조명수 (서울대학교, Kansas State University, 현 단국대학교) | 한빛사논문 > 한빛사

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서울대학교, Kansas State University, 현 단국대학교

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Carbohydr. Polym., Available online 27 February 2026 | https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125151 In vitro mammalian intestine mucosal enzymatic digestion of starch spherulites formed from debranched waxy maize and high-amylose maize starches

Myeongsu Jo^{a b}, Yong-Cheng Shi ^{a *}

^aDepartment of Grain Science and Industry, Kansas State University, Manhattan, KS, 66506, USA
^bDepartment of Food Engineering, Dankook University, Cheonan, Chungnam, 31116, Republic of Korea

^*Corresponding author: correspondence to Yong-Cheng Shi

Abstract

Starch spherulites, which are radially crystalline aggregates formed from debranched starch, have recently emerged as a unique form of resistant starch. However, their susceptibility to enzymatic hydrolysis by mammalian mucosal enzymes, the key starch-digesting enzymes in the human small intestine, remains poorly understood. This study aimed to investigate the digestibility and structural changes of starch spherulites during in vitro hydrolysis by mammalian mucosal enzymes. Four types of B-type crystalline spherulites were prepared from debranched waxy maize starch (WMS) and high-amylose maize starch (HAMS), varying in birefringence type (positive or negative). After 24 h of hydrolysis, the order of hydrolyzed starch was WMS/- (68.8%) > HAMS/- (61.9%) > WMS/+ (35.7%) > HAMS/+ (31.8%). Negative birefringent spherulites, which had more surface cracks and larger enzyme-accessible areas, exhibited higher enzyme binding and faster hydrolysis. In contrast, HAMS/+ spherulites exhibited the highest resistance to digestion, showing minimal morphological changes and retention of birefringence. Even though HAMS/- had higher crystallinity and melting enthalpy than WMS/+, it was more digestible due to its cracked surface. These findings suggest that enzyme resistance of starch spherulites is determined not only by crystallinity and chain length, but also by birefringent sign (molecular assembly), aggregation behavior, and surface morphology.

논문소개전체 설명

본 연구는 전분의 새로운 구조 형태인 spherulite(구상 결정체)의 소화 특성을 규명하기 위해, 포유류 장 점막 효소(mucosal enzymes)에 의한 in vitro 소화 거동을 체계적으로 분석한 연구이다.

전분의 소화 속도와 정도는 혈당 반응과 밀접하게 연결되어 있어, 저소화성 전분(resistant starch, RS)의 구조적 설계는 기능성 식품 개발에서 중요한 과제로 여겨진다. 최근 debranched 전분으로부터 형성되는 spherulite 구조는 높은 저항성을 가지는 새로운 RS 형태로 주목받고 있으나, 실제 소장 내 소화를 담당하는 장 점막 효소에 대한 반응성은 충분히 규명되지 않은 상태였다.

이에 본 연구에서는 waxy maize starch(WMS)와 high-amylose maize starch(HAMS)로부터 amylose 사슬 길이와 birefringence 유형(positive/negative)이 서로 다른 네 가지 spherulite를 제조하고, 장 점막 효소에 의한 결합 특성 및 가수분해 거동을 비교 분석하였다.

그 결과, 표면에 균열이 존재하고 음의 복굴절을 가지는 spherulite는 효소 결합 친화도가 높고 소화가 빠르게 진행된 반면, 양의 복굴절을 가지며 구조가 치밀한 spherulite는 높은 소화 저항성을 나타냈다. 특히 high-amylose 기반 양의 복굴절 spherulite는 구조적 변화가 거의 없이 형태를 유지하며 가장 높은 저항성을 보였다. 또한, 결정성이나 열적 특성뿐 아니라, 표면 구조, 내부 분자 배열(복굴절 특성), 그리고 amylose 사슬 길이가 소화 저항성을 결정하는 핵심 요인임을 확인하였다.

본 연구는 전분 spherulite의 소화 저항성이 단순한 결정성에 의해 결정되는 것이 아니라, 미세구조와 분자 배열까지 포함한 다중 구조 요인에 의해 좌우됨을 제시하였다. 또한, 기존의 α-amylase 또는 amyloglucosidase 기반 분석을 넘어, 실제 생체 내 소화 환경을 보다 잘 반영하는 장 점막 효소 기반 소화 모델의 필요성을 제안한다. 이러한 결과는 혈당 조절을 위한 기능성 전분 소재 설계에 중요한 기초 정보를 제공할 것으로 기대된다.

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