抗性淀粉的制备、功效及应用的研究进展

胡珍珍 郝宗山 孟妍 王倩 徐红照 位雅莉 陈立勇

摘 要：结合国内外抗性淀粉的研究现状，介绍了抗性淀粉的分类，分析了抗性淀粉的制备工艺及其在糖代谢、脂代谢、体重控制、作为益生元防治肠道疾病等方面的生理功能，并介绍了抗性淀粉在面包、面条、油炸类、饮料类等食品生产及微型胶囊材料生产中的应用。

关键词：抗性淀粉;制备方法;生理功能

普通的膳食纤维类食品由于口感差等原因并不受广大消费者的欢迎[1-3]，而抗性淀粉（RS）作为一种新型膳食纤维，有效解决了普通膳食纤维的缺陷，成为食品加工行业的研究热点[4]。联合国粮农组织（FAO）1992年对RS的定义为：“不被健康人体小肠所吸收的淀粉及其降解产物的总称[5]。”RS具有来源天然、水溶性低、色白味淡等特点，在功能性食品的开发中极具价值[6]。

1 抗性淀粉的分类

根据来源、结构和酶解性等的不同，目前多把RS分为五类[7]，即物理包埋淀粉、抗性淀粉颗粒、回生淀粉、化学改性淀粉和直链淀粉-脂肪复合淀粉。在各类RS中，回生淀粉由于其良好的热稳定性和安全简便的制备方法，成为目前研究和应用最多的一种RS[8-10]。

2 抗性淀粉的制备方法

目前，RS的制备方法是基于显著影响RS形成的两个因素：直链/支链淀粉比例、淀粉链聚合度考虑。一般来说，RS的制备可以通过以下两种不同的工艺或者两者的结合来实现，即：（1）物理处理：包括湿热处理法、压热法、挤压处理法、微波处理法、超声波处理法等;（2）酶解或酸解脱支处理。物理处理通过破坏分子间和分子内氢键来诱导淀粉凝胶化或提高淀粉鏈的流动性，而酶解或酸解脱支处理通过选择性地改变无定形区域和促进短线性淀粉分子的生成来提高固有结晶度。

2.1 湿热处理

湿热处理法（HMT）通常是在低水分（35%）条件下，在84～120 ℃的温度范围内于通风炉中对淀粉进行15 min～16 h的湿热处理。湿热处理法形成RS的机理包括淀粉颗粒的结晶结构的破坏、双螺旋结构的解离以及晶体的重排。另外，湿热处理诱导的初始溶胀和非晶区的迁移也有利于双螺旋的有序化，从而形成RS[11]。Zavareze等[12]研究了热湿处理对慢消化淀粉（SDS）和RS含量的影响，将玉米、豌豆和扁豆淀粉在120 ℃和30%水分条件下进行湿热处理，淀粉粒度分别下降10.2%、14.0%、15.1%，SDS含量分别增加2.5%、2.8%、4.7%，RS含量分别增加7.7%、11.2%、10.4%，表明湿热处理能显著提高SDS和RS含量。经湿热法处理的淀粉中RS的含量受加热温度、水分含量、时间以及淀粉中直连淀粉含量等因素的影响，适宜的温度、水分含量和时间可以保证解离成的短直链淀粉有合适的长度，进而重排为紧密的双螺旋结构，此外，研究表明，淀粉中直链淀粉的含量越高，越有利于提高湿热法制备RS的得率[13]。

2.2 高压灭菌处理

高压灭菌处理是一种将热压与冷却相结合的方法，通常用于需要高于周围空气压力的高温预糊化淀粉，通过压热-冷却可促进淀粉的糊化-回生，有助于RS的形成。具体来说，高压灭菌会破坏原有淀粉的晶体结构和无定形团块，使其失去原有的颗粒外观，形成RS。有研究表明，较高的温度和较高的压力可以导致淀粉颗粒的破碎和直链淀粉的部分溶解，从而更有效地促进结晶区的发育和RS的形成。Dundar等[14]研究了蒸压温度（140～145 ℃）和贮存时间（24、48、72 h）对高直链玉米淀粉电泳生成淀粉的影响，发现高压釜温度（145 ℃）和长贮存时间（72 h）对RS的形成有利。

2.3 挤压处理

挤压处理法是一种重要的热食品加工技术，该技术涉及剪切能、压力和加热，是RS的传统制备方法，具有无污染、连续的工艺过程以及较短的处理时间等优势。挤压处理法通过把明胶化和湿热处理结合在同一个操作中，促进RS的形成[15]。通过调节不同的机筒温度、进料湿度、进料速度、剪切和螺杆速度和配置组合以及膜孔直径，可在一定程度上对淀粉粒的分子重排和由此形成的RS的结构特征进行调控。研究表明，挤压温度和水分含量对挤压物的理化性质有显著影响，RS含量随含水率和挤出温度的升高而增加[16]。

2.4 超声处理

超声波处理是制备RS的常用方法之一，具有操作简单、成本低廉、安全无污染的特点。超声处理是利用超声波对溶液中的淀粉颗粒进行搅拌，当超声能量在液体中传播时，由于压力变化而产生气泡，这些气泡的剧烈崩溃可以诱导淀粉颗粒产生高的压力梯度和高的局部速度，从而产生剪切力，破坏淀粉颗粒，进而将淀粉长链切割成适当长度的淀粉链，促进RS的形成[17]。刘树兴等[18]通过实验探究了超声波作用对小麦RS形成的影响，结果表明，经超声处理的RS得率比未经超声处理的RS得率提高了近3倍。

2.5 微波处理

微波处理是利用微波频率与物料固有频率接近时发生的共振摩擦作用，由此产生的非电离能量可使其渗透介质在快速变化高频电磁场中温度上升，发生汽化，当淀粉颗粒在过量的水中加热时，会发生不可逆转的多阶段糊化过程，包括颗粒膨胀、天然微晶熔融、双折射丧失和淀粉溶解，这在一定程度上减小了淀粉的聚合度，并且在淀粉体系中形成大量的多孔网状结构，使其更好地与酶作用，提高RS的得率。Mirela等[19]回顾了微波处理对淀粉样品理化性质、功能性质和结构性质的影响，提出淀粉微波加热制备RS的机制为：水分子的介电弛豫现象引起温度迅速升高，导致淀粉颗粒内部局部高压，进而引起淀粉颗粒从中心向外膨胀，最终导致淀粉颗粒的降解。

2.6 酸解法

淀粉的酸水解优先降解无定形层，从而允许释放的游离直链淀粉链优先排序，导致双螺旋和结晶区比例增加，随着酸水解过程的进行，结晶区也开始缓慢水解，使结晶结构重新排序[20]。此外，酸性水解可以从直链淀粉中产生直链和支链，并从低分子量的直链中产生线性链，这些在后期水解过程中可以进一步形成抗水解的双螺旋结构。酸水解法通常与湿热处理法或其他方法相结合，提高RS的得率。Pham等[21]研究发现，用柠檬酸、乳酸和醋酸分别对3个水稻品种的大米淀粉进行处理，发现柠檬酸处理的RS最高（35.3%～39.0%），其次是乳酸处理（32.4%～35.1%）和醋酸处理（30.1%～32.5%）。值得注意的是，与酶法相比，酸水解法的脱支效果不够理想，且因酸的腐蚀性，对设备有较高的要求。

2.7 酶解法

酶解法是指用酶降解淀粉分子，使淀粉分子的聚合度和直链/支链淀粉的比例达到适合形成RS的程度，进而促进RS的形成。用于酶解法制备RS的酶分为两类：可切断淀粉分子内的 α-1，4-糖苷键的酶（如α-淀粉酶）和切断淀粉分子内α-1，6-糖苷键的酶（如普鲁兰酶和异淀粉酶）。酶解法制备RS的影响因素主要有酶添加量、酶作用时间及作用温度，其中，酶的添加量和作用时间对RS的产率影响显著，较高的酶添加量和作用时间可以增加RS的产率，但酶量过多或时间过长造成过度切割会导致分子链过短也不利于RS的形成。Zhang等[22]将10 g淀粉样品与40 mL蒸馏水混合，pH 6.0/80 ℃条件下预糊化20 min，添加不同反应参数的α-淀粉酶，后添加普鲁兰酶（pH 5.0/46 ℃/12 h/12 ASPU/g），4 ℃下冷却24 h，再经α-淀粉酶（pH 5.5/95 ℃/45 min），最后在下列条件下获得最高的RS（58.87%）：温度90 ℃、pH 5.5、时间 15 min、ɑ-淀粉酶4 μ/g。

每种方法各有其各自的优缺点，如湿热法操作程序简便但制取率低、酶解法制取率高但成本较高等，现有的研究大多根据实际情况选择合适的制备方法，在各种制备方法中，多种方法联合制备综合了各种方法的优缺点，成为主流的制备方法，如杨帆等[23]以大米淀粉为原料利用超声波-湿热法制得的RS得率为32.173%;在此基础上结合酸水解制得的RS得率为40.672%。Pham等[21]以大米淀粉为原料利用湿热法制得的RS的含量在18.5%～23.9%之间，酸解法结合湿热法的大米淀粉的RS含量在30.1%～39.0%之间，充分說明多种方法联合制备的优势。

3 抗性淀粉的生理功能

作为一种新型的膳食纤维，RS不仅具有与膳食纤维相似的生理功能，而且在性质和功能上要优于普通膳食纤维[24]。但是RS很少直接对人体产生生理学功效，而是通过对其他物质产生影响以及结肠发酵产生的次生物来发挥作用，其生理功能主要表现在以下几个方面。

3.1 对糖、脂代谢的影响

国内外大量研究表明，RS对生物体内的葡萄糖和胰岛素水平具有调节作用，有利于维持葡萄糖和脂质的体内平衡[25]。因其吸收慢的代谢特点，RS可明显降低空腹和餐后血糖，增加胰岛素敏感性，起到控制干预糖尿病病情的作用。Laure等[26]通过RS喂养的常规小鼠和无菌小鼠的平行实验表明，RS介导的胰岛素水平的改善也发生在没有微生物群的情况下。RS降低了脂肪组织巨噬细胞标志物的基因表达，改变了无菌小鼠和常规小鼠的几种胆汁酸的盲肠浓度，这些效应与代谢效益密切相关，为解释RS的生理效应提供了一个潜在的微生物群无关机制。RS对血脂的影响表现为降低人体血液中的胆固醇和甘油三酯含量的作用[27]，主要有三种途径：（1）减少机体对脂肪的吸收，促进存储在机体内的脂肪的利用;（2）促进胆汁酸随着粪便排出体外，使得胆固醇不断转换成胆汁酸，减少机体胆固醇含量;（3）RS经结肠发酵后的代谢产物丙酸能够调节脂质代谢，在肝脏中抑制胆固醇合成。王欣等[28]研究表明，化学改性淀粉可以降低高脂饮食小鼠血清中的游离脂肪酸和炎症因子水平，并可影响脂肪细胞的大小。赵云龙等[29]研究表明，RS对高脂饲料致高脂血症大鼠的肝功能代谢紊乱有较好的调节和改善作用。有研究表明，合理的强化RS低蛋白主食干预可以显著降低早期2型糖尿病肾病患者的血糖和血脂水平，控制患者病情，延缓病情进展[30]。

3.2 对体重的影响

RS的出现，为通过饮食途径解决肥胖问题提供了更多可能。研究发现，RS主要通过减少能量摄入、增加饱腹感、促进脂肪分解三种机制来达到对体重控制的目的。RS由于难以降解成被人体直接利用的葡萄糖，产能极低，只有易消化RS的10%左右，故摄入RS可以在一定程度上减少能量的摄入[31];当机体摄入RS后，可以增加GLP-1 和PYY等饱腹感相关激素的分泌，从而使饱腹感增加[32-33]。冯铄涵等[34]通过喂养小鼠发现化学改性淀粉对于控制体重和调节血清胆固醇的调节效果最好，回生淀粉在调节肠道代谢产物、调节血脂和降低血清中甘油三酯效果最优。Willis等[35]为志愿者分别提供高RS含量的松饼和低纤维的松饼作为早餐，发现高RS含量的松饼可激发饱腹感并延长其消化时间，起到一定的减肥效果。

3.3 益生元功效

由于RS可以几乎完全通过小肠，因此可以作为益生菌生长的基质。RS在结肠中充当益生菌的培养基被结肠菌发酵分解，产物主要是一些气体（二氧化碳、甲烷、氢）、有机酸和短链脂肪酸（SCFA），这些SCFA主要包括乙酸盐、丙酸盐及丁酸盐，它们能够改善人体肠道内环境，抑制或杀死肠道内的有害病菌，促进有益细菌的生长和繁殖[36]，从而更好地调节肠道菌群。大量研究证明，RS对多种双歧杆菌及多种乳杆菌有促进其生长繁殖的作用，其促进作用的原因可能是由于RS表面的沟壑状结构对双歧杆菌等有益菌的保护作用[37]。Perera等[38]研究发现，RS补充饮食可显著增加乳杆菌、双歧杆菌、葡萄球菌、链球菌的数量，减少肠杆菌的数量，并可改变微生物酶在结肠的代谢，为肥胖症的治疗提供了一个有效的自然途径。

3.4 防治肠道疾病

RS及其代谢产物对胃肠功能紊乱、肠道炎症和结直肠癌等多种肠道疾病的防治具有重要意义。作为一种膳食纤维，RS具有促进排便、增加粪便体积的作用，有利于有害物质的及时排除，从而预防肠道疾病的发生。RS对肠道健康的影响主要通过其产生的SCFA发挥作用，SCFA具有抗炎作用，能降低结肠炎的发生率。机体内的抗炎因子包括IL-4、IL-5、IL-10、IL-11、IL-13和TGF-β等，促炎因子包括IL-1、IL-8、IL-12、IL-18及TNF-α等，SCFA的抗炎作用表现为促进抗炎因子的表达且抑制促炎因子的表达，此外，SCFA还能够诱导T细胞分化成具有调节肠道炎症作用的细胞，从而抑制肠道炎症[39]。SCFA的增加在一定程度上影响了蛋白质的消化吸收，使有害的蛋白代谢物的生成减少，控制了肿瘤细胞的数量，抑制了肿瘤细胞的增殖，具有防癌抗癌作用。丁酸盐是大肠上皮细胞（结肠上皮细胞）的主要能量基质，能抑制结肠上皮细胞的恶性转化，在预防结肠癌方面起到重要作用[36]。通过RS饮食干预的人体试验结果也表明，肠道菌能增加丙酸、丁酸、乳酸、琥珀酸等SCFA含量并保护人体的肠道环境，使肠道pH值降低，富集的益生菌竞争性地抑制了有害菌的生长繁殖，减少了有害代谢产物的产生，改善排便习惯，降低癌症和炎症性肠道疾病及2型肥胖带来的疾病风险[40]。值得注意的是，食用大量RS可能会对胃肠功能产生一些负面影响，如腹泻、胀气、肠绞痛和水样便等，但总的来说，RS的益处远超过其所带来的不利影响。

3.5 促进矿物质、维生素的吸收利用

在食物中添加RS，能够促进人体对矿物质、维生素等营养物质的吸收和利用。RS促进矿物质吸收的原因主要有两方面：一方面是RS在肠道内产生的SCFA能够降低肠道内的pH值，使矿物质溶解度增加;另外，SCFA可使肠道上皮细胞的增殖速度加快，肠壁增大，吸收无机盐的表面积增大，进而可促进某些矿物元素的吸收。相关动物实验表明，在富含RS的饮食饲喂大鼠后，促进了钙、镁、锌、铁等的吸收率[41]。此外，RS还能促进铅从体内排出，李淑荣等[42]通过动物实验证明，回生淀粉对铅中毒大鼠有明显的促进排铅作用。同时，RS的含量增加，能够在一定动态水平下缓解2型糖尿病老鼠体内的维生素D缺乏症[43]。

3.6 抗性淀粉影响胆结石的形成

作为一种膳食纤维，RS具有很低的血糖升糖指数，可以调控胰岛素的分泌，使胆固醇合成减少，降低胆结石发病率。有研究发现，中国、印度、美国、澳大利亚这四个国家胆结石的发病率有显著区别，这主要是因为这四个国家主食不同，膳食纤维的摄入量有很大差异所致[44]。

4 抗性淀粉的应用

RS广泛存在于各种天然淀粉类作物中，其来源广泛但含量较低，且经过一定的加工处理后即转变为易消化淀粉，无法满足人们对高纤低热类健康食品的要求，因此，将人工制备的RS添加到食品中成为当前食品加工行业的研究热点。目前，RS作为食品膳食纤维的功能成分，添加在食品的制作过程中，制成不同特色的功能性食品和风味食品。此外，RS在医药卫生等行业也有一定的应用。

4.1 主食类食品

在面包中加入膳食纤维可改善饮食中膳食纤维摄入量偏低的状况，但传统的膳食纤维如麦麸、大麦粉等的加入会使面包颜色加深、体积变小、口感变差，难以被广大消费者所接受。但是，在面粉中加入RS制得的面包，不仅不会降低面包的感官水平，反而在一定程度上提升了感官水平[45]，使面包含水量更高且更加松软，更为广大消费者所接受。在小麦粉中添加RS可以明显改善面条的质量，在一定的添加范围内，RS的加入不会改变面条的硬度、韧度、咀嚼性、顺滑度和口感等感官特性，而且会使面条亮度增大、消化性降低[46]。

4.2 膨化食品

在食物中加入RS可以提高挤压谷物和小吃食品的膨化系数，因此可将其应用于膨化食品中，可以减少传统膳食纤维对食品膨化造成的硬度大、脆性小、整体品质较差的不良影响。有研究指出，加入一定量RS后燕麦食品膨化体积增大，且在一定范围内膨化系数随着RS含量的增加而提高。另外，RS还能提高谷物的耐泡性，添加了RS的膨化食品经牛奶等饮料浸泡后，其质地虽变软，但仍能保持松脆的良好口感。回生淀粉相对其他RS具有更高稳定性，这一特性让回生淀粉能够更好应用在油炸食品中，提高油炸食品中的膳食纤维含量，提高油炸食品的营养价值。相关研究表明，用回生淀粉替换20%的油炸食品面粉时，油炸食品面粉中膳食纤维的含量提高8.2%，并且能够加深油炸食品的颜色，提高油炸食品的硬度和脆感[47]。

4.3 发酵酸奶和饮料

RS具有良好的稳定性和不溶于水的性质，将其添加到溶液体系中，可以起到一定的增稠作用，在饮料中适当添加RS，不仅可以提高饮料的感官性状，还能起到保健作用。杨钠等[48]研究发现，单独使用马铃薯RS作为乳化稳定剂，具有良好的色泽、口感和滋味，但是组织状态不佳，与果胶、琼脂复配使用能相互弥补不足，当马铃薯RS添加量为1.50%、果胶添加量为0.03%、琼脂添加量为0.15%时，酸奶的总体品质达到最佳。

4.4 微型胶囊

RS由于具有独特的抗酸性、抗酶解性以及在大肠中被肠道微生物充分降解等特性，可作为食品级微胶囊壁材对药物进行传递，是众多微型胶囊材料的一种，能够降低敏感化学物质的消化率，帮助解决了食品工业中控制生物活性分子的释放，延长敏感化学物货架期等技术难题[49]。Meneguin等[50]以抗性淀粉和果胶制备的抗性淀粉/果胶纳米复合薄膜，研究载药抗性淀粉/果胶纳米复合薄膜的释放性能，结果表明，抗性淀粉/果胶纳米复合薄膜具有一定的抗酶解性和缓释性。故RS可以作为口服药物的载体制备膜包衣，以提高药物的疗效，降低药物的毒副作用。

5 结论与展望

RS具有降血糖、降血脂、降体重、调节肠道菌群、促进矿物质的吸收和利用等多种生物学功效，是一种有着广大应用前景的营养物质。但是目前的研究对象主要是实验动物，其对人体的相关实验并不充足，其对人体的生物学功效及相关机制还有待进一步探索和证明。目前RS的制备方法存在着制取率低或者工序复杂无法批量生产等问题，RS的生产还处在起步阶段，在RS的广泛应用前景的背景下，亟需探究多种高效率制备RS的方法，以满足社会需求。中国人每天摄入淀粉的量达到370 g以上，是世界上摄入淀粉量最多的国家之一[51]，在平衡膳食模式的倡导下，需适当改变淀粉的性质，达到均衡营养的目的。我国有丰富的淀粉类食物，随着市场对膳食纤维类食品需求的加大，以抗性为原料加工的食品有着广阔的应用前景。

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