抗性淀粉的制備、功效及應用的研究進展

胡珍珍 郝宗山 孟妍 王倩 徐紅照 位雅莉 陳立勇

摘 要：結合國內外抗性淀粉的研究現狀，介紹了抗性淀粉的分類，分析了抗性淀粉的制備工藝及其在糖代謝、脂代謝、體重控制、作為益生元防治腸道疾病等方面的生理功能，并介紹了抗性淀粉在面包、面條、油炸類、飲料類等食品生產及微型膠囊材料生產中的應用。

關鍵詞：抗性淀粉;制備方法;生理功能

普通的膳食纖維類食品由于口感差等原因并不受廣大消費者的歡迎[1-3]，而抗性淀粉（RS）作為一種新型膳食纖維，有效解決了普通膳食纖維的缺陷，成為食品加工行業的研究熱點[4]。聯合國糧農組織（FAO）1992年對RS的定義為：“不被健康人體小腸所吸收的淀粉及其降解產物的總稱[5]。”RS具有來源天然、水溶性低、色白味淡等特點，在功能性食品的開發中極具價值[6]。

1 抗性淀粉的分類

根據來源、結構和酶解性等的不同，目前多把RS分為五類[7]，即物理包埋淀粉、抗性淀粉顆粒、回生淀粉、化學改性淀粉和直鏈淀粉-脂肪復合淀粉。在各類RS中，回生淀粉由于其良好的熱穩定性和安全簡便的制備方法，成為目前研究和應用最多的一種RS[8-10]。

2 抗性淀粉的制備方法

目前，RS的制備方法是基于顯著影響RS形成的兩個因素：直鏈/支鏈淀粉比例、淀粉鏈聚合度考慮。一般來說，RS的制備可以通過以下兩種不同的工藝或者兩者的結合來實現，即：（1）物理處理：包括濕熱處理法、壓熱法、擠壓處理法、微波處理法、超聲波處理法等;（2）酶解或酸解脫支處理。物理處理通過破壞分子間和分子內氫鍵來誘導淀粉凝膠化或提高淀粉鏈的流動性，而酶解或酸解脫支處理通過選擇性地改變無定形區域和促進短線性淀粉分子的生成來提高固有結晶度。

2.1 濕熱處理

濕熱處理法（HMT）通常是在低水分（35%）條件下，在84～120 ℃的溫度范圍內于通風爐中對淀粉進行15 min～16 h的濕熱處理。濕熱處理法形成RS的機理包括淀粉顆粒的結晶結構的破壞、雙螺旋結構的解離以及晶體的重排。另外，濕熱處理誘導的初始溶脹和非晶區的遷移也有利于雙螺旋的有序化，從而形成RS[11]。Zavareze等[12]研究了熱濕處理對慢消化淀粉（SDS）和RS含量的影響，將玉米、豌豆和扁豆淀粉在120 ℃和30%水分條件下進行濕熱處理，淀粉粒度分別下降10.2%、14.0%、15.1%，SDS含量分別增加2.5%、2.8%、4.7%，RS含量分別增加7.7%、11.2%、10.4%，表明濕熱處理能顯著提高SDS和RS含量。經濕熱法處理的淀粉中RS的含量受加熱溫度、水分含量、時間以及淀粉中直連淀粉含量等因素的影響，適宜的溫度、水分含量和時間可以保證解離成的短直鏈淀粉有合適的長度，進而重排為緊密的雙螺旋結構，此外，研究表明，淀粉中直鏈淀粉的含量越高，越有利于提高濕熱法制備RS的得率[13]。

2.2 高壓滅菌處理

高壓滅菌處理是一種將熱壓與冷卻相結合的方法，通常用于需要高于周圍空氣壓力的高溫預糊化淀粉，通過壓熱-冷卻可促進淀粉的糊化-回生，有助于RS的形成。具體來說，高壓滅菌會破壞原有淀粉的晶體結構和無定形團塊，使其失去原有的顆粒外觀，形成RS。有研究表明，較高的溫度和較高的壓力可以導致淀粉顆粒的破碎和直鏈淀粉的部分溶解，從而更有效地促進結晶區的發育和RS的形成。Dundar等[14]研究了蒸壓溫度（140～145 ℃）和貯存時間（24、48、72 h）對高直鏈玉米淀粉電泳生成淀粉的影響，發現高壓釜溫度（145 ℃）和長貯存時間（72 h）對RS的形成有利。

2.3 擠壓處理

擠壓處理法是一種重要的熱食品加工技術，該技術涉及剪切能、壓力和加熱，是RS的傳統制備方法，具有無污染、連續的工藝過程以及較短的處理時間等優勢。擠壓處理法通過把明膠化和濕熱處理結合在同一個操作中，促進RS的形成[15]。通過調節不同的機筒溫度、進料濕度、進料速度、剪切和螺桿速度和配置組合以及膜孔直徑，可在一定程度上對淀粉粒的分子重排和由此形成的RS的結構特征進行調控。研究表明，擠壓溫度和水分含量對擠壓物的理化性質有顯著影響，RS含量隨含水率和擠出溫度的升高而增加[16]。

2.4 超聲處理

超聲波處理是制備RS的常用方法之一，具有操作簡單、成本低廉、安全無污染的特點。超聲處理是利用超聲波對溶液中的淀粉顆粒進行攪拌，當超聲能量在液體中傳播時，由于壓力變化而產生氣泡，這些氣泡的劇烈崩潰可以誘導淀粉顆粒產生高的壓力梯度和高的局部速度，從而產生剪切力，破壞淀粉顆粒，進而將淀粉長鏈切割成適當長度的淀粉鏈，促進RS的形成[17]。劉樹興等[18]通過實驗探究了超聲波作用對小麥RS形成的影響，結果表明，經超聲處理的RS得率比未經超聲處理的RS得率提高了近3倍。

2.5 微波處理

微波處理是利用微波頻率與物料固有頻率接近時發生的共振摩擦作用，由此產生的非電離能量可使其滲透介質在快速變化高頻電磁場中溫度上升，發生汽化，當淀粉顆粒在過量的水中加熱時，會發生不可逆轉的多階段糊化過程，包括顆粒膨脹、天然微晶熔融、雙折射喪失和淀粉溶解，這在一定程度上減小了淀粉的聚合度，并且在淀粉體系中形成大量的多孔網狀結構，使其更好地與酶作用，提高RS的得率。Mirela等[19]回顧了微波處理對淀粉樣品理化性質、功能性質和結構性質的影響，提出淀粉微波加熱制備RS的機制為：水分子的介電弛豫現象引起溫度迅速升高，導致淀粉顆粒內部局部高壓，進而引起淀粉顆粒從中心向外膨脹，最終導致淀粉顆粒的降解。

2.6 酸解法

淀粉的酸水解優先降解無定形層，從而允許釋放的游離直鏈淀粉鏈優先排序，導致雙螺旋和結晶區比例增加，隨著酸水解過程的進行，結晶區也開始緩慢水解，使結晶結構重新排序[20]。此外，酸性水解可以從直鏈淀粉中產生直鏈和支鏈，并從低分子量的直鏈中產生線性鏈，這些在后期水解過程中可以進一步形成抗水解的雙螺旋結構。酸水解法通常與濕熱處理法或其他方法相結合，提高RS的得率。Pham等[21]研究發現，用檸檬酸、乳酸和醋酸分別對3個水稻品種的大米淀粉進行處理，發現檸檬酸處理的RS最高（35.3%～39.0%），其次是乳酸處理（32.4%～35.1%）和醋酸處理（30.1%～32.5%）。值得注意的是，與酶法相比，酸水解法的脫支效果不夠理想，且因酸的腐蝕性，對設備有較高的要求。

2.7 酶解法

酶解法是指用酶降解淀粉分子，使淀粉分子的聚合度和直鏈/支鏈淀粉的比例達到適合形成RS的程度，進而促進RS的形成。用于酶解法制備RS的酶分為兩類：可切斷淀粉分子內的 α-1，4-糖苷鍵的酶（如α-淀粉酶）和切斷淀粉分子內α-1，6-糖苷鍵的酶（如普魯蘭酶和異淀粉酶）。酶解法制備RS的影響因素主要有酶添加量、酶作用時間及作用溫度，其中，酶的添加量和作用時間對RS的產率影響顯著，較高的酶添加量和作用時間可以增加RS的產率，但酶量過多或時間過長造成過度切割會導致分子鏈過短也不利于RS的形成。Zhang等[22]將10 g淀粉樣品與40 mL蒸餾水混合，pH 6.0/80 ℃條件下預糊化20 min，添加不同反應參數的α-淀粉酶，后添加普魯蘭酶（pH 5.0/46 ℃/12 h/12 ASPU/g），4 ℃下冷卻24 h，再經α-淀粉酶（pH 5.5/95 ℃/45 min），最后在下列條件下獲得最高的RS（58.87%）：溫度90 ℃、pH 5.5、時間 15 min、ɑ-淀粉酶4 μ/g。

每種方法各有其各自的優缺點，如濕熱法操作程序簡便但制取率低、酶解法制取率高但成本較高等，現有的研究大多根據實際情況選擇合適的制備方法，在各種制備方法中，多種方法聯合制備綜合了各種方法的優缺點，成為主流的制備方法，如楊帆等[23]以大米淀粉為原料利用超聲波-濕熱法制得的RS得率為32.173%;在此基礎上結合酸水解制得的RS得率為40.672%。Pham等[21]以大米淀粉為原料利用濕熱法制得的RS的含量在18.5%～23.9%之間，酸解法結合濕熱法的大米淀粉的RS含量在30.1%～39.0%之間，充分說明多種方法聯合制備的優勢。

3 抗性淀粉的生理功能

作為一種新型的膳食纖維，RS不僅具有與膳食纖維相似的生理功能，而且在性質和功能上要優于普通膳食纖維[24]。但是RS很少直接對人體產生生理學功效，而是通過對其他物質產生影響以及結腸發酵產生的次生物來發揮作用，其生理功能主要表現在以下幾個方面。

3.1 對糖、脂代謝的影響

國內外大量研究表明，RS對生物體內的葡萄糖和胰島素水平具有調節作用，有利于維持葡萄糖和脂質的體內平衡[25]。因其吸收慢的代謝特點，RS可明顯降低空腹和餐后血糖，增加胰島素敏感性，起到控制干預糖尿病病情的作用。Laure等[26]通過RS喂養的常規小鼠和無菌小鼠的平行實驗表明，RS介導的胰島素水平的改善也發生在沒有微生物群的情況下。RS降低了脂肪組織巨噬細胞標志物的基因表達，改變了無菌小鼠和常規小鼠的幾種膽汁酸的盲腸濃度，這些效應與代謝效益密切相關，為解釋RS的生理效應提供了一個潛在的微生物群無關機制。RS對血脂的影響表現為降低人體血液中的膽固醇和甘油三酯含量的作用[27]，主要有三種途徑：（1）減少機體對脂肪的吸收，促進存儲在機體內的脂肪的利用;（2）促進膽汁酸隨著糞便排出體外，使得膽固醇不斷轉換成膽汁酸，減少機體膽固醇含量;（3）RS經結腸發酵后的代謝產物丙酸能夠調節脂質代謝，在肝臟中抑制膽固醇合成。王欣等[28]研究表明，化學改性淀粉可以降低高脂飲食小鼠血清中的游離脂肪酸和炎癥因子水平，并可影響脂肪細胞的大小。趙云龍等[29]研究表明，RS對高脂飼料致高脂血癥大鼠的肝功能代謝紊亂有較好的調節和改善作用。有研究表明，合理的強化RS低蛋白主食干預可以顯著降低早期2型糖尿病腎病患者的血糖和血脂水平，控制患者病情，延緩病情進展[30]。

3.2 對體重的影響

RS的出現，為通過飲食途徑解決肥胖問題提供了更多可能。研究發現，RS主要通過減少能量攝入、增加飽腹感、促進脂肪分解三種機制來達到對體重控制的目的。RS由于難以降解成被人體直接利用的葡萄糖，產能極低，只有易消化RS的10%左右，故攝入RS可以在一定程度上減少能量的攝入[31];當機體攝入RS后，可以增加GLP-1 和PYY等飽腹感相關激素的分泌，從而使飽腹感增加[32-33]。馮鑠涵等[34]通過喂養小鼠發現化學改性淀粉對于控制體重和調節血清膽固醇的調節效果最好，回生淀粉在調節腸道代謝產物、調節血脂和降低血清中甘油三酯效果最優。Willis等[35]為志愿者分別提供高RS含量的松餅和低纖維的松餅作為早餐，發現高RS含量的松餅可激發飽腹感并延長其消化時間，起到一定的減肥效果。

3.3 益生元功效

由于RS可以幾乎完全通過小腸，因此可以作為益生菌生長的基質。RS在結腸中充當益生菌的培養基被結腸菌發酵分解，產物主要是一些氣體（二氧化碳、甲烷、氫）、有機酸和短鏈脂肪酸（SCFA），這些SCFA主要包括乙酸鹽、丙酸鹽及丁酸鹽，它們能夠改善人體腸道內環境，抑制或殺死腸道內的有害病菌，促進有益細菌的生長和繁殖[36]，從而更好地調節腸道菌群。大量研究證明，RS對多種雙歧桿菌及多種乳桿菌有促進其生長繁殖的作用，其促進作用的原因可能是由于RS表面的溝壑狀結構對雙歧桿菌等有益菌的保護作用[37]。Perera等[38]研究發現，RS補充飲食可顯著增加乳桿菌、雙歧桿菌、葡萄球菌、鏈球菌的數量，減少腸桿菌的數量，并可改變微生物酶在結腸的代謝，為肥胖癥的治療提供了一個有效的自然途徑。

3.4 防治腸道疾病

RS及其代謝產物對胃腸功能紊亂、腸道炎癥和結直腸癌等多種腸道疾病的防治具有重要意義。作為一種膳食纖維，RS具有促進排便、增加糞便體積的作用，有利于有害物質的及時排除，從而預防腸道疾病的發生。RS對腸道健康的影響主要通過其產生的SCFA發揮作用，SCFA具有抗炎作用，能降低結腸炎的發生率。機體內的抗炎因子包括IL-4、IL-5、IL-10、IL-11、IL-13和TGF-β等，促炎因子包括IL-1、IL-8、IL-12、IL-18及TNF-α等，SCFA的抗炎作用表現為促進抗炎因子的表達且抑制促炎因子的表達，此外，SCFA還能夠誘導T細胞分化成具有調節腸道炎癥作用的細胞，從而抑制腸道炎癥[39]。SCFA的增加在一定程度上影響了蛋白質的消化吸收，使有害的蛋白代謝物的生成減少，控制了腫瘤細胞的數量，抑制了腫瘤細胞的增殖，具有防癌抗癌作用。丁酸鹽是大腸上皮細胞（結腸上皮細胞）的主要能量基質，能抑制結腸上皮細胞的惡性轉化，在預防結腸癌方面起到重要作用[36]。通過RS飲食干預的人體試驗結果也表明，腸道菌能增加丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸等SCFA含量并保護人體的腸道環境，使腸道pH值降低，富集的益生菌競爭性地抑制了有害菌的生長繁殖，減少了有害代謝產物的產生，改善排便習慣，降低癌癥和炎癥性腸道疾病及2型肥胖帶來的疾病風險[40]。值得注意的是，食用大量RS可能會對胃腸功能產生一些負面影響，如腹瀉、脹氣、腸絞痛和水樣便等，但總的來說，RS的益處遠超過其所帶來的不利影響。

3.5 促進礦物質、維生素的吸收利用

在食物中添加RS，能夠促進人體對礦物質、維生素等營養物質的吸收和利用。RS促進礦物質吸收的原因主要有兩方面：一方面是RS在腸道內產生的SCFA能夠降低腸道內的pH值，使礦物質溶解度增加;另外，SCFA可使腸道上皮細胞的增殖速度加快，腸壁增大，吸收無機鹽的表面積增大，進而可促進某些礦物元素的吸收。相關動物實驗表明，在富含RS的飲食飼喂大鼠后，促進了鈣、鎂、鋅、鐵等的吸收率[41]。此外，RS還能促進鉛從體內排出，李淑榮等[42]通過動物實驗證明，回生淀粉對鉛中毒大鼠有明顯的促進排鉛作用。同時，RS的含量增加，能夠在一定動態水平下緩解2型糖尿病老鼠體內的維生素D缺乏癥[43]。

3.6 抗性淀粉影響膽結石的形成

作為一種膳食纖維，RS具有很低的血糖升糖指數，可以調控胰島素的分泌，使膽固醇合成減少，降低膽結石發病率。有研究發現，中國、印度、美國、澳大利亞這四個國家膽結石的發病率有顯著區別，這主要是因為這四個國家主食不同，膳食纖維的攝入量有很大差異所致[44]。

4 抗性淀粉的應用

RS廣泛存在于各種天然淀粉類作物中，其來源廣泛但含量較低，且經過一定的加工處理后即轉變為易消化淀粉，無法滿足人們對高纖低熱類健康食品的要求，因此，將人工制備的RS添加到食品中成為當前食品加工行業的研究熱點。目前，RS作為食品膳食纖維的功能成分，添加在食品的制作過程中，制成不同特色的功能性食品和風味食品。此外，RS在醫藥衛生等行業也有一定的應用。

4.1 主食類食品

在面包中加入膳食纖維可改善飲食中膳食纖維攝入量偏低的狀況，但傳統的膳食纖維如麥麩、大麥粉等的加入會使面包顏色加深、體積變小、口感變差，難以被廣大消費者所接受。但是，在面粉中加入RS制得的面包，不僅不會降低面包的感官水平，反而在一定程度上提升了感官水平[45]，使面包含水量更高且更加松軟，更為廣大消費者所接受。在小麥粉中添加RS可以明顯改善面條的質量，在一定的添加范圍內，RS的加入不會改變面條的硬度、韌度、咀嚼性、順滑度和口感等感官特性，而且會使面條亮度增大、消化性降低[46]。

4.2 膨化食品

在食物中加入RS可以提高擠壓谷物和小吃食品的膨化系數，因此可將其應用于膨化食品中，可以減少傳統膳食纖維對食品膨化造成的硬度大、脆性小、整體品質較差的不良影響。有研究指出，加入一定量RS后燕麥食品膨化體積增大，且在一定范圍內膨化系數隨著RS含量的增加而提高。另外，RS還能提高谷物的耐泡性，添加了RS的膨化食品經牛奶等飲料浸泡后，其質地雖變軟，但仍能保持松脆的良好口感。回生淀粉相對其他RS具有更高穩定性，這一特性讓回生淀粉能夠更好應用在油炸食品中，提高油炸食品中的膳食纖維含量，提高油炸食品的營養價值。相關研究表明，用回生淀粉替換20%的油炸食品面粉時，油炸食品面粉中膳食纖維的含量提高8.2%，并且能夠加深油炸食品的顏色，提高油炸食品的硬度和脆感[47]。

4.3 發酵酸奶和飲料

RS具有良好的穩定性和不溶于水的性質，將其添加到溶液體系中，可以起到一定的增稠作用，在飲料中適當添加RS，不僅可以提高飲料的感官性狀，還能起到保健作用。楊鈉等[48]研究發現，單獨使用馬鈴薯RS作為乳化穩定劑，具有良好的色澤、口感和滋味，但是組織狀態不佳，與果膠、瓊脂復配使用能相互彌補不足，當馬鈴薯RS添加量為1.50%、果膠添加量為0.03%、瓊脂添加量為0.15%時，酸奶的總體品質達到最佳。

4.4 微型膠囊

RS由于具有獨特的抗酸性、抗酶解性以及在大腸中被腸道微生物充分降解等特性，可作為食品級微膠囊壁材對藥物進行傳遞，是眾多微型膠囊材料的一種，能夠降低敏感化學物質的消化率，幫助解決了食品工業中控制生物活性分子的釋放，延長敏感化學物貨架期等技術難題[49]。Meneguin等[50]以抗性淀粉和果膠制備的抗性淀粉/果膠納米復合薄膜，研究載藥抗性淀粉/果膠納米復合薄膜的釋放性能，結果表明，抗性淀粉/果膠納米復合薄膜具有一定的抗酶解性和緩釋性。故RS可以作為口服藥物的載體制備膜包衣，以提高藥物的療效，降低藥物的毒副作用。

5 結論與展望

RS具有降血糖、降血脂、降體重、調節腸道菌群、促進礦物質的吸收和利用等多種生物學功效，是一種有著廣大應用前景的營養物質。但是目前的研究對象主要是實驗動物，其對人體的相關實驗并不充足，其對人體的生物學功效及相關機制還有待進一步探索和證明。目前RS的制備方法存在著制取率低或者工序復雜無法批量生產等問題，RS的生產還處在起步階段，在RS的廣泛應用前景的背景下，亟需探究多種高效率制備RS的方法，以滿足社會需求。中國人每天攝入淀粉的量達到370 g以上，是世界上攝入淀粉量最多的國家之一[51]，在平衡膳食模式的倡導下，需適當改變淀粉的性質，達到均衡營養的目的。我國有豐富的淀粉類食物，隨著市場對膳食纖維類食品需求的加大，以抗性為原料加工的食品有著廣闊的應用前景。

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