍然知之甚少。本研究旨在探讨淀粉球晶在哺乳动物黏膜酶体外水解过程中的消化性和结构变化。从去支链蜡质玉米淀粉（WMS）和高直链淀粉玉米淀粉（HAMS）中制备了四种类型的B型结晶球晶，这些球晶的双折射类型各不相同（正或负）。经过24小时的水解后，水解程度的顺序为：WMS/?（68.8%）> HAMS/?（61.9%）> WMS/+（35.7%）> HAMS/+（31.8%）。具有更多表面裂纹和更大酶可接触区域的负双折射球晶表现出更强的酶结合能力和更快的水解速率。相比之下，HAMS/+球晶表现出最高的抗消化性，其形态变化最小且双折射性得以保留。尽管HAMS/?的结晶度和熔化焓高于WMS/+,但由于其表面裂纹的存在，其消化性更强。这些发现表明，淀粉球晶的酶抗性不仅取决于结晶度和链长，还受到双折射性质（分子组装方式）、聚集行为和表面形态的影响。

引言

基于淀粉的食品的消化在营养和健康方面具有重要意义。特别是，消化的速度和程度与血糖相关状况密切相关，包括肥胖和2型糖尿病（Bello-Perez, Flores-Silva, Agama-Acevedo, & Tovar, 2020; Miao & Hamaker, 2021）。餐后代谢依赖于摄入的淀粉基物质分解为葡萄糖，然后葡萄糖在小肠中被吸收。在健康的消化系统中，可消化的淀粉最初由唾液α-淀粉酶和胰腺α-淀粉酶分解为较小的寡聚体，这两种酶作用于α-1,4键（Brownlee, Gill, Wilcox, Pearson, & Chater, 2018）。

抗性淀粉（RS）在口腔-胃肠道中具有抗酶水解性，能够到达结肠，在那里它可以被肠道微生物群发酵（Bello-Perez et al., 2020; Birt et al., 2013; Shi & Maningat, 2013）。淀粉球晶是一种自组装的、放射状多晶的淀粉分子聚集体（Ziegler, 2020），代表了一种独特的RS形式（Kiatponglarp, Rugmai, Rolland-Sabaté, Buléon, & Tongta, 2016; Shi, Sweedman, & Shi, 2021; Ziegler, 2021）。为了生成淀粉球晶，需要将淀粉在水中加热至约160°C以消除螺旋核心，随后进行冷却，这是一个高度非平衡的过程（Cai & Shi, 2013; Crist & Schultz, 2016; Wang et al., 2023; Ziegler, 2020）。

这些球晶具有双折射性，在交叉偏振器下使用全波红光延迟片可以观察到（Crist & Schultz, 2016），从而能够可视化显示内部晶体取向的叠加和消减干涉区域。根据公式$\mathrm{\Delta n}=n_1?n_2$，可以判断双折射性质（正或负），其中$n_1$与从球晶中心辐射出的光轴对齐，而$n_2$与光轴垂直（Crist & Schultz, 2016）。正双折射表明放射状螺旋取向，而负双折射则表明同心、通常是环状取向（Crist & Schultz, 2016）。淀粉球晶中的正负双折射源于结晶层内直链淀粉的超分子组织差异。正双折射球晶主要具有放射状层状取向，而负双折射球晶则表现出更多的切向或同心取向。这些光学差异反映了在成核和结晶过程中直链淀粉链的堆积和层状排列的变化。

先前的研究表明，淀粉球晶的双折射类型受到直链淀粉链长度和结晶条件的强烈影响，尤其是温度和热历史（Shi et al., 2021; Shi, Mao, & Shi, 2024）。较短的直链淀粉链倾向于产生负双折射，而较长的链则促进正双折射。然而，通过调节结晶温度和持续时间可以改变这一趋势，使较短的链产生正双折射，较长的链产生负双折射。利用这种可控性，本研究设计了四种不同的球晶类型，结合了直链淀粉链长度（短 vs. 长）和双折射类型（正 vs. 负）。

除了结构多样性外，来自去支链蜡质大米（Kiatponglarp et al., 2016）、去支链蜡质玉米（Shi et al., 2021）、普通玉米（Ziegler, 2020）、普通马铃薯（Ziegler, 2020）和高直链玉米（Shi et al., 2024）淀粉的球晶表现出异常高的RS含量，通常超过60%。此外，球晶被胰腺α-淀粉酶消化的速率通常是线性的（Cai & Shi, 2013），这与典型的淀粉水解曲线不同，后者表现为初始快速消化阶段后速率减缓（Moretton, Alongi, Melchior, & Anese, 2023）。这种独特的消化模式可能通过在小肠中实现更可控的葡萄糖释放而带来健康益处。

体外消化实验通常使用真菌淀粉葡萄糖苷酶（AMG）将寡糖水解为葡萄糖（Dhital, Warren, Butterworth, Ellis, & Gidley, 2017; McCleary, Sloane, & Draga, 2015）。然而，AMG并不存在于人体内；实际上，人体消化系统中寡糖的水解是由黏膜α-葡萄糖苷酶介导的，这些酶包括黏膜麦芽糖酶-葡糖淀粉酶（MGAM）和蔗糖异麦芽糖酶（SI）的组合（Ao et al., 2007）。此外，多项研究表明，即使没有α-淀粉酶，淀粉颗粒也可以被黏膜α-葡萄糖苷酶消化（Ao et al., 2007; Jo, Qi, Du, Li, & Shi, 2024; Shulman, 2018）。这种现象归因于哺乳动物黏膜酶复合物广泛的糖苷键水解活性。在我们之前的研究中，我们证明了哺乳动物黏膜酶混合物表现出比α-淀粉酶或AMG更广泛的酶活性，包括对α-1,2-、α-1,4-、α-1,6-、β-1,4-和β-1,6-键的水解（Jo, Qi, et al., 2024）。该混合物具有显著的麦芽糖酶和AMG活性，还包含少量的蔗糖酶、乳糖酶、纤维素酶、海藻糖酶、帕拉廷酶和异麦芽糖酶活性（Jo, Qi, et al., 2024）。

虽然已有报道表明淀粉球晶对α-淀粉酶和AMG具有抗性（Jo, Shi, Nkurikiye, Li, & Shi, 2024），但据我们所知，它们被肠道黏膜酶降解的情况尚未被记录。我们的最新研究表明，尽管普通马铃薯淀粉和蜡质马铃薯淀粉对α-淀粉酶和AMG具有抗性，但它们仍易被哺乳动物肠道黏膜酶水解（Jo, Qi, et al., 2024）。这一发现表明，在考虑将淀粉球晶作为RS应用于食品之前，评估其对这些黏膜酶的抗性是很有价值的。我们假设哺乳动物肠道黏膜酶对淀粉球晶的酶作用取决于球晶的结构特性，如表面特征（例如影响酶扩散和结合的裂纹）、球晶的致密性、晶粒大小和类型、结晶度、比表面积、直链淀粉链长度以及双折射性质。在此背景下，本研究旨在阐明肠道黏膜酶消化过程中淀粉球晶特定降解模式背后的因素。分析了四种具有不同直链淀粉链长度和双折射性质的淀粉球晶，以研究这些结构变化如何影响肠道黏膜酶的降解。

在本研究中，探讨了淀粉球晶在体外哺乳动物黏膜酶水解过程中的变化。首先，在非水解条件下研究了淀粉球晶的形态、结晶和热性质，并确定了哺乳动物黏膜酶对每种球晶的亲和力。在随后的水解实验中，量化了释放的葡萄糖百分比、水解的淀粉百分比以及结合酶的比例变化，并检查了淀粉球晶的形态变化。此外，还使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了消化前后淀粉球晶的结构变化。

材料

高直链淀粉玉米淀粉（HAMS；AmyloGel 03003；约70%直链淀粉）由Cargill Inc.（明尼阿波利斯，MN，美国）提供。蜡质玉米淀粉（WMS；Waxy 7350；约99.5%支链淀粉）来自Tate & Lyle（霍夫曼埃斯特斯，IL，美国）。大鼠肠道丙酮粉末（RIAP）从Sigma-Aldrich（圣路易斯，MO，美国）购买。所有其他化学品均为分析试剂级。

去支链淀粉的制备

淀粉的去支链方法如前所述（Shi et al., 2021; Shi et al., 2024）。简要来说，为了制备去支链蜡质...

淀粉球晶的物理化学性质

使用光学显微镜在正常光和偏振光与波片组合下观察了淀粉球晶的微观结构形态，同时也使用了扫描电子显微镜（图1）。根据偏振光与波片组合下的光学显微照片（图1b），在4°C下用50% v/v乙醇重结晶一天后获得的球晶被标记为WMS/+，而通过...

结论

本研究表明，根据双折射类型和结构特性，淀粉球晶被哺乳动物黏膜酶消化的程度各不相同。具有负双折射和裂纹表面的球晶（如WMS/?和HAMS/?）表现出更高的结合亲和力，且更容易被水解。相比之下，具有正双折射的球晶，尤其是来自高直链玉米（HAMS/+）的球晶，具有更强的抗消化性，这可能是由于...

CRediT作者贡献声明

Myeongsu Jo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究，数据管理。Yong-Cheng Shi：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源获取，项目管理，方法学，资金申请，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国农业部（USDA）国家食品与农业研究所（访问编号1014913，奖项编号2018-67017-27562）和韩国科学技术信息通信部（RS-2022-NR072327）的支持。我们感谢普渡大学（西拉斐特，IN）的Bruce Hamaker教授在准备USDA资助提案期间提供的有益讨论。