抗性淀粉結構特性和腸道菌群調節功能的研究進展

林 炎，王培鑫，呂芳瀾，張 怡,2，鄭寶東,2,3，曾紅亮,2,3,*

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室，福建 福州 350002；3.中愛國際合作食品物質學與結構設計研究中心，福建 福州 350002）

抗性淀粉是一種新型的膳食纖維，被定義為“不被健康個體小腸所吸收的淀粉及其降解物的總稱[1]”。根據植物來源、品種、生長階段、部位以及處理方式的不同，可將抗性淀粉分為物理性包埋淀粉（physically trapped starch，RS1）、天然抗性淀粉顆粒（resistant starch granules，RS2）、回生淀粉（retrograded starch，RS3）、化學改性淀粉（chemically modified starch，RS4）、直鏈淀粉-脂肪復合淀粉[2]（amylose-lipid complexed starch，RS5）5 類。抗性淀粉特殊的結構性質主要與直鏈淀粉（由無水葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵組成的線性聚合物）和支鏈淀粉（是高度分支化聚合物，由含有5%左右的α-1,6-糖苷鍵組成）相互作用以及兩者在抗性淀粉中的占比有關[3]。因此，呈現不同的顆粒形狀（包括塊狀、層狀、溝壑狀、孔洞狀、網絡狀/蜂窩狀）、不同的晶體結構（由原生淀粉的A型、B型、C型轉化為A型、C型、B型、V型或B+V型）和不同的分子結構（分子質量分布范圍為104～108g/mol）。國內外研究者對不同來源抗性淀粉結構特征與腸道菌群調節功能之間的關系進行了探究，發現抗性淀粉與腸道菌群兩者共存可產生積極效應，如：增強胰島素敏感性、擴大腸道內抗性淀粉與菌群之間的可發酵面積，減少脂肪積累、改善葡萄糖穩態和脂質代謝等作用[4]。其原因是腸道中有益微生物對抗性淀粉的發酵作用與腸道有益微生物代謝碳水化合物產生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）共同促進機體健康。此外，抗性淀粉對炎性腸病[5]、肥胖[6]、2型糖尿病[7]、心血管疾病[8]、慢性腎病[9-10]、短腸綜合癥[11]、癌癥（胰腸癌、結腸癌）[12-13]等疾病的發生有重要的預防及調控作用，并可進一步影響骨密度和炎癥以及緊密連接蛋白基因的表達[12]。

1 抗性淀粉的定義及分類

1982年，Englyst等[14]首次發現，在煮熟冷卻后的馬鈴薯中存在不可被胰腺淀粉酶和普魯蘭酶水解的淀粉，而提出了抗酶解淀粉；Englyst等[15]建立了體外小腸消化環境，定義了3 類不同葡萄糖釋放速率的淀粉，其中包括在口腔及小腸中迅速消化吸收（時間小于20 min）的快消化無定形淀粉（rapidly digestible starch，RDS）；在小腸中完全消化吸收，但速率較慢（時間20～120 min）的慢消化無定形或結晶淀粉（slowly digestible starch，SDS）；經過小腸后在結腸中才可發酵的抗性淀粉。RDS攝入后立即引起血糖升高，SDS的攝入較RDS能較為緩慢地引起血糖變化，而抗性淀粉能達到有效控制血糖變化的目的。

根據表1抗性淀粉的不同類型來源及其消化情況，RS1主要存在于硬質小麥、豆類種子等由細胞壁或是蛋白質包埋的淀粉本體中，通過物理結構阻礙淀粉消化；RS2屬于天然抗性淀粉顆粒，存在于未成熟的綠皮香蕉、馬鈴薯、未加工的豌豆中等具有緊密結構的天然食物結構中，由于B型和C型兩種致密的晶體結構使RS2不能被淀粉酶消化；RS3淀粉是指淀粉先經歷糊化（即通過添加過量水或配比水后加熱，進而破壞原有結晶結構的過程），后經過食品加工過程中的回生（即冷卻或是脫水時被破壞的顆粒結構緩慢重結晶逐漸形成雙螺旋結構的過程）作用重新聚合形成的重結晶組分；RS4是一種化學改性淀粉，淀粉在醚化、酯化、以及交聯等化學作用下[16]，形成不同于α-1,4-糖苷鍵及α-1,6-糖苷鍵的新化學鍵，因而具有對淀粉酶的抗性。RS5是新型的直鏈淀粉-脂質類抗性淀粉，其結構變化主要是由淀粉構象所引起，當存在合適的配體（脂質）時，直鏈淀粉將由雙螺旋向單螺旋構象轉化，從而實現脂質進入直鏈淀粉螺旋腔后直鏈淀粉與脂質不同程度的復合，形成具有塌陷螺旋構象的V6I、V6II、V6III及V8型的結構晶體[17]。因此，也稱直鏈淀粉-脂質復合物為V-復合物，其屬于直鏈淀粉單螺旋內或在螺旋間空間中存在的小客體分子，其包括單體類黃酮、染料木黃酮以及縮合單寧等與直鏈淀粉相互作用的多類別分子[18-19]。

表1 抗性淀粉的不同類型來源及其消化情況Table 1 Different sources of resistant starch and their digestion levels

2 抗性淀粉的制備和測定

抗性淀粉抗酶解性的關鍵因素與淀粉本體特征有關，包括淀粉基本成分的含量、顆粒結構、聚合度、直鏈淀粉的鏈長、結晶區支鏈淀粉雙螺旋結構的排列方式等[24-26]。此外，食品加工及貯藏條件也對抗性淀粉的含量及其結構的穩定性產生影響[27]。一般而言，不同植物來源的淀粉在加工過程中通過施以不同時間、不同溫度、不同方式而達到提高抗性淀粉含量的目的，其中物理處理法、化學改性法、脂質復合法以及生物改進法已形成一定的理論體系（圖1）。

圖1 抗性淀粉的制備方法Fig. 1 Preparation methods for resistant starch

1）物理處理法通過經歷糊化和老化兩階段，糊化一般采用濕熱和壓熱，包括蒸煮、高壓滅菌微波等處理方式，后經歷冷熱循環、冷凍循環等老化過程促進無定形分子重結晶形成雙螺旋結構，通常形成RS3型。李素玲[28]以綠豆淀粉為原料采用濕熱法糊化，120 ℃環境條件下將水分質量分數為20%的綠豆淀粉加熱12 h后，其抗性淀粉含量達到45.2%。2）化學法通過削弱α-淀粉酶與糖苷鍵的結合作用及降低淀粉消化的程度而促進抗性淀粉含量增加[29]。任俊彥[3]研究發現，木薯淀粉經辛烯基琥珀酸酐酯化處理后有效引入酯羰基，抗性淀粉含量得到顯著提高。3）脂質復合法是指淀粉、脂質以及其他化合物通過疏水性基團相互作用形成單螺旋結晶結構[30]。4）生物酶法改性包括酶法以及基因工程法，酶法一般被稱為酸解脫支法，基于脫支酶的脫支作用以及無機酸的降解作用而得以實現，一般添加水解酶（α-淀粉酶、β-淀粉酶、普魯蘭酶在單獨改性時的使用居多）、糖基轉移酶（多與水解酶協同作用）、麥芽三糖酶等進行處理[31]，具有反應效率高、底物特異性強，能有效降低產物快消化淀粉含量，增加慢消化淀粉及抗性淀粉含量等優點。以添加普魯蘭酶為例，其作用于支鏈淀粉與支鏈淀粉連接的α-1,6-糖苷鍵，從而達到釋放更多在回生時排列并聚集形成的晶體結構短線性分子，提高抗性淀粉產量的目的[32]。基因工程法則是以從分子遺傳技術為基礎，從基因水平層面促使淀粉顆粒的結構與含量發生變化。

目前，國際上常用的抗性淀粉含量測定方法分為體內直接法（測定體內未被小腸吸收的淀粉及其降解物）和體外間接法（不被淀粉酶水解的淀粉含量）。體內直接法包括測定人體肺部呼吸釋放的氫氣含量、回腸造口術法以及插管法；體外間接法是利用消化前后淀粉質量的差值而進行的研究，主要方法包括Bj?rck方法[33]、Berry方法[34]、Englyst方法[14]、Champ方法[35]、Go?i方法[36]、Akerberg方法[37]、McCleary方法[38]、AOAC方法[39]、AACC推薦方法[40]、直接法（基于Englyst和Champ方法）[41]、豬胰α-淀粉酶法[41]、耐高溫α-淀粉酶法[41]。目前，以AOAC方法以及AACC方法為基礎的Megazyme試劑盒因其適用范圍廣、使用方便及準確率高的特點在分析實驗室中得到廣泛的推廣及應用[42-43]。

3 抗性淀粉的表觀結構特性

抗性淀粉的表觀結構在掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡的觀察下呈現塊狀、層狀，其中根據塊狀顆粒表面形態分為溝壑塊狀、孔洞塊狀或網絡塊狀/蜂窩塊狀以及復合狀（圖2）。例如，在糊化過程中持續加熱或是酶處理的馬鈴薯淀粉（圖2a）顆粒易發生溶脹以及熔化，向無定形狀態轉變，并與周邊的淀粉偶聯形成海綿狀結構，促進老化階段內部雙螺旋結構生成，形成更為致密的晶體結構，易產生凹陷孔洞以及蜂窩狀結構及復合狀[44-45]，但并非所有經過酶處理的抗性淀粉都以塊狀為主，有研究發現經過α-淀粉酶處理后的苦蕎抗性淀粉呈現片狀結構（圖2g）；對薏仁抗性淀粉（圖2b）進行微波處理后發現，其表面粗糙程度較大并形成密集的條紋狀溝壑，可能是由于微波的快速導熱機制所產生的形貌特征，而在超聲輔酶壓熱法的研究中發現其呈現出孔洞狀結構特征（圖2d），這可能是超聲波空化作用所引起的[45]；常見的淀粉處理以高壓均質、高速剪切以及超聲波等外界輔助壓力與交聯技術相互結合的處理方式進行，主要原因是淀粉在交聯過程中分子鏈之間的相互作用增強，易發生團聚現象，多呈現出溝槽層狀結構乃至于出現單顆粒上的立體網狀結構，例如經過高壓均質-反相乳化交聯法制得的RS4基納米抗性淀粉（圖2e）[46]，但值得注意的是團聚現象的發生與交聯化、?；潭扔幸欢ǖ穆撓担?，當乙?；娜〈容^低時，抗性淀粉的表征形貌無法出現融合、皺縮、孔洞甚至于網狀結構[47-48]。因此，抗性淀粉的形貌特征不僅與淀粉來源有關，還與抗性淀粉形成前后的處理方式密切相關。當抗性淀粉屬于同一來源時，處理方式的差異會導致表觀結構可能存在不同。例如，Zeng Shaoxiao等[49]通過壓熱法、超聲-壓熱法、微波法制備蓮子抗性淀粉，發現與壓熱法制備的蓮子抗性淀粉相比，微波法制備的蓮子抗性淀粉顆粒較小且較為光滑，而超聲-壓熱法處理的蓮子抗性淀粉顆粒較大且較為粗糙。歐陽夢云[50]研究發現，秈米淀粉在超聲輔助-雙酶復合法處理后呈現深陷溝壑塊狀（圖2c），而在晶種誘導-雙酶復合法處理后呈不規則塊狀，且表面凹凸不平，以塌陷狀為主（圖2f）。當抗性淀粉為非同一來源時，以相同的方式處理，其所呈現的表觀結構也不一定相同，宋家鈺等以壓熱酶法對苦蕎抗性淀粉及黑豆抗性淀粉的研究[51]中驗證了以上猜想。

圖2 不同抗性淀粉的表觀結構特性Fig. 2 Apparent structural characteristics of different types of resistant starch

4 抗性淀粉的晶體結構特性

不同抗性淀粉的晶體類型與結晶度如表2所示，抗性淀粉存在4 種不同的晶體結構類型，分別是A型、B型、C型、V型晶體結構。A型結構（衍射角2θ為15°、17°、18°、23°的單斜晶胞）大多數存在于谷類淀粉中，B型結構（衍射角為2θ為5.6°、17°、22°、24°的六方晶胞）的抗性淀粉主要是由鏈長為30～44 個葡萄糖分子的支鏈淀粉與直鏈淀粉交錯纏繞組成，當其經過壓熱-酶解處理，蕓豆淀粉、鷹嘴豆淀粉、紅豆淀粉等均呈現B型晶體結構。有研究表明，壓熱法處理通常會使得抗性淀粉從A型結晶向B型結晶轉化[53]。C型晶體結構（衍射角2θ為5.7°、15.3°、17.2°、18.3°、23.5°）是A型與B型晶體結構的混合物，主要有芋頭、甘薯等塊根淀粉以及某些豆類淀粉，其中C型又被分為Ca、Cb、Cc，Ca型接近于A型，Cb型傾向于B型，劉敏[44]的研究表明，經過微波雙酶法、濕熱酶法、微波濕熱法制得的馬鈴薯抗性淀粉更接近于Cb型，結晶度為29.12%～30.52%，而2 次循環濕熱法制得的馬鈴薯抗性淀粉更接近于Ca型，結晶度為28.65%。V型晶體結構（衍射角2θ為7.4°、13°、19.8°）主要存在直鏈淀粉和磷酸單酯、脂肪酸等復合物以及糊化后的淀粉（即RS5型抗性淀粉）之中，又被分為V6I、V6II、V6III、V8。有研究表明不同晶型復合物主要區別在于脂質進入直鏈淀粉螺旋腔內的程度[17]。普通玉米淀粉經過復合酶的處理，抗性淀粉的晶型由B+V型向V型發生轉變，正是因為晶體結構的改變導致了RS3抗酶性能的增加。

抗性淀粉晶體結構與其處理方式有關，其中，酶解（酸解脫支）法是基于不同的淀粉來源以及性質實現不同淀粉酶的修剪及脫支作用，從而促進α-淀粉酶對任意α-1,4-糖苷鍵的內切作用，由此獲得大量游離直鏈分子，后再基于普魯蘭酶對α-1,6-糖苷鍵的催化作用，在老化過程中雙螺旋實現相互締結，從而形成一種具有高抗性的晶體結構。因此，當原淀粉以A型晶體結構存在時，其易形成B型、V型以及B+V型晶體的抗性淀粉，值得關注的是，A型晶體向B型或是B+V型晶體轉化時，處理酶的添加順序會對轉化后的晶體結構產生影響，歐陽夢云[50]以微波預糊化秈米淀粉（A型晶體結構）為原料，利用超聲波間歇式輔助異淀粉酶和普魯蘭酶分步脫支酶解制備RS3型秈米抗性淀粉，發現先添加異淀粉酶后再添加普魯蘭酶制備的RS3型秈米抗性淀粉晶體結構為B型，先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶RS3型秈米抗性淀粉晶體結構為B+V型。當晶體結構為B型的原淀粉（如馬鈴薯原淀粉）形成抗性淀粉之后，其晶體結構可能會向C型轉變，包括Ca型與Cb型；當晶體結構為C型的原淀粉（例如，蓮子原點粉）在轉化為抗性淀粉之后，其晶體結構會向A型、B型、V型以及B+V型轉變。

大量研究表明不同的處理方式會影響抗性淀粉的晶型結構，但吳小婷[54]在對蓮子原淀粉分別施以壓熱處理、微波處理以及超聲波-壓熱處理后，不同處理使蓮子原淀粉的C型結構均轉化為B型結構，由此卻說明了蓮子抗性淀粉的晶體類型與熱處理方式無關。Chen Chuanjie等[25]研究了水分添加量（50%～90%）對蓮子抗性淀粉的影響，發現即使蓮子抗性淀粉中水分含量不同，但蓮子抗性淀粉依舊保持B型結構。淀粉的回生重結晶動力學研究表明，淀粉回生過程主要包括：單純淀粉鏈高聚構象改變、晶核誘導形成、晶體增長、晶體完美形成這4 個階段。由于高能無序的淀粉分子在范德華力和氫鍵吸引力的作用下發生重結晶生成抗性淀粉，若有效控制重結晶發生前加入晶種，通過降低溶液的過飽和度、縮短析晶時間就能盡量避免出現爆發式的成核現象，進而能有效提高抗性淀粉的產率。目前，歐陽夢云[50]通過控制重結晶動力學過程中晶體成核方式，將晶體誘導與雙酶法相互結合，促進秈米淀粉內晶體的有序結構形成，其中在B+V型結晶結構中表現得最為突出。

表2 不同抗性淀粉的晶體類型與結晶度Table 2 Crystal types and crystallinity of different types of resistant starch

5 抗性淀粉的分子結構特性

淀粉分子中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的短鏈部分有助于雙螺旋短程有序結構的形成，而傅里葉變換紅外光譜（Fourier-transform infrared spectroscopy，FT-IR）的衰減全反射模式以及投射模式恰好滿足短程分子有序結構（淀粉鏈構象、螺旋結構、結晶度）變化以及形成過程中產生氫鍵組合的變化程度做出有效界定。通常將抗性淀粉與溴化鉀以質量比1∶200混合后放置于掃描波譜范圍為400～4 000 cm-1、分辨率為4 cm-1的FT-IR儀中進行檢測。有研究結果表明，FT-IR圖所呈現的特征吸收頻率對應不同的基團類型[50,61]（表3），通常情況下RS3型淀粉可通過995 cm-1和1 047 cm-1處的吸收峰變化判斷晶體結構的改變，1 047 cm-1和995 cm-1處的吸收峰分別與抗性淀粉的有序結構和水合結晶有關，1 022 cm-1處的峰與無定形結構有關，利用1 047/1 022 cm-1和995/1 022 cm-1峰值比來表示淀粉顆粒外部區域的有序程度或是雙螺旋的內部變化。例如在蓮子抗性淀粉中，800～1 200 cm-1處呈現的特征峰顯然比天然淀粉弱，也可進一步推測蓮子抗性淀粉的構象與蓮子原淀粉相比已發生變化。RS4型抗性淀粉是淀粉經過醚化、?；蚴墙宦撟饔煤蟮玫降母男缘矸郏芯勘砻鱎S4蕎麥抗性淀粉在990～1 050 cm-1處出現吸收峰，這個波段是P—O—C基團的吸收峰，證明了RS4蕎麥抗性淀粉中有淀粉磷酸酯的生成[55]；乙?；幚淼鸟R鈴薯淀粉在1 730 cm-1處出現強吸收峰，可以判定該反應過程中產生了乙酰化基團[48]，這與酯化反應過程中產生的1 746 cm-1處的新峰所代表的酯羰基基團極為相似。淀粉與脂質復合后的分子特征同樣可以通過FT-IR光譜進行表征，孟爽[69]通過比較玉米淀粉、玉米淀粉與硬脂酸混合物和玉米淀粉-硬脂酸復合物的光譜發現，在以上混合物與復合物中皆出現了1 711 cm-1處的C＝O的伸縮振動與2 850 cm-1處C—H的伸縮振動，而復合物較混合物相比，并沒有新的特征峰出現，說明在復合物的形成過程中未產生新的基團，表明淀粉與硬脂酸之間并未發生化學反應，而是通過疏水作用絡合形成穩定的復合物。

表3 抗性淀粉的紅外光譜特征峰Table 3 Infrared characteristic peaks of resistant starch

此外，還可通過紫外分光光度計、高效分子排阻色譜和激光衍射法粒度分析儀等儀器測量抗性淀粉的直鏈淀粉含量、聚合度、分子質量分布等分子結構特征（表4）。研究表明抗性淀粉的分子結構特征會因為植物來源以及處理方式的不同而呈現出的差異性，例如，同是經過高支化處理的蠟質玉米淀粉以及木薯淀粉，兩者之間的重均相對分子質量（Mw）有較大的差異。而同一來源馬鈴薯淀粉經過微波、雙酶、濕熱法等不同方式處理后，它們的分子質量分布也呈現較大的差異。但值得關注的是，木薯淀粉原料以及蠟質玉米淀粉經過顆粒淀粉高支化修飾后形成的抗性淀粉含量與直鏈淀粉含量均有較大差異[3]（表4）。直鏈淀粉含量越高淀粉越容易老化，玉米淀粉經過壓熱-酶處理后直鏈淀粉的質量分數從（23.04±0.18）%上升至（43.40±0.83）%，抗性淀粉的質量分數從（1.33±0.02）%上升至（50.84±0.49）%，說明壓熱-酶處理有利于抗性淀粉的形成，直鏈淀粉含量越高，形成抗性淀粉的含量也越高[70]。與原料淀粉顆粒相比，抗性淀粉的粒徑明顯增大，說明原料淀粉經過工藝手段制備生成抗性淀粉的過程中，部分淀粉顆粒產生膨化效果或聚集成更大的顆粒[70]，Zheng Mingjing等[71]對比單一蓮子抗性淀粉與蓮子抗性淀粉與殼聚糖混合物發現，后者的直鏈淀粉含量更高，形成了更完整的有序結構且觀察到明顯的大顆粒聚集趨勢。實驗中通常用分散度來衡量分子質量分布的寬度，由Mw與數均相對分子質量（Mn）的比值表示，當Mw/Mn為1，說明淀粉樣品為單分散體系；Mw/Mn比值與1的偏移程度越大說明淀粉樣品分子大小越不均一[3]。Zeng Hongliang等[72]的研究結果表明，淀粉結構上的細微差異與Mw有著密不可分的關系，當抗性淀粉的Mw在3.0×104～3.0×106范圍時，則可促進結晶相以及雙螺旋結構的形成。此外，不同處理易對淀粉的分散度產生影響，例如馬鈴薯淀粉經微波-濕熱處理后，其分散度從1.330降至0.303，均一性減小[44]。蓮子淀粉經壓熱-干燥-酶處理后其分散度從4.119降至1.045，分散程度下降顯著[64]。

表4 抗性淀粉的分子結構特征Table 4 Molecular structural characteristics of resistant starch

6 抗性淀粉的腸道菌群調節功能

6.1 抗性淀粉對益生菌的影響

益生元與益生菌存在共生關系，由于抗性淀粉可作為底物被結腸微生物發酵并利用，因此具有促進益生菌生長及增強其活性的作用，并且能夠與其他益生元膳食纖維相互作用發揮其益生元效應[73]。有動物（小鼠、大鼠以及豬等）實驗的研究結果顯示，抗性淀粉可增加擬桿菌[74]、雙歧桿菌[75-76]、乳酸桿菌[74-76]、瘤胃球菌[77]、糞球菌屬[76]以及支原體科[76]菌種的豐度，提高厚壁門菌/擬桿菌的比值。Kawakami等[74]研究發現，以飼料補充劑RS2飼養的大鼠的盲腸內容物的厭氧菌水平高于以飼料補充劑RS3飼養的大鼠。因此，可猜測不同類型的抗性淀粉在影響人類腸道微生物群方面存在功能差異。通過人體研究，對10 名健康人進行了雙盲交叉研究驗證，結果表明補充RS4 3 周，能顯著增加人體糞便菌群中放線菌的豐度和擬桿菌（青春雙歧桿菌和狄氏副擬桿菌）的豐度，同時減少厚壁菌門的豐度，而補充RS2與補充RS4相比能顯著提高布氏瘤胃球菌和直腸真桿菌的比例[78]。Zeng Hongliang等[79]研究發現，以無糖MRS培養基為基礎培養基，研究RS3型蓮子抗性淀粉對腸道微生物體外增殖的影響，結果發現RS3型蓮子抗性淀粉主要促進雙歧桿菌與乳桿菌的增殖，并提高長雙歧桿菌對酸性緩沖液的耐受性與德氏乳桿菌亞種的存活率。

6.2 抗性淀粉對腸道菌群的影響

機體健康和腸道中微生物群落有著密不可分的聯系，人體腸道細菌的種類超過1 000 種，細菌的細胞總數高達4×1013個左右，成年人的腸道細菌與自身細胞數之比約為1∶1[80]。腸道微生物生態系統處于動態變化之中，受基因、腸道位置、健康狀況、年齡、藥物、補充劑和飲食等諸多因素的影響[81]。飲食是塑造腸道微生物群組成和影響腸道群落功能的關鍵因素[82]。例如，抗性淀粉與腸道菌群的數量以及種類有直接關系，Kieffer等[83]建立由腺嘌呤誘導的慢性腎臟疾病大鼠模型，以高直鏈淀粉玉米2型的抗性淀粉進行喂養，結果顯示腸道內細菌種類平均減少15%，放線菌和變形菌的相對豐度顯著增加，厚壁菌的相對豐度顯著降低。Zeng Hongliang等[84]使用RS3型蓮子抗性淀粉（lotus seed resistant starch，LRS3）喂養小鼠，結果顯示，喂食LRS3的小鼠腸道細菌多樣性水平低于正常組以及高直鏈玉米淀粉組，且小鼠的腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌、毛螺菌科、瘤胃菌科和梭狀芽孢桿菌屬等淀粉利用菌[85]和丁酸產生菌[86-87]的數量增加（表5），而理研菌科和紫單胞菌科則均降低。抗性淀粉的攝入選擇性調節特定腸道微生物群的水平，促進了雙歧桿菌與乳酸菌的增長，但限制了沙門氏菌和李斯特菌[88]。因此，抗性淀粉具有促進腸道內有益菌的生長、抑制有害菌或致病菌的增殖等作用。此外，Koay等[89]觀察小鼠攝入抗性淀粉后能有效增加腸道微生物的代謝物，例如三甲胺-N-氧化物、膽汁酸、膽固醇硫酸鹽三羧酸循環中間產物等。

6.3 抗性淀粉調節腸道菌群產生SCFAs的微生物機制

表5 不同益生菌的發酵產物[91]Table 5 Fermentation products from different probiotics[91]

腸道微生物通過部分或完全發酵飲食中無法完全被酶水解的抗性淀粉，代謝產生SCFAs（其中乙酸鹽相對含量高于60%、丁酸相對含量69.5%、丙酸相對含量50.2%、戊酸相對含量44.1%、異戊酸相對含量20.3%、己酸相對含量19.2%）、乳酸和其他產物[90]。結腸是人體內SCFAs的主要產生部位，這些SCFAs多是由未消化的底物在結腸內被厭氧菌酵解產生的乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等組成。由于機體內腸道環境各異、腸道發酵位置、發酵底物以及腸道內發酵菌的種類（淀粉利用菌、丁酸產生菌）不同，對應產生的SCFAs的種類、數量以及對腸道功能及機體健康所發揮的作用也不相同[91]（表5）。大量的研究表明，人體和動物攝食抗性淀粉含量高的食物后，腸道和糞便的SCFAs含量增高，且宿主的腸道菌群也發生了適應性改變[85,92-93]。方建東[94]研究了RS3型玉米抗性淀粉對腸道菌群的影響，發現RS3型玉米抗性淀粉不僅能夠提高小鼠腸道菌群多樣性，促進雙歧桿菌和乳桿菌增殖，抑制大腸桿菌和腸球菌生長，并且能夠提高腸道SCFAs含量。Lesmes等[95]研究發現RS3型抗性淀粉結構的微小差異對腸道內丁酸含量的調控作用也會產生影響。

7 抗性淀粉結構對腸道菌群調節功能的影響

抗性淀粉的表觀結構特征影響腸道菌群調節功能，這可能是腸道微生物對淀粉底物結構特征的敏感性所造成的，而這類調控機理可能是受淀粉顆粒的表面形態及顆粒內部精細結構所影響。比如，蓮子抗性淀粉之所以能促進雙歧桿菌增殖，可能與其表面結構有關，經過壓熱、微波等處理后的蓮子抗性淀粉表面具有的特殊溝塾狀結構，能提高益生菌在不良腸道環境的適應性，使其更好地利用碳源，促進自身增殖[96]；張巖[97]比較了非熱處理、干熱處理、壓熱處理制備的抗性淀粉對腸道菌群代謝產物的影響，發現干熱處理制備的抗性淀粉作為底物進行發酵可有效地提高發酵液總SCFAs濃度，尤其是提高腸道菌群產丁酸能力，這可能是由于干熱處理制備的抗性淀粉顆粒內部的有序程度比RS2更低，該結構可能更利于微生物的利用與增殖，產生更多的SCFAs。以壓熱法制備RS3作為發酵底物時，腸道微生物產酸能力最弱。有可能是由于最初的熱處理方式對其結構產生較大影響，壓熱后的結構更加碎裂與不規則，不利于微生物的著陸利用。楊春豐等[98]制備與純化得到了板栗抗性淀粉及消化抗性淀粉，并研究了它們的益生作用與結構變化。結果表明：板栗抗性淀粉及抗消化性淀粉對雙歧桿菌和乳酸桿菌都有顯著的增殖作用，對大腸桿菌和產氣莢膜梭菌有強抑制作用，對糞腸球菌、梭狀桿菌、兼性細菌無明顯影響，而這可能與板栗抗性淀粉表面粗糙不平的疊層結構特征有密切聯系。另一方面，分析對比發酵前后的板栗抗性淀粉的結晶結構，經過人工胃液消化的板栗抗性淀粉由V型轉化為B型，人工腸液消化的板栗抗性淀粉由V型轉化為A型，后者顆粒結構由原來大小不均一的疊層結構變為大小均勻的疏松結構，且平均聚合度有所減小，與謝濤等[99]關于馬鈴薯抗性淀粉的研究結果一致?？剐缘矸鄣姆肿咏Y構亦會對腸道菌群益生菌造成一定的影響，林姍[100]在對抗性淀粉分級分離的研究中發現，抗性淀粉的Mw越小，其對益生菌的增殖效果越小。因此，可以推測抗性淀粉的結構在對腸道益生菌產生保護作用的同時，腸道菌群亦能對抗性淀粉的表觀結構產生影響?？剐缘矸劭稍谀c道微生物發酵作用下產生丁酸，其產丁酸能力高于其他膳食纖維[101]?？剐缘矸鄣木毥Y構對其調節腸道產丁酸能力起著決定性作用。周中凱等[102]研究發現，玉米抗性淀粉的顆粒形態、有序結構和無序結構影響腸道微生物產丁酸能力，高有序結構的玉米抗性淀粉可促進腸道內丁酸的生成。目前，關于抗性淀粉結構對腸道菌群相關性影響的研究內容相對較少，尤其是不同晶體結構以及分子結構對腸道菌群的調節功能等方面的影響，仍需進一步的研究。

8 抗性淀粉的開發與利用趨勢

抗性淀粉的加工特性及益生作用使其具有較為廣泛的可利用空間?？剐缘矸厶砑佑诿姘愂称分幸愿纳粕珴?、口感，因此可以達到優化加工工藝、提高感官評價的效果；添加于油炸食品中以提升表面的脆度和硬度，加深油炸食品表面的金黃色達到增加食欲的效果；添加于面條制品中可以降低含油量，加深色澤，同時提高面制品的營養價值。除此之外，抗性淀粉還可作為益生元被添加到食品中，主要的作用有：1）作為發酵底物為有益菌的生長提供能量；2）作為新型的可溶性膳食纖維為機體提供益生作用；3）作為包埋性微膠囊材料提高食品的穩定性。

目前，行業內有關抗性淀粉的應用主要集中在藥物載體方面，特別是口服結腸定位給藥系統（需具備阻止胃液和腸液降解的能力）的理想藥物載體。Sivapragasam等[103]證明了納米抗性淀粉是一種可用于結腸靶向給藥的新材料，丁涌波[46]驗證了基于納米技術處理的RS3和RS4載藥型抗性淀粉在人工胃液的作用下釋放率快，但是累積釋放率低；而在人工腸液和人工結腸液實驗條件下，基于納米技術處理的RS3和RS4載藥型抗性淀粉能實現藥物的有效控釋。

9 結 語

隨著生活水平的提高，人們對于食品營養與身體健康之間關系的關注度逐漸提升，近年來抗性淀粉因其腸道菌群調節功能的特殊性質而進入大眾的視野?？剐缘矸蹃碓磸V、涉及類別較多，可通過物理、化學、生物酶促法等方法進行制備。本文從不同類別抗性淀粉的表觀結構、分子結構、晶體結構3方面介紹抗性淀粉結構特性對其腸道菌群調節功能影響，未來研究方向可從以下4 個方面進行探究：1）建立加工條件與抗性淀粉原子和分子等多次度結構之間關系；2）通過Pearson（皮爾遜）、Kendall（肯德爾）和Spearman（斯皮爾曼）等相關性指數建立結構與腸道菌群調節功能的關系；3）進一步研究結構特性對腸道菌群調節功能的分子機制；4）通過多組學研究這種腸道菌群的調節與機體健康的關系等。

除此之外，抗性淀粉精細結構與腸道菌群調節功能的關系也是近年來所研究的熱點問題。但就目前的情況而言，關于抗性淀粉結構特性對腸道菌群調節功能的作用機制尚未明確。因此，需建立抗性淀粉結構特性與體外/體內定量的研究方法，為后期抗性淀粉應用于藥物載體、結腸系統定點治療提供有力的理論基礎。