《食品科学》：GH77家族4-α-糖基转移酶在淀粉改性中应用的研究进展

淀粉是高分子碳水化合物，主要由直链淀粉分子、支链淀粉分子和中间级分组成，其精细结构对于淀粉的结构及功能特性均有非常大的影响，许多研究通过改变淀粉的结构来改变淀粉的理化性质。在目前的各种处理方法中，酶改性比化学改性更受青睐，因为酶改性方法提供了具有“清洁标签”优势的产品。糖苷水解酶（GH）77家族的4-α-糖基转移酶（4αGT）（EC 2.4.1.25）作用于α1→4糖苷键。由于4αGT可以利用直链淀粉延长支链淀粉的外侧链，因此被广泛应用于改性淀粉来生产热可逆淀粉凝胶，其不同的催化作用可以形成大环糊精（LRCD）、慢消化淀粉等不同产物。

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的柏玉香、金征宇*以及吉林大学食品科学与工程学院的刘博群*等人围绕GH77家族4αGT在改性淀粉中应用的研究进展，通过对现有文献的整理总结，对4αGT的功能、淀粉的改性、在食品中的应用及挑战等方面进行系统性论证，以期对4αGT酶法改性淀粉的研究提供参考。

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4-α-糖基转移酶

4αGT存在于GH13、GH57和GH77家族。GH77家族的4αGT由来源分为两种，一种是来源于Escherichia coli等细菌中的麦芽糖淀粉酶，另一种是来源于马铃薯块茎、胡萝卜根、番茄果实等植物中的D-酶，两种来源的4αGT的氨基酸序列具有明显的同源性。

4αGT催化4 种不同类型的反应：歧化、环化、耦合和水解反应（图1）。该酶首先催化分子间转糖基反应，切断葡聚糖分子中一个α1→4糖苷键，将一个α-葡聚糖分子向另一个α-葡聚糖分子转移（歧化反应）；也可催化分子内转糖基反应，即分子内部葡聚糖分子的转移生成环糊精（CD）（环化反应）；同时该酶可催化发生环化反应的逆反应，使得CD分子环打开并将其中一个线性片段转移到另外的糖受体上（耦合反应）。

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淀粉改性应用

淀粉凝胶

在植物中，淀粉以晶体形式储存在紧凑的球形颗粒中，并且在室温下完全不溶于水，这些颗粒的形状和大小取决于植物来源。在水中加热时，淀粉颗粒吸水膨胀，使直链淀粉分子不断从膨润的淀粉颗粒中溶出，并由螺旋结构伸展成线形结构。当对淀粉溶液进一步加热与搅拌后，保留着支链淀粉分子的淀粉残存颗粒发生破裂并进入水相，这是淀粉糊化过程。随后的冷却导致回生，在淀粉糊冷却放置过程中，直链淀粉和支链淀粉分子又会通过氢键等作用力发生聚集，形成淀粉凝胶（图2）。

大环糊精

LRCD是葡萄糖单元由α1→4糖苷键首尾相连的环状化合物，属于CD的一种，其DP通常在9以上（图3），可形成疏水通道，例如V型直链淀粉螺旋结构。与CD相比，LRCD在冷水中的溶解度和稳定性更高，而且LRCD可以通过将各种有机和无机客体分子捕获到疏水腔中，与客体分子形成包合物，从而导致客体分子的溶解度、稳定性和生物学特性发生变化。LRCD在各种工业中有着多种潜在应用，在食品工业的应用中改善食品和饮料产品的质地、口感、风味、味道以及适口性；在纺织印染中用于染色可提高染色效果，增加颜色的牢固度；在制药工业具有稳定和溶解大的不溶或不稳定药物分子的高潜力等。

慢消化淀粉

缓慢消化的淀粉（SDS）在经过小肠时被缓慢消化，导致葡萄糖缓慢而长时间地释放到血流中，即低血糖反应，有助于控制和预防高血糖相关疾病。在热加工碳水化合物产品中SDS含量较少，因此通过提高SDS含量来改善食品质量已成为工业界和学术界研究人员关注的领域。

4αGT可以形成具有缓慢消化和抗性特性的新型支链淀粉簇，降低淀粉消化速率，增强淀粉慢消化性能。在4αGT改性淀粉的过程中，直链淀粉含量降低，淀粉分子质量降低，会有长侧链支链淀粉、中等相对分子质量的支链淀粉、LRCD、低聚糖以及单糖等多种组分产生，这些复杂的组分对淀粉的消化特性作用不一，而支链淀粉的回生有利于淀粉慢消化特性的形成。因此，在4αGT改性的不同阶段，改性淀粉的消化特性有较大的差异。

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4αGT与其他酶在淀粉改性中的作用

分支酶

BE（EC 2.4.1.18）是淀粉或糖原生物合成中的关键酶之一，其催化反应遵循α-保留型的双置换机制，先水解供体淀粉链上的某一α1→4糖苷键，产生具有还原性末端的链段，继而将该链段转移至受体糖链上的葡萄糖单元的C6位置形成α1→6分支点。它能催化3 类反应：链间支化、链内环化和链内支化，BE反应时，若供体链与受体链为同一条糖苷链，则为链内转移。若供体链与受体链为不同的糖苷链，则为链间转移。若淀粉分支酶水解所得链段自身进行环化作用，则为链内环化。

淀粉中的α1→6糖苷键比α1→4糖苷键的水解速率低，BE通过增加α1→6糖苷键的数量使支链淀粉链长变短，增加淀粉溶解度并减少回生沉淀，4αGT对淀粉改性可增加产品的耐降解性。当二者进行双酶催化反应时（图4），多糖分支增加，与天然淀粉相比，增加和重新定位的α1→6糖苷键具有空间位阻作用，从而抑制水解消化速率。

淀粉蔗糖酶

淀粉蔗糖酶（AS）（EC 2.4.1.4）是利用蔗糖的葡糖基转移酶，催化类似直链淀粉聚合物的α-1,4-葡聚糖的合成以及多种外源受体的转糖基反应。在以蔗糖为唯一底物时，AS催化3 种酶促反应：聚合、异构化和水解反应。可催化聚合反应是AS的独特特征，合成仅由α1→4糖苷键连接的α-葡聚糖，不需要任何引物或核苷酸活化的糖（如ADP-或UDP-葡萄糖）作为前体，仅利用蔗糖中糖苷键的断裂释放的能量。同时，AS通过异构化反应产生一定数量的蔗糖异构体并催化水解反应，从蔗糖中释放葡萄糖和果糖。

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淀粉改性在食品中的应用

4αGT能够改善淀粉凝胶特性，从而对淀粉基食品品质的提高具有积极作用。Seo等成功地将4αGT处理过的大米淀粉用于年糕的生产，显著抑制了年糕在冷藏期间的回生。在制备即煮食品时，通常干燥步骤会消耗能量并可能导致味道损失，而凝胶型提取物由于其容易融化的特性，对于保持某些即煮食品的品质可能是有利的。

改性淀粉由于其低成本和赋予产品独特乳脂质地的特性而经常包含在低脂产品的配方中。在蛋黄酱和低脂涂抹酱中，4αGT改性淀粉发挥脂肪替代物和乳脂状增强剂的作用，可作为功能性产品开发。4αGT改性淀粉产生的热可逆胶凝作用以及改性淀粉的融化可能发挥脂肪替代功能，部分结晶乳制品脂肪的融化可以替代全脂乳制品的整体奶油感。

4αGT改性淀粉在凝固型酸奶和搅拌型酸奶中也有相同的作用，而且对后者效果更明显。van der Marrel等研发的ETENIA TM 457是4αGT改性马铃薯淀粉的凝胶产品，可增强无脂、低脂和高脂酸奶中的乳脂感并改善质地。

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淀粉改性产品应用的挑战

在生产热可逆凝胶中使用4αGT是为明胶寻求替代品和使用凝胶化产品的突破。但是，在其可以用作明胶替代品之前，需要考虑一些问题。首先，在凝胶效果方面，明胶比植物来源的凝胶硬度更大，凝结速度更快，并且人体口腔含有的唾液淀粉酶会降解淀粉凝胶，影响口感。4αGT改性淀粉凝胶不透明，而明胶凝胶是完全透明的。其次，在凝胶质地方面，通过BE作用增加的α1→6糖苷键虽然减缓了淀粉在溶液中的回生，但对凝胶质地有负面影响。最后，在融化温度方面，明胶的独特功能是在人体温度周围融化，使香气释放达到最佳状态，而4αGT改性淀粉凝胶融化温度较高。

在食品中，4αGT赋予蛋黄酱和低脂涂抹酱相对较高的热可逆性，但也导致低脂涂抹酱熔化温度高于市售人造黄油的熔化温度，而且4αGT对其流变及稳定性的改变高度依赖于油和淀粉的浓度以及黄原胶的存在，还需要进一步通过控制酶的类型、淀粉类型和反应条件来制备具有各种质地特性的新型改性淀粉。

本文《GH77家族4-α-糖基转移酶在淀粉改性中应用的研究进展》来源于《食品科学》2021年42卷19期242-249页，作者：柏玉香，范旭瑶，王禹，金征宇，刘博群。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200529-361。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。