淀粉的消化：在活體內和體外-描述低聚糖或葡萄糖釋放的特征的動力學模型

淀粉的消化：在活體內和體外，描述低聚糖或葡萄糖釋放的特征的動力學模型摘要：我們給出了淀粉消化的動力學的概述，強調了體外研究，運用了各種數(shù)學模型和來分析數(shù)據(jù)。這篇綜述的觀點是建立在沒有凝膠的淀粉上（其中顆粒是完整的，且沒有膨脹），適合喂養(yǎng)家畜，作為一些人的食物。哺乳動物的消化系統(tǒng)用了一個復雜但很有秩序的系列過程來降解和吸收各自日常飲食中的營養(yǎng)物質。包括咀嚼和攪拌的機械作用貫穿整個腸胃中的每個小分段，還有分泌物中的生物化學成分，包含有酸、緩沖液和水解酶。為了完成模型的復雜過程，在體外做了許多模擬消化的嘗試。在體外用純凈的酶催化水解（分別簡化）的表述已經(jīng)證明很困難，就像淀粉顆粒復雜的結構導致酶催化作用需要符合不方便的動力學。用糖水解酶類消化淀粉的敏感性依賴一系列的因素，包括淀粉顆粒的結構，制備的方法，淀粉的天然活性和分子力。在一個淀粉顆粒中，分支結構，分子大小，分子重量分布和結晶度，可能都會影響淀粉顆粒的物理性質，這些控制消化。淀粉的特性如溶解度，纖維質、脂肪、蛋白質的存在都影響消化的速率。關鍵詞：淀粉葡糖甘酶a-淀粉酶淀粉消化水解動力學模型產(chǎn)物抑制作用速消化淀粉淀粉時間可分辨的1H核的磁性共振1.引言淀粉的消化不是一個簡單獨立的化學過程。其進程一定程度上可由幾個不同的量的來確定。這幾個量因為催化水解所需的酶和發(fā)生的反應不同而不同，包括淀粉的分解率以及葡萄糖和各種低聚糖的生成率。了解影響淀粉水解的因素的最好方式是通過下面的因果相關的機械性的過程，其模式如下：生物合成→產(chǎn)生和加工過程→淀粉和包含淀粉的物質的結構→消化特性。也就是說，生物合成控制著淀粉的產(chǎn)生及其結構。其結構由一些變量（Buleon,Colonna,Planchot,&Tang,2009;Smith,2007）（晝夜溫度、水的供應等）和糊化等過程決定。需要注意的是，這些箭頭所標示的因果關系不會影響上述過程的進行。由于某個特殊的植物品種可隨機產(chǎn)生更多的快速分解的淀粉，可以看出植物的多樣性和快速消化率之間存在一定的相互關系，但這個過程不是隨機的(Copelandetal.,2009)。正如下面詳細討論的，含淀粉的食物中有很多不同的結構參數(shù)，主要是單個淀粉分支的分布、小顆粒中淀粉分子的整體分支結構和谷物的宏觀結構。這種結構包括淀粉、蛋白質、脂類和其他可能存在的非淀粉多糖。它在一個或更多的結構水平上控制著諸如淀粉的消化動力學等特性(Smith,2007)。家畜所食用的淀粉很大程度上是沒有煮過的（沒有糊化的），而大部分人類食用含淀粉食物是煮過的（糊化的）。的糊化可以大大改變甚至破壞團粒結構。不像其他的酶的反應，淀粉在非糊化情況下的水解絕大部分是受底物的顆粒架構控制的。這篇文章主要研究淀粉水解功能屬性的特征。盡管也闡述了淀粉的結構特性和物理特性，引言部分引用了大量該廣泛領域的文獻資料，簡潔明了。2.淀粉來源所有的谷類作物的谷粒中都含有大量的淀粉，包括大米、小麥、玉米、大麥和高粱、以及豆類和塊莖。不同植物種類中的淀粉的結構和其形成顆粒的方式也不同，其中最重要也值得強調的是大米和小麥這些食物。研究水解的概念以及其他淀粉來源的統(tǒng)一化很容易進行。原淀粉存在于許多品種中。例如，水稻可以是糯性、非糯性和粘性；而玉米可以包含高直鏈淀粉或低直鏈淀粉。換句話說，這些原淀粉的區(qū)別在于它們中的直鏈淀粉、支鏈淀粉、蛋白質、脂肪含量已及其他結構差異。約15-30%的稻谷是由蛋白質、脂肪和非淀粉多糖(Buleonetal.,1998;Chiou,Fellows,Gilbert,&Fitzgerald)組成。在大多數(shù)其他谷物（如小麥等）中，蛋白質組分的含量非常高。這種蛋白質也是谷粒的重要組成部分。這里我們只考慮有殼的（或者碾磨過的）谷物，例如，外部硬殼已經(jīng)被移除的谷粒。小麥里大部分蛋白質，主要是friabilin,連接著淀粉顆粒表面和淀粉和脂質的復矩陣。小麥種子中的基質蛋白為淀粉顆粒的釋放提供了一種特殊的方式。一旦被釋放，位于蛋白組分的淀粉顆粒本身相對較?。?.1-0.3%）(Csoti,Bako,Tamas,&Gardonyi,2005)。同樣，在高粱中，淀粉緊緊結合蛋白質（kafirin），小麥殼中亦是如此(Belton,Delgadillo,Halford,&Shewry,2006)。3.淀粉分子結構在各種植物中，淀粉品種主要包括兩種不同的脫水葡萄糖聚合物即支鏈淀粉和直鏈淀粉，它們都是由分支點的α糖苷鍵連接的線性片段。其中，支鏈淀粉占70%,所以是主要成分，對淀粉的理化特性和糊化特性起主要影響。支鏈淀粉含有很多短支鏈，這些短支鏈分支點（4-5%）并非隨機分布。另一方面，直鏈淀粉主要是由超過1%的長鏈分支形成的以單鏈為主的螺旋線性大分子。直鏈淀粉也成六重左雙螺旋構象。谷物中的淀粉結構可以分為6個等級（圖1）(Balletal.,1996)，規(guī)模從納米到毫米這6個數(shù)量級。1級：單個分支（見圖1）。即樣本分支中鏈長（聚合度）的分布，簡稱鏈長分布。鏈長以納米為單位。圖1.稻粒中六個等級的超分子水平，突出顯示了淀粉的微觀結構分配。2級：整個淀粉分子（見圖1）。即具有多分支的分子的結構。其特征從理論和實驗上（Gray-Weale&Gilbert,2009）都很難描述。但是我們可以從其分子粒子數(shù)和重量平均數(shù)以及平均粒徑的分布(Gidleyetal.,2010)等平均量來有效地對其進行描述。每個支鏈淀粉的脫水葡萄糖鏈可分為三個不同的支鏈(Peat,Whelan,&Thomas,1952)（圖2）：（1）A鏈沒有相應的分支，通過各自分支點的α糖苷鍵與B、C鏈相連；（2）B鏈與A鏈不同，它有隨附的分支并通過α糖苷鍵連接到分支的還原末端；（3）C鏈是支鏈淀粉分子最重要的一部分，它有一個自由的還原末端。眾多分支連接到C鏈，為支鏈淀粉的復雜結構奠定了基礎。3級：層狀結構（見圖1）。在原淀粉中，葡聚糖鏈緊緊結合，相互交織形成雙螺旋，這反過來又形成結晶序列片段。結晶成分主要包括支鏈淀粉分支中較短的部分。直鏈淀粉主要存在于非晶體層。這種結構的特點可通過小角X射線、中子散射和掃描電子顯微鏡來看出。孤立的直鏈淀粉分子形成六重左雙螺旋結構（圖3）。這個結構在糊化后的淀粉中也可存在。4級：顆粒（見圖1）。層狀結構在原淀粉顆粒內部構造的同心生長環(huán)中有100-400納米厚，被非晶體結構區(qū)域隔開。晶體和非晶體層狀結構徑向分布，形成同心殼。由于支鏈淀粉分子不對齊且直鏈淀粉也不會形成緊密的晶體區(qū)(Donald,2004)，支鏈淀粉和直鏈淀粉中的分支點往往存在于非晶體區(qū)。這些半晶體和晶體區(qū)生長環(huán)構成的顆粒大小為15-30流明。通過掃描電鏡表征。這種結構在糊化過程中會有很大的改變。圖2.支鏈淀粉的群集模型。鏈的組織結構被很明顯的表示出來。一個支鏈淀粉只有一個還原端基（注視為黑點）。一個叫做“毛臺球”（Jane,Wong,&McPherson,1997;Lineback,1984,1986;Robertsonetal.,2006）的概念模型將單螺旋組織直鏈淀粉和雙螺旋組織支鏈淀粉都解釋了出來。該模型指出顆粒的表面不是光滑的，而是由突起的分支形成的。在毛層里的臺球表面決定了表面基質和內部基質之間的界限（2006）。研究“毛臺球”主要是為了解釋透視短程表面衍射（XRD）圖譜。這些模式因為顆粒的半晶體片層與由透視所觀察到的模式毫無關系（Sevenou,Hill,Farhat,&Mitchell,2002）?！懊_球”模型通過無障礙的酶變化(Robertsonetal.,2006)也很好地解釋了葡萄糖水解酶在淀粉顆粒水解過程中所需要的時間。與合成聚合物不同，在聚乙烯等中的支鏈淀粉晶體不能形成半晶體環(huán)帶折疊片層。熱處理后淀粉晶體的重復距離也不會隨著合成聚合物的改變而改變（(Jenkinsetal.,1994）。相反，雙螺旋結構似乎并排排列在近晶或向列型結構中(Waighetal.,1997)?；趥孺溡后w結晶聚合物，這些屬性導致了淀粉顆粒結構的另一個模型。支鏈淀粉雙重剛性雙螺旋分支為液晶的結構順序打下了基礎，盡管它們需要充分地從液晶體的脊柱上脫離出來（Shibaev，1994）。交替半結晶殼呈橢圓形，每兩個間相隔9納米(Waigh,Donald,Heidelbach,Riekel,&Gidley,1999;Waighetal.,2000)。通過X射線衍射(Waighetal.,1997,1999）發(fā)現(xiàn)，無論品種如何，支鏈淀粉分子與晶體和非晶體區(qū)域成相同的間隔。在馬耳他十字(BeMiller,2007)的偏振效果中也顯示，淀粉顆粒的雙折射性質也能證明淀粉顆粒中的分子順序。5級：胚乳（見圖1）。這包括淀粉顆粒、蛋白質和脂肪。在水解過程中，這一結構數(shù)量級通常并不重要，除了在一些沒有谷殼但是含有一個不易被破壞的蛋白質淀粉基質的谷物（如高粱）中。6級：全谷物（如圖1）。這是最后的數(shù)量級，1毫米大小，包括諸如谷殼等最高級別的結構。自然界中顆粒結構的作用是為職務的發(fā)芽提供能量。一旦有正確的外部刺激，顆粒就向外緩慢釋放葡萄糖。支鏈淀粉緊湊的晶體結構中最重要的結構成分也是為此準備。盡管直鏈淀粉占據(jù)了淀粉種類的20-30%，它在淀粉顆粒為充滿活力的胚胎提供葡萄糖這一機能過程中的功能還沒被完全發(fā)現(xiàn)。雖然只有支鏈淀粉就足以形成淀粉顆粒，直鏈淀粉在淀粉晶體的形成中也起著重要的作用(Ziegler,Creek,&Runt,2005)。有趣地，諸如支鏈淀粉和直鏈淀粉比例、大小、形態(tài)以及淀粉顆粒的粒徑分布等都決定著顆粒的物理化學特性(Ellisetal.,1998)。4.功能特性要把谷物原材料變成可食美味必須要應用水和熱。護花過程包括幾個階段，分別是玻璃化轉變、糊化（結晶區(qū)的非平衡膨脹區(qū)(Slade&Levine,1988），膨脹、粘貼和回生（如下）。這些階段在加熱和冷卻過程中相互影響(Slade&Levine,1988).。原始形態(tài)下，淀粉顆粒在冷水中不溶于水，而是機械地分散在水中。為了制作水和淀粉的混合液常用給這些水懸浮液加熱這一方法。我們已經(jīng)很好的描述了碳水化合物的性能及其水化(Matser&Steeneken,1997;Steeneken,1989)。玻璃化轉變溫度就是結晶聚合物的非晶體區(qū)域開始變軟或變得有彈性時的溫度。淀粉顆粒的半晶體屬性意味著淀粉糊化前必須先喪失其玻璃狀和脆性(Biliaderis,Page,Maurice,&Juliano,1986)。玻璃轉換溫度受水的抑制，因此，在濕度較大的情況下，玻璃轉化的需要的溫度會降低(Biliaderisetal.,1986;Levine&Slade,1989;Slade&Levine,1988)。大多數(shù)合成聚合物在冷卻過程中返回玻璃狀態(tài)的溫度都低于玻璃的轉化溫度，淀粉顆粒冷卻到低于玻璃的轉化溫度時卻不一定改變變得柔軟彈性的非晶體區(qū)域(Biliaderisetal.,1986;Levine&Slade,1989)。淀粉糊化的溫度在60℃左右（見上文），這也取決于它的來源(Shiotsubo,1983)。當周圍溫度超過這個溫度，淀粉顆粒開始吸收一定量水并失去其半晶體屬性，同時膨脹到原來體積的許多倍。完全的同質性淀粉只能出現(xiàn)在當顆粒被加熱超過糊化的溫度并導致淀粉顆粒聚合成更小的淀粉顆粒的情況下。圖3.支鏈淀粉的雙螺旋構像和其他糖類的不同，比如纖維素化合物和β（1，3）葡聚糖是由單螺旋和三重螺旋構成，相對而言。此螺旋結構通過與碘和碘離子或者短鏈醇類的結合而緊密。在更高的溫度和壓力下，自發(fā)分解的淀粉分子通過產(chǎn)生規(guī)模較小的寡糖來增加紋理均勻的混合物(Miyazawa,Ohtsu,Nakagawa,&Funazukuri,2006）。表征整個淀粉顆粒在混合物中的大小分布需要在淀粉分子不分解的情況下把淀粉顆粒分解。某些可溶性淀粉品種在水中加熱到100℃時變得完全溶解。高壓滅菌的淀粉懸浮液也用于制造同質淀粉，盡管高壓滅菌的效果隨著淀粉種類的變化而變化(Gidleyetal.,2010;Ratnayake&Jackson,2009)。淀粉在少量的水的存在下(Bello-Pérez,Roger,Baud,&Colonna,1998)或者在溴化鋰作為氫鍵干擾物的情況下可完全溶解于無水二甲基亞砜（二甲基亞砜）中；后者可在顆粒結果收到微小的分割或輕微的機械破壞的情況下在80℃左右進行。這也是表征淀粉顆粒特性的一種方法。二甲基亞砜等有機溶劑在研究水解是并不是有用的媒介，因為這些環(huán)境可能抑制水解酶的作用。淀粉一旦被糊化，淀粉顆粒就膨脹為原體積的很多倍。在剪切的情況下，顆粒保持分子的完整性(Parker&Ring,2001）。淀粉顆粒膨脹的程度與溫度相關：這是指在加熱過程中淀粉懸浮液的粘度開始迅速增加的溫度。淀粉顆粒的膨脹伴隨著直鏈淀粉分子和血脂的浸出，通常與顆粒緊緊相連進入持續(xù)階段(Bhattacharya,Sowbhagya,&Swamy,1972,1978)。淀粉顆粒中的支鏈淀粉在膨脹中只吸收水分，直鏈淀粉和血脂的存在則是為了延緩膨脹(Sasaki&Matsuki,1998;Tester&Morrison,1990)。長鏈支鏈淀粉的比例與淀粉的膨脹速率相關。膨脹潛能更高的淀粉中長鏈支鏈淀粉的含量更高(Bogracheva,Wang,&Hedley,2001a;Sasaki&Matsuki,1998)。因此，直鏈淀粉、血脂及支鏈淀粉的結構與淀粉的膨脹及糊化性能都緊緊相關。糊化淀粉在a-淀粉酶的催化作用下比原淀粉顆粒更容易分解。此外，如支鏈淀粉和直鏈淀粉比例以及含有脂質和直鏈淀粉的復合物等特性都能影響分解率。直鏈淀粉含量增加時，淀粉顆粒的消化率就降低(Vesterinen,Myll?rinen,Forssell,S?derling,&Autio,2002),盡管直鏈淀粉含量本身并不是預測消化率的唯一因素(Htoonetal.,2009;Lopez-Rubio,FlanaganBernadine,ShresthaAshok,GidleyMichael,&GilbertElliot,2008)。與此相同，直鏈淀粉與脂質的混合物與自由碳水化合物相比更能抵抗水解酶的攻擊(Nebesny,Rosicka,&Tkaczyk,2004)。糊化淀粉標本中的分子當存放在某種環(huán)境下后能進行分子內和各分子間的有序結合，這個過程稱為回生。糊化淀粉冷卻后，直鏈淀粉與支鏈淀粉晶體相結合，在回生的過程中能形成凝膠(Ringetal.,1987).。直鏈淀粉必須加熱到大于100℃，摧毀了粒狀結構后才能回生(Miles,Morris,Orford,&Ring,1985)。支鏈淀粉再結晶的速率比直鏈淀粉形成單、雙螺旋的速率慢得多，因此支鏈淀粉衍生的螺旋可以聚合(Baik,Kim,Cheon,Ha,&Kim,1997)。因此，回生的前一階段取決于淀粉中直鏈淀粉的含量。高分子量的直鏈淀粉比低分子量的支鏈淀粉更能促進回生，這表明樣品中直鏈淀粉長鏈分支（和直鏈淀粉的主鏈)的分子重量比例是回生過程的初期回生溫度的決定因素之一(Tsai&Lii,2000)?；厣笃谂c支鏈淀粉長鏈的分布相關，尤其是短A鏈所占的比例(Fredriksson,Silverio,Andersson,Eliasson,&Aman,1998;Silverio,Fredriksson,Andersson,Eliasson,&Aman,2000;Tsai&Lii,2000）。據(jù)悉，這里所說的相關性不一定是因果關系。通過差示掃描量熱法(Janeetal.,1999;Lai,Lu,&Lii,2000;Tako&Hizukuri,2000;Tsai&Lii,2000）、X射線衍射(Jagannath,Jayaraman,Arya,&Somashekar,1998;Jouppila,Kansikas,&Roos,1998)、酶動力學(Kim,Kim,&Shin,1997;Tsuge,Tatsumi,Ohtani,&Nakazima,1992)和動態(tài)彈性測量(Morikawa&Nishinari,2000;Otobe,Yoshii,Sugiyama,&Kikuchi,1995;Tako&Hizukuri,2000)等不同的方法，淀粉的回生受到了廣泛的研究。植物品種不同，淀粉顆粒顯示的衍射圖樣（通過X射線衍射）也不同；A型圖是正常淀粉，B型是塊莖淀粉(Katz,1930)（圖2）。兩個同質異晶體的區(qū)別與水的相對量和晶體細胞中的雙螺旋結構相關(Bogracheva,Wang,&Hedley,2001b;Bogracheva,Wang,Wang,&Hedley,2002)。A型淀粉的支鏈淀粉分子含有很多短鏈組分(Hizukuri,1985)，但晶體在長時間的酶的攻擊下更容易分解(Planchot,Colonna,&Buleon,1997)。在原淀粉中，雙螺旋組分（圖3）比晶體順序更重要，這意味著并非所有的螺旋結構都參與淀粉晶體的形成(Cooke&Gidley,1992）。即便如此，螺旋淀粉分子抵抗淀粉酶的催化水解的作用至少能說明高直鏈淀粉為什么能比糯品種更能抵抗水解，盡管它們結晶程度更低(Tester,Qi,&Karkalas,2006)。淀粉顆粒的結晶不是唯一一個影響酶降解性能的因素。直鏈淀粉的和脂質的混合物也能影響水解的速率。這些混合物在淀粉顆粒水解的過程中逐漸地積累在顆粒中(Gernat,Radosta,Anger,&Damaschun,1993)。直鏈淀粉和脂質的混合物在水解的過程中是否一直存在或生成并不為人所知，盡管它們對酶的攻擊有抗拒性。5.消化酶動物的消化道里有很多的水解酶能夠催化聚合大分子的分解。酶的催化速率受溫度和PH值的影響，盡管催化過程大都在pH值為5，溫度在37℃左右。催化降解多糖的酶基本有兩種。盡管磷酸化酶在動物界淀粉的代謝過程中具有關鍵的作用，我們這里集中在哺乳動物的碳水化合物的消化水解過程。內水解酶(Werner&Keilich,1965)被排除細胞外并在細胞外作用。碳水化合物的內水解酶劈開那些大的不能擴散到細胞內的碳水化合物，生成較小的能夠穿越細胞膜的的產(chǎn)物。內水解酶隨機劈開一個水和淀粉分子形成兩個更小的分子，在α-淀粉酶這種特殊情況下，是劈開任何可能接觸到的的α糖苷鍵。內水解酶(Akerberg,Zacchi,Torto,&Gorton,2000)從非還原性基板分子的一端產(chǎn)生單體或二聚體。糖苷淀粉酶和B-淀粉酶等酶分別從淀粉和低聚糖的非還原末端產(chǎn)生葡萄糖或麥芽糖單位。經(jīng)光鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡（Apinanetal.,2007）和掃描電鏡(Tester,Morrison,Gidley,Kirkland,&Karkalas,1994;Zhang,Ao,&Hamaker,2006)（圖1）看到，酶的作用以各種方式影響著淀粉顆粒的表面。酶攻擊的許多不同模式已經(jīng)確定，包括針孔、海綿狀侵蝕、中型孔、個別顆粒單洞和表面侵蝕(Sujka&Jamroz,2007)。根據(jù)酶和淀粉種類的不同，酶會破壞整個淀粉分子（外切-腐蝕）或者在具體方位的消化渠道表面上上向中央（外腐蝕）。小麥、大麥和黑米淀粉有具體的敏感地帶，這些地帶成為顆粒中內消化酶的渠道，這也消弱了顆粒的結構。顆粒最終變成片段，剩下的只有殘余淀粉（圖4）。盡管顆粒中色晶體和非晶體區(qū)域的理化性質不同，消化后殘余的淀粉有一個大致的解支分布，這一點在衡量體積排阻的多角度激光散射和折射指數(shù)中表現(xiàn)出來(Zhangetal.,2006)。去分支后的的另外一個相似的資料表明水解通過晶體非晶體片層進行，這也被用掃描電鏡觀察出(Zhangetal.,2006)（圖4）。通過不同的差示掃描量熱法來分析原淀粉顆粒發(fā)現(xiàn)，水解后的殘留也表明糊化溫度和焓等特性(Zhangetal.,2006)。圖4.正常玉米的淀粉水解SEM成像：（A）0量滴（控制物）；（B）40量滴（注意α-淀粉酶和淀粉葡糖甘的針孔攻擊模式），（C）120量滴。最后一個圖(D)表明在消化后，依然存在殘留的金字塔形狀的碎片。5.1人體消化系統(tǒng)淀粉到嘴里就遇到唾液淀粉酶，它是水解碳水化合物的第一種酶(Hoebler,Devaux,Karinthi,Belleville,&Barry,2000)。在相對較短的時間內，食物由食道蠕動進入胃。在淀粉消化的過程中，胃里的壁細胞起著關鍵的作用。它分泌鹽酸。胃的pH值是2.6，這延緩α淀粉酶的作用，但能增加淀粉的酸水解。另外，在上消化道上，跟淀粉結合在一起的脂質被各外分泌腺分泌的水解脂肪酶分解。脂質消化的一個關鍵步驟是乳液的形成，這提高了油水接觸面積從而提高酶的效率。該乳液的產(chǎn)生是通過第一階段的機械的咀嚼和之后的消化道蠕動運動。該乳液被涂有膜脂、變形蛋白和脂肪酸的液滴穩(wěn)定下來，從而防止它們凝聚(Boron&Boulpaep,2009)。攝取的食物被從運到十二指腸，在這里遇到胰腺分泌素。它的分泌速率受飽足激素的控制。胰腺液中含有淀粉消化中的兩種重要的組成部分。碳酸氫鈉（碳酸氫鹽）把從胃液來的液體的酸度中和到pH值為8。胰液中也包含淀粉酶，它使淀粉繼續(xù)水解成葡萄糖和低聚糖。后者包含線性和分支結構，如果沒有進一步的水解，不會被吸收到血液中。葡萄糖只是內分解酶的一小部分產(chǎn)物，例如，A淀粉酶只在最初階段起作用，還需要進一步的酶解過程。沒被α淀粉酶催化分解的α限制糊精、基質、小線性低聚物以及較大的A-葡聚糖等物質后來被降解為單糖單位。這種轉變時通過對小腸的腸細胞膜不可缺少的消化酶來完成的，主要包括黏膜麥芽糖酶，糖化酶，和蔗糖酶，異麥芽糖。這些外切葡萄糖苷酶作用于葡萄糖低聚物的非還原性末端并催化水解α糖苷鍵或者較小程度的α糖苷鍵分支鏈，從而確保非線性低聚糖的進一步水解。由此產(chǎn)生的單糖，如葡萄糖和半乳糖，通過第二次主動運輸跨越腸的頂膜并被吸收，隨后穿過基底膜退出腸胃道進入血液(Boron&Boulpaep,2009)。大腸（結腸）含有很多的微生物（個人之間差別較大），這些微生物對有酶缺陷的人體或者在空腸或回腸中還存在沒有水解掉的碳水化合物時消化多糖有很大的作用。棲息在這一消化道部位的細菌通過發(fā)酵來消化未分解的RS和可溶性纖維等多糖。發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，穩(wěn)定血糖水平，抑制肝臟內的膽固醇(MacFarlane&MacFarlane,2006;Wong,deSouza,Kendall,Emam,&Jenkins,2006)。6．消化率指數(shù)在過去的25年里，食物的消化率被一些指標數(shù)來歸類。其中最著名的就是血糖生成指數(shù)（GI）。它最早由Jenkins等（1981）定義為總血液中的（區(qū)域血糖反應下葡萄糖濃度隨時間變化的曲線）（表1）2小時候隨即變成固定的碳水化合物的消耗；它表示一個值相對于該標準的食品如正常的白面包或葡萄糖(Roberts,2000)。許多內在和外在的因素影響著淀粉的性質進而影響食物的GI，包括淀粉結構的6個級別（圖1）；這些因素是腸胃蠕動、糊化以及纖維、脂肪和蛋白質的存在(Krezowski,Nuttall,Gannon,&Bartosh,1986;Thorne,Thompson,&Jenkins,1983)。淀粉回生的程度、顆粒的形態(tài)和膳食纖維含量等因素也在體外環(huán)境下得到了驗證(Urooj&Puttraj,1999)。通過回生過程，糊化或可溶性淀粉可從無結構狀態(tài)轉化成更加有序的或者結晶狀態(tài)。這個大型物理變化導致加熱了的淀粉食物變硬或腐敗，同時，它們也自發(fā)的接近一個自由能較低的亞狀態(tài)，因此增加了淀粉酶的阻力，從而降低GI值(Chung,Lim,&Lim,2006)。其他能評價體內碳水化合物消化率的系統(tǒng)還有血糖負荷（GL）、血糖反應和RS（第7.1章）。血糖負荷是減肥或者控制糖尿病的基礎度量。也有持異議的(Dasetal.,2007),GI值是由政府化驗計算乘以百分比的GI的目前消耗的碳水化合物計算得到的。同地理標志一樣，血糖負荷有一定的規(guī)?？梢杂脕韺⒉煌氖澄锲贩N歸類到不同的食譜中。血糖反應是在攝取碳水化合物、RS和其他淀粉組分（第7.1節(jié)）之后任何給定時間對血液中葡萄糖增加的測量。對商業(yè)食品進行實驗以估算其血糖反應或其他體內措施是一個昂貴的過程。所以近期的研究目標在于發(fā)明體內的測算血糖反應或同等度量(Garsettietal.,2005;Goni,Garcia-Alonso,&Saura-Calixto,1997;Okuda,Aramaki,Koseki,Satoh,&Hashizume,2005)（第7節(jié)）。表1.根據(jù)模型分類，淀粉酶消化的動力學分析方法來源和處理方法應用的技術運用的模型結果評價體外監(jiān)測淀粉消化（Invivomonitoringofstarchdigestion）Jenkinsetal.(1981),Ross,Brand,Thorburn,andTruswell(1987)所用糖類是食物，用一些烹飪方法準備材料消耗淀粉制品（賣的商品），間隔30分鐘，測量被試血液中葡萄糖的濃度，GI是通過比較血液中葡萄糖濃度曲線下方的面積計算的，攝取一個白面包2小時后的標準商業(yè)用的淀粉制品的GI范圍為30-130AUC。通常認為，GI在55AUC一下的產(chǎn)品更健康。淀粉水解為葡萄糖的GI測量是受到很多因素影響的，包括年齡、性別、種族、蛋白質攝取Krezowskietal.,1986）食物處理(Brand,Nicholson,Thorburn,&Truswell,1985),和被試的健康狀況(Brand-Milleretal.,2002;Jenkinsetal.,2002;Thorneetal.,1983)GI只考慮吸收到血液中的葡萄糖，忽略了其他糖類。這種方法的意義依然存在。(DeVries,2007)指數(shù)動力學模型（Exponentialkineticmodels）Freietal.(2003),Gonietal.(1997)所用糖類是食物，用一些烹飪方法準備材料用α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶在活體內和體外進行淀粉消化。比較各種食物消化曲線下面的面積。計算體外淀粉消化曲線下方的面積用了一個很簡單的指數(shù)模型。體外的數(shù)據(jù)顯示，和體內的GI數(shù)據(jù)有一定的相關性。-指數(shù)模型沒有機械學的要素用于分析(體外)數(shù)據(jù)-體內和體外的時間點都是間隔30min，在體外數(shù)據(jù)分析時留下了消化的“有趣”部分沒有監(jiān)測Apar&Ozbek(2007)沒有做優(yōu)先處理，大米淀粉顆粒在60℃、PH=6.5條件下消化通過與碘結合，監(jiān)測用α-淀粉酶消化時間進程的前10min內剩余淀粉濃度簡單指數(shù)模型適用與水解初始濃度范圍。初始速度的數(shù)據(jù)分析用雙倒數(shù)作圖法列表。葡萄糖和麥芽糖都會導致抑制產(chǎn)物的生成，兩者的影響沒有區(qū)別-指數(shù)模型沒有機械學的要素用于分析數(shù)據(jù)-只檢測消化反應的前10min-采用與碘結合測定剩余淀粉的量，而不是通過測定溶液中還原能力確定糖產(chǎn)物量，可靠性降低Wangetal.(2006)沒有優(yōu)先處理，在恒溫箱里，50攝氏度，谷物淀粉顆粒消化用淀粉葡糖苷酶消化淀粉，通過葡萄糖分析和分光光度測定法檢測用簡單指數(shù)模型描述產(chǎn)物葡萄糖的抑制作用-經(jīng)過葡萄糖濃度很低的“緩期”后，發(fā)現(xiàn)葡萄糖抑制淀粉葡糖苷酶，-40攝氏度時有最佳活性建立了數(shù)學模型，即使沒有模型的模擬實驗和相關的數(shù)據(jù)配置-指數(shù)模型沒有機械學的要素用于分析(體外)數(shù)據(jù)Al-Rabadietal.(2009)大麥和高粱淀粉消化，37攝氏度，PH2.0到7.0的三個階段模擬體內狀態(tài)進行淀粉消化。把樣品和α-淀粉酶、淀粉葡糖苷酶溶液一起攪拌，隨后進行葡萄糖分析和分光光度測定法檢測簡單的指數(shù)模型用于淀粉消化的分數(shù)配置，即線性對數(shù)圖-第一階段動力學描述谷物消化碎片-小的淀粉顆粒提高酶作用的速率-盡管模型很接近的描述了淀粉的消化，但是在消化的前30min里，只監(jiān)測了SDS階段，沒有等分監(jiān)測分式，沒有適合的模型（Starchfractionsdetermined,nofittedmodel）Benmoussa,Moldenhauer,andHamaker(2007),Englystand-Hudson(1996),Pizzoferrato,Rotilio,andPaci(1999)Englyst-淀粉是用各種烹飪技術準備的食物，在37攝氏度，PH5.2條件下消化?？綪izzoferrato–栗子和底層在37度，PH5.0條件恒溫，Benmoussa-大米粉樣品煮沸20min，37度消化Englyst實驗（Englystetal.1992）被用于定量水解商品食物和有不同完整結構的各種淀粉的定量分式支鏈淀粉的精致結構和消化能力的標準相關（RDS和SDS）在消化過程中-Englyst和相關的方法只用了兩個時間點，沒有考慮機械攪拌對淀粉消化的影響Chungetal.(2006)光滑的大米在各種溫度下制成膠狀(5min)，在37攝氏度下消化Englyst消化評定和α-淀粉酶消化的時間進程表框定量分式，即使沒有適合時間進程的動力學模型膠體化和退化的樣品的消化性值得比較-測定了葡萄糖的濃度，而忽略了其他低聚糖Aoetal.(2007),Zhangetal.(2006Zhang–玉米，土豆和小麥淀粉沒有做其他優(yōu)先處理，37攝氏度恒溫、PH5.2。Ao-玉米淀粉加熱到80度保持10min，壓熱處理20min,然后在消化過程中，PH5.0,恒溫50攝氏度用α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶消化的來源不同的天然的、修改后的淀粉的Englyst消化評定和時間進程被描述出來定量分式，即使沒有適合時間進程的動力學模型用更大支鏈密度和更小的鏈長度修改的淀粉有更慢的消化性能-沒有實驗用動力學模型來描述消化過程Maneliusetal.(1997),Maneliusetal.(2000),Shuetal.(2006)Manelius–玉米和小麥淀粉在25攝氏度、PH6.5下消化，不做優(yōu)先加熱處理,Shu-大米淀粉樣品在50攝氏度下煮，在37攝氏度進行消化實驗α-淀粉酶消化后的所有還原糖的量是由本來的和抗消化的淀粉種類決定的。同時，不同取代和不同大小的顆粒被分解程度，用還原糖或者凝膠過濾色譜法測定每30min測定一次，盡管沒有適合數(shù)據(jù)的模型已經(jīng)證明抗淀粉水解慢且不完全。更進一步，更大程度的取代和大顆粒減弱了酶的攻擊-沒有動力學模型適合用于分析體外消化的數(shù)據(jù)-只是每隔30min取一次數(shù)據(jù)，留下了沒有監(jiān)測的消化的“有趣”部分BertoftandManelius(1992)Waxy-玉米淀粉煮沸60min,在23攝氏度，PH5.5下消化在各個時間點用凝膠過濾色譜監(jiān)測α-淀粉酶消化沒有動力學模型適用從長鏈淀粉中得到的數(shù)據(jù)所描述的方法允許監(jiān)測顆粒的水解，和在消化過程中各個階段的產(chǎn)物-樣品從色譜后的活性恢復不完全-沒有實驗用一個動力學模型來描述該淀粉的消化米氏多級模型(Michaelis–Mentenmultiplestagemodel)Donaetal.(2009)小麥和大米淀粉顆粒懸浮液在25攝氏度PH5.2，，下消化，沒有用熱水做優(yōu)先處理用核磁共振監(jiān)測小麥面粉和大米淀粉的消化，用α-淀粉酶、淀粉葡糖甘酶消化淀粉的RSD和SDS消化階段分開處理，首先用雙倒數(shù)作圖法列表淀粉消化的兩個階段可以分別表述，用古典的米氏動力學方程-應用雙倒數(shù)作圖列表法有很大的系統(tǒng)誤差沒有抑制或鈍化作用的米氏方程（Michaelis–Mentenwithoutinhibitionorinactivation）Nittaetal.(1979)大豆淀粉和土豆值鏈淀粉在25度，一系列PH值下消化，不做熱水優(yōu)先處理通過測定一系列PH值條件下還原糖的最后濃度來分析β-淀粉酶對大豆淀粉作用的動力學模型數(shù)據(jù)適合Hanes–Woolf曲線，發(fā)現(xiàn)各個PH值的米氏參數(shù)，一個可以預測已知PH的消化能力β-淀粉酶的最佳PH是5.85設計了一個很精密的動力學模型來考慮酶的作用和PH的作用，盡管沒有實驗可以和這個預測的模型比較Heitmann,WenzigandMersmann(1997)土豆淀粉的消化，樣品在60攝氏度下恒溫凝膠滲透色譜法監(jiān)測α-淀粉酶的消化性釋放的還原糖用米氏模型分析估測三種原始淀粉，適合用雙倒數(shù)作圖法分析的動力學-測定的時間點非常有限，不能考慮整個過程-凝膠滲透色譜法后樣品性能恢復不完全ParkandRollings(1995)純化的直鏈淀粉酶和支鏈淀粉（來自Sigma）在H2O/DMSO混合溶液中，50攝氏度下恒溫30minα-淀粉酶消化能力用SEC監(jiān)測，低的激光散射角度釋放的還原糖用米氏模型分析估測比較直鏈淀粉和支鏈淀粉的動力學，支鏈的密度影響消化的表達-和上面的評價相同-消化被氫氧化鈉停止，即使淀粉在堿性溶液中更不穩(wěn)定-測定的時間點非常有限，不能考慮整個過程Akerbergetal.(2000)小麥淀粉在15min內加熱到90攝氏度，在30攝氏度，PH5.0下恒溫消化用HPAEC表征用α-淀粉酶和淀粉葡糖甘酶的消化一個以米氏動力學為基礎的模型被模擬，考慮用兩種酶及酶作用物的大?。≒H一定）各種濃度的淀粉都會有產(chǎn)物，在消化模擬精確的過程中-盡管消化進行了80小時，但只有大約10步是來處理產(chǎn)物的-在這個動力學模型中，變量參數(shù)的數(shù)量允許這個模擬的模型精確適合由不同參數(shù)得到的實驗數(shù)據(jù)Amatoetal.(2004)沒有用熱水做優(yōu)先處理的小麥面粉懸浮液，在27攝氏度PH6.8條件下監(jiān)測由內源酶類消化的小麥面粉用HRMASNMR光譜監(jiān)測沒有抑制或鈍化作用的米氏模型-在水解過程中沒有抑制發(fā)生-光譜學可以用于監(jiān)測水解-酶加入后，HRMAS光譜要花費大約30min準備要分析的樣品，錯過了消化的最初階段考慮在酶水解前，在基質上的酶的吸收（Consideringtheadsorptionofenzymeontosubstratebeforeenzymichydrolysis）Slaughter,Ellis,andButterworth(2001)小麥、土豆和大米淀粉懸浮液在37攝氏度，PH7.4下消化，恒溫通過還原糖最終濃度的測定來監(jiān)測α-淀粉酶消化考慮吸收的Freundlich繪圖用于分析懸浮樣品，米氏模型用于分析膠體淀粉Freundlich繪圖發(fā)現(xiàn)了一個線性的關系，證明酶的吸收限制了懸浮淀粉的消化-考慮了吸收，不管是膠體淀粉還是懸浮淀粉，沒有完全適合米氏方程的產(chǎn)物或者底物抑制的米氏模型（ProductorsubstrateinhibitedMichaelis–Menten）FujiiandKawamura(1985)不是同一來源的淀粉在30攝氏度，PH5.25條件下恒溫通過等間隔測量還原能力來監(jiān)測α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶消化性產(chǎn)物抑制的米氏模型用于估測動力學參數(shù)，憑借雙倒數(shù)作圖當?shù)孜锏姆肿又亓啃∮?000時，α-淀粉酶的作用可以忽略-在很強的堿性溶液中消化停止，盡管在堿性環(huán)境中淀粉更不穩(wěn)定-產(chǎn)物抑制方程用于固定的數(shù)據(jù)，盡管其他的報告沒有葡萄糖抑制Pastranaetal.(1998)不是同一來源的淀粉在23攝氏度，PH5.37下恒溫在不同的淀粉濃度中，通過化驗葡萄糖和擴散限制來監(jiān)測淀粉葡糖甘酶消化由于溶液粘性的增加，用指數(shù)來描述酶的限制，就適合消化數(shù)據(jù)而言，這比經(jīng)典米氏動力學模型事半功倍僅僅由于反應系統(tǒng)流動性能的改變，消化被限制，而不是經(jīng)典的底物限制作用-淀粉溶液的流動性能很大程度是那個依賴于制備技術（壓熱處理或加熱或膠化）。這篇文章沒有介紹淀粉溶液是如何制得的，盡管它用流動性能解釋抑制作用縮寫：AUC，曲線下方的面積區(qū)域；HRMAS，高分辨率角度旋轉；RDS，快消化淀粉；SDS，慢消化淀粉6.1血糖指數(shù)食物的血糖指數(shù)是衡量其中包含的碳水化合物在消化系統(tǒng)中的水解和通過積極活躍地從腸膜擴散進入血液的吸收的速率的指標。碳水化合物對個人血糖濃度的即時影響對營養(yǎng)指導和血糖濃度對健康的都有益處(Jenkinsetal.,2002)。由于碳水化合物的消化速率因健康程度、種族和性別而不同，用來檢測食物品種的人體必須仔細選擇。盡管血糖濃度在研究和商業(yè)領域都被廣泛利用，它能否作為一種有效的飲食設計指南是有爭議的。對這個問題持懷疑論者質問這一測試方法的基本性質，包括它的重復性和它的意義(Barclayetal.,2008;DeVries,2007;Livesey,Taylor,Hulshof,&Howlett,2008)，以及相關的疾病與營養(yǎng)基礎。6.2胃腸道健康的推論盡管有爭議，血糖濃度已經(jīng)被證明在糖尿病的治療中是一個有用的數(shù)據(jù)(Woleveretal.,2008)。這種醫(yī)療推論來自于血糖濃度和糖尿病患者的胰島素的反應，直接涉及到碳水化合物的消化速率(Jenkinsetal.,2002).。肥胖癥最終會導致循環(huán)和呼吸各方面的問題，這也是一個可以與血糖濃度相聯(lián)系的另一種健康的主要方面。曾經(jīng)，人們認為低脂肪、高碳水化合物的飲食能很好地控制肥胖，雖然通常這些都是適得其反，因為碳水化合物的氧化是以脂肪的氧化為基礎的，這就鼓勵了身體內脂肪的積累(Brand-Miller,Holt,Pawlak,&McMillan,2002)。消耗含高血糖濃度的食物由于一些生理原因也跟肥胖相關。但是肥胖被認為是由于選擇性飲食而產(chǎn)生的(Thornley,McRobbie,Eyles,Walker,&Simmons,2008)。消化系統(tǒng)中水解較快的食物使受試者在相對較短的時間內變餓，增加了兩餐間進食的可能性。這種由血糖濃度導致的食欲的增加也被認為與肥胖相關(Roberts,2000)。7．體外（試管）消化淀粉體內淀粉的消化耗時且昂貴，也需要很多特定屬性的人。由于體內淀粉消化不依賴于人體，調查體外消化率取代了GI成為人們日益關注的話題（表1）(Frei,Siddhuraju,&Becker,2003;Gonietal.,1997)。7.1淀粉組分據(jù)所提供的營養(yǎng)，淀粉根據(jù)Englyst測試可分為三類(Englyst,Kingman,&Cummings,1992),這也取決與它們水解的速率和程度。它們是速消化淀粉（RDS），慢消化淀粉（SDS）和耐消化淀粉（RS）。慢消化淀粉消化的運動時間揭示了各個階段的不同速率，表明基底物理性質的變化決定了消化動力學（見表1）。RDS是指在攝入碳水化合物之后能引起血糖濃度快速升高的淀粉粒。體外被稱為RDS的淀粉粒被定義為消化標準反應混合物的前20分鐘內消化的淀粉量(Englystetal.,1992)。在實踐中，結束階段的RDS被認為涉及到底物的性質變化，從而引起寡糖或葡萄糖產(chǎn)生率的改變。這一過程的反應程度不是固定的，取決于消化的條件。當然，這也不會總在在加入酶的前20分鐘內發(fā)生(Akerbergetal.,2000;Aoetal.,2007;Apar&Ozbek,2007;Wang,Zeng,Liu,&Yuan,2006)。這個時間長短取決于添加的酶的多少。盡管RDS是通過實驗分析體外消化來定義的，淀粉轉化為糖的速率與人體消化系統(tǒng)的動力學一樣。一頓飯里的自由糖和RDS在大部分糖被吸收進血液之前必須先進入小腸。巧合的是，RDS不能與一餐里的糖的總量相混淆的，后者也有助于血液中葡萄糖的濃度。SDS是指在小腸內消化很緩慢但最終完全消化的淀粉。體外消化研究表明從RDS到SDS產(chǎn)生還原糖的進程曲線找中平滑的過渡（圖5和圖6）。在標準的底物和酶濃度的條件下，SDS在RDS消化完之后才開始，但整個過程不超過120min(Englystetal.,1992)。體內SDS對健康的貢獻包括穩(wěn)定葡萄糖的新陳代謝、管理糖尿病、影響人的智力表現(xiàn)以及控制食欲(Lehmann&Robin,2007)。在商業(yè)領域沒有SDS產(chǎn)品，盡管異麥芽酮糖（帕拉金糖，Palatinit）等慢消化的碳水化合物已經(jīng)商品化。攝入后，這些物質能產(chǎn)生緩慢而持續(xù)的血糖(Lina,Jonker,&Kozianowski,2002)。圖5.模仿用各種酶催化的淀粉水解的動力學模型的時間進程（藍線）。參量的設置用了最小平方的回歸（統(tǒng)計學）分析（在圖6中也使用此數(shù)學分析方法）。紅色米氏曲線：Km=8.9×102mmol/L，Vmax=1.3mmol/L/分鐘(方程2)；橙色曲線：產(chǎn)物抑制：Km=1.5mmol/L，Vmax=86mmol/L/分鐘和Ki=6.2×10-4mmol/L(方程8)；綠色曲線，高基質抑制：Km=5.3×102mmol/L，Vmax=9.1×10-1mmol/L/分鐘和Ks=8.4×10-3mmol/L(方程9)；紫色曲線，擴散限制：Km=1.3×105mmol/L，Vmax=5.7×10-2mmol/L/分鐘,Rm=2.1和μ=3.8×10-3mmol/L（方程10）。（關于這個圖中數(shù)據(jù)的顏色的解釋說明，讀者可參考該文章的網(wǎng)頁版本。）圖6圖6.25攝氏度時，6%(w/w)淀粉懸浮在有12U/mLα-淀粉酶的水溶液中。RDS（小于120分鐘）運用綜合米氏公式得到（方程2），參數(shù)為：Km=1.4*10-2mmol/L,Vmax=5.3mmol/L/min,SDS的參數(shù)為：Km=3.6*10-2mmol/L，Vmax=1.9*10-1mmol/L/分鐘.在小腸內沒有消化掉并有可能會被大腸細菌消化掉的那一部分淀粉被稱為RS，它是從體外淀粉經(jīng)有限酶解得到的。RS對一個人的健康有利有弊。例如：未消化的多糖到達大腸被細菌分解為短鏈脂肪酸。飽和脂肪酸通常與心血管疾病相關，后者主要包括心臟病、心臟衰竭和中風。另一方面，RS類似于抵制內源性人類的酶的纖維聚糖。膳食纖維多由阿拉伯木聚糖和b-葡聚糖多糖（NSPs）等非淀粉組成。通過降低胰島素和血糖反應，NSP和RS在防治糖尿病、肥胖癥、結腸癌和直腸癌方面起到了關鍵的作用(Toppingetal.,2008)。很多生理因素會影響淀粉消化率。例如，人們通過咀嚼而避免吞食大顆粒食物。大顆粒使消化酶與分子的接觸面變小，且使從口腔到盲腸的運輸時間更短，是RS的出現(xiàn)更有可能，從而使RS對人類的健康做出更大的貢獻。8.體外消化的動力學模型就如上面討論的，消化時間進程的軌跡隨著淀粉制備方法的變化而顯著的變化；淀粉消化的好壞是由淀粉顆粒的許多物理性質決定的（圖1）。這部分描述了表1中總結的一系列動力學模型；它們已經(jīng)用于表述淀粉消化的動力學特征，為了找到消化和淀粉顆粒的物理性質之間的相關性。8.1檢測消化8.1.1還原能力在反應過程中，等時間間隔得到過濾液，測量過濾液的還原能力是淀粉消化中監(jiān)測做多的（Gonietal.,1997;Sayago-Ayerdi,Tovar,Osorio-Diaz,Paredes-Lopez,&Bello-Perez,2005;Shuetal.,2006）。至于外來的水解酶類，如淀粉葡糖甘酶，產(chǎn)物的精確濃度可以通過這種方法來測定，因為酶的高度專一性。但當運用到α-淀粉酶時，低聚糖的濃度可以估計，盡管剩余的沒有消化的淀粉必須在過濾和干燥后稱重剩余的底物。同時測量低聚糖產(chǎn)物和剩余底物可以得到計算出的產(chǎn)物平均重量，就如α-淀粉酶消化會產(chǎn)生從葡萄糖到大支鏈限制的糊精（Manelius,Qin,Avall,Andtfolk,&Bertoft,1997）。淀粉葡糖甘酶產(chǎn)可以經(jīng)由一種體外酶變換到葡萄糖，葡萄糖的濃度用血液測儀劑測量，來估計淀粉消化的量（Aarathi,Urooj,&Puttaraj,2003）通常使酶作用停止的強堿被人們熟知可以水解多聚糖。在推斷消化已經(jīng)停止后，這導致溶液還原能力的變化。因此，在用氫氧化物時，還原能力的估測總是有偏差。8.1.2色譜層析消化能力可以用兩種不同的色譜來監(jiān)測（Gidleyetal.,2010;Morell,Samuel,&O’Shea,1998）。在消化過程中，體積排斥色譜（SEC,經(jīng)常被稱為凝膠過濾色譜，GPC）可以用來測量糖類底物的分子大小分散的變化。意識到SEC是靠分子大小的不同分離物質（就像它的名字指出的），而不是分子的重量是非常關鍵的，而且對于一個有分支的高分子化合物，例如淀粉，水力半徑和分子重量之間的相關性并不單一（盡管對于線性高分子，有唯一的大小/分子重量相關性）。想要在一個淀粉樣品中獲得全部的，數(shù)量上大小分散，不降解，不是一件簡單的任務（Cave,Seabrook,Gidley,&Gilbert,2009;Gidleyetal.,2010;Gray-Weale&Gilbert,2009;Hoangetal.,2008;Schmitzetal.,2009）。當常規(guī)方法獲得變的有可能，比如未消化分配，一些數(shù)據(jù)是可以預測的，淀粉來源的作用，消化的時間和場所，這些都對理解消化機制有很大的幫助。熒光輔助毛細管電泳（FACE）（Morell,Samuel,&O’Shea,1998;O’Sheaetal.,1998），高效陰離子交換色譜（HPAEC）用于獲得低聚糖產(chǎn)物的分布，包括支鏈淀粉的鏈長度分布，用脫支酶處理（Manelius,Nurmi,&Bertoft,2000）。這些技術對于聚合程度相對較低的（少于80個葡萄酐單元）反應系統(tǒng)，是受到限制的，所以不能表征淀粉酶的長鏈分散。后者可以用SEC測定。8.1.3氫核磁共振光譜能直接反應溶液中糖的濃度的技術包括：核磁共振光譜（Berthon&Kuchel,1995;Dona,Pages,Gilbert,Gaborieau,&Kuchel,2009;Kuchel,1981,1989），高分辨率角度旋轉（HRMAS）,氫核磁共振已經(jīng)實施（Amatoetal.,2004）。用HRMASNMR時，反應的初始相常常被忽略，好像在樣品和酶混合后，不能立刻有一個充分快的速率獲得數(shù)據(jù)?？刂平M氫核磁共振光譜經(jīng)常用于直接監(jiān)測在同性質的、復雜的溶液中的化學過程中的動力學，例如淀粉混合物（Donaetal.,2009:Minerath,Casale,&Elrod,2008;Walkeretal.,2007）。近來，NMR方法已經(jīng)發(fā)展用于監(jiān)測在復雜的懸浮液(Donaetal.,2007,2009)中的物理和化學的進程，證明：⑴整個反應過程中監(jiān)測的原子核都是在溶液中；⑵在時間進程中，可以防止同組分的溶液濃度不均勻（產(chǎn)生垂直方向上濃度的變化）。NMR色譜只能測量樣品的很小一部分（在接收線圈范圍內），如果固定一個復雜樣品，測量的濃度會產(chǎn)生偏差。對水解過程中產(chǎn)生的低聚糖α-和β-端基的還原能力的直接分析方法—氫核磁共振光譜，可以得到糖在消化過程中產(chǎn)物形成的精確估計（圖7）。這中方法可以應用與多種形式的淀粉，包括抽取的，研磨過的面粉，煮過的，沒煮過的，被浸漬過的和完整的谷物淀粉。用NMR光譜記錄反應的過程比通常的方法用的時間少，而且這樣產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)范圍，包括最開始階段的RDS階段。對RDS的研究是非常重要的，因為血液對糖的吸收的最初速率是由RDS階段和一頓飯的總含糖量決定的，這直接影響體內淀粉消化的測量。NMR光譜在可以很嚴格的監(jiān)測溶液中慢反應（時間以分鐘為等級）動力學的同時也有缺陷。NMR設備很昂貴，不適合作為大范圍的工廠生產(chǎn)技術。而且，NMR的很用應用都需要溶劑含有重氫，這又增加了費用。圖7.氫核磁共振（400.13MHz）光譜展示了淀粉（4%w/w）消化的依時性：（A）α-淀粉酶（3U/mL）;（B）淀粉葡糖甘酶（0.3U/mL）。由Donaetal.(2009)改編。從α-和β-端基得到的還原能力的信號給出了mono-（淀粉葡糖甘酶）和低聚糖的濃度的測量方法。5.4ppm處的α（1，4）結合信號的增強是由于用α-淀粉酶（A）產(chǎn)生的低聚糖，作為淀粉葡糖甘酶水解所有可得到的α（1，4）結合的信號減弱。8.2米氏動力學米氏動力學描述了許多酶的濃度相對小于底物濃度的反應。米氏方程的推導假設：在一復雜的酶—底物溶液中，第一步生成中間產(chǎn)物的反應速度快且可逆，第二步反應慢（方程1），其中，E是酶，S是反應物（淀粉）,P是產(chǎn)物。米氏方程2是這樣推導的，把復雜的中間產(chǎn)物ES看成穩(wěn)態(tài)近似，中間產(chǎn)物的轉化速度要比底物的轉化速度慢的多，所以速率方程是這種形式，Km是米氏常數(shù)（方程3），Vmax是溶液中酶的活躍場所和底物一樣時反應達到的最大體積，[P]是在時間進程中任意時間的產(chǎn)物濃度。Km和反應中單個速率常數(shù)的關系是：米氏方程（方程2）的兩邊同時取倒數(shù)得到雙倒數(shù)方程（方程4），它經(jīng)常用與作圖分析酶動力學數(shù)據(jù)。這個方程是：這個方程常用來評價Vmax和Km的標準，在用方程2非線性最小回歸直接分析數(shù)據(jù)之前。后者是現(xiàn)在慣常的方法，用一個快捷的可以達到目的的軟件包（例如，Castillo,Hadi,&Minguez,2009）。除了酶的用量，其他條件完全相同的幾個時間進程，當時間軸以酶的最初濃度為標準劃分時，時間進程應該是重合的。這是從Selwyn的實驗得知的（Selwyn,1965）；經(jīng)過這個實驗的失敗，意味著時間進程曲線的形成不是完全由酶催化反應過程中產(chǎn)物或者底物的消耗決定的。一般的，酶的不穩(wěn)定或它的聚集都要為實驗的失敗負責，盡管底物或產(chǎn)物的不穩(wěn)定也有可能是導致失敗的因素。這些問題經(jīng)常通過改變實驗條件進行調整。公式已經(jīng)被推導出來來描述反應的最初速率，一種簡單的酶和單一的底物，還有一些不知道的滅活方法（Schnell&Hanson,2007）。不像酶的機械方法滅活，認為形成的產(chǎn)物和酶的滅活是彼此相互獨立的。和支鏈淀粉有相似性質的糖的水解，比如肝糖和許多小的可溶的低聚糖，憑借凝膠電泳的可以用米氏動力學來描述（表1）（Inokuchi,Takahashi,&Irie,1981;Miranda,Murado,Sanroman,&Lema,1991）。另一方面，淀粉的消化，和用α-淀粉酶或者淀粉葡糖甘酶消化的支鏈淀粉樣品，都用米氏方程很清楚的顯示了這些預測的時間進程的推導。這個推導不是某一種酶的特性，這就證明這個推導或者是底物的化學特性，比如一種沒有消化的淀粉核心，也可能是某種淀粉的化學性質，就如它和水的依時性反應。消化過程中，淀粉在溶液中的水合作用的多樣性影響酶對淀粉的作用途徑。已經(jīng)證明底物的支鏈特性影響解聚反應的速率，就像酶的敏感度隨著支鏈消化的增長而減弱（Aoetal.,2007;French&Knapp,1950;Kerr,Cleveland,&Katzbeck,1951）（第九部分）。在某些情況下，描述淀粉消化的多相系統(tǒng)的動力學方程用于給出一個解釋：淀粉水解速率隨著精餾淀粉的支鏈密度的變化而呈現(xiàn)多樣（Donaetal.,2009;Park&Rollings,1995）（8.7部分）。在解釋淀粉消化的嘗試中，許多其他的單相模型被推薦來描述時間進程，盡管通常他們并不合適（8.4—8.6部分）。8.3米氏方程的解法正如前面提到的，米氏方程的動力學常數(shù)可以作雙倒數(shù)圖表來估測。盡管這種分析方法避免了解米氏方程，但是雙倒數(shù)曲線會產(chǎn)生很大的系統(tǒng)誤差。使一個本身是非線性方程的變換式和實驗數(shù)據(jù)相對應，扭曲了測量變量的錯誤，其后，影響了動力學參數(shù)估測的真實性。一個分析酶動力學的更準確的作圖方法是Hanes–Woolf作圖，作出底物最初濃度和隨著底物濃度變化的反應速度的比例曲線（Nitta,Kunikata,&Watanabe,1979）。更完整的統(tǒng)計學是Eisenthal和Cornish-Bowden（1974）的直接線性平面作圖方法的創(chuàng)立。直接線性平面作圖法是這樣創(chuàng)立的：在限制因素范圍內繪制實驗觀察數(shù)據(jù)和外推直線（觀察到的點的交叉處）。實驗觀察誤差意味著不是只有唯一的交叉點；然而，從直接線性平面作圖方法得到的最精確的米氏參數(shù)通常很容易設置（Eisenthal&Cornish-Bowden,1974）。米氏方程的整合（方程2）給出了隨時間（t）變化的底物（S）濃度的表達式。因此解答描述了一個反應時間進程：，其中，[S]0是底物的最初濃度。這個解是非線性的，而且毫無疑問的和底物濃度有關。整合的米氏方程的詳盡形式經(jīng)常是通過引進合理的限制因素來估計，導致只有右手邊的一種形式?jīng)Q定它的性質。如果[S]0遠小于Km，反應由第一階段來決定，覆蓋了這個解的價值，標志著底物的消耗可以用一個單一的指數(shù)函數(shù)來估計。如果發(fā)生相反的情況如[S]0遠大于Km，這個解就變成了一個簡單的零級反應，表征反應的表面速率常數(shù)是和反應的程度有關的。酶作用的產(chǎn)物抑制模型（方程9）同樣可以整合，就如米氏方程的整合，產(chǎn)生一個非線性表達式（在溶液中是絕對的），其中，Ki是產(chǎn)物抑制常數(shù)。在Ki=Km的特殊情況下，，這個解就變成了一個單純的指數(shù)消退（Kuchel,1985;Kuchel&Ralston,1997）：。方程5和6的毫無疑問的性質解釋了古典的，作圖分析實驗數(shù)據(jù)的方法，或者不久更多的用數(shù)字表示的方法。作為時間的一個作用，計算底物濃度的可選擇技術，例如最基礎的解決方法包括“平分方法”，或者Newton–Raph近似，都已經(jīng)被用于分析酶時間進程（Scheid,1988;Tjalling,1995）。其他的近似方法，如第四階段Runge–Kutta整合，被稱為“分解方法”的低階段數(shù)據(jù)回歸方法（Sonnad&Goudar,2009），提供了一種簡單的數(shù)據(jù)整合的選擇。然而，最近，用蘭伯特W函數(shù)（Goudar,Harris,McInerney,&Suflita,2004），米氏方程可以寫成一種更具體的形式，以底物濃度為參量：，其中，W是朗伯?Ω作用。這種方法做到了對誤差的系統(tǒng)分析，這些誤差是和整合的米氏方程的各種近似方法有關的（Sonnad&Goudar,2009）。自從數(shù)據(jù)整合變成一個普通的過程，數(shù)據(jù)整合的反復循環(huán)可以應用于分析酶反應的實驗數(shù)據(jù)。這中循環(huán)方法的非線性最小平方回歸（最小方差）分析可以用于米氏方程中的“最佳”常數(shù)的估測。這種最佳技術是受到整個反應時間進程中收集的數(shù)據(jù)合意性限制的。通過比較，Lineweaver–Burk曲線只用于反應開始的速度（一系列底物濃度）。8.4．產(chǎn)物抑制作用經(jīng)米氏動力學得到的用內水解酶類、外水解酶類水解淀粉的最初階段的差異已經(jīng)有報告（Akerbergetal.,2000;Aoetal.,2007;Apar&Ozbek,2007;Wangetal.,2006;Zhangetal.,2006）。在淀粉消化的最初階段以后，用整合的米氏方程從理論上預測的時間進程偏離實驗數(shù)據(jù)。已經(jīng)提出了各種假定來解釋這種結果。依據(jù)這些假定，為了解釋淀粉的消化，存在多種米氏模型，或新的動力學模型，已經(jīng)發(fā)展起來了（表1）。競爭性抑制作用發(fā)生在配位體結合酶阻止了底物和活化區(qū)域的結合，反之亦然。用先前的內容來解釋許多酶-底物系統(tǒng)的動力學，競爭性抑制作用模型已用于闡述葡萄糖對淀粉酶的產(chǎn)物抑制作用（Fujii&Kawamura,1985;Lim,Lee,Shin,&Lim,1999;Wangetal.,2006）（方程9）：用產(chǎn)物抑制作用模型，從淀粉消化最合適的實驗數(shù)據(jù)得到的參量估測通常更精確。最佳性的提高不管是因為產(chǎn)物抑制作用的發(fā)生，還是因為理論模型的變量的數(shù)據(jù)流動性提高了，在數(shù)據(jù)分析時，它都是一個很重要的因素（圖6）。用產(chǎn)物抑制作用的淀粉消化模型的研究假設一種和產(chǎn)物濃度無關的作用（Fujii&Kawamura,1985）。然而，在葡糖淀粉酶和α-淀粉酶的研究顯露了一個“突變區(qū)域”，即在一個關鍵性的產(chǎn)物濃度下，抑制作用不會發(fā)生（Limetal.,1999;Wangetal.,2006）。而且，這個關鍵性的葡萄糖濃度比普通的淀粉消化過程中產(chǎn)生的葡萄糖大的多。此外，如果產(chǎn)物抑制作用出現(xiàn)是由于機械作用，那么，它將會忽略產(chǎn)物濃度而發(fā)生，且和“突變時間段”不相符合。關于α-淀粉酶，麥芽糖，麥芽三糖的產(chǎn)物抑制作用的研究，關于產(chǎn)物抑制作用是競爭性的還是非競爭性的，是沒有結果的（Kazaz,Desseaux,Marchis-Mouren,Prodanov,&Santimone,1998）。描述酶-淀粉水解的抑制作用的實驗，在向淀粉溶液中添加葡糖淀粉酶之前添加各種量的葡萄糖。在標準淀粉消化過程中產(chǎn)生葡萄糖的濃度范圍內（<100mmol/L），在水解反應過程中，沒有觀察到初期速度的明顯變化。（Wangetal.,2006）。類似的，在淀粉顆粒水解過程中固定α-淀粉酶的鈍化作用的研究顯示了在消化開始的很長一段時間段內，酶保持著相對相同的活性（Limetal.,1999）。再者，酶反應的產(chǎn)物抑制模型也會產(chǎn)生平滑的時間進程（和米氏反應模型曲線的形狀不同）（方程2），沒有解釋在淀粉懸浮劑消化中可看見的清晰的轉變（Akerbergetal.,2000）。由米氏動力學方程得到的曲線和糖類聚合物消化曲線的差異，對此差異的解釋，是不支持產(chǎn)物抑制作用的。8.5．底物抑制作用酶消化過程中，抑制是正常的，不管是競爭性的，抑制劑和底物競爭與酶結合，或者是非競爭性的，在這種情況下，抑制劑對酶和酶-底物中間體有完全相同的親和能力，降低了反應的最大速度。另一種特殊情況是無競爭力的抑制劑，抑制劑只和酶-底物中間體結合（Kuchel&Ralston,1997）。抑制劑的結合在酶的次要地點，導致酶的接觸反應發(fā)生改變，且使產(chǎn)物的形成速度變慢。高濃度底物抑制作用是無競爭力抑制劑的一種形式，以在高濃度底物中反應速率降低來為特征。高濃度底物抑制酶進程的動力學行為服從Briggs–Haldane模型（Briggs&Haldane,1925）：其中，Ks是高濃度底物抑制作用常數(shù)。平方項不是機械學的解釋；只是合理的現(xiàn)象，許多研究已經(jīng)用這種模型來解釋淀粉水解（Lopez,Torrado,Fucions,Guerra,&Pastrana,2006;Mirandaetal.,1991;Pastrana,Gonzalez,Miron,&Murado,1998）。在最近的研究中，底物抑制α-淀粉酶對淀粉的作用的模型就建立在無競爭力機制上（表1）（Lopezetal.,2006;Pastranaetal.,1998）。然而，不是很常見的競爭性的底物抑制模型是符合現(xiàn)象邏輯的，更有可能是作用的解釋（圖8）。考慮到在α-淀粉酶催化中心殘留的許多葡萄糖的底物點（圖8），與無競爭力過程相比，底物點的無效果的結合或者部分占用可能更應該為抑制作用負責。溶液的物理性質，例如黏性和擴散限制，也經(jīng)常用于解釋高濃度底物產(chǎn)物抑制。在多聚糖溶液中，溶質的溶度對流變學的性質有很大的影響。因此，假設特定的動力學剖面圖在反應混合液中至少部分有擴散條件限制是合理的。經(jīng)典的米氏差異方程通過衰退的指數(shù)項把擴散限制考慮在內是事半功倍的。如此，反應速率逐漸降低隨著底物濃度的增加（方程11）（Pastranaetal.,1998），其中，Dv表示第一階段反應速度和擴散限制之間的系數(shù)，R表示擴散限制（Pastranaetal.,1998）。如此，其中，Ro是當[S]=0時的擴散限制，Rm是擴散限制的最大值，μ是擴散限制的具體系數(shù)。產(chǎn)物和底物抑制的結合被用在模型中，以適應從實驗得到的固定的消化數(shù)據(jù)，用單一機制估測的數(shù)據(jù)不是很合理（Lopezetal.,2006）。盡管兩種抑制作用都可能在淀粉消化過程中出現(xiàn)，就像前面提到的，提高催化模型中的固定參量的數(shù)據(jù)將會得到更精確的實驗數(shù)據(jù)；以取消參量估計的系數(shù)多樣性為代價，這種情況會發(fā)生。已經(jīng)報告的葡萄糖抑制（用葡糖淀粉酶消化）作用作為競爭性的還是非競爭性的分配是不同的（Hill,Macdonald,&Lang,1997;Lopezetal.,2006）。從抑制實驗獲得的雙倒數(shù)曲線還不能分辨這兩種機制。把底物分子結合在酶底物點的研究，隨后是酶-底物中間體的重組，也還沒有解決的方法。這導致復雜的模型依然被被用于描述葡糖淀粉的水解消化（Matsumura,Hirata,Ishii,&Kobayashi,1988;Natarajan&Sierks,1997）。圖8.符合邏輯的解釋，在產(chǎn)物抑制或者底物抑制作用過程中，α-淀粉酶的結合點是怎樣形成的。一開始酶沒有結合，然后出現(xiàn)了沒有抑制作用的常規(guī)結合。無作用的結合表明了酶在競爭-抑制的實例中可能是怎么結合的。在附帶點結合，只有在催化中被底物占用的點是開放的，創(chuàng)造了無競爭性抑制作用。（依據(jù)是Davies,Wilson,&Henrissat,1997;Yoon&Robyt,2003）。8.6.經(jīng)驗指數(shù)模型考慮到上述提到的用產(chǎn)物/高濃度底物抑制模型描述淀粉消化的困難，其他的指數(shù)模型已經(jīng)發(fā)展起來了（Apar&Ozbek,2007;Hilletal.,1997;Wangetal.,2006）。而且，指數(shù)模型總是容易操作，可以添加不同類型的產(chǎn)物或底物抑制（表1）。在產(chǎn)物限制范圍后才會反生抑制作用的已經(jīng)形成的“突變區(qū)域”（8.4部分），也可以添加到一個依實驗為依據(jù)的指數(shù)模型中去；這是運用它的另一個原因。盡管很容易控制，但是，用于適應消化時間進程的多種指數(shù)模型沒有機械論的基礎。Hilletal.(1997)提出了一個指數(shù)模型，這樣來解釋產(chǎn)物抑制作用，如下：其中，Ki是產(chǎn)物抑制常數(shù)。這種模型引申到包含產(chǎn)物的起始濃度，在產(chǎn)物濃度以下不發(fā)生產(chǎn)物抑制：其中[P]th產(chǎn)物的起始濃度，在其之下不發(fā)生產(chǎn)物抑制。常數(shù)的引進使得更適合方程（體外淀粉消化中明顯的多級反應）。經(jīng)常的，使這個模型更能適合數(shù)據(jù)的一個因素被包含在這個事實中，即在消化過程，1g淀粉轉化成1.11g葡萄糖（多出來的質量來自于添加的水）（另外一個被Gonietal.（1997）引進的指數(shù)模型（方程15）已經(jīng)被用于很接近的描述被煮過的（Freietal.,2003）和生的（Al-Rabadi,Gilbert,&Gidley,2009）谷物淀粉樣品的消化性能。專一的，其中，C在任何時間都和葡萄糖的濃度保持一致，C∞是反應結束時葡萄糖的濃度，K是第一階段的動力學常數(shù)。這個方程是相關的第一階段不同方程的簡單解。相同的模型被Al-Rabadietal.（2009）用于描述用α-淀粉酶消化的生的淀粉，谷物來自大麥和高粱（Al-Rabadietal.,2009）。這個簡單的指數(shù)模型適合用于淀粉和低聚糖的產(chǎn)物的消化，在最初階段（RDS階段）很接近的模擬消化過程（Apar&Ozbek,2007;Komolprasert&Ofoli,1991），或者反應的全程（大于24小時，或更精確的大的“反應延伸”），這時RDS階段相比較就不是很重要（Al-Rabadietal.,2009）。像米氏模型中的差異，模擬消化時間進程的嘗試是很困難的，其中淀粉消化的兩個階段都被很仔細的監(jiān)測（Donaetal.,2009;Hilletal.,1997;Wangetal.,2006）。8.7.多級反應模型經(jīng)過消化時間進程的最初階段，反應速度的一個明顯的轉變，即從很高到很低，導致了二級動力學模型的實施（表1）。用米氏動力學（方程2）的一個模型（Donaetal.,2009）適合淀粉消化的兩個階段，用雙倒數(shù)作圖分析法來預測Vmax和Km值，這中方法求得的數(shù)據(jù)對于兩個階段的時間進程都恰當，隨后通過數(shù)據(jù)整合米氏方程（方程2）來模擬整個時間進程。這個模型成功