多物理場(chǎng)促進(jìn)抗性淀粉生成的研究進(jìn)展

唐君鈺，周建偉，高 德，程 煥，徐恩波,*，劉東紅

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，智能食品加工技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省食品加工技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；2.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315100；4.浙江大學(xué)馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058）

近年來(lái)，隨著功能性食品概念的提出，消費(fèi)者對(duì)具有特殊營(yíng)養(yǎng)功能食品的認(rèn)識(shí)和需求不斷提升，一些新的食品改性成分和加工技術(shù)也隨之涌現(xiàn)?？剐缘矸郏╮esistant starch，RS）作為一種新型膳食纖維，在1985年首次被英國(guó)科學(xué)家Englyst提出[1]，后期被廣泛應(yīng)用于功能性淀粉基物料。RS進(jìn)入人體胃腸道中，因抗酶解性而不易在小腸中被降解吸收，但其完整結(jié)構(gòu)會(huì)由大腸菌群分解消化，生成各類(lèi)氣體（氫氣、二氧化碳、甲烷等）和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），如醋酸、丙酸、丁酸等。SCFAs具有促進(jìn)腸道益生菌生長(zhǎng)、調(diào)控血糖和血膽固醇水平、降低膽結(jié)石形成風(fēng)險(xiǎn)、促進(jìn)礦物質(zhì)（Ca2＋、Fe3＋等）吸收和調(diào)節(jié)脂肪氧化等功能[2]。由于RS及其衍生化產(chǎn)品具有無(wú)味、低持水性、顆粒尺寸適宜、加工性能良好等性質(zhì)[3]，相比于傳統(tǒng)健康膳食中的高纖維食物，RS強(qiáng)化產(chǎn)品的感官品質(zhì)得到更為顯著地提高與優(yōu)化。

RS一般包含以下5 種類(lèi)型[4]：1）天然物理包埋的抗消化淀粉（RS1）；2）富含高直鏈淀粉或局部高抗性的天然RS顆粒（RS2）；3）糊化后冷卻回生形成的高結(jié)晶度淀粉（RS3）；4）通過(guò)化學(xué)改性手段（交聯(lián)、酯化、醚化、接枝聚合等）獲得的人工合成淀粉（RS4）；5）直鏈淀粉與一些客體小分子（脂質(zhì)等）或其他分子（酚類(lèi)、單體類(lèi)黃酮、染料木堿等）形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的淀粉（RS5）。Birt等[5]對(duì)RS1～5的結(jié)構(gòu)與形成機(jī)理已有較完備的闡述，其中，RS3～5多指非天然形成的一類(lèi)抗酶解淀粉，其是由單相淀粉分子鏈間的氫鍵作用力和范德華力誘導(dǎo)空間重排或由多相復(fù)合體分子鏈間發(fā)生物理糾纏以及化學(xué)交聯(lián)而形成的。

在RS3～5制備過(guò)程中，單一淀粉基質(zhì)糊化或酶促降解后回生制備的RS3加工時(shí)間長(zhǎng)、轉(zhuǎn)化率低、能耗及成本高，而添加大量化學(xué)改性試劑作為反應(yīng)引發(fā)劑、取代劑或結(jié)構(gòu)改良劑則對(duì)RS在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展造成巨大阻礙。目前仍存在外源化學(xué)試劑使用量及使用限度不明確、未符合實(shí)際加工標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，如三偏磷酸鈉（sodium trimetaphosphate，STMP）或三聚磷酸鈉（sodium tripolyphosphate，STPP）交聯(lián)改性的RS在提高焙烤食品氣孔結(jié)構(gòu)、均勻性、顏色、體積等感官品質(zhì)的同時(shí)，也因磷酸根的殘留對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在的劑量蓄積風(fēng)險(xiǎn)[6]，影響機(jī)體吸收利用Ca2＋，長(zhǎng)久作用可能引起慢性腎病[7]。因此，運(yùn)用“綠色、安全、高效”的物理場(chǎng)加工技術(shù)給RS制備帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文基于RS3～5的形成機(jī)理，總結(jié)了目前國(guó)際上常用的單物理場(chǎng)（single physical field，SPF）及多物理場(chǎng)（multi-physical fields，MPFs）輔助制備RS的方法。鑒于RS聚合結(jié)構(gòu)及其理化、消化性質(zhì)受物理場(chǎng)作用的影響程度不同，本文闡述了溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、剪切場(chǎng)、超聲場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等單場(chǎng)效應(yīng)以及多場(chǎng)耦合在RS3～5形成過(guò)程中的促進(jìn)與協(xié)同機(jī)理，探討不同物理場(chǎng)能的施加（場(chǎng)強(qiáng)疊加、場(chǎng)能分布、場(chǎng)域參數(shù)等）對(duì)RS產(chǎn)物性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響，并總結(jié)RS3～5在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新。

1 RS3～5的形成機(jī)理

由于RS1和RS2具有天然抗酶解的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此，近年來(lái)對(duì)其研究更多地通過(guò)基因改良育種培植高直鏈玉米淀粉，或通過(guò)簡(jiǎn)單“熱液處理”，在不改變淀粉晶型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高RS產(chǎn)量[8]。因此，本文將著重闡述加工過(guò)程中非天然抗酶解淀粉RS3～5的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與形成機(jī)理。

1.1 RS3形成機(jī)理

淀粉從天然態(tài)到形成RS3經(jīng)歷兩個(gè)經(jīng)典的相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程，即糊化與回生。淀粉在高溫高濕條件下糊化，直鏈和支鏈淀粉分子與水分子羥基之間形成氫鍵，導(dǎo)致淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)解離、直鏈淀粉鏈含量升高、結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞。糊化過(guò)程通常分兩步進(jìn)行[9]：1）淀粉分子溶脹，雙折射現(xiàn)象消失；2）淀粉顆粒過(guò)度膨脹導(dǎo)致其完整結(jié)構(gòu)裂解，直鏈淀粉鏈泄出?；厣侵负矸劾鋮s后，無(wú)序而自由卷曲的直鏈淀粉鏈之間通過(guò)氫鍵和疏水作用力重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。經(jīng)雙螺旋疊加形成的微小晶核不斷生長(zhǎng)、成熟，最終會(huì)形成較大的有序直鏈淀粉鏈重組結(jié)晶區(qū)（圖1）。

圖1 RS3形成過(guò)程Fig.1 RS3 formation

基于不同組分與物理場(chǎng)能的輸入，RS3結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)差異性。RS3通常具有更緊密的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其主要具有兩種抗酶解機(jī)理：1）重結(jié)晶結(jié)構(gòu)中形成的新鍵，減少了淀粉消化酶活性基團(tuán)與淀粉分子的結(jié)合靶點(diǎn)[10]；2）結(jié)晶結(jié)構(gòu)中雙螺旋鏈間存在的氫鍵作用力和范德華力較強(qiáng)，使得RS3的分子結(jié)構(gòu)非常牢固、熱穩(wěn)定性強(qiáng)，不易被水解消化[11]。研究表明，RS3的提取率并不完全取決于產(chǎn)物的晶型和結(jié)晶度，反而與總焓顯著相關(guān)（R2＝0.81）[12]，且包含雙螺旋結(jié)構(gòu)、氫鍵作用力、范德華力等鍵-鍵之間斷裂產(chǎn)生的釋能。

1.2 RS4形成機(jī)理

RS4一般依賴(lài)引入新的官能團(tuán)取代淀粉羥基氫原子、誘導(dǎo)分子間產(chǎn)生非典型對(duì)接，從而改變產(chǎn)物的理化性質(zhì)[13]。常見(jiàn)RS的化學(xué)改性方法有交聯(lián)、氧化、接枝聚合、酯化、醚化等[14-15]（圖2）。RS4空間位阻的存在使其不易與消化酶接觸，因而具有較強(qiáng)的抗酶解性[10]。溫度場(chǎng)[16]、超聲場(chǎng)[17]、輻射場(chǎng)[18]、電磁場(chǎng)[19]等SPF在適宜的場(chǎng)能刺激下可以加速新基團(tuán)的形成、促進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化。

圖2 化學(xué)改性制備RS4Fig.2 Chemical modification of RS4

在RS4形成過(guò)程中，誘導(dǎo)高度抗酶解結(jié)構(gòu)形成往往需要大量試劑的引入，如交聯(lián)劑（三氯氧磷、STMP、環(huán)氧氯丙烷等）[6]、氧化劑（過(guò)氧化氫、次氯酸鈉、高錳酸鉀等）[19]、酯化劑（淀粉磷酸酯、辛烯基琥珀酸酐、乙酸酐等）[15]、醚化劑（環(huán)氧丙烷、氯乙烷、一氯醋酸等）[20]。然而，非綠色、低安全的RS4制備方法不僅使淀粉結(jié)構(gòu)受化學(xué)試劑誘導(dǎo)變化而呈非均勻態(tài)，且存在所得產(chǎn)物的化學(xué)試劑殘留、工藝調(diào)試復(fù)雜以及生產(chǎn)污水排放等問(wèn)題，未能滿(mǎn)足現(xiàn)代化食品加工的環(huán)保水平。因而，基于物理場(chǎng)作用輔助生成RS4，合理降低試劑用量，從而節(jié)能、高效、綠色地制備食用安全的RS正是當(dāng)下研究的熱門(mén)方向之一[21-22]。

1.3 RS5形成機(jī)理

RS5一般指直鏈單螺旋淀粉鏈或在螺旋內(nèi)部與一些客體小分子相互作用產(chǎn)生的V型結(jié)構(gòu)復(fù)合物，包括由直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物、以及淀粉與酚類(lèi)、單體類(lèi)黃酮、染料木堿等物質(zhì)形成的復(fù)合物[4]，其片狀結(jié)構(gòu)如圖3[23]所示。RS5抗酶解的驅(qū)動(dòng)力可能是雙螺旋鏈空腔中的疏水作用[24]。除淀粉的結(jié)構(gòu)特性外，淀粉基物料自身因素也會(huì)影響酶解作用，如基質(zhì)中的天然α-直鏈淀粉酶抑制劑（植酸、多酚、凝集素等）以及非淀粉基多糖[25]。Eerlingen等[26]研究了內(nèi)源性脂質(zhì)對(duì)小麥淀粉的影響，結(jié)果表明脫脂淀粉RS含量降低，且內(nèi)、外源性脂質(zhì)都會(huì)與淀粉分子形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，從而提高RS5產(chǎn)量。Lu Xuanxuan等[23]研究熱液處理形成脂肪酸-淀粉復(fù)合物的組分互相作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)隨著脂肪酸碳原子數(shù)的增加（12～16），淀粉-脂肪酸復(fù)合物的總結(jié)晶度從31.9%提高到43.2%；當(dāng)碳原子數(shù)進(jìn)一步增加到18時(shí)，淀粉-硬脂酸復(fù)合物的結(jié)晶度則下降。

圖3 RS5片狀結(jié)構(gòu)[23]Fig.3 Lamellae-like structure of RS5[23]

目前淀粉-酚類(lèi)復(fù)合物的RS5形成機(jī)理逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。研究表明富含多酚漿果的慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）及RS形成的作用機(jī)制為[27-29]：1）多酚非競(jìng)爭(zhēng)性抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶催化。Barros等[30]發(fā)現(xiàn)酶耐受性的改變可能是由于酚類(lèi)復(fù)合物與酶的互相作用，如原花色素結(jié)合其他分子占據(jù)淀粉酶與淀粉的結(jié)合位點(diǎn)，從而形成空間位阻，抑制淀粉酶解。2）多酚與直鏈或支鏈淀粉鏈復(fù)合形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致RS含量升高。此外，大多數(shù)酚類(lèi)化合物可先共價(jià)接枝脂肪鏈再進(jìn)入直鏈淀粉雙螺旋鏈空腔，從而實(shí)現(xiàn)包合物的靶向傳遞[31]。

2 基于SPF與MPFs疊加作用的淀粉結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化

物理場(chǎng)作用制備RS主要分為3 類(lèi)：1）SPF能的釋放，如溫度場(chǎng)、超聲場(chǎng)、微波場(chǎng)、輻射場(chǎng)、電場(chǎng)等；2）MPFs疊加態(tài)的使用，如擠壓過(guò)程的溫度場(chǎng)、剪切場(chǎng)、高壓場(chǎng)，超聲輔熱的聲熱復(fù)合場(chǎng)等；3）MPFs之間的協(xié)同作用，如超聲協(xié)同擠壓、微波協(xié)同濕熱等。同時(shí)，物理場(chǎng)作用也有助于包含化學(xué)組分及生物酶的復(fù)雜RS轉(zhuǎn)化合成體系。

2.1 傳統(tǒng)熱液處理制備RS特性

熱液處理是指在高于淀粉玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度但低于糊化溫度的熱場(chǎng)調(diào)控下，促使具有一定含水量的淀粉形成RS（多為RS3）。在不破壞顆粒結(jié)構(gòu)的情況下，熱液處理常用于增加淀粉中SDS和RS的含量[32]。根據(jù)溫度與壓力場(chǎng)能的不同，熱液處理可分為：韌化處理（annealing treatment，ANT）、濕熱處理（heat-moisture treatment，HMT）和壓熱處理（autoclaving treatment，ACT），其場(chǎng)域參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱液處理物理場(chǎng)及其場(chǎng)域參數(shù)Table 1 Physical fields and their field parameters for hydrothermal treatment

熱液處理RS溫度場(chǎng)能的設(shè)置具有水分依賴(lài)性。Chung等[33]運(yùn)用ANT（高水環(huán)境）和HMT（低水環(huán)境）分別處理豌豆、扁豆和菜豆淀粉，發(fā)現(xiàn)HMT處理的糊化淀粉樣中RS產(chǎn)量（分別提高1.7%、4.7%和4.0%）比ANT（分別提高0.3%、1.3%和1.6%）提高幅度大。對(duì)于A(yíng)CT，疊加壓力場(chǎng)可使糊化淀粉充分暴露于高溫高壓下，促使淀粉鏈過(guò)度裂解，導(dǎo)致淀粉回生后形成高結(jié)晶度。Chung等[33]繼續(xù)采用ANT＋HMT或HMT＋ANT協(xié)同方式制備RS，發(fā)現(xiàn)協(xié)同比單獨(dú)處理更能促進(jìn)RS的形成。此外，淀粉在高溫和高水分環(huán)境中，其顆粒糊化為高分子聚合物分散液，較易被酯化和水解[32]。因此，熱液處理可與其他制備方式相結(jié)合，作為淀粉轉(zhuǎn)化RS4的預(yù)處理方式。

2.2 擠壓定向制備RS特性

圖4 高溫?cái)D壓場(chǎng)中的淀粉結(jié)構(gòu)變化示意圖[35]Fig.4 Schematic diagram of starch structure changes during high-temperature extrusion[35]

螺桿擠壓是集運(yùn)輸、混合、加熱、剪切和成型等單元為一體的連續(xù)式加工技術(shù)。物料經(jīng)過(guò)螺桿軸向傳送，在高溫、高壓、高剪切力作用下發(fā)生糊化，并在孔道處瞬間高壓噴出，產(chǎn)生的內(nèi)外壓差會(huì)促使產(chǎn)物形成蜂窩狀的特殊結(jié)構(gòu)[34]（圖4[35]）。擠壓處理會(huì)促進(jìn)淀粉α-1,6-糖苷鍵和少量α-1,4-糖苷鍵的斷裂，從而裂解支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)，經(jīng)冷卻回生形成RS3[36]，其理化、營(yíng)養(yǎng)和感官性質(zhì)與喂料物（淀粉種類(lèi)、直鏈淀粉含量、初始含水量等[37]）、系統(tǒng)參數(shù)（料筒溫度和壓力、喂料速率和水分、螺桿構(gòu)造與速率等[38]）共同形成的剪切力、摩擦力及受力方向相關(guān)。

2.2.1 剪切場(chǎng)與RS產(chǎn)物性質(zhì)

Vanier等[39]對(duì)不同直鏈-支鏈比例的大米、豆類(lèi)和玉米淀粉進(jìn)行擠壓處理，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的直鏈淀粉樣品的延展性、硬度和黏性都較低，且其多孔結(jié)構(gòu)的氣泡壁層較薄。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，剪切強(qiáng)度增大，淀粉鏈分子間的氫鍵被破壞、糊化加速，這使得淀粉酶在淀粉顆粒腫脹和裂解后更易接觸分子中心，促進(jìn)其酶解[38]。然而，擠壓過(guò)程剪切強(qiáng)度的綜合累積仍需要通過(guò)數(shù)學(xué)方程（如剪切系數(shù)優(yōu)化的Arrhenius方程）定量描述[40]，從而與擠壓RS轉(zhuǎn)化率建立動(dòng)力相關(guān)性。

擠壓螺桿摩擦產(chǎn)生的局部高溫、高剪切力會(huì)導(dǎo)致物料中活性成分產(chǎn)生不同程度地?fù)p失（如復(fù)合物熱降解或酚類(lèi)化合物氧化），但因其“高效短時(shí)”的特點(diǎn)，故可通過(guò)加入塑化劑、脂質(zhì)等助劑來(lái)改善和保護(hù)基質(zhì)，抵抗極端的高溫、高壓、高剪切力環(huán)境[41]。Ashwar等[42]在制備RS4作為包裹益生元的微膠囊壁材時(shí)加入STMP/S TPP，通過(guò)磷酸化作用使淀粉分子交聯(lián)，發(fā)現(xiàn)RS含量提高了10 倍以上，且營(yíng)養(yǎng)性良好。Cai Canxin等[43]在利用一步式反應(yīng)擠壓制備研究RS4的結(jié)構(gòu)改變時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于剪切力對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)影響程度不同，其分子降解雖然會(huì)被酯化作用推遲，但同時(shí)會(huì)被交聯(lián)反應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而與其他活性成分形成特殊結(jié)構(gòu)。有研究表明，在預(yù)擠壓谷物中添加氯化鈉、乙酸鈉、檸檬酸鈉等，可改善α-淀粉酶的擠壓環(huán)境，提高多酚類(lèi)物質(zhì)的保留率和抗氧化活性[44]。

2.2.2 延時(shí)擠壓場(chǎng)能效用與評(píng)估

改良擠壓蒸煮（improved extrusion cooking technology，IECT）是一種新型淀粉糊化技術(shù)，其使用長(zhǎng)螺桿（1 950 mm）的改良擠壓機(jī)，且在低溫、低轉(zhuǎn)速條件下使物料停留時(shí)間延長(zhǎng)[45]。Liu Yunfei等[46]發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉由于具有大分子分支結(jié)構(gòu)而更易受剪切力作用降解。當(dāng)?shù)矸坻溙潭荒苄纬呻p螺旋時(shí)（即形成富含α-1,6-糖苷鍵的無(wú)定形區(qū)），雖然短期回生受到了抑制，但隨著剪切作用會(huì)產(chǎn)生具有更小空間位阻和更高遷移率的支鏈淀粉分子，這將促進(jìn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期回生以及RS3產(chǎn)量的提高[38]。因此，研究擠壓場(chǎng)能及其隨著擠壓循環(huán)次數(shù)增加而對(duì)產(chǎn)物淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生不同影響的前景良好。研究表明，當(dāng)聚合物處于流體狀態(tài)時(shí)，剪切降解不易受單個(gè)分支長(zhǎng)度影響；但當(dāng)其處于半晶體顆粒狀時(shí)，會(huì)優(yōu)先剪切長(zhǎng)鏈分支[35]。因此，研究特定機(jī)械場(chǎng)能的釋放和擠壓機(jī)的螺紋構(gòu)造也有助于理解擠壓降解過(guò)程對(duì)物料的影響。

2.3 超聲制備RS特性

超聲波作為一種彈性機(jī)械波（頻率高于2×104Hz）[22]，其在淀粉水溶液介質(zhì)傳播過(guò)程中對(duì)水分子、淀粉基團(tuán)具有振蕩和空化作用，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等超聲效應(yīng)，作用機(jī)制如圖5A[47]所示。通常低強(qiáng)度（＜1 W/cm2）超聲波的頻率高于100 kHz，而高強(qiáng)度（＞1 W/cm2）超聲波的頻率則在20～500 kHz范圍內(nèi)[48-49]。由于不同超聲頻率對(duì)聲場(chǎng)的分布影響不同（頻率越高，絕對(duì)聲壓越低，超聲場(chǎng)分布越均勻（圖5B）[47]），進(jìn)而改變超聲作用場(chǎng)域內(nèi)的機(jī)械、空化和化學(xué)效應(yīng)閾值，會(huì)引起產(chǎn)物不同程度的改性[47]，因此，近年來(lái)對(duì)于超聲頻率促進(jìn)淀粉改性的研究越來(lái)越多。

圖5 超聲效應(yīng)制備RS（A）和20、35、50 kHz（B）超聲場(chǎng)分布圖[47]Fig.5 Ultrasonic effects in RS preparation (A) and the distribution of ultrasonic field with frequency of 20, 35 and 50 kHz (B)[47]

2.3.1 高頻超聲場(chǎng)與淀粉裂解化

利用高頻超聲場(chǎng)處理淀粉乳液可以提高RS產(chǎn)量：1）超聲波促使水分子與淀粉分子間摩擦加劇，熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，C—C鍵裂解，從而快速?gòu)?qiáng)烈地降解支鏈淀粉，因此線(xiàn)性分子即直鏈淀粉數(shù)量增多[50]；2）超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓場(chǎng)能會(huì)促進(jìn)淀粉鏈斷裂并溶出，形成具有合適長(zhǎng)度的鏈以促進(jìn)雙螺旋形成。相比其他RS制備方法，超聲場(chǎng)制得的RS產(chǎn)物顆粒大、分子質(zhì)量大、純度較高，因而具有較低的溶解度。Gao Wenxia等[51]研究表明，通過(guò)高頻超聲制備的RS表面粗糙，洞腔大小不均一，這也可能是超聲波的空化現(xiàn)象造成的。

2.3.2 低頻高強(qiáng)度超聲場(chǎng)與淀粉改性

在RS制備過(guò)程中應(yīng)用超聲場(chǎng)，一方面可以利用其振蕩、空化和熱效應(yīng)來(lái)降解淀粉，另外還可通過(guò)高能剪切場(chǎng)產(chǎn)生羥自由基和氫離子自由基等以促進(jìn)電荷性質(zhì)變化，從而形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物等來(lái)提高RS和SDS產(chǎn)率。低頻高強(qiáng)度超聲場(chǎng)產(chǎn)生的高剪切力和高壓沖擊力會(huì)導(dǎo)致分子鏈破裂，從而增加其負(fù)電性，其高速剪切率可以破壞聚合物的共價(jià)鍵，并引起靜電變化[52]。高強(qiáng)度超聲波（high-intensity ultrasound，HIUS）可以縮短處理時(shí)間、增加益生菌活性、減少不良風(fēng)味（降低丙酸和乙酸含量）、去除非必需成分，并且其產(chǎn)品乳糖含量低、寡糖含量高，具有優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[53]。Lu Xu等[54]利用HIUS技術(shù)研究其促進(jìn)玉米淀粉-椰奶穩(wěn)定性提高的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)樣品表現(xiàn)出“假塑性”，且乳化率與淀粉顆粒遷移率呈正相關(guān)。另外，Zheng Jie等[55]研究發(fā)現(xiàn)兩種低頻（25、80 kHz）超聲波處理與單一頻率（25 kHz或80 kHz）超聲波處理相比，在顆粒表面會(huì)產(chǎn)生更多的凹痕和孔洞，這都有利于RS的形成。鑒于超聲場(chǎng)效應(yīng)對(duì)食品組分作用的復(fù)雜性，有必要建立不同超聲場(chǎng)域參數(shù)對(duì)淀粉微觀(guān)結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)性能影響機(jī)理的物理模型。

2.4 微波制備RS特性

微波是指頻率在300～3 000 GHz的非電離型電磁波，一定頻率的微波能通過(guò)引導(dǎo)“分子摩擦”穿透介質(zhì)，使得淀粉顆粒中的水分子和離子隨電磁場(chǎng)極性的改變而頻繁轉(zhuǎn)向，同時(shí)產(chǎn)生熱量[56-57]。與傳統(tǒng)由外向內(nèi)的加熱傳導(dǎo)相比，微波能量往往更高效，可保證其在完整物料中處理的同質(zhì)性以及較深的處理程度[58]。微波用于RS制備的相關(guān)研究可追溯到1924年，Bolhuis等[59]在1984年首次采用水媒法合成羧甲基淀粉后，Bao Chen等[60]對(duì)比了高壓蒸汽、超聲-高壓蒸汽、酶-高壓蒸汽以及高水分微波處理等RS3制備方法，發(fā)現(xiàn)微波處理可以在短時(shí)間內(nèi)升高淀粉懸浮液的溫度，致使水分迅速蒸發(fā)、分子間氫鍵斷裂、形成有序淀粉鏈，從而使回生結(jié)晶區(qū)域更加緊密和穩(wěn)定。微波處理制備的RS顆粒小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不規(guī)則，表面有許多深溝和分層條帶（易黏附細(xì)菌），這使其在腸道環(huán)境中能保護(hù)附著菌種（雙歧桿菌等），促進(jìn)其在不同發(fā)酵階段的生長(zhǎng)[61]。

由于微波會(huì)引起淀粉的快速加熱效應(yīng)，這使得直鏈淀粉鏈難以完全從淀粉顆粒中泄出，因此相比于A(yíng)CT，運(yùn)用單一微波物理場(chǎng)處理制備RS的產(chǎn)量偏低。Zeng Shaoxiao等[62]發(fā)現(xiàn)高水分微波處理有利于促進(jìn)RS的形成，其主要是通過(guò)減少支鏈淀粉分支、降解線(xiàn)性鏈或縮小結(jié)晶區(qū)域等方式促進(jìn)冷卻過(guò)程中RS的形成。Wang Meng等[63]利用微波-回生法處理玉米淀粉（A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)）、馬鈴薯淀粉（B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)）和栗子淀粉（C型結(jié)晶結(jié)構(gòu)），發(fā)現(xiàn)不同晶型的樣品中均沒(méi)有功能基團(tuán)的產(chǎn)生或消失。淀粉經(jīng)微波場(chǎng)處理后，幾乎無(wú)需再通過(guò)化學(xué)接枝改性形成RS，因此，微波是一種安全有效的食品級(jí)RS的物理改性方法。

2.5 電離射線(xiàn)輻射制備RS特性

2.5.1 電離輻射誘導(dǎo)RS改性

電離輻射是一種新型淀粉加工技術(shù)，其輻射源有X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、高速電子束射線(xiàn)等，目前已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)、食品添加劑和包裝材料等領(lǐng)域。其中，60Co-γ和137Cs-γ射線(xiàn)可以對(duì)淀粉的聚合結(jié)構(gòu)造成高能沖擊，在淀粉及類(lèi)似高聚物改性方面具有顯著的自由基激活效應(yīng)[64-65]。Bao Jinsong等[66]研究了γ射線(xiàn)輻照大米所得淀粉的物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉的交聯(lián)和斷裂主要發(fā)生在淀粉簇之間的無(wú)定形區(qū)域。隨著對(duì)γ射線(xiàn)對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響研究的加深，γ射線(xiàn)被更多地應(yīng)用于RS制備領(lǐng)域[67-69]。輻射場(chǎng)引起產(chǎn)物SDS和RS含量升高的機(jī)理包括3 個(gè)方面[68-70]：1）糖苷鍵裂解促進(jìn)轉(zhuǎn)糖苷作用，產(chǎn)生分支結(jié)構(gòu)；2）解聚淀粉鏈重新排列促進(jìn)淀粉內(nèi)部β-折疊，提高結(jié)晶度；3）氧化過(guò)程中羧基和羰基自由基含量增加，引起淀粉酶結(jié)合位點(diǎn)處形成空間位阻。由于在輻射過(guò)程中淀粉產(chǎn)生的大量自由基使淀粉分子活性位點(diǎn)增加，因此，電離輻射被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化接枝共聚改性淀粉[18]。

2.5.2 電離輻射強(qiáng)度對(duì)RS的分化形成效應(yīng)

根據(jù)放射線(xiàn)強(qiáng)度的差異性，淀粉在輻照?qǐng)鲋斜环旨?jí)誘導(dǎo)產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致淀粉鏈發(fā)生不同程度的降解和交聯(lián)[64]。Lee等[71]分別利用輻照強(qiáng)度5、10、25 kGy和50 kGy的γ射線(xiàn)處理正常、蠟質(zhì)和高直鏈玉米淀粉，發(fā)現(xiàn)輻照強(qiáng)度5～50 kGy均能促進(jìn)RS生成，高強(qiáng)度（50 kGy）射線(xiàn)能使RS產(chǎn)量最大化。Sudheesh等[64]研究表明輻照強(qiáng)度0.5、1、2.5、5、10 kGy的γ射線(xiàn)處理淀粉，其pH值、黏性、腫脹力、脫水縮合作用和直鏈淀粉含量降低，而羧基含量、溶解度、凍融穩(wěn)定性增加。同時(shí)自由基誘導(dǎo)的分子解聚會(huì)促使淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂紋、降低相對(duì)結(jié)晶度進(jìn)而促進(jìn)糊化。相對(duì)較低（5 kGy）或較高（50 kGy）的輻射強(qiáng)度均有利于RS生成，而中等強(qiáng)度的射線(xiàn)因處理物料類(lèi)型的不同，具有RS促進(jìn)或抑制作用的差異性，這仍有待深入研究。此外，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織/世界衛(wèi)生組織/國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合專(zhuān)家委員會(huì)提議，經(jīng)0～10 kGy輻照強(qiáng)度處理的食物具有較高的安全性，在此范圍的輻射強(qiáng)度下，其終產(chǎn)品無(wú)放射性檢出，可安全消費(fèi)[72-73]。

2.6 電場(chǎng)制備RS特性

在利用物理場(chǎng)制備改性淀粉的領(lǐng)域中，對(duì)電場(chǎng)輔助RS制備的研究較少。目前常用于食品及各類(lèi)生物材料制備的電場(chǎng)包括[74]：脈沖電場(chǎng)（pulsed electric field，PEF）、電阻加熱電場(chǎng)（ohmic heating electric field，OHEF）、中等電場(chǎng)（moderate electric field，MEF）、感應(yīng)電場(chǎng)（induced electric field，IEF）等。其中，PEF和IEF通過(guò)非熱能傳遞作用，而OHEF和MEF則利用熱能效應(yīng)來(lái)刺激淀粉結(jié)構(gòu)解聚[74]。

2.6.1 脈沖電場(chǎng)

PEF采用短時(shí)高壓電場(chǎng)，可以避免淀粉過(guò)度加熱，減少不良電離反應(yīng)。Han Zhong等[75]研究表明，50 kV/cm PEF強(qiáng)度會(huì)使玉米淀粉分子質(zhì)量從1.02×108g/mol降低到1.31×107g/mol，同時(shí)黏性降低且易被酶解。PEF處理淀粉會(huì)減少相對(duì)結(jié)晶度，但并不影響晶型結(jié)構(gòu)，這與淀粉種類(lèi)、PEF處理?xiàng)l件均有關(guān)。Wu Chunsen等[76]研究PEF大米淀粉消化性、熱力學(xué)、形態(tài)學(xué)性質(zhì)以及晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示PEF會(huì)促使水分子進(jìn)入結(jié)晶區(qū)、降低糊化焓，從而提高快消化淀粉含量。另外，利用PEF技術(shù)輔助處理RS4具有乙?；潭雀摺⒎磻?yīng)時(shí)間短、使用試劑少的特點(diǎn)。Zhu Fan[74]研究發(fā)現(xiàn)，低電場(chǎng)強(qiáng)度PEF（＜10 kV/cm）處理會(huì)極大地促進(jìn)淀粉的乙?；潭取⒔档偷矸酆瘻囟?、增加水溶性、糊化和凍融穩(wěn)定性。然而，PEF的活性金屬電極（不銹鋼、鈦或鍍鉑鈦等）在傳導(dǎo)介質(zhì)中易在酸性、堿性溶液里腐蝕，導(dǎo)致不良電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，從而造成料液污染，使其應(yīng)用受限[77]。

2.6.2 感應(yīng)電場(chǎng)

IEF是一種基于法拉第感應(yīng)定律的環(huán)保型淀粉改性技術(shù)。IEF會(huì)促使分散在傳導(dǎo)溶液或懸浮液中的介質(zhì)產(chǎn)生帶電離子（如H＋），其會(huì)隨著電場(chǎng)分布產(chǎn)生快速定向性運(yùn)動(dòng)，從而加快其擴(kuò)散到淀粉顆粒內(nèi)部，引起糖苷鏈裂解，提高淀粉改性效率[78]。此外，運(yùn)用IEF處理會(huì)降低淀粉溶脹性，增加產(chǎn)品穩(wěn)定性[74]。

然而針對(duì)IEF活潑金屬電極易造成料液污染等問(wèn)題的改良技術(shù)正逐漸興起，Pryor[79]曾采用單相變壓器系統(tǒng)對(duì)海水（含自由離子）的電導(dǎo)率進(jìn)行仿真，Jin Yamei等[80]利用改良裝置處理鹽漬黃瓜汁液，避免了使用通電的活潑金屬電極和極板，進(jìn)而防止極板表面離子極化現(xiàn)象。周宇益等[81]利用此改良法對(duì)IEF輔助酸解處理的玉米淀粉進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在酸濃度0.15 mol/L和淀粉乳液質(zhì)量濃度8 g/dL條件下，交變電場(chǎng)會(huì)加速自由離子與淀粉分子之間的碰撞，破壞淀粉的非結(jié)晶區(qū)，促使還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高42.38%～52.07%。目前IEF輔助酸水解處理淀粉法已被廣泛應(yīng)用，Li Dandan等[78]認(rèn)為，IEF-HCl水解分為三步：1）自由粒子作用于淀粉的外部結(jié)晶層，導(dǎo)致淀粉顆粒表面破壞而變得粗糙；2）內(nèi)部無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)被同時(shí)水解，導(dǎo)致顆粒尺寸縮小、分子質(zhì)量降低；3）無(wú)定形區(qū)快速水解，而支鏈淀粉鏈會(huì)限制H＋滲透，促進(jìn)剩余結(jié)晶區(qū)緩慢水解。因此，IEF可使淀粉分子高效裂解，有利于RS4的改性制備（如取代、交聯(lián)等）。

表2 常規(guī)物理場(chǎng)作用淀粉的性質(zhì)、機(jī)制與應(yīng)用Table 2 Characteristics, formation mechanism and application of RS based on general physical fields

2.6.3 電阻加熱電場(chǎng)

電阻加熱通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為熱能的形式作用于物料內(nèi)部，相比傳統(tǒng)加熱和微波加熱，電阻加熱技術(shù)可以使產(chǎn)品快速均勻升溫。電阻加熱處理淀粉的理化性質(zhì)與電場(chǎng)強(qiáng)度、加熱速率以及淀粉類(lèi)型等因素有關(guān)。Saito等[82]發(fā)現(xiàn)高直鏈玉米淀粉在低水分含量下經(jīng)電阻加熱處理會(huì)增加RS含量。此外，Li Fade等[83]將淀粉懸浮液從質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%稀釋到低于10%，發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒間距變大，即帶電顆粒的運(yùn)動(dòng)區(qū)域增大，導(dǎo)致淀粉在OHEF中電傳導(dǎo)率下降。因此，電阻加熱可用來(lái)量化淀粉的電傳導(dǎo)率，且不同電場(chǎng)強(qiáng)度的施加可用于分析其糊化過(guò)程[84]。此外，通過(guò)優(yōu)化工藝條件以降低電能消耗量對(duì)于利用電場(chǎng)技術(shù)生產(chǎn)十分重要[75]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電場(chǎng)技術(shù)能量消耗率的研究較少，仍有待深入研究。

3 基于MPFs-MPFs協(xié)同作用的淀粉結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化

目前，許多研究致力于協(xié)同耦合多種場(chǎng)能在提高RS產(chǎn)率與產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)功能等方面尋求突破。van Hung等[32]聯(lián)合濕熱-檸檬酸解輔助法產(chǎn)生的低分子質(zhì)量水解物可通過(guò)形成螺旋雙鏈而抑制酶的水解，并在濕熱環(huán)境下形成直鏈-直鏈、支鏈-支鏈和直鏈-支鏈淀粉結(jié)晶區(qū)，以此制備高產(chǎn)RS。楊帆等[85]則進(jìn)一步采用超聲波結(jié)合濕熱-酸解法制備高產(chǎn)RS3，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)更為致密，溶解性、膨潤(rùn)力小。相比無(wú)超聲處理，RS分散性良好，熱穩(wěn)定性高。Li Jiangtao等[86]利用高壓滅菌-微波法制備的RS相比單一高壓滅菌法，將RS產(chǎn)量從30.15%提高到40.70%，且微波促使其表面產(chǎn)生許多深溝和分層條帶，這使得淀粉顆?？稍谀c道中保護(hù)雙歧桿菌，具有一定功能營(yíng)養(yǎng)性。因此，通過(guò)MPFs-MPFs耦合或協(xié)同作用精細(xì)調(diào)控RS形成結(jié)構(gòu)，也將進(jìn)一步擴(kuò)大其在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。本文總結(jié)概述了多種常規(guī)物理場(chǎng)及其場(chǎng)能分布與疊加、作用機(jī)制、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)性質(zhì)、應(yīng)用與創(chuàng)新等（表2）。然而，各物理場(chǎng)運(yùn)用的參數(shù)性質(zhì)、設(shè)備特點(diǎn)以及產(chǎn)物作用形式、應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)于MPFs-MPFs協(xié)同作用的合理運(yùn)用模式仍處于探索階段，需進(jìn)一步挖掘。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于MPFs導(dǎo)向新技術(shù)及其改良工藝，物理作用對(duì)淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的改變機(jī)理和應(yīng)用得到廣泛發(fā)展。在RS3～5制備方面，從場(chǎng)能條件和目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，合理構(gòu)建MPFs及其協(xié)同處理是高效、精準(zhǔn)地獲取指定功能與營(yíng)養(yǎng)RS的關(guān)鍵。作為一類(lèi)“綠色、環(huán)保、高效”的制備技術(shù)，物理場(chǎng)與生物、化學(xué)技術(shù)的交叉融合運(yùn)用逐漸增強(qiáng)，制得的RS產(chǎn)品也多是RS3與RS4或RS5的復(fù)合體形式。物理能量的有效引入降低了化學(xué)試劑與酶制劑的用量水平，平衡補(bǔ)償了RS形成的非熱化學(xué)效應(yīng)。與SPF加工相比，MPFs疊加、協(xié)同或耦合輔助化學(xué)或酶法制備SDS與RS可賦予終產(chǎn)物特殊的結(jié)構(gòu)特征以及高產(chǎn)率，符合產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)大應(yīng)用方向。然而，目前基于物理場(chǎng)制備RS技術(shù)仍存在諸多產(chǎn)物結(jié)構(gòu)控制與生產(chǎn)限制，如RS結(jié)晶區(qū)分布規(guī)律不明、回生結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差、功能強(qiáng)化型RS制備難度高、綠色化學(xué)誘導(dǎo)劑的選擇與用量缺乏可靠標(biāo)準(zhǔn)、部分設(shè)備材料剝離與金屬離子溶劑污染、設(shè)備能耗大等[75,77,90-91]?；诖?，RS創(chuàng)新加工領(lǐng)域尚有以下3 個(gè)方面值得深入探究：1）物理場(chǎng)能的作用限度、作用方向以及新型輸入模式的構(gòu)建，從而表征淀粉結(jié)構(gòu)多層次變化及其調(diào)控的分子機(jī)制；2）創(chuàng)新多場(chǎng)協(xié)同及其與化學(xué)、生物技術(shù)聯(lián)用策略來(lái)促進(jìn)新型RS包合物（如V型直鏈淀粉）的形成，鑒定新的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和功能營(yíng)養(yǎng)特性；（3）利用綠色物理場(chǎng)作用及相關(guān)高性能裝備制造具有特定功能基團(tuán)或能夠靶向釋放功能性物質(zhì)的新型RS-配體復(fù)合物，使其更廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥領(lǐng)域。