RS3型抗性淀粉制備方法研究進展

(王 寧 阮長青,2 張東杰,2 李志江,2

(黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院；黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質量安全重點實驗室；國家雜糧工程技術研究中心1，大慶 163319)

(黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心2，大慶 163319)

抗性淀粉(Resistant Starch，RS)又稱抗酶解淀粉或難消化淀粉，在健康人體的小腸不能被消化吸收，但可以幾乎完整地到達大腸，被其中腸道微生物菌群發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸及少量氣體，繼而產(chǎn)生有益生理作用[1]。如增加飽腹感、降低肥胖風險、降低餐后血糖水平、改善Ⅱ型糖尿病患者的胰島素敏感性和預防結腸癌及一些慢性疾病等[2,3]?？剐缘矸鄣幕瘜W組成與淀粉相似，都是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，其抗性指淀粉抵抗小腸內淀粉酶消化的作用，抗酶消化能力主要由無定型變?yōu)榻Y晶狀的直鏈淀粉決定[4]。在不同的加工條件下使糊化淀粉冷卻后形成更多的結晶結構，從而形成具有抗性的淀粉。

根據(jù)來源和性質的不同，RS被分成5種類型：RS1(物理包埋淀粉)、RS2(生淀粉顆粒)、RS3(回生淀粉)、RS4(化學改性淀粉)、RS5(直鏈淀粉-脂肪復合淀粉)，其中RS3主要是在加工過程中形成的一種老化淀粉。經(jīng)過加工的淀粉分子被水解，糖苷鍵斷裂并重新排列，再進行老化處理使直鏈淀粉形成難以被酶作用的短直鏈晶體[5]。與其他類型的抗性淀粉相比，RS3具有低持水性和熱穩(wěn)定性，將其加入食品中不會影響產(chǎn)品的風味及顏色，口感優(yōu)于傳統(tǒng)的膳食纖維[6]，這使它在大多數(shù)普通的烹飪操作中保持穩(wěn)定，并使其能夠作為各種傳統(tǒng)食品的配料使用。

因其優(yōu)越的物化特性和生理效應，RS3被認為是一種很有前景的新型食品成分。但受原材料性質及加工手段的影響，目前RS3制備方法的研究存在操作時間長、得率低等不足。本文對近年來RS3型抗性淀粉制備方法進行綜述，以期對未來RS3型抗性淀粉的研究及應用提供有益的參考。

1 RS3型抗性淀粉的形成機理及影響因素

抗性淀粉廣泛存在于各種天然淀粉類作物中，RS3主要存在于一些經(jīng)濕熱處理的食物中[7]。原淀粉在水分充足的條件下進行熱處理，其內部的淀粉分子糖苷鍵可在適宜溫度下與水分子作用發(fā)生糊化效應，導致淀粉顆粒溶脹、崩潰，直鏈淀粉分子從原淀粉內部溶出后，以無規(guī)則卷曲的形式與水分子作用形成淀粉凝膠。隨著溫度的降低，部分斷裂的直鏈淀粉分子所形成的短直鏈淀粉分子與原淀粉中的直鏈淀粉分子間相互纏繞靠攏，并重新排列形成以氫鍵連接的雙螺旋聚合物，最終形成了對淀粉酶有一定抵抗作用的結晶結構，即RS3型抗性淀粉的形成[8-9]。

抗性淀粉主要由老化的直鏈淀粉形成，因此直鏈淀粉的含量是影響RS3形成的主要因素。其他一因素也會影響淀粉的抗性，如淀粉中的基本成分(如蛋白質、脂質、可溶性糖等)、淀粉顆粒的大小和類型、淀粉分子的聚合度和鏈長，以及植物基因型和突變等[10-11]。此外，通過改變加工條件如含水量、pH值、加熱條件、儲藏條件及所需設備工作參數(shù)等也可以增加食品中RS的含量[12-13]?？偟膩碚f，不同來源的食物淀粉原料，在適宜的溫度和水分條件下，通過不同的處理方式進行加工和貯藏，對RS3形成和得率都會產(chǎn)生不同程度的影響。

2 RS3型抗性淀粉的制備方法

2.1 水熱處理法

2.1.1 濕熱法

濕熱處理是指在低濕度(<35%)條件下對淀粉進行熱處理，使淀粉顆粒晶體結構破壞，從而提高淀粉鏈的分子重排，促進淀粉的回生以增加RS3的形成。含水量和加熱溫度是影響濕熱法形成RS3的重要因素。Hung等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水量和加熱溫度的增加，RS3含量也在不斷增加，在含水率30%、加熱溫度120 ℃條件下得到糙米RS3含量為49.1%，RS3得率增加了近55%，此時，大米釋放血糖水平、淀粉黏度和GI值最低。Zavareze等[15]發(fā)現(xiàn)當含水量從15%增加到25%時，大米淀粉顆粒在較高的含水量和加熱溫度條件下下發(fā)生了部分糊化和溶脹，直鏈淀粉的形態(tài)被破壞，進而提高直鏈淀粉與支鏈淀粉的有效相互作用，使淀粉顆粒內部結構更為致密。此外，隨著加熱時間的增加，淀粉顆粒中雙螺旋結構的分子間氫鍵的破壞程度也會增大，最終增加淀粉的抗性[16]。

為提高RS3生產(chǎn)效率，Li等[17]采用濕熱-鹽酸結合的方法處理百合抗性淀粉時淀粉顆粒增大，相對結晶度提高，且在含水量為25%時得到最高抗性淀粉含量(44.15%)。謝瑩等[18]認為，與單一處理相比，采用2次重復濕熱處理與酶法結合處理多孔小麥淀粉，并沒有改變小麥淀粉的化學結構和晶體類型，但增加了其有序性。這與Pratiwi等[19]結論相同 ，濕熱處理過程中淀粉顆粒的非晶相不是結晶度增加，而是有序度的提高。因此，在制備RS3時，將濕熱法與脫支處理法結合使用并優(yōu)化其參數(shù)將有效提高RS3的得率。

2.1.2 壓熱法

壓熱法是指在較高的溫度和壓力條件下破壞淀粉顆粒的結構，使直鏈淀粉分子浸出，形成淀粉凝膠，壓熱冷卻促進了淀粉的糊化和老化，從而促進了RS3的形成。淀粉乳濃度、壓力強度、壓熱溫度、壓熱時間、回生時間等是影響RS3產(chǎn)率及結構的重要因素。較高的溫度和壓力會加劇淀粉顆粒的破壞程度，直鏈淀粉更易溶出，從而更有效地形成結晶區(qū)域；長時間的貯藏有利于淀粉的回生，更易促進RS3的形成[20]。Dundar等[21]證實了此觀點，較高的壓熱溫度(145 ℃)比略低的壓熱溫度(140 ℃)時更易形成RS3，且儲藏時間越長(24～72 h)，高直鏈玉米RS3得率越高(30.41%)。但李一博等[22]發(fā)現(xiàn)蠶豆RS3得率隨著溫度的增加在121 ℃達到峰值(約23%)，但在126 ℃時得率下降(約19%)。這可能是因為過高的溫度使淀粉顆粒破裂其他小分子而不能再形成晶體，從而影響抗性淀粉的形成。

此外，采用壓熱法對同類原料進行處理時，各影響因素對RS3得率的影響主次順序也存在差異。宋洪波等[23]研究壓熱法的影響因素對淮山藥RS3得率的關系時發(fā)現(xiàn)，影響因素主次順序依次為：淀粉乳含量>淀粉乳pH>壓熱時間，而張紅霞等[24]對安順山藥處理時發(fā)現(xiàn)，各因素對RS3得率的影響依次為:壓熱溫度>壓熱時間>淀粉乳百分含量>pH值。這可能是因為是不同產(chǎn)地的同類原料直鏈淀粉分布不同，其自身的含水量及質地也不同，導致的結論也存在差異。為提高RS3得率，Reddy等[25]將壓熱法聯(lián)合酶解法制備馬鈴薯RS3，與單一法相比, 原淀粉經(jīng)熱處理后，淀粉顆粒結構被破壞，使酶更易與淀粉結合，并對支鏈進行有效脫支，聯(lián)用法的RS3含量最高(29.35%)，其熱穩(wěn)定性、水溶性和吸水能力也明顯提高，經(jīng)酶解-壓熱處理后的馬鈴薯具有更好的抗消化性。因此，利用方法間的互補作用可有效提高RS3的得率，優(yōu)化原淀粉的性能。

2.1.3 韌化法

韌化法，也稱為退火法，是一種較溫和的物理改性方法。此過程是在過量水分條件下，將淀粉置于玻璃轉變溫度與淀粉糊化溫度之間加熱一段時間，在保持淀粉顆粒結構完整的前提下，改變淀粉的理化性質和體外消化率。Trung等[26]利用韌化法處理甘薯淀粉發(fā)現(xiàn)，與天然淀粉相比，RS3增加了9.8%～13.0%，但顯著低于濕熱法(11.6%～20.3%)。這可能是因為前者作用條件較后者相對溫和，對淀粉顆粒的破壞程度弱，導致直鏈淀粉的浸出降低，從而減少了形成RS的機會[27]。王雨生等[28]研究溫度(50、55、60 ℃)和時間(24、48、72 h)對普通玉米淀粉和蠟質玉米淀粉理化性質的影響發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高至60 ℃，兩種淀粉的膨脹力和峰值明顯降低，淀粉顆粒表面的破壞程度增大，而延長韌化時間對此影響不明顯。Zou等[29]還發(fā)現(xiàn)與反復多次韌化處理比連續(xù)增加時間韌化處理更有利于提高綠豆淀粉的相對結晶度、和糊化焓，降低淀粉對酶的敏感性，提高RS3含量，降低淀粉的消化率。

溫和的作用條件在處理植物淀粉時既有優(yōu)勢又存在弊端。Zhong等[30]發(fā)現(xiàn)用韌化法處理早秈稻淀粉所得到的改性是不夠的，他們將微波法與韌化法復合使用對其進行進一步的修飾，增加適當?shù)膹姸饶茱@著改變韌化處理過程中淀粉的結構和性質，包括淀粉長鏈和短鏈結晶結構、以及糊化焓、粒徑、峰值黏度的增強。由于其溫和的作用條件，對處理原料的性質有一定的局限性，在通常情況下，為提高RS3得率也常與微波法進行聯(lián)用來處理淀粉原料。

2.2 脫支處理法

2.2.1 酶解法

酶解法是指將淀粉水混合物調至酶的最適反應溫度后加入酶試劑，以水解淀粉分子中的α-1,6糖苷鍵來降低支鏈淀粉的分子量，從而形成更多的短直鏈淀粉分子，以提高RS3的產(chǎn)量。在酶解法中，經(jīng)常添加耐高溫α-淀粉酶、普魯蘭酶及異淀粉酶類等。Shi等[31]和冷志富等[32]分別利用普魯蘭酶制備蠟質玉米和普通玉米RS3時發(fā)現(xiàn)，隨著普魯蘭酶用量的增加，RS3的得率呈先增加后下降的趨勢，對脫支時間進行實驗時也發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。這可能是因為隨著酶用量的增加和脫支時間的延長，直鏈分子聚合度較小，不易形成雙螺旋結構，從而減少了RS3形成的機會[8]，因此適宜的酶用量是十分重要的。此外，酶也需要適宜的作用溫度, 溫度過高或過低都會影響到酶的活性，從而影響酶解效果[33]。

為提高RS3含量，章麗琳等[34]和康懷彬等[35]分別采用纖維素酶-壓熱法和普魯蘭酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉和玉米抗性淀粉，優(yōu)化工藝參數(shù)后發(fā)現(xiàn)RS3含量均高于原淀粉，分別為30.33%和16.84%。這是因為普魯蘭酶可以專一性水解α-1,6糖苷鍵，纖維素酶可以破壞像纖維素等會阻礙淀粉分子聚集的非淀粉物質[36]。因此，將耐高溫α-淀粉酶、纖維素酶等復合使用可大大增加直鏈淀粉分子的含量，從而提高RS3的得率。姚奧林等[37]在制備普通玉米RS3發(fā)現(xiàn)，采用纖維素酶-普魯蘭酶復合使用制得RS3含量(28.10%)明顯高于單獨使用纖維素酶(19.59%)。張倩等[38]還對比了酶法及壓熱-酶法制備的大米淀粉及其理化性質的研究。結果發(fā)現(xiàn)，壓熱-酶法所制備的淀粉的硬度和彈性最大，且優(yōu)于單獨使用酶法。因此，在制備RS3時，采用復合酶法及與水熱處理法等方法聯(lián)合作用效果更顯著。

2.2.2 酸解法

酸解法是指將酸試劑在淀粉糊化前加入淀粉懸濁液中，以促進淀粉的水解。酸試劑會優(yōu)先水解無定形區(qū)，從而導致緊密的晶體結構增加。此外，酸水解還可以使支鏈淀粉分子脫支，產(chǎn)生分子量較低的直鏈淀粉分子，并進一步形成抗酶解的雙螺旋結構，因此，隨著水解度的增加，RS3含量增加。不同酸試劑的酸性強弱會影響RS3的形成。尹秀華等[39]同時比較鹽酸、磷酸、檸檬酸和乳酸對木薯RS3含量及性質的影響發(fā)現(xiàn)，酸解法處理后的木薯抗性淀粉含量明顯高于原淀粉，其中，磷酸和鹽酸處理后所得到的RS3含量(15.9%、15.61%)高于乳酸和檸檬酸(10.09%、9.96%)，并且經(jīng)四種酸處理后木薯淀粉具有良好的低持水力。因為檸檬酸和乳酸屬于有機酸，酸性較弱，而鹽酸和磷酸的酸性較強，對淀粉的水解程度較強，利于淀粉的老化和重結晶，從而形成更多的抗性淀粉。

利用酸解法制備RS3時，經(jīng)常與濕熱法和壓熱法等聯(lián)合使用，以提高RS3得率。Liu等[40]研究濕熱-檸檬酸法對普通玉米抗性淀粉形成發(fā)現(xiàn)，在檸檬酸熱處理過程中支鏈淀粉比直鏈淀粉更容易發(fā)生水解，協(xié)同濕熱法得到RS3質量分數(shù)為36.55%，是天然淀粉的7倍。Hung等[41]也得到了此結論，采用酸解法與濕熱相結合處理大米淀粉的RS3含量(30.1%～39.0%)明顯高于天然大米淀粉(6.3%～10.2%)和熱濕處理的大米淀粉(18.5%～23.9%)，且與天然淀粉相比，檸檬酸對抗性淀粉的形成影響最大，其次是乳酸和乙酸。酸試劑的酸性強酸不同，對淀粉的水解能力也不同，在使用酸試劑時要根據(jù)原料的性質進行合理選擇。

2.3 機械輔助法

2.3.1 擠壓法

擠壓法是借助于螺旋擠壓機通過螺旋桿的快速轉動對淀粉乳產(chǎn)生高溫、高壓及剪切作用，使淀粉顆粒破碎、崩解，促進短直鏈淀粉分子的形成并發(fā)生糊化，以增加RS3的形成機會。擠壓蒸煮是一項重要的食品熱加工技術，近年來被廣泛應用于生產(chǎn)膨化休閑食品、即食谷類食品和寵物食品等。螺旋擠壓機的工作參數(shù)也會影響RS3的形成，一般多采用雙螺旋桿擠壓機制備RS3，其螺桿參數(shù)范圍為：淀粉糊含水量(20%～60%)，進料速度(30～50 kg/h)，螺桿轉速(100～400 r/min)，筒體溫度(120～150 ℃)[42-44]。其中，含水量和擠壓溫度作用效果顯著，且與RS3的形成呈正相關。這是由于擠壓過程中較高的含水量和溫度導致淀粉顆粒易于溶脹、崩解，改變了樣品中淀粉分子的結構組織，從而改變了它們對消化的敏感性[45]。

為得到較高的RS3含量，擠壓法可作為一種預處理方法，與脫支處理法聯(lián)用。David等[46]以玉米淀粉為原料，同時比較了酸水解、擠壓蒸煮及兩者相結合的方法制備抗性淀粉，其中，酸性效果主次順序為：鹽酸>磷酸>檸檬酸，且鹽酸擠壓結合法(1.58%)優(yōu)于酸解法(2.10%)，其次是擠壓法(0.85%)，這是因為淀粉顆粒在剪切力的作用下使淀粉顆粒破裂，酸試劑的添加促進了直鏈淀粉的水解，所形成的短直鏈淀粉分子又重新結合形成了一種抵抗酶消化的結構，增加了抗性淀粉的形成[47]，然而，只有剪切力作用時會引起淀粉機械損傷，使直鏈淀粉鏈水解產(chǎn)生的淀粉分子的聚合度較小而不能聚成結晶結構，導致抗性淀粉含量下降[48]。因此，根據(jù)所用物料及預期產(chǎn)品的性質，可以不同程度地調控筒體溫度、進料濕度、進料速率、剪切和螺桿速度等參數(shù)，得到較高的RS3，且與其他方法聯(lián)合使用制備抗性淀粉時作用效果更顯著。

2.3.2 微波法

微波處理可在短時間內快速積累熱量使淀粉乳由內而外迅速升溫，在高反應速率下對淀粉結構進行修飾，切斷淀粉分子間的糖苷鍵，使大淀粉分子裂解成小淀粉分子，加速淀粉糊化，以獲得較高的RS3產(chǎn)率。微波功率和微波時間是影響RS3形成的重要因素。Mutlu等[49]在微波功率和時間分別為160 W、2 min和320 W、2.5 min的條件下3次微波循環(huán)處理高直鏈玉米淀粉后，得到較高的RS3含量分別為43.4%和43.3%，并且微波處理后淀粉的溶解度增加，黏度降低。在低強度條件下，淀粉粒瞬間被加熱并在短時間內吸收能量導致支鏈淀粉鏈廣泛分解，形成更多的直鏈淀粉，從而增加了RS3的形成[16]。

然而，林姍等[50]研究微波條件對蓮子RS3得率的影響時發(fā)現(xiàn)，在淀粉乳濃度15%、微波時間120 s、微波功率640 W條件下，RS3得率達到最高(39.53%)，但低于壓熱法(41.89%)[51]。Zeng等[52]也發(fā)現(xiàn)，微波制備蓮子抗性淀粉的蓮子仁顆粒小且表面相對光滑，形成效果不如壓熱法。這可能是因為在微波蒸煮過程中加熱速度快，導致直鏈淀粉不能完全從天然淀粉顆粒中濾出，從而減少了形成RS3的機會。

此外，在制備RS3時，微波法常與酶解法聯(lián)用起到協(xié)同作用，從而增加RS3的形成機會。牛春艷等[53]采用微波-酶法制得的玉米RS3的含量(0.85%)高于酶法(9.75%)[33]和壓熱-酶解(16.84%)[35]。這是因為微波處理會產(chǎn)生膨化效應，導致淀粉糊出現(xiàn)疏松多孔的結構，使酶類更容易與淀粉分子結合[54]，兩者協(xié)同影響抗性淀粉的形成。當然，原料本身所含有的直鏈淀粉含量也會影響抗性淀粉的產(chǎn)率。

2.3.3 超聲波法

利用超聲波法制備RS3時，高頻超聲波可在淀粉乳中傳播并產(chǎn)生能量，導致高溫高壓及剪切力的形成，使淀粉乳顆粒內部產(chǎn)生空腔，致使淀粉顆粒崩解，進一步將長鏈淀粉切斷，產(chǎn)生更多適合形成抗性淀粉的短直鏈淀粉分子[55]，從而促進了RS3的形成。由于超聲功率、超聲時間和超聲溫度等參數(shù)的變化，制備RS3所產(chǎn)生的效應也有所不同。其中，優(yōu)化超聲功率是決定超聲持續(xù)時間和RS3產(chǎn)率的重要參數(shù)之一，也是決定工藝成本的重要因素之一。在制備RS3時，通常采用較低的功率可達到較好的效果。You等[56]在300 W低功率條件下探究超聲時間(5、10、15、20、25 min)對豌豆RS3的影響，結果發(fā)現(xiàn)超聲時間約為13 min時RS3的含量最高，得率約為35.26%，且與原淀粉相比，豌豆淀粉的溶解度也有所增加。一般來說，超聲處理促進了淀粉分子鏈的有序排列，進而促進了RS3的形成，但超聲時間過長會嚴重破壞淀粉的晶體結構，降低抗性淀粉的得率[57]。因此，合理優(yōu)化超聲條件十分必要。

在利用超聲波法制備RS3時多采用與其他方法進行聯(lián)用，如超聲-酶解法、超聲-微波-酶解法等以提高RS3產(chǎn)率。Zeng等[51]比較了三種不同的制備方法對蓮子抗性淀粉含量的影響，結果發(fā)現(xiàn)，超聲-壓熱法(56.12%)>壓熱法(41.89%)>微波-壓熱法(39.53%)，且超聲處理后的淀粉雙螺旋結構程度最高，熱穩(wěn)定性最強。這可能是由于微波瞬間快速加熱使直鏈淀粉不能完全從天然淀粉中流出，減少了形成RS3的機會，而超聲處理會引起高溫、高壓及剪切力作用，再結合壓熱處理可進一步破壞淀粉顆粒并生成短直鏈淀粉分子，促進抗性淀粉的形成[58]。劉淑婷等[59]利用超聲-微波協(xié)同酶法制備RS3型抗性淀粉與原淀粉相比，此方法可提高蕓豆RS3得率(24.37%)，其內部結構更致密，熱穩(wěn)定性相對較好且不改變抗性淀粉的官能團。因此，在利用超聲波法制備RS3時與其他方法結合使用，可以優(yōu)化工藝，提高效率。

表1 RS3型抗性淀粉的制備方法

3 結論與展望

RS3作為一種新型功能性成分，添加到面制品、奶制品中還可以改善產(chǎn)品風味及咀嚼性。此外，RS3在醫(yī)藥行業(yè)作為口服藥物的載體薄膜也有一定的應用。目前，RS3的制備方法中，水熱處理法和脫支處理法制得的RS3產(chǎn)率較高，但由于設備的局限性，產(chǎn)量較小，生產(chǎn)成本高，脫支酶和酸的添加也存在反應速率低，生產(chǎn)時間長、環(huán)境污染等問題；擠壓法是一個連續(xù)的過程，具有短時高效的優(yōu)點，但該過程易引起機械損傷，RS3得率較低；微波法和超聲法具有簡便、高效、環(huán)保的特點，目前應用比較廣泛。近年來多采用將水熱處理法、脫支處理法和機械輔助法兩者或兩者以上聯(lián)合使用來制備RS3，與單一處理方法相比，可起到協(xié)同作用從而獲得較高的RS3得率，處理后樣品的溶解度、黏度、膨脹力等性質也較為理想。因此，為滿足RS3在食品、藥品及各行業(yè)中的產(chǎn)品多樣化應用需求，根據(jù)淀粉原料的結構及理化性質，進一步開發(fā)高效的RS3制備工藝以及先進的設備已成為必然趨勢。