淀粉的消化在活体内和体外描述低聚糖或葡萄糖释放的特征的动力学

淀粉的消化：在活体内和体外，描述低聚糖或葡萄糖释放的特征的动力学模型

摘要：我们给出了淀粉消化的动力学的概述，强调了体外研究，运用了各种数学模型和来分析数据。这篇综述的观点是建立在没有凝胶的淀粉上（其中颗粒是完整的，且没有膨胀），适合喂养家畜，作为一些人的食物。哺乳动物的消化系统用了一个复杂但很有秩序的系列过程来降解和吸收各自日常饮食中的营养物质。包括咀嚼和搅拌的机械作用贯穿整个肠胃中的每个小分段，还有分泌物中的生物化学成分，包含有酸、缓冲液和水解酶。为了完成模型的复杂过程，在体外做了许多模拟消化的尝试。在体外用纯净的酶催化水解（分别简化）的表述已经证明很困难，就像淀粉颗粒复杂的结构导致酶催化作用需要符合不方便的动力学。用糖水解酶类消化淀粉的敏感性依赖一系列的因素，包括淀粉颗粒的结构，制备的方法，淀粉的天然活性和分子力。在一个淀粉颗粒中，分支结构，分子大小，分子重量分布和结晶度，可能都会影响淀粉颗粒的物理性质，这些控制消化。淀粉的特性如溶解度，纤维质、脂肪、蛋白质的存在都影响消化的速率。

关键词：淀粉葡糖甘酶a-淀粉酶淀粉消化水解动力学模型产物抑制作用速消化淀粉淀粉时间可分辨的1H核的磁性共振

1.引言

淀粉的消化不是一个简单独立的化学过程。其进程一定程度上可由几个不同的量的来确定。这几个量因为催化水解所需的酶和发生的反应不同而不同，包括淀粉的分解率以及葡萄糖和各种低聚糖的生成率。

了解影响淀粉水解的因素的最好方式是通过下面的因果相关的机械性的过程，其

模式如下：生物合成→产生和加工过程→淀粉和包含淀粉的物质的结构→消化特性。

也就是说，生物合成控制着淀粉的产生及其结构。其结构由一些变量（Buleon, Colonna, Planchot,&Tang,2009;Smith,2007）（昼夜温度、水的供应等）和糊化等过程决定。需要注意的是，这些箭头所标示的因果关系不会影响上述过程的进行。由于某个特殊的植物品种可随机产生更多的快速分解的淀粉，可以看出植物的多样性和快速消化率之间存在一定的相互关系，但这个过程不是随机的(Copelandet al.,2009)。

正如下面详细讨论的，含淀粉的食物中有很多不同的结构参数，主要是单个淀粉分支的分布、小颗粒中淀粉分子的整体分支结构和谷物的宏观结构。这种结构包括淀粉、蛋白质、脂类和其他可能存在的非淀粉多糖。它在一个或更多的结构水平上控制着诸如淀粉的消化动力学等特性(Smith,2007)。

家畜所食用的淀粉很大程度上是没有煮过的（没有糊化的），而大部分人类食用含淀粉食物是煮过的（糊化的）。的糊化可以大大改变甚至破坏团粒结构。不像其他的酶的反应，淀粉在非糊化情况下的水解绝大部分是受底物的颗粒架构控制的。这篇文章主要研究淀粉水解功能属性的特征。尽管也阐述了淀粉的结构特性和物理特性，引言部分引用了大量该广泛领域的文献资料，简洁明了。

2.淀粉来源

所有的谷类作物的谷粒中都含有大量的淀粉，包括大米、小麦、玉米、大麦和高粱、以及豆类和块茎。不同植物种类中的淀粉的结构和其形成颗粒的方式也不同，其中最重要也值得强调的是大米和小麦这些食物。研究水解的概念以及其他淀粉来源的统一化很容易进行。

原淀粉存在于许多品种中。例如，水稻可以是糯性、非糯性和粘性；而玉米可以包含高直链淀粉或低直链淀粉。换句话说，这些原淀粉的区别在于它们中的直链淀粉、支链淀粉、蛋白质、脂肪含量已及其他结构差异。约15-30%的稻谷是由蛋白质、脂肪和非淀粉多糖( Buleon et al.,1998; Chiou, Fellows, Gilbert,& Fitzgerald)组成。在大多数其他谷物（如小麦等）中，蛋白质组分的含量非常高。

这种蛋白质也是谷粒的重要组成部分。这里我们只考虑有壳的（或者碾磨过

的）谷物，例如，外部硬壳已经被移除的谷粒。小麦里大部分蛋白质，主要是friabilin,连接着淀粉颗粒表面和淀粉和脂质的复矩阵。小麦种子中的基质蛋白为淀粉颗粒的释放提供了一种特殊的方式。一旦被释放，位于蛋白组分的淀粉颗粒本身相对较小（0.1-0.3%）( Csoti, Bako, Tamas, &Gardonyi,2005)。同样，在高粱中，淀粉紧紧结合蛋白质（kafirin），小麦壳中亦是如此(Belton, Delgadillo, Halford, &Shewry,2006)。

3.淀粉分子结构

在各种植物中，淀粉品种主要包括两种不同的脱水葡萄糖聚合物即支链淀粉和直链淀粉，它们都是由分支点的α糖苷键连接的线性片段。其中，支链淀粉占70%,所以是主要成分，对淀粉的理化特性和糊化特性起主要影响。支链淀粉含有很多短支链，这些短支链分支点（4-5%）并非随机分布。另一方面，直链淀粉主要是由超过1%的长链分支形成的以单链为主的螺旋线性大分子。直链淀粉也成六重左双螺旋构象。

谷物中的淀粉结构可以分为6个等级（图1）(Ball et al.,1996)，规模从纳米到毫米这6个数量级。

1级：单个分支（见图1）。即样本分支中链长（聚合度）的分布，简称链长分布。链长以纳米为单位。

图1. 稻粒中六个等级的超分子水平，突出显示了淀粉的微观结构分配。

2级：整个淀粉分子（见图1）。即具有多分支的分子的结构。其特征从理论和实验上（Gray-Weale&Gilbert,2009）都很难描述。但是我们可以从其分子粒子数和重量平均数以及平均粒径的分布(Gidley et al.,2010)等平均量来有效地对其进行描述。每个支链淀粉的脱水葡萄糖链可分为三个不同的支链(Peat, Whelan,& Thomas,1952)（图2）：（1）A链没有相应的分支，通过各自分支点的α糖苷键与B、C链相连；（2）B链与A链不同，它有随附的分支并通过α糖苷键连接到分支的还原末端；（3）C链是支链淀粉分子最重要的一部分，它有一个自由的还原末端。众多分支连接到C链，为支链淀粉的复杂结构奠定了基础。

3级：层状结构（见图1）。在原淀粉中，葡聚糖链紧紧结合，相互交织形成双螺旋，这反过来又形成结晶序列片段。结晶成分主要包括支链淀粉分支中较短的部分。直链淀粉主要存在于非晶体层。这种结构的特点可通过小角X射线、中子散射和扫描电子显微镜来看出。孤立的直链淀粉分子形成六重左双螺旋结构（图3）。这个结构在糊化后的淀粉中也可存在。

4级：颗粒（见图1）。层状结构在原淀粉颗粒内部构造的同心生长环中有100-400纳米厚，被非晶体结构区域隔开。晶体和非晶体层状结构径向分布，形成同心壳。由于支链淀粉分子不对齐且直链淀粉也不会形成紧密的晶体区( Donald, 2004)，支链淀粉和直链淀粉中的分支点往往存在于非晶体区。这些半晶体和晶体区生长环构成的颗粒大小为15-30流明。通过扫描电镜表征。这种结构在糊化过程中会有很大的改变。

图2. 支链淀粉的群集模型。链的组织结构被很明显的表示出来。一个支链淀粉只有一个还原端基（注视为黑点）。