低消化淀粉作为一种新型的功能性食品,具有低消化率、低血糖生成指数、预防以及治疗食源性慢性疾病等优点,因而受到人们的广泛关注。基于生物酶法的淀粉分子再设计,精准调控淀粉理化功能性、营养消化性,是当前碳水化合物领域的研究热点。本课题利用淀粉蔗糖酶(NpAS)和普鲁兰酶(PLA)调控淀粉分子的分支链长和去分支化。通过多种分析手段研究改性淀粉的分子结构、理化功能性及体外消化性,阐明改性淀粉低消化性的分子结构基础,并探讨了改性淀粉-脂肪复合物的形成机理及其体外消化性。具体研究内容如下:NpAS支链延长修饰的机理。蜡质玉米淀粉经过酸解处理后,其最终黏度由2112 cP下降至17 cP。以原淀粉、酸解淀粉作为NpAS改性修饰的受体分子,考察了反应底物粘度对NpAS催化效率的影响。酶反应动力学表明,NpAS的固有催化反应模式使得酶催化反应效率不受底粘度的影响。结合酶分子空间结构解析发现,NpAS中存在一个非催化结合位点,能够与淀粉链形成链-酶复合体,并在此基础上以拉链反应模式连续地延长结合的淀粉链。PLA对NpAS改性淀粉的修饰作用及其机理。支链淀粉经过NpAS不同程度修饰得到改性淀粉MS-1、2、4,其重均链长((?))由原淀粉的17.8分别增加至19.4(MS-1)、22.3(MS-2)、26.9(MS-4)。MS-1、2、4经过PLA脱支处理后,得到双酶改性淀粉MSD-1、2、4,其(?)相应的增加了 0.5～1.6。扫描电镜(SEM)显示,MS-1、2、4的颗粒形貌具有致密结构且颗粒超过50 μm,而MSD-1、2、4则呈现为颗粒尺寸200-400 nm的聚集体。原淀粉为A型结晶结构,MS-1、2、4则呈现B型结晶结构。随着淀粉链长增加,改性淀粉的相对结晶度(Rc)由MS-1的21.1%提高至26.8%(MS-4)。PLA脱支处理未改变淀粉结晶型,而MSD-1、2、4的Rc增加了 7.0%-8.1%。原淀粉的快消化淀粉(RDS)和慢消化淀粉(SDS)含量分别为37.4%、53.5%,NpAS改性修饰使得MS-4的RDS和SDS降低至28.0%和17.8%,而抗性淀粉(RS)含量提高至54.2%。由于PLA脱支处理进一步的降低了淀粉中RDS和SDS的含量,RS含量最高可达67.2%(MSD-4)。因此,基于NpAS、PLA改性修饰支链淀粉制备低消化性淀粉的分子结构基础是,支链延长或脱支处理促进了淀粉中B型微晶体的形成,进而降低淀粉的消化性。NpAS和PLA双酶改性淀粉的消化动力学及其低消化性的结构基础。采用斜率对数法对原淀粉颗粒、MSD-1、2、4的消化曲线进行动力学分析,得出原淀粉颗粒的消化过程为单相水解,其水解动力学常数k为0.0259 min-1。MSD-1、2、4的消化过程可分为两个阶段:第一阶段(0-20 min)的消化速率较快,对应的水解动力学常数k1在8.48×10-2-11.24×10-2 min-1范围内;第二阶段(20-160 min)的消化速率较低,对应的水解动力学常数k2值范围为1.29× 10-2-1.85×10-2 min-1。在消化拐点(20 min)、120 min分离改性淀粉MSD-1、2、4的消化残渣,并采用HPSEC、X-射线衍射(XRD)、SEM等技术手段分析抗消化组分的结构特征。分子结构分析表明,消化酶在水解过程中降低了淀粉的长链比例,且抗消化组分的链长分布相对集中(DP 21～26)。XRD结果显示,MSD-1、2、4经过第一阶段水解后,消化残渣的Rc增加了 18.6-32.9%,而第二阶段水解未显著改变消化残渣的Rc。经过第一阶段水解后,消化残渣的峰值糊化温度(Tp)增加了 5.3-9.5℃,终值糊化温度(Tc)则升高了 3.4-6.0℃。同时,第二阶段水解使得消化残渣的Tp、Tc分别下降了 2.5-4.5℃、0.7-5.5℃。依据这些变化推断出:(a)淀粉在回生过程中形成双层结构,颗粒内部为半结晶体结构,外部则为无定形区;(b)淀粉的低消化性可能不仅取决于其Rc的大小,而更为重要的是结晶体内部双螺旋结构的稳定性。NpAS和/或PLA修饰对淀粉超分子层状结构的影响。原淀粉的超分子层状结构较为完美,其周期性层状厚度(Bragg长度)约为9.8 nm。随着淀粉的链长增加,改性淀粉的Bragg长度由MS-1的11.4 nm增加至MS-4的13.2 nm。脱支处理使得MS-4的Bragg长度进一步增至15.0 nm。采用“两相非颗粒”模型对改性淀粉的小角散射(SAXS)曲线进行模拟,发现MS-1、MS-4、MSD-4的结晶层厚度分别为6.01 nm、7.22 nm、8.30 nm。利用温和水解分离了原淀粉、改性淀粉中的微晶体。借助透射电镜可以观察到原淀粉中～9 nm的层状结构以及水解残留的40-50 nm片晶,片晶的锐角约为60°。改性淀粉的微晶体大小约为20 nm,对应的锐角约在40～60°之间。微晶体分子结构分析表明,MS-1、MS-4、MSD-4的结晶层厚度分别为5.25 nm、7.0 nm、8.05 nm,与SAXS理论计算结果相近。淀粉的峰值糊化温度与结晶层厚度呈现出线性正相关关系,而淀粉的水解动力学常数k值与结晶层厚度呈现出线性负相关关系。上述实验结果证明了结晶体内部双螺旋结构的稳定性(即结晶层厚度)决定了淀粉的低消化特性。酶改性淀粉链长对淀粉-脂肪复合物性质的影响。基于支链延长修饰,制备了链长分布更广、更均匀的改性淀粉mAP10、mAP20、mAP60。改性淀粉与棕榈酸钠在热处理条件下形成复合物,抑制了淀粉在常温条件下的老化,并形成亲水凝胶。复合物凝胶的强度与淀粉链长、棕榈酸钠含量相关,淀粉链长越长,复合物凝胶的强度越高,而棕榈酸钠含量越高,复合物凝胶的强度则越低。利用Wu-Morbidelli标度模型分析复合物凝胶的分形维数(df),发现在原淀粉中添加适量(5.0%)的棕榈酸钠后,复合物凝胶的df值显著下降。复合物经过稀释后都具有一定的电特性(-16.3 mv～-36.1 mv),且颗粒直径在纳米尺寸范围内(70-1000 nm)。分子结构和结晶结构表征表明,淀粉与棕榈酸钠是通过左手螺旋结合方式形成复合物。随着淀粉链长由(?)=20.9(mAP10)增加至(?)=32.6(mAP60),复合物中的V型结晶体的Rc则从4.7%增至20.1%。体外消化性分析表明,与淀粉相比,复合物的消化率下降了约6.0%-17.5%。因此,利用棕榈酸钠调控淀粉V型结晶体的形成能够实现低消化淀粉的制备。以上研究结果可为生物酶法制备低消化性淀粉提供理论依据和实践例证。