抗性淀粉的制備、生理功能及應(yīng)用

王 怡,陳祖琴,李 萍,黃文麗,*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所,四川成都 610066;2.成都大學(xué),四川成都 610106)

抗性淀粉的制備、生理功能及應(yīng)用

王 怡1,2,陳祖琴1,李 萍1,黃文麗1,*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所,四川成都 610066;2.成都大學(xué),四川成都 610106)

抗性淀粉作為一種低熱量、高膳食纖維的功能性食品成分,具有多種保健功能,成為近年來國(guó)際上新興的食品研究領(lǐng)域。本文綜述了抗性淀粉的分類、制備、生理功能及抗性淀粉在食品及其他行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

抗性淀粉,制備,生理功能,應(yīng)用

淀粉作為日常飲食中最重要的碳水化合物,是人體重要的能量來源。根據(jù)營(yíng)養(yǎng)學(xué)分類,淀粉可分為快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)?？剐缘矸墼谖负托∧c中不被消化吸收,而在大腸中發(fā)酵,產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)和氣體,從而發(fā)揮出對(duì)人體獨(dú)特的生理功能,許多研究表明,RS能夠降低糖尿病、結(jié)腸癌、心血管疾病、肥胖等疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)際上把抗性淀粉主要分為5種類型:物理包埋淀粉(Physically Trapped Starch,RS1)、抗酶解的天然淀粉顆粒(Resistant Starch Granules,RS2)、回生淀粉(Retrograded Starch,RS3)以及化學(xué)改性淀粉(Chemically Modified Starch,RS4、RS5)。其中,RS5是Jay-lin Jane在2010年發(fā)現(xiàn)的一種新的抗性淀粉,它是直鏈淀粉與脂類形成的復(fù)合物[1]?？剐缘矸鄄粌H能夠改善腸道環(huán)境,起到與膳食纖維相似的生理功能,對(duì)許多慢性病的防治有著重要的意義。同時(shí),抗性淀粉持水性低、無異味,具有良好的食品加工性能。因此,抗性淀粉作為一種功能性的食品成分,已受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注,在抗性淀粉的制備、生理功能以及開發(fā)方面都取得進(jìn)展[2]。

1 抗性淀粉的制備方法

谷物、豆類、水果等食物中存在的天然抗性淀粉的含量都比較少,通過普通提取的方法得到的含量難以滿足市場(chǎng)需求。因此,越來越多的研究者致力于通過一些物理、化學(xué)方法來提高抗性淀粉的產(chǎn)率,實(shí)現(xiàn)抗性淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外抗性淀粉制備方法主要有以下幾種。

1.1 壓熱處理法

壓熱處理是目前制備抗性淀粉最常用的方法之一,壓熱處理法是將淀粉和水混合,通過高溫、高壓將一定濃度的淀粉懸浮液充分糊化后,再經(jīng)過冷卻老化處理來制備抗性淀粉[3]。淀粉經(jīng)高壓蒸汽處理后變成糊狀,顆粒淀粉全部分解,再對(duì)淀粉進(jìn)行回生處理,直鏈淀粉分子間通過氫鍵形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)淀粉乳濃度、處理溫度及時(shí)間不同,抗性淀粉的得率有較大的差異。一般來說,淀粉乳濃度居于20%～40%,處理溫度為80～160 ℃。然而,不同原料其影響抗性淀粉得率的因素重要性不同。苑會(huì)功等[4]用小麥淀粉壓熱制備抗性淀粉,影響因素主次為:壓熱溫度>淀粉乳濃度>放置時(shí)間>壓熱時(shí)間;利用紫山藥淀粉為原料時(shí),影響抗性淀粉得率最重要的因素是淀粉乳濃度[5]。研究還發(fā)現(xiàn),淀粉回生循環(huán)可顯著提高抗性淀粉的含量,香蕉淀粉在121 ℃高壓熱蒸汽條件下處理1 h,在4 ℃的條件下儲(chǔ)存24 h,進(jìn)行三次循環(huán)之后,抗性淀粉的含量從1.5%增加到16%[6]。

淀粉經(jīng)超高壓處理后,原淀粉晶體結(jié)構(gòu)重新排列,一部分A型結(jié)晶轉(zhuǎn)化為抗淀粉酶的B型晶體[7],從而提高抗性淀粉含量。劉樹興等[8]采用超高壓和酶相結(jié)合對(duì)小麥淀粉進(jìn)行處理,在淀粉乳濃度20%、溫度25 ℃的條件下,保持450 MPa的壓力10 min制得的抗性淀粉平均得率為9.85%,比原始淀粉中R抗性淀粉的得率3.09%提高了2.18倍。

1.2 脫支法

脫支法是將淀粉水解、切割產(chǎn)生長(zhǎng)度均一的脫支分子片斷,再通過分子間的相互締合作用形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。脫支法最常用的是酶法脫支,使用的酶為耐高溫α-淀粉酶和普魯蘭酶,α-淀粉酶主要水解淀粉的α-1,4-糖苷鍵,普魯蘭酶能夠?qū)Ｒ恍郧虚_支鏈淀粉分支點(diǎn)中的α-1,6-糖苷鍵,切下分支,形成直鏈淀粉[9]。經(jīng)過普魯蘭酶(1 U/g)協(xié)同處理紫薯淀粉,所得紫薯抗性淀粉含量為17.16%,較單一壓熱法提高了67.74%[10]。在酶法處理過程中,酶用量、溫度、酶解時(shí)間以及pH對(duì)脫支效果具有顯著的影響。此外,更多的研究者采用復(fù)合酶對(duì)淀粉進(jìn)行處理。姚奧林等[11]采用普魯蘭酶和纖維素酶共同處理玉米淀粉,抗性淀粉的得率高達(dá)28.1%。α-淀粉酶、糖化酶和纖維素酶兩兩聯(lián)合處理、三種酶共同處理均使馬鈴薯回生抗性淀粉產(chǎn)率降低;而纖維素酶處理可大大提高馬鈴薯回生抗性淀粉產(chǎn)率[12]。因此,復(fù)合酶中酶的配比以及酶解順序?qū)剐缘矸壑苽湟灿幸欢ǖ挠绊憽?/p>

此外,酸法脫支也常被用于抗性淀粉的制備,其中鹽酸的催化率高達(dá)100%,該方法處理后,非晶型部分被水解掉,留下的晶型部分很難被分解,從而提高抗消化率,使抗性淀粉含量增加[13]。Mun等[14]以玉米淀粉為原料,在0.1 mol/L HCl,35 ℃的條件下酸解30 d,玉米中抗性淀粉的含量從5.9%增至9.1%。Pham等[15]將濕熱處理分別與3種有機(jī)酸(檸檬酸、乳酸、醋酸)相結(jié)合,對(duì)3種直鏈淀粉含量不同的大米淀粉進(jìn)行處理。結(jié)果表明,酸和濕熱相結(jié)合處理之后的淀粉中抗性淀粉的含量為30.1%～39.0%,明顯高于未處理的大米淀粉(6.3%～10.2%)和只進(jìn)行濕熱處理的大米淀粉(18.5%～23.9%)。

1.3 氧化處理

淀粉經(jīng)化學(xué)方法進(jìn)行氧化處理(NaClO、過氧化氫、高碘酸鹽、氧氣、臭氧、高錳酸鹽等)過程中,淀粉葡萄糖單元中的羥基首先被氧化成羰基,然后繼續(xù)氧化成羧基,增加的羰基和羧酸對(duì)消化酶產(chǎn)生位阻效應(yīng),從而提高抗性淀粉含量。Simsek等[16]研究發(fā)現(xiàn),黑豆淀粉經(jīng)過臭氧處理后,抗性淀粉含量從36.2%增至44.7%,黑白斑豆RS含量從41%增至44.6%。Chuang等[17]以玉米淀粉為原料,加入6%的NaClO,在pH9.5,35 ℃的條件下反應(yīng)30 min,抗性淀粉的含量從11.7%增至35.1%。此外,通過電離輻射產(chǎn)生的自由基對(duì)淀粉不斷地進(jìn)行氧化,增加淀粉中羰基的含量,能夠提高抗性淀粉的含量。Chung等[18]對(duì)馬鈴薯和白豆進(jìn)行輻照處理,馬鈴薯抗性淀粉含量從84.1%提高到86.0%,白豆抗性淀粉含量從56.3%增至65.9%。輻照劑量及輻照劑量率對(duì)抗性淀粉得率的影響較大,利用Co60對(duì)樣品進(jìn)行輻照,輻照劑量一般為每小時(shí)0.4～10 kGy。與其他化學(xué)制備方法相比,輻照處理具有無殘留物污染、耗時(shí)短的優(yōu)點(diǎn),近年來受到越來越多的關(guān)注。

1.4 擠壓膨化處理法

擠壓膨化法是指將淀粉乳加入螺旋擠壓機(jī),螺旋擠壓機(jī)的擠壓作用使淀粉乳與螺旋摩擦產(chǎn)生大量熱量和發(fā)生剪切作用,淀粉糊化,直鏈淀粉溶出,一部分的支鏈淀粉發(fā)生斷裂,形成的線性片段更容易形成抗酶解的結(jié)構(gòu),從而增加抗性淀粉的含量。擠壓膨化法在制備抗性淀粉的過程中具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn),因此在國(guó)外有許多關(guān)于擠壓膨化法的研究與應(yīng)用,其中Hasjim等[19]以普通的玉米淀粉為原料進(jìn)行擠壓過后,抗性淀粉的含量從2.1%增至17.4%,此外,Sarawong等[20]在以綠香蕉淀粉為原料進(jìn)行擠壓時(shí),發(fā)現(xiàn)在水分含量越高,轉(zhuǎn)速越低的條件下,直鏈淀粉含量增加,抗性淀粉也隨之增加,González-Soto[21]和July[22]在對(duì)芒果進(jìn)行擠壓處理時(shí),也得到此結(jié)論。目前國(guó)外采用擠壓膨化法工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品有美國(guó)Novelose系、Fiberstar系、Hi-Maize和英國(guó)Crystalean。而在國(guó)內(nèi),采用擠壓膨化法制備RS還處于研究階段,目前還無法進(jìn)行工業(yè)化的生產(chǎn)[23]。

除此之外,適量的微波處理能使淀粉分子的膨脹度、溶解度、粘度下降,部分雙螺旋解旋,直鏈淀粉含量增加,從而增加抗性淀粉的含量[24]。采用微波-酶法制備RS3型玉米抗性淀粉[25]和甘薯淀粉[26]均能提高抗性淀粉含量,抗性淀粉得率分別為13.45%和31.25%。另外,超聲波輔助處理不僅可以利用空化效應(yīng)降解淀粉,還可以促進(jìn)酶解速率,提高抗性淀粉得率[27]。淀粉經(jīng)壓熱法制備后,再經(jīng)過反復(fù)凍融,會(huì)改變淀粉凝膠結(jié)構(gòu)和促進(jìn)淀粉回生,可顯著提高抗性淀粉含量[28]。

2 抗性淀粉的生理功能

抗性淀粉作為一種新型膳食纖維,不僅具有傳統(tǒng)膳食纖維的大部分生理功能,還能通過在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物而對(duì)人體發(fā)揮著獨(dú)特的生理功能。

2.1 抗性淀粉對(duì)腸道健康的影響

抗性淀粉在小腸中不能被消化吸收,但在大腸內(nèi)能被結(jié)腸微生物完全發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸(丁酸、乙酸、丙酸等)和氣體(CO2、CH4、H2)。其中丁酸是對(duì)大腸健康影響最為突出的短鏈脂肪酸,是大腸上皮細(xì)胞主要能量底物,能夠抑制腸道細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化,預(yù)防結(jié)直腸癌。此外,丁酸還能預(yù)防和改善潰瘍性結(jié)腸炎、抗腹瀉、治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[29]。產(chǎn)生的氣體不僅能使糞便變得疏松,還能增加糞便的體積,有效預(yù)防痔瘡、盲腸炎、便秘等腸道疾病。

抗性淀粉還能作為一種益生元,促進(jìn)腸道中有益微生物的生長(zhǎng)、繁殖。謝濤等[30]研究了制得的綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗抗性淀粉的益生作用及結(jié)構(gòu)變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),4種抗性淀粉不僅對(duì)雙歧桿菌和乳酸桿菌都有較好的增殖作用,還能抑制大腸桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌。另外,抗性淀粉還能夠促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收,Morais等[31]發(fā)現(xiàn)抗性淀粉能明顯促進(jìn)豬腸道對(duì)鈣離子和鐵離子的吸收。

2.2 抗性淀粉對(duì)糖尿病的預(yù)防功能

抗性淀粉不會(huì)在小腸內(nèi)轉(zhuǎn)化成為葡萄糖,而是在攝入5～7 h后在大腸發(fā)生代謝,有效降低了餐后血糖和胰島素濃度,同時(shí)也增加了飽腹感[32]。大量人體實(shí)驗(yàn)表明,攝入含有抗性淀粉的食物能有效控制血糖[33]、提高胰島素的敏感性[34],改善糖尿病患者、正常人和超重個(gè)體餐后血糖狀況。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,白建江等[35]和Shen等[36]均發(fā)現(xiàn)患有2型糖尿病的大鼠在喂食抗性淀粉之后,血糖均得到了有效控制。有研究發(fā)現(xiàn),抗性淀粉控制血糖、降低糖尿病的并發(fā)癥可能與抗性淀粉保護(hù)腎臟的功能使人體保證充足的營(yíng)養(yǎng),尤其是維生素D的含量有關(guān)。許多病例表明:I型[37]和Ⅱ型[38]糖尿病患者的身體中缺乏維生素D。但是患有糖尿病導(dǎo)致維生素D缺乏,還是缺乏維生素D導(dǎo)致糖尿病發(fā)生仍然有很多爭(zhēng)議,需要進(jìn)行更深入的研究。

2.3 抗性淀粉對(duì)脂類代謝的影響

抗性淀粉能降低肝臟、血清中甘油三酯和膽固醇的含量,但是如何降低甘油三酯、膽固醇的機(jī)制尚不清楚。大多數(shù)的研究者認(rèn)為抗性淀粉是通過增加類固醇和糞便的排泄來降低肝臟、血清中甘油三酯和膽固醇含量。Jocarol等[39]用生馬鈴薯淀粉RS2、馬鈴薯老化淀粉RS3及纖維素飼喂大鼠,結(jié)果發(fā)現(xiàn),3組大鼠的日總糞固醇排泄量分別為RS3組(26.31 mg/d),RS2組(16.81 mg/d),纖維素組(14.27 mg/d),其中RS3組大鼠的日總糞固醇排泄量幾乎是纖維素組的2倍。Cheng等[40]發(fā)現(xiàn)不同比例RS的大米淀粉和玉米淀粉能夠顯著降低高膽固醇大鼠血清總膽固醇濃度及肝臟中甘油三酯和總膽固醇,這可能與大米發(fā)酵產(chǎn)生的丙酸有關(guān)。此外,Han等[41]發(fā)現(xiàn)用含有5%大豆RS的飲食飼喂雄性大鼠4周后,肝7α-膽固醇脫氫酶、SR-B1、LDL受體等脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)水平均顯著上升,這可能是血清膽固醇水平降低的原因之一?？剐缘矸劢档脱甯视腿ゼ澳懝檀嫉臋C(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

此外,抗性淀粉作為一種新型的膳食纖維,含有較低的熱量,添加到食物中能降低食物的能量密度和增加飽腹感,還能增強(qiáng)能量的消耗和脂肪氧化,從而達(dá)到控制體重的目的。許多研究證明,抗性淀粉能有效的控制體重。Aziz等[42]發(fā)現(xiàn),給肥胖小鼠喂食含有23.4%抗性淀粉的飼料,小鼠的體重減少了40%。此外,研究發(fā)現(xiàn)含有8%以上抗性淀粉的飼料能有效降低小鼠的體重,每增加4%抗性淀粉,小鼠的能量攝入減少9.8 kJ/d[43]。

2.4 抗性淀粉的其他功能

容易消化的淀粉在人體中被消化吸收后能夠產(chǎn)生大量的胰島素,而胰島素能夠促進(jìn)膽固醇的形成,進(jìn)而形成膽結(jié)石。研究發(fā)現(xiàn),抗性淀粉可以降低膽結(jié)石的發(fā)病率[44]。此外,抗性淀粉對(duì)SD大鼠胃損傷有一定的保護(hù)作用。騫宇等[45]在HCl-乙醇誘導(dǎo)的胃損傷動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn),RS2能夠顯著降低大鼠的胃損傷程度,減少胃液分泌量、增加胃液pH,對(duì)胃損傷有一定的預(yù)防效果。

3 抗性淀粉的應(yīng)用

抗性淀粉不僅對(duì)人體具有獨(dú)特的生理功能,同時(shí)還具有良好的食品加工特性,而被廣泛應(yīng)用在食品中。

3.1 抗性淀粉作為食品添加劑

抗性淀粉不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)特性,還具有持水能力低、結(jié)合水能力高、口感細(xì)膩等特點(diǎn)。將抗性淀粉添加到食物中不僅可以增強(qiáng)食品的營(yíng)養(yǎng),還能增加食品的脆度、膨脹性等感官品質(zhì),提高產(chǎn)品質(zhì)地?？剐缘矸圩鳛槭称诽砑觿┛梢蕴砑拥矫姘?、餅干等烤焙食物中,也可以添加到面條、米飯等食物中。Maziarz等[46]分別將5.50%、13.10%和8.94%的RS2添加到松餅、面包、咖喱這三種食物中,比較添加RS2三種食物的感官品質(zhì)發(fā)現(xiàn),添加RS2的松餅,其感官品質(zhì)提高;添加RS2的面包顏色更深,更稠密;強(qiáng)化后咖喱的感官品質(zhì)沒有受到較大影響。

抗性淀粉也可用于飲料、發(fā)酵乳制品和湯料的制作中?？剐缘矸塾米髟龀韯┨砑拥斤嬃现?不但增加了飲料的不透明度和懸浮度,而且還不會(huì)影響其風(fēng)味。將抗性淀粉添加到酸奶中能增加有益菌(乳酸桿菌)的數(shù)量,提高酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在油炸食品中,因RS3在高溫下的穩(wěn)定性最好,因此常將RS3添加到油炸食品中,添加抗性淀粉的油炸食品不僅顏色、硬度和脆性均得到了優(yōu)化,同時(shí)膳食纖維的含量還得到了提高,有利于人體消化吸收。

3.2 抗性淀粉作為功能食品原料

抗性淀粉具有改善腸道環(huán)境,防止便秘,預(yù)防結(jié)腸癌和糖尿病,降低血清脂質(zhì)含量等多種良好的生理功能,因此抗性淀粉作為原料開發(fā)高品質(zhì)的功能性保健食品具有巨大的應(yīng)用前景。目前,美國(guó)Medistar公司以抗性淀粉為原料開發(fā)出針對(duì)糖尿病患者的特纖特膳沖劑,能有效提高胰島素的敏感性,降低血糖。此外抗性淀粉因其具有良好的飽腹感,也可作為一種減肥產(chǎn)品來控制肥胖人群體重的增長(zhǎng)。

3.3 抗性淀粉作為生化藥物載體

抗性淀粉因其不能被小腸內(nèi)的消化酶降解而直接到達(dá)大腸,因此,可用它作為載體用來包埋某些藥物而達(dá)到在特定位點(diǎn)釋放的目的。Chen等[47]研究發(fā)現(xiàn)糊化和交聯(lián)處理之后的玉米淀粉不僅抗性淀粉含量增加,還可作為靶向結(jié)腸的藥物載體,從而使藥物達(dá)到定點(diǎn)釋放的目的。此外,抗性淀粉也被用于微膠囊技術(shù)中,其中,海藻酸鈣因操作簡(jiǎn)單、無副作用、成本低而廣泛用作微膠囊壁材,但是將海藻酸鹽與淀粉一起使用可以更好強(qiáng)化固定細(xì)菌,提高細(xì)菌的存活率。Mirzaei等[48]將抗性淀粉和海藻酸鈣作為微膠囊壁材對(duì)奶酪進(jìn)行包埋,結(jié)果發(fā)現(xiàn)包埋之后的奶酪中乳酸桿菌的活菌數(shù)明顯高于未包埋的,酸奶中益生菌用微膠囊(海藻酸鹽和RS2)包埋后其中的乳酸桿菌和雙歧桿菌的活菌數(shù)也均高于沒有包埋的[49]。

4 總結(jié)與展望

隨著人們生活水平的提高,人們也越來越關(guān)注具有保健功能的食品。其中,抗性淀粉作為一種新興的膳食纖維資源,因具有良好的加工特性以及對(duì)人體有著獨(dú)特的生理功能而引起了廣泛的關(guān)注,擁有廣闊的市場(chǎng)前景。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)抗性淀粉的研究都不夠深入,很多機(jī)制并未解釋清楚。此外,富含抗性淀粉品種的篩選以及如何才能實(shí)現(xiàn)對(duì)抗性淀粉進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),都需要進(jìn)行更加深入的研究。

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Preparation and physiological function of resistant starch and its application

WANG Yi1,2,CHEN Zu-qin1,LI Ping1,HUANG Wen-li1,*

(1.Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Biotechnology and Nuclear Technology Research Institute,Chengdu 610066,China;2.Chengdu University,Chengdu 610106,China)

Resistant starch(RS),a functional food with low calorie and high content of dietary fiber,has multi-benefit for health. It attracts more and more attention all over the world in food field. Here,we focus on the classification,preparation and physiological function of resistant starch. In addition,its application in food and other industry was summarized.

resistant starch;preparation;physiological function;application

2016-06-28

王怡(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：食品加工與安全，E-mail：wangchehz@163.com。

*通訊作者:黃文麗(1983-)，女，博士，研究方向：天然產(chǎn)物開發(fā)與利用，E-mail:wenlih_11@126.com。

四川省財(cái)政創(chuàng)新能力提升工程資金項(xiàng)目(2015JSCX-001)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)02-0396-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.068