外源添加物對淀粉理化性質(zhì)和消化特性影響的研究進展

譚 沙，朱仁威，劉慶慶，鄭莎莎

(銅仁學院材料與化學工程學院，銅仁 554300)

淀粉是高等植物的碳水化合物的主要來源[1]，廣泛存在于植物的種子、塊根、塊莖、葉和果實之中[2]。淀粉被普遍應用在食品、化妝品、造紙、醫(yī)藥、紡織等相關領域[3]。但天然淀粉因自身結(jié)構(gòu)特點，作為添加劑使用時存在一定缺陷，如食品加工及儲藏過程中易發(fā)生老化等失穩(wěn)現(xiàn)象，限制了其在生產(chǎn)中的應用[4]。

不合理的膳食引發(fā)的機體糖代謝失衡，是導致糖尿病發(fā)生的關鍵因素。淀粉在機體內(nèi)水解、消化能引起血糖的變化，在食物的質(zhì)構(gòu)及血糖應答方面起著很重要的作用。我國居民膳食結(jié)構(gòu)以淀粉類食物為主。通過控制血糖防控糖尿病可從抑制淀粉的消化角度考慮。快消化淀粉含量少的食品能減少食用者餐后血糖與胰島素的應答，維持血糖穩(wěn)定，有利于控制糖尿病患者病情。

大量研究證實，添加外源親水膠體、多酚類物質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)等能夠改善淀粉類食品的品質(zhì)，如改善淀粉糊化特性、流變特性、降低淀粉消化速率、降低快速消化淀粉含量。本文將從外源添加物對淀粉主要理化性質(zhì)、消化特性的影響及作用機理進行綜述，以期為擴寬淀粉應用范圍、改善淀粉基食品品質(zhì)及開發(fā)適合糖尿病患者食用的功能性食品提供參考。

1 外源添加物對淀粉主要理化性質(zhì)的影響及作用機理

1.1 外源添加物對淀粉流變特性的影響及作用機理

流變學特性是評價淀粉類產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標，在加工淀粉基食品時，淀粉糊常受到力的作用，其流變特性相應受到影響，最終導致產(chǎn)品感官特性的改變[5]。為改善淀粉的流變特性，常添加的外源添加物有多糖、多酚、蛋白等物質(zhì)，而外源添加物不同，對淀粉流變特性的作用結(jié)果及機理有差異。

劉芳梅[5]發(fā)現(xiàn)添加芒果皮粉能夠提高大米淀粉的G′、G″、tanδ，相似的現(xiàn)象在添加外源性多糖類的淀粉中存在[6-11]，究其原因主要是多糖類物質(zhì)與淀粉通過氫鍵聚集成難以運動的大分子，導致內(nèi)部纏節(jié)點增多；而多酚類物質(zhì)則是降低淀粉的G′、G″[12-15]，主要是由于多酚類物質(zhì)與淀粉中的直鏈淀粉或支鏈淀粉通過疏水作用結(jié)合到螺旋內(nèi)腔中，導致淀粉鏈之間交聯(lián)纏繞的機會減少；綠豆蛋白[16]包圍淀粉顆粒并抑制其膨脹，阻礙直鏈淀粉釋放，直鏈淀粉無法重排從而不能形成連續(xù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，進而削弱了蕎麥淀粉的凝膠網(wǎng)絡，使彈性凝膠的形成受到抑制，因此綠豆蛋白使蕎麥淀粉G′、G″降低；卵磷脂[17]限制小麥淀粉顆粒的溶脹，從而降低小麥淀粉的G′；范逸超等[18]研究發(fā)現(xiàn)，加入γ-聚谷氨酸后小麥淀粉G′、G″下降，可能是因為γ-聚谷氨酸羧基基團與淀粉分子緊密結(jié)合，在分子間、分子內(nèi)形成大量氫鍵，與淀粉發(fā)生交聯(lián)作用，阻礙淀粉顆粒的吸水膨脹。

1.2 外源添加物對淀粉糊化特性的影響及作用機理

研究發(fā)現(xiàn)，添加多糖類物質(zhì)能夠分別抑制玉米淀粉[6]、百合淀粉[7]、小麥淀粉[20]、馬鈴薯淀粉糊化[21]，菊粉、魔芋葡甘聚糖、無花果籽多糖因具有較強的吸濕性，在糊化過程中通過與淀粉爭奪糊化所需的水分而抑制糊化，而瓜爾豆膠通過在百合淀粉顆粒形成薄膜密封淀粉顆粒在瓜爾豆膠體內(nèi)而抑制糊化。原花青素和槲皮素均能夠提高淀粉的熱穩(wěn)定性[22，23]，使糊化溫度升高。原花青素[22]通過與淀粉競爭水，減少淀粉膨脹的機會，延緩復合物的糊化，而槲皮素[23]水溶性較低，水和能力弱，在淀粉糊化過程中不會與淀粉分子爭奪水分子，但可通過自身分子結(jié)構(gòu)中的羥基基團與溶出的直鏈淀粉分子或溶脹的支鏈分子側(cè)鏈通過氫鍵結(jié)合，從而促進了淀粉分子的相互締合，限制了淀粉分子在膨脹后的空間位移，從而增加了熱糊的黏度，提高了其熱穩(wěn)定性。修琳等[16]研究發(fā)現(xiàn)綠豆蛋白通過靜電作用或誘導淀粉、蛋白質(zhì)顆粒相互吸引，從而降低了淀粉的吸水速度，抑制淀粉顆粒的分解，從而延緩復合物的糊化。γ-聚谷氨酸[18]與菊粉、魔芋葡甘聚糖及原花青素一樣因其本身的強親水性，與淀粉競爭水抑制淀粉顆粒的吸水膨脹，增強淀粉的熱穩(wěn)定性。

表1 外源添加物對淀粉流變學特性的影響

1.3 外源添加物對淀粉回生特性的影響及作用機理

淀粉回生會導致淀粉基食品中的一系列不良現(xiàn)象，包括消化率降低、硬度增加和口感惡化，從而限制了淀粉在食品工業(yè)中的應用[24]。添加外源性蛋白質(zhì)水解物[19]、多糖[6, 25-28]、多酚[15, 29-31]、帶電氨基酸[32]均能夠抑制淀粉的回生或延緩淀粉回生。Hu等[19]發(fā)現(xiàn)乳清蛋白水解物與大米淀粉相互作用并結(jié)合可能抑制淀粉鏈之間氫鍵的形成，從而改變大米淀粉的回生。玉木耳多糖[27]可通過與玉米淀粉競爭水分子，使淀粉用于凝膠化轉(zhuǎn)變的自由水分減少，無定形區(qū)域的水合作用減弱或者通過滲漏出的直鏈淀粉通過氫鍵結(jié)合相互作用，抑制淀粉分子移動重排，淀粉分子重新締合形成的基質(zhì)或網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較弱來延緩玉米淀粉的回生；魔芋膠[28]通過稀釋淀粉分子鏈，提高淀粉鏈周圍介質(zhì)的黏度，降低淀粉的運動速度，抑制了小麥淀粉的回生。阿魏酸[15]通過氫鍵與淀粉生物高聚物鏈相互作用，因此淀粉鏈與自身相互作用重新排序的機會較小，并且不溶性阿魏酸的存在稀釋了淀粉基質(zhì)，這也減少了淀粉鏈之間的相互作用，從而導致回生減少。而聚合原花青素[29]的強親水性降低了淀粉—聚合原花青素體系中的游離或有效水分含量，且聚合原花青素通過強烈的氫鍵和疏水性相互作用與淀粉分子結(jié)合，從而限制了淀粉鏈的活性并延緩了回生。Liu等[32]發(fā)現(xiàn)氨基酸因帶電抑制了大米淀粉的膨脹，因此降低淀粉顆粒與水結(jié)合的能力會導致淀粉回生的增加。

1.4 外源添加物對淀粉熱學特性的影響及作用機理

多糖類外源添加物[6, 9, 20, 33]因其強親水性能，而淀粉對水的親和能力不如親水性多糖，導致與淀粉的混合體系中自由水量減少，降低水分可利用度，從而使整個體系穩(wěn)定性提高，糊化溫度升高，糊化焓降低。與多糖類外源添加物不同，多酚類外源添加物對淀粉熱力學特征的影響，不同研究者研究結(jié)果不一樣。Zheng等[22]、Xu等[29]、Zhu等[34]發(fā)現(xiàn)多酚類外源添加物主要是與淀粉側(cè)鏈相互作用，改變淀粉結(jié)構(gòu)，從而改變淀粉結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)的結(jié)合力，提高峰值溫度和終止溫度，降低糊化焓。而Miao等[35]、Han等[36]發(fā)現(xiàn)添加外源多酚使起始溫度、峰值溫度、糊化焓均降低，并且因多酚與淀粉發(fā)生非共價結(jié)合，使得淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，出現(xiàn)此情況可能與多酚種類及淀粉來源有關，不同多酚和不同來源淀粉結(jié)構(gòu)有差異。除多糖和多酚外，γ-聚谷氨酸[18]也影響淀粉的熱學特性，提高起始溫度、峰值溫度、終止溫度，降低糊化焓，主要原因是其分子鏈上的羥基與淀粉顆粒表面的活性基團結(jié)合，在分子間、分子內(nèi)形成氫鍵，與淀粉相互交聯(lián)，增加淀粉的熱穩(wěn)定性。

表3 外源添加物對淀粉回生特性的影響

2 外源添加物對淀粉消化特性的影響及作用機理

多糖類外源添加物通過降低快速消化淀粉和慢速消化淀粉含量、增加抗性淀粉量改變淀粉的消化速率，不同多糖作用機理有一定的差異，其改變消化特性主要通過形成物理屏障后限制酶進入淀粉內(nèi)部[20，21, 27, 33]、通過改變淀粉結(jié)構(gòu)如所含有的羥基或羧基基團與淀粉相互作用從而限制了酶對淀粉的可及性[21,33]、或是與淀粉競爭水降低糊化度、或通過增稠消化體系限制水分子運動降低酶的水解速率，其中最主要作用機理是淀粉顆粒表面周圍形成物理屏障層。與多糖不同，多酚類外源添加物通過與酶的結(jié)合改變酶結(jié)構(gòu)[29, 34, 37-39]，從而酶活性被降低，導致其對淀粉的消化能力降低。不同的多酚其作用方式存在一定差異，如聚合原花青素[29]可以與氨基酸殘基結(jié)合，主要通過疏水相互作用非競爭性地抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的催化作用，從而降低酶的活性；而葡萄籽原花色素[38]會隨著饅頭基質(zhì)結(jié)構(gòu)的溶脹和水解，緩慢釋放至消化液中，抑制淀粉酶的活性，降低淀粉的水解速率。蛋白類外源添加物[4,40]主要通過形成物理屏障或與淀粉形成氫鍵改變淀粉結(jié)構(gòu)，也可與淀粉形成氫鍵或是抑制淀粉酶活性，從而降低對酶對淀粉的消化性，另一個潛在的機制是蛋白質(zhì)可以與淀粉競爭性結(jié)合α-淀粉酶，從而延緩淀粉水解。Wang等[41]研究發(fā)現(xiàn)脂肪酸是與淀粉形成復合物抑制糊化，從而導致消化困難。此外，他還發(fā)現(xiàn)雖添加了相同的脂肪酸，但普通小麥淀粉和蠟質(zhì)小麥淀粉的消化速率有差異，說明除添加物的差異外，淀粉組成也是一個影響外源添加物作用效果的重要因素。

表4 外源添加物對淀粉熱學特性的影響

表5 外源添加物對淀粉消化特性的影響

不同外源性添加物影響淀粉理化性質(zhì)及消化特性主要作用機理見圖1，多糖類外源添加物主要通過增多內(nèi)部纏節(jié)點、與淀粉爭奪糊化所需的水分、在淀粉顆粒表面周圍形成物理屏障層等方式改變淀粉的理化性質(zhì)和消化特性；多酚類外源添加物主要通過疏水作用結(jié)合到螺旋內(nèi)腔中減少淀粉鏈之間交聯(lián)纏繞的機會、與淀粉競爭水或通過自身分子結(jié)構(gòu)中的羥基基團與溶出的直鏈淀粉分子或溶脹的支鏈分子側(cè)鏈通過氫鍵結(jié)合、通過強烈的氫鍵和疏水性相互作用與淀粉分子結(jié)合等方式改變淀粉的理化性質(zhì)和消化特性。

圖1 不同外源性添加物影響淀粉理化性質(zhì)及消化特性主要作用機理

3 結(jié)論與展望

為改善淀粉基食品品質(zhì)及降低消化速率，往往在淀粉中加入多糖、多酚、蛋白質(zhì)等幾類外源物，其中研究較多的外源添加物為多糖和多酚類。不同外源添加物及淀粉來源的差異導致對淀粉理化性質(zhì)和消化特性的影響的差異且作用機理也有不一樣。目前有較多改善淀粉理化性質(zhì)及消化特性的研究，但有些問題還需進一步研究。如不同種類外源添加物協(xié)同使用或外源添加物與物理方法協(xié)同作用是否更有效；外源添加物與淀粉之間的作用機制尚未明確，需從更微觀角度進一步通過實驗驗證；選擇外源添加物時都是單一從改善淀粉的理化性質(zhì)及消化特性角度出發(fā)，但是這些組分的添加是否會對腸道菌群平衡甚至人體健康造成影響等未被綜合考慮。