甘薯抗性淀粉研究進展

趙凌霄, 趙冬蘭, 戴習彬, 周志林, 曹清河

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所,徐州 221131)

中國營養學會2021年發布的《中國居民膳食指南科學研究報告》指出,膳食不平衡的問題突出,長期攝入可快速消化的碳水化合物易導致餐后血糖急劇上升,是導致肥胖、“三高”和糖尿病等慢性病和結直腸癌等腫瘤疾病的主要危險因素,這些疾病的發生呈現出高發性和低齡化等特點和趨勢[1,2]。由于抗性淀粉(RS)不能在健康人體的口、胃及小腸中被消化吸收,但能在大腸中被腸道微生物群緩慢發酵,因此對控制人體血糖和血脂、保持腸道健康等方面具有良好的作用。另外,RS還可調節腸道菌群的組成和功能,從而改善宿主健康狀況,因此越來越受到食品和營養學專家的關注[3-8]。

甘薯塊根中淀粉含量高(干基質量分數可達85%),廣泛應用于甘薯粉絲、粉條、涼粉和粉皮等食品加工行業[9-12]。與其他常見植物來源的淀粉相比,甘薯原淀粉、糊化淀粉或回生淀粉中RS的含量處于較高水平(見表1)[13-15]。雖然水稻和馬鈴薯等常見作物糊化淀粉中RS含量同樣較高,但是其淀粉產品血糖生成指數(GI)高于甘薯[16]。GI是一種依據碳水化合物釋放葡萄糖進入血液的相對能力對富含碳水化合物的食物進行評分的參數,經常食用富含膳食纖維的低GI食物可以有效緩解肥胖及糖尿病和心臟病等相關問題,還可預防特定類型的癌癥[17]。隨著人們對膳食質量的要求不斷提高,使得甘薯淀粉的特性,尤其是消化特性成為研究的焦點。因此,結合近年來甘薯RS相關的研究成果,文章就甘薯淀粉的保健效果、淀粉中RS的含量測定、RS含量的影響因素和甘薯RS的制備方法及其特性等方面進行綜述,旨在為甘薯淀粉產品的開發和推廣利用提供參考。

表1 不同植物來源淀粉中抗性淀粉的質量分數

1 甘薯淀粉的保健價值

我國甘薯產量和淀粉產量都處于較高水平,是農民青睞的淀粉作物。與其他常見作物淀粉相比,甘薯淀粉中RS的含量處于較高水平(見表1),其保健效果受到關注。研究證實,甘薯淀粉能夠通過提升大鼠體內脂肪細胞因子、促炎反應和胰島素信號水平來提升胰島素的敏感程度[28]。食用含有甘薯RS的飼料能降低高脂小鼠的體重和肝重,降低高脂小鼠肝臟中脂質合成的能力;維持小鼠盲腸壁的重量,改善小腸的健康狀況,維持腸道菌群平衡[29-31]。培養基中添加甘薯RS能提高雙歧桿菌的濃度,對雙歧桿菌顯示出較好的益生元效果[32,33]。另外,食用紫甘薯RS使腸炎小鼠的胸腺和脾臟指數顯著下降,腸道菌群組成和相對豐度獲得顯著改善,腸道炎癥得以緩解[34]。因此,甘薯淀粉在人類保健方面具有顯著的效果,在健康食品加工方面具有更廣泛的開發價值和應用潛力。

2 甘薯抗性淀粉的含量測定方法

為向市場提供準確的營養信息,篩選出RS含量較高的優異種質,服務于產品開發、應用、市場推廣和種質創新等行業,需要測定并獲取甘薯淀粉或加工產品中RS的含量數據。但是由于RS含量的測定需要模擬體內消化的過程,屬于一種動態檢測,測試數據對測定條件的依賴性較大,樣品的制備、酶的種類和反應時間以及反應條件等需要在樣品間保持一致的因素較多,導致RS難以精準定量[3]。

目前植物淀粉中RS含量的測定方法主要分為體內測定技術(invivotechniques)和體外測定技術(invitrotechniques),見圖1。由于RS主要是指淀粉在胃和小腸中不能被消化酶降解的部分,因此體內測定技術是測定食物中RS含量最直接的方法,例如回腸造口術模型[35,36]以及大鼠體內消化實驗(圖1a)[37]。然而,體內測定方法用時較多、費用昂貴,需要專門的設備和人員,還涉及倫理問題。此外,由于不同的實驗個體在咀嚼方式、消化酶的活性和健康狀況等方面的差異,導致淀粉的消化過程穩定性不一致[4]。由于體外測定技術能夠排除不穩定因素的干擾,因此更有利于研究淀粉結構在消化過程中的變化規律。目前植物淀粉中RS含量的體外測定主要依據Englyst等[38]和Goi等[39]的方法進行,且已廣泛應用在甘薯淀粉中RS含量的測定上(圖1b)[15,18,40-45]。

圖1 抗性淀粉含量的體內和體外測定技術

Englyst等[38]的方法主要確定了不同來源淀粉的酶解條件,并根據實驗過程中葡萄糖的釋放和吸收情況對淀粉產品進行分類。基本原理主要是通過沸水糊化、回生、堿解、酶解等步驟分別測定總淀粉和可消化淀粉的含量,通過從總淀粉含量中減去可消化淀粉的含量得出RS的含量,該方法通過與體內測定技術進行對比獲得充分地驗證[36,38]。近年來,Guo等[18]、Shi等[15]、Lu等[44]和Ye等[45]對該方法進行了優化,省去了沸水浴糊化淀粉和使用轉化酶等步驟,加入了糊化淀粉和回生淀粉中RS含量的測定,使獲得的數據更全面。

通過2種方法的對比發現,Englyst等[38]的方法對測定操作要求較高,不同技術人員獲得測定結果的重復性難以保證[47]。Goi等[39]的方法與之相比,結果的可重復性較強,且耗時更短,成本更低,但操作步驟仍舊繁瑣,因此難以快速測定大批量樣品中RS的含量,仍然需要建立一種針對RS含量的高通量測定方法。

3 甘薯淀粉的可消化性和抗性淀粉含量的影響因素

甘薯淀粉的可消化性和RS的含量主要取決于淀粉對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶(麥芽糖酶)的敏感性,由淀粉顆粒結構、葡聚糖結構以及淀粉與其他食物成分之間的相互作用共同決定,包括食物成分間物質互作、采后儲藏條件、淀粉粒徑、栽培條件和遺傳修飾等[45,48-51]。

蛋白質、脂類和纖維等成分與淀粉的互作能夠提升淀粉的可消化性[42,52]。楊燁[50]研究發現,甘薯淀粉中RS的含量會隨著儲藏時間的變化而逐漸下降;儲藏期甘薯的萌芽或遭遇冷害,導致塊根內部淀粉酶產生變化,也會降低RS含量。粒徑更大的淀粉具有更高的表觀直鏈淀粉含量和相對結晶度,直鏈淀粉的分子量也更大,因此對消化酶的抗性更高[53]。生長過程中,隨著生長溫度的升高,淀粉的平均粒徑顯著增加;小粒徑淀粉顆粒更大的表面積體積比使其與淀粉酶的接觸更充分,消化性強于粒徑更大的淀粉粒,因此更高的生長溫度有利于產生粒徑更大的淀粉,提高淀粉中RS的含量[54]。

由于人類食用的主要是蒸煮后的淀粉(糊化淀粉),而蒸煮后淀粉的消化性則主要依賴于直鏈淀粉含量的高低和支鏈淀粉分支結構的復雜程度,因此通過調整淀粉中直鏈淀粉的含量或支鏈淀粉的結構來改善淀粉的消化特性是甘薯分子育種中備受矚目的研究內容[54]。其中,通過遺傳修飾手段改變甘薯淀粉合成相關基因的表達,是調整甘薯淀粉中RS含量的主要方法[55]。研究表明,通過對甘薯淀粉合成相關基因進行遺傳修飾,可以實現直鏈淀粉含量的增加,或支鏈淀粉中長側鏈占比的的提高,從而提高淀粉中RS的含量[56,57]。SBEII的抑制表達,在不改變淀粉顆粒形態的情況下提高了直鏈淀粉和RS的含量[58,59]。SSII的抑制表達增加了甘薯淀粉中支鏈淀粉短側鏈的比例,提高了淀粉的消化性,因此降低了RS的含量[60,61]。甘薯IbSSI沉默株系的直鏈淀粉含量升高,能夠起到提高RS含量的效果;而IbSSI過表達后,直鏈淀粉含量降低,支鏈淀粉的短側鏈比重下降,但是同時淀粉顆粒粒徑增大,因此對淀粉消化特性的影響還需進一步證實[62]。Wang等[48]研究發現IbSBEII的敲除顯著提升了直鏈淀粉和RS的含量。因此,通過遺傳修飾手段調整甘薯直鏈淀粉的含量,進而改變淀粉中RS的含量是可行的(見表2)。同時,提高直鏈淀粉含量會降低淀粉產量的問題還需進一步探索和改良。

表2 甘薯淀粉合成相關基因的遺傳修飾

4 甘薯抗性淀粉的制備及淀粉特性

由于具有較高的RS含量和極低的GI值,天然甘薯淀粉本身即可被用來作為一種食品添加劑,改善產品品質,增加產品的營養價值或豐富其功能。已有研究表明,添加甘薯淀粉可增加所制成產品中RS的含量[63]。為更充分地發揮甘薯淀粉作為功能食品的潛力,需要對甘薯淀粉進行處理或修飾以制備獲得大量純度更高或者穩定性更好的甘薯RS。近年來,國內外甘薯加工領域的科研人員對甘薯RS的制備方法進行了深入研究,常用的甘薯RS制備方法包括化學修飾法、物理法和酶解法等,見表3。

表3 甘薯抗性淀粉的制備方法

化學修飾的RS在加工過程中具有較好的穩定性,因此化學修飾是制備RS的首選方法[70]。研究結果表明,鹽酸處理提高了淀粉膠強度,影響甘薯淀粉的特性[71]。酸解處理能夠腐蝕顆粒外圍的無定形部分,剩余的晶體部分對消化酶的抗性更強,有利于RS的形成[72-74]。檸檬酸能夠在水解淀粉的同時和淀粉發生酯化及交聯反應,抑制酶解速率,且不改變顆粒形態[67]。蘋果酸含有的羧基能和淀粉形成酯鍵,使甘薯淀粉在保持顆粒形態的前提下顯著增加RS含量[73]。另外,磷酸化、羧甲基化、氧化、羥丙基化、乙酰化和交聯等也屬于制備RS的化學修飾方法[69]。但是化學修飾法都存在著反應復雜、速率慢、產物質量不穩定等一系列缺點,化學添加物多,導致其產品的推廣存在一定的難度,而物理法則相對環保經濟,適應性廣[75]。

物理法指通過物理手段改變淀粉結構,從而提高淀粉中RS的含量,主要包括濕熱和退火處理等。濕熱處理法是一種廣泛應用的制備方法,基本原理是通過甘薯淀粉的糊化和回生增加直鏈淀粉和RS的含量[32,71]。退火處理能在對淀粉顆粒形態和晶體類型的影響較小的前提下提高RS的含量,但是重復退火處理和持續退火處理反而會降低RS含量[76,77]。壓熱-冷卻循環法也屬于一種糊化后回生的過程,通過持續高壓高溫使淀粉充分糊化再冷,直鏈淀粉重新結晶,形成RS[78,79]。與甘薯天然淀粉相比,壓熱-冷卻循環法處理甘薯淀粉能使RS的含量增加約7倍[80]。超聲處理能夠降低淀粉的結晶度,且RS的得率較高[81]。因此,壓熱-冷卻循環法制備效果良好,但是耗時較長,后期的研究應注重優化壓熱工藝,以期提高甘薯RS的制備效率。

酶解法也能有效提高RS的含量,其主要原理是通過脫分支酶給支鏈淀粉分子脫分支來增加直鏈淀粉的含量,從而提升淀粉對消化酶的抗性[82-84]。研究表明,與普魯蘭酶充分反應6 h能夠顯著提升甘薯淀粉的直鏈淀粉含量和支鏈淀粉短側鏈的占比,從而提高RS的含量[80]。而分支酶和淀粉蔗糖酶的結合使用能夠進一步提高甘薯淀粉的RS含量,結果表明,分支酶能夠產生很多的分支點,為淀粉蔗糖酶在還原端進行鏈延長提供了便利,因此加入淀粉蔗糖酶進行反應后,RS的含量得以顯著升高[85]。另外,多種手段相結合的處理策略可以顯著提高甘薯RS的產量[32,80,86,87]。濕熱和辛烯基琥珀酸苷的聯合處理使甘薯淀粉種RS含量顯著高于天然淀粉,高于辛烯基琥珀酸苷單獨處理時的RS含量,且隨著辛烯基琥珀酸苷濃度的升高,RS的含量逐漸增加[87]。

化學修飾法、物理法和酶解法等多種方法都可以制備甘薯RS,但是原理、用途和優勢不同,因此在生產加工的過程中可以根據產品要求的不同選擇合適的制備方法,以實現產業上的效益最大化。

5 結語

甘薯淀粉具有顯著的保健價值,是制備RS產品的優良資源。目前甘薯淀粉中RS含量的體外測定方法已足夠成熟,但是定量效率仍有待提高。RS的含量受到多種因素的影響,想要提升甘薯淀粉產品中RS的含量,可以通過遺傳手段提高甘薯淀粉中RS的含量,或者通過化學修飾法、物理法和酶解法等手段制備甘薯RS產品。

為更充分地利用甘薯淀粉資源面臨的挑戰:1)為實現大量甘薯淀粉或者產品中RS含量的快速測定,還需進一步建立高通量檢測方法;2)通過調整種植條件或者遺傳修飾來改良淀粉品質的方法已經日趨成熟,但是要實現甘薯RS含量提高的同時又能保證甘薯淀粉的產量,還有待研究;3)甘薯RS產品的制備和開發具有很大的上升空間。