抗性、慢消化淀粉的制备及其控血糖机理的研究进展

龚永强， 刘 静， 余振宇， 张 强， 王乃富， 周裔彬

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

全球糖尿病患病人数呈逐年上升的趋势，且患病人群趋于年轻化，其治疗手段除药物治疗外，合理的饮食调控是有效的辅助治疗方法[1,2]。淀粉作为人类生理活动所需能量的主要来源，按消化速度可分为抗性淀粉(RS)、慢消化淀粉(SDS)和快速消化淀粉(RDS)。SDS指在小肠中需要20～120 min才能被完全消化吸收的一类淀粉，食用后不会造成血糖的急剧升高，有助于维持血糖稳态；RS是一种兼具可溶性纤维与不可溶性膳食纤维特性的淀粉，可分为RS1(物理包埋淀粉)、RS2(天然抗酶解淀粉颗粒)、RS3(老化回生淀粉)、RS4(化学改性淀粉)、RS5(脂类淀粉复合物)，其在人体内无法被消化，且相对普通膳食纤维具有更高的生理活性[3,4]。RS在结肠中微生物菌群的作用下进行发酵，可通过一系列的作用机制参与血糖调控[5]。富含RS和SDS的食品具有较低的血糖指数(GI)，这类食品适宜糖尿病患者的食用，对糖尿病一定的预防作用。通过物理、化学、生物等方法对淀粉改性或直接对食品原料进行改性获得较高含量的RS与SDS并将其应用于食品工业，这是目前食品加工领域的研究热点之一。本文介绍了制备RS、SDS的物理、化学、酶改性手段以及在食品领域的应用，并对RS与SDS调控血糖的主要机理作了综述。

1 RS与SDS的制备

1.1 物理改性

目前常用来制备RS与SDS的物理改性方法有湿热处理、挤压改性、韧化处理、微波处理等。物理改性具有安全性较高的特点，因此在食品工业领域应用广泛。

1.1.1 湿热处理

湿热处理是指淀粉在低水分(低于35%)和一定的高温(高于90 ℃)下所进行的纯物理改性方法，其污染小、成本低且制备过程中仅涉及水分与热能的变化，是目前用来制备RS与SDS最为常见的改性方法之一[6]。湿热处理在高热量与高湿度的条件下，部分淀粉双螺旋结构解离，淀粉平均分子量下降，另一方面，湿热处理促进了淀粉分子的自由运动，淀粉分子链形成新的微晶和单螺旋结构，增加淀粉分子的稳定性，提高淀粉的抗酶解能力[7]。温度与含水量是湿热处理中RS与SDS产率的决定性因素。Pham等[7]研究发现，红米RS含量同湿热处理的含水量与加热温度呈正相关，含水量30%、加热温度120 ℃处理后的米粒中RS含量达到最高值。淀粉链结构被认为与湿热处理后消化性能有关。卞华伟等[8]的研究表明直链淀粉含量越高的大米淀粉，湿热处理后RS与SDS得率越高。在食品工业上采用湿热法制备RS或SDS时，要综合考虑得率、原材料、能耗等多方面因素。

1.1.2 韧化处理

韧化处理是淀粉在水分过量(通常大于50%)、温度低于淀粉糊化温度但高于淀粉玻璃化转变温度的条件下进行的改性，其能够较大程度保持淀粉颗粒的完整[9]。韧化处理通过促进淀粉链的相互作用，增加淀粉的双螺旋结构，提高淀粉结晶度[10]。季寒一等[11]研究韧化处理对玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)和锥栗淀粉(C型)消化性的影响，发现3种晶型的淀粉的RS含量均显著增加，其中玉米淀粉RDS含量增加，SDS含量减少，马铃薯淀粉的RDS和SDS均减少, 锥栗淀粉的RDS含量减少。理论上，韧化处理可以有效促进RS的形成，但有研究发现韧化处理后的某些淀粉RS含量反而降低，如经韧化后的豌豆、扁豆、菜豆淀粉RS含量显著降低，RDS含量显著增加，这可能是由于韧化处理使淀粉产生了多孔结构，淀粉酶更易深入淀粉内部，导致易消化性增强[12]。刘畅等[13]的研究发现，30、40 ℃韧化后板栗淀粉的RS含量略有增大, 而50 ℃韧化后淀粉RS含量减少，其减少可能是基于淀粉多孔结构的增加。

1.1.3 挤压改性

挤压改性是一个机械热的过程，淀粉经一定的高温、高压和剪切作用，结晶度和淀粉链的空间结构发生一定程度的改变，冷却后，淀粉小分子片段重组形成新的聚合物[14]。戚明明等[15]研究发现，挤压改性处理在低水分条件下，豌豆淀粉小分子片段增加，分子流动性提高，冷却后更易回生，形成了短的淀粉聚合物，从而增加了SDS含量，但温度越高，淀粉凝胶化程度随之增加，使其更容易被酶消化。David等[16]认为适当的低温储藏更有助于RS含量的提高。对于某些RS含量高的天然淀粉，挤压处理反而会降低RS的含量，如天然菠萝蜜种子淀粉进行双螺杆挤压后，淀粉结构遭到一定程度的破坏，高温下淀粉发生糊化降解，淀粉由难消化的致密结构转变为更易消化的多孔多面体结构[17]。合理控制挤压的工艺参数以及选择合适的原料是制备更高得率RS或SDS的关键。

1.1.4 微波处理

微波处理是采用300 MHz～300 GHz的高能电磁波使食品内部极性分子产生微运动与摩擦处理方法，能对食品进行加热、烘烤、改性等，具有加热速率快、成本低等优点[18]。李江涛[19]研究了微波诱导抗性淀粉形成的机制，其处理主要分为微波加热与低温老化两个过程，微波处理使淀粉中部分直链淀粉和支链淀粉侧链断裂，这有利于低温老化过程中淀粉分子的重新排列与晶核的形成，而重复低温处理更利于形成结晶度高、结构致密的RS。Li等[20]研究表明，认为微波处理高功率更易破坏大米淀粉分子链之间的氢键与相互作用，这有利于低温老化过程淀粉分子结晶结构的形成，研究显示在10 W/g处理3 min后的籼米淀粉中SDS质量分数可达54%。

1.2 化学改性

经化学改性后的淀粉引入了新的官能团或分子结构发生了显著变化。常用于制备RS和SDS的化学改性手段有酯化、交联、酸处理等。由于化学反应过程中通常会引入新的基团，因此在保证其能够具有良好的抗消化效果之外，改性剂以及改性之后的淀粉对人体不会产生毒害作用。

1.2.1 酯化反应

某些达到食品级的有机酸如乳酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸等，在加热的条件下有机酸的羧基与淀粉残基中的羟基发生酯化反应生成淀粉酯。Li等[21]利用柠檬酸与淀粉发生酯化反应形成空间位阻较高的交联结构制备RS，形成的交联结构阻碍了玉米淀粉颗粒在加热过程中的膨胀和糊化，有效限制了消化酶与淀粉颗粒的结合。此外，乳酸、乙酸等也可以被用于制备RS[22]。辛烯基琥珀酸淀粉酯是在温和的碱性溶液中，淀粉与辛烯基琥珀酸酐反应生成的一种改性淀粉(OSA-改性淀粉)，其被认为是一种对人体无毒害作用的RS。Heacock等[23]以普通玉米淀粉为原料制备的OSA-改性淀粉中除RS之外还有较多SDS存在。

1.2.2 交联反应

淀粉中的醇羟基与交联剂的多元官能团发生交联反应形成含二酯键或二醚键的空间网状结构，交联改性后的淀粉的耐酸性与耐热性以及抗剪切力均有一定程度的提升[24]。常见的交联剂有三偏磷酸钠、环氧氯丙烷、氯丙醇、三氯氧磷等，交联反应会使淀粉引入新的元素或新的官能团，通常需进行相关的毒理实验以证明其安全性。范迎宾等[25]以三偏磷酸钠为酯化剂与甘薯淀粉反应，在葡萄糖单元上引入P-O-C基团，最终生成淀粉磷酸双酯，其相对于甘薯原淀粉，RS的含量显著增加，淀粉磷酸双酯被认为具有较高的食品安全性，可作为辅料添加在食品中达到调节血糖的效果。骞宇等[26]以三氯氧磷作为淀粉的交联改性试剂对玉米淀粉进行改性得到玉米抗性淀粉，经酶消化，变性后的玉米淀粉中抗性淀粉的质量分数达到70%，急性毒理学实验与亚慢性毒理学实验证明三氯氧磷化学改性玉米抗性淀粉无毒性，正常人 (65 kg) 的摄入量应该小于16.526 g/d。

1.2.3 其他化学改性方法

在制备RS或SDS的方法中，酸处理所用的试剂主要有无机酸和有机酸，其中有机淀粉的反应主要为酯化反应，无机酸中盐酸的应用较为常见，酸性条件下的淀粉链易发生裂解，形成结构更为完善有序的淀粉微晶，从而提高淀粉的抗消化性。Li等[27]以不同浓度的盐酸将百合淀粉制成质量浓度为40%的淀粉浆，50 ℃下连续搅拌40 min，并在水解完成后将pH调至6.5，随着酸浓度的增加，RS含量显著增加。周凤超等[28]以次氯酸钠为氧化剂处理马铃薯粉，马铃薯粉的消化性显著降低, 其中马铃薯粉中缓慢消化性淀粉和抗性淀粉含量与氧化剂浓度的成正比，淀粉中C-2位置上的烃基被氧化为转化为羰基和羧基，限制了酶对相邻未被取代的葡萄糖残基糖苷键的攻击，从而产生了抗消化效果。

1.3 酶改性

用于酶解法制备RS和SDS的酶分为两类，一类是可切断淀粉分子内的α-1,4-糖苷键的酶(如α-淀粉酶)，另一类是切断淀粉分子内α-1,6-糖苷键的酶(如普鲁兰酶和异淀粉酶)[29]。酶改性能够保留淀粉的糊化特性，改性后的淀粉以颗粒状存在，酶通过作用于非结晶区来改变淀粉的理化性质，其脱支后生成的短直链淀粉发生重结晶使得淀粉表现出较强的抗酶解性。用于淀粉改性的酶有α-淀粉酶、β淀粉酶、普鲁兰酶、异淀粉酶、葡萄糖转苷酶等[30]。酶改性的主要影响条件有酶的种类、淀粉乳浓度、加酶量、酶解时间。Zhang等[31]采用普鲁兰酶处理玉米淀粉，最佳处理条件下(时间32 h、pH5.0、温度46 ℃、酶用量12 ASPU/g)，经4 ℃低温储藏一夜，RS质量分数达到44.7%。曹旭等[32]以4-α-糖基转移酶对大米淀粉进行改性可有效制备SDS，但长时间(大于4 h)的酶改性使淀粉链崩解并生成环糊精、低聚糖、簇糊精等物质，从而淀粉体系回生焓降低即重结晶降低，导致SDS含量下降。

1.4 复合改性

复合改性是指对淀粉采取两种或两种以上的改性方法以达到所需的性能。在制备RS与SDS的过程中，为获得更高的产率，可采用多种改性复合的方法，不同改性方法发挥协同增效的作用，有利于提高淀粉的应用价值[33]。杨帆等[34]采用超声波-湿热处理并结合酸水解制备RS，最佳工艺(含水量30%、反应温度130 ℃、反应时间10 h、柠檬酸浓度0.15 mol/L、加热时间20 min、老化时间24 h)条件下，RS得率为40.672%，此方法所制备的RS具备得率高、含水率低、易储存、结构致密、热稳定性好等优点。张明[35]研究表明，微波协同湿热以及微波协同柠檬酸湿热处理玉米淀粉制备SDS和RS，其相比单改性，SDS与RS含量显著增加。乳酸、柠檬酸、乙酸等有机酸与湿热法联用处理玉米淀粉可有效制备RS[27]。

2 RS与SDS血糖调控机理

食用富含RS和SDS的食品能够有效防止血糖的急剧升高已得到研究人员的证实，但其在人体中发挥作用的具体机制尚未完全明确，目前已有许多研究人员针对RS与SDS所产生的血糖调控效果的机理进行了大量探究。

2.1 延缓血糖释放、降低餐后血糖水平

高GI食物易导致较高的餐后血糖水平，长期的高血糖状态易引起靶组织对胰岛素敏感性的降低，产生胰岛素抵抗，并最终导致胰岛细胞的衰竭，而富含RS与SDS的食物有较低的GI值，进入人体消化后伴随着一个比较温和的血糖反应[36]。RS在人体内不被消化，进入结肠后发酵，可以降低胃排空率来调节餐后血糖反应，RS的大量食用对第二餐血糖水平升高有一定抑制作用，即所谓的“第二餐效应”，在日常饮食中添加这一类淀粉有助于保持一个较低的血糖水平[37]。SDS与RS不同的是，其可以被人体消化系统消化，但与RSD相比，其消化速度缓慢。SDS的慢消化机制主要有两种，一是淀粉的物理结构限制与酶的接触，二是其化学结构减缓酶的消化速率[38]。SDS能延缓血糖释放，改善餐后血糖负荷，不会出现餐后的血糖高峰，同时也具有“第二餐效应”，对糖尿病人的血糖调控及Ⅱ型糖尿病的预防都具有良好的效果， 并能够有效预防依靠胰岛素治疗的糖尿病人出现夜间低血糖反应[39]。

2.2 提高胰岛素敏感性，改善胰岛素抵抗

胰岛素抵抗是指胰岛素对促进靶细胞或靶组织对葡萄糖摄取利用的能力下降，机体需要增加胰岛素的分泌来维持机体的血糖稳定，这是Ⅱ型糖尿病的主要发病机理之一。引发胰岛素抵抗的因素较多，如脂肪组织的大量积聚、高血糖与高血脂引发的氧化应激反应、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等致炎因子的生成增多等因素都会引发胰岛素抵抗[40]。王竹等[41]让受试者食用富含13C的 RS、可消化淀粉、葡萄糖，采用放射免疫法测定餐后胰岛素，研究表明RS的ins/glu(胰岛素/血糖，表示机体对胰岛素的敏感性)明显低于可消化淀粉与葡萄糖。据研究表明，RS可能通过改善脂肪代谢异常来提高胰岛素敏感性[42]。Gou等[43]在一项富含SDS的饮食测试中发现胰岛素抵抗的受试者中显示出较低的餐后血糖和胰岛素反应，SDS对提高胰岛素敏感性有显著效果，但关于其减小胰岛素抵抗的具体机制仍有待进一步探究。

2.3 刺激肠促胰岛素分泌

RS不能被人体消化系统消化吸收，到达结肠时，在一些特定微生物的作用下进行发酵，短链脂肪酸(SCFA)为主要发酵产物之一，主要为丁酸盐、丙酸盐和醋酸盐。SCFA能够促进胰岛素的分泌，其中丙酸盐已被证明具有类胰岛素的功能[44]，目前关于SCFA对胰岛素的作用机制尚不明确，但许多的研究证实SCFA能诱导某些肠促胰岛素的分泌。肠促胰岛素是经肠道分泌具有促进胰岛素分泌功能的一类激素，目前已探明的主要肠促胰岛素激素有胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、酪酪肽(PYY)和抑胃肽(GIP)。其中GLP-1是由位于远端小肠和结肠的L细胞分泌的一种能够对葡萄糖依赖性胰岛素分泌起促进作用的肠源性激素[45]，GLP-1经分泌出后与胰岛B细胞上的特异性受体结合，经过一系列葡萄糖信号转导使一些起关键作用的蛋白质磷酸化，从而促使胰岛素分泌[46]，GLP-1的另一个降血糖途径是其被认为能抑制胰高血糖素的分泌，尽管其具体作用机制尚不明确，但已有许多研究证实[47]。PYY与GLP-1同为L细胞所分泌的一种肠源性激素，能够降低食欲、抑制胃肠排空，也有研究认为PYY对胰岛素的分泌也有一定的促进作用[48]。GIP是由十二指肠和空肠近端的K细胞所分泌，能够刺激胰岛素以及GLP-1的分泌，但研究显示Ⅱ型糖尿病人体内GIP的促胰岛素功能基本消失[49]。Zhou等[50]以玉米抗性淀粉饲喂小鼠，在喂养10周后对小鼠执行安乐死，并刮取小鼠盲肠表面上皮细胞，与对照组小鼠相比饲喂含RS的小鼠胰高血糖素原和PYY的mRNA表达均显著增加，这表明RS能有效促进小鼠肠道内GLP-1与PYY的产生。Zhou等[51]通过对小鼠投喂RS，在RS发酵产生SCFA释放并作用到小鼠体内后，检测小鼠肠道特定区域的肠内分泌细胞系(STC-1)的胰高血糖素原(GLP-1前体)和PYY的基因表达，发现了SCFA对小鼠体内的STC-1细胞的胰高血糖素原的基因表达和PYY启动子活性有直接刺激作用，其实验结果表明PYY与GLP-1的分泌可能的影响机制是受SCFA的调控。目前已发现2种特异性SCFA跨膜受体，分别为G蛋白耦联受体41(GPR41)、G蛋白耦联受体43(GPR43)是，在肌肉和肝细胞膜等组织上均能发现GPR41和GPR43的存在，SCFA可能是通过激活GPR43和GPR41通路刺激肠道L细胞分泌PYY与GLP-1[52]。

Regmi等[53]对猪饲喂具有不同消化性的淀粉，研究发现SDS较RDS能增加猪对SCFA的吸收并降低了胰岛素峰值，通过检测其血浆发现SDS增加了GIP和GLP-1的分泌，其分泌机制可能是肠道中的葡萄糖通过刺激K细胞和L细胞顶膜进行信号传导诱导其释放GIP和GLP-1。Renate等[54]等通过让健康男性摄入具有不同消化性的淀粉也得出了类似的结论。

2.4 促进葡萄糖代谢与肝糖原合成

Sun等[55]探究了RS2治疗大鼠Ⅱ型糖尿病的潜在机制，结果表明RS2的降糖作用可能是通过下调关键酶磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酯酶(G6Pase)的表达水平来调节葡萄糖代谢与糖异生；而在高糖高脂饮食的大鼠中，RS2的摄入可使胰腺中十二指肠同源框1(PDX1)、葡萄糖激酶(GK)、葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)的表达水平升高，促进肝糖原的合成；此外大鼠体内的胰腺细胞得到了一定程度的修复，胰岛素受体底物1(IRS1)与胰岛素受体底物2(IRS2)的表达水平得到上调。Zhang等[56]认为小鼠在饮食RS3后可以下调左旋精氨酸、左旋组氨酸和脯氨酸表达水平，从而促进TCA循环并产生更多的α-酮戊二酸，还可下调缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸表达水平，促进TCA循环并产生更多的琥珀酸，通过加速TCA循环，可促进葡萄糖的利用，降低血清中葡萄糖含量。在健康男性体内，SCFA中的乙酸盐和丁酸盐可能通过增加AMP与ATP的比值和上调过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)的表达水平，来增加肝脏的腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)磷酸化和活性从而增加糖原的合成[54]。图1和图2将近年来研究提出的RS与SDS在人或其他动物模型体内的控血糖作用机制进行了综合，但不同的动物模型之间、人体与动物模型之间、不同人种和性别之间的作用机制都有可能存在不同程度的差异。

注：↑：反应速率增加、产物浓度或比例增加、基因表达水平增加；↓：反应速率下降、产物浓度下降，下同。图1 RS对血糖的调控机制

图2 SDS对血糖的调控机制

3 RS与RDS在抗消化食品中的应用与前景

通过对淀粉进行改性，使淀粉中产生更高含量的RS或SDS，目前主要的应用有直接对淀粉类食物原料采取改性措施以提高其中的RS或SDS含量再食用，或将RS、SDS含量较高的淀粉或纯RS、SDS以粉末的形式应用于各种食品，可以用于日常食用的主食、零食、饮料、调味品等，也有研究人员利用RS的难消化性制作微胶囊[57]。

湿热改性后的红薯淀粉RS与RDS含量显著提升，将其应用至面条中，适合糖尿病人的日常食用[58]。经湿热处理的红米米粒的RS质量分数能够达到49.1%[7]。抗性淀粉在应用于低GI的高温或油炸食品时，通常使用RS3，其相对于RS1和RS2具有更高的热稳定性，在高温中不易变性[59]。生玉米淀粉具有较高含量的RS和RDS，其可以作为添加成分制作用来供给糖尿病人食用的功能性零食，如含生玉米淀粉的巧克力棒，这类零食被称为糖尿病人的夜宵零食，能够防止夜间或剧烈运动后的低血糖症状的出现[60]。

目前具有抗消化的低GI功能性食品市场规模较小，但事实上，其潜在的需求极大。随着越来越多的糖尿病患者的出现，低GI食品已慢慢引起重视，其不仅能够作为辅助治疗糖尿病的手段，而且对预防糖尿病也有一定功效。随着未来低GI食品市场的扩大，消费者对这类食品品质的要求必将逐步提高。经改性制备的RS与SDS理化性质发生显著变化，结合产品与RS、SDS的理化特性，在产品中合理添加RS与SDS，有助于开发兼具抗消化效果与品质好的低GI食品。如有机酸结合湿热法处理的玉米淀粉(RS与SDS含量高)，具有较低的糊化特性[27]，这可能适宜低黏度食品的开发。但目前低GI食品的品质探究仍比较缺乏，有待更进一步的研究与开发。

4 展望

RS和SDS对肥胖人群和糖尿病人群有较好的生物学功效，目前市场上已有的低GI食品的品种单一，且数量上远不能满足市场需求，在开发这类具有抗消化或慢消化效果的食品时，要兼具美味、品种多样等特点，这对未来糖尿病的预防具有积极作用。RS与SDS在工艺上还存在制取率低的问题，大部分SDS和RS在较高温度下易变性，这对开发需要经高温或油炸的低GI食品是不利的，因此，加工工艺的改进是未来研究方向的一个重点。目前已有较多研究人员进行了有关RS与SDS调控血糖的机理探究，RS与SDS在人体内的具体作用机制较为复杂，但目前仍未形成一个系统全面且较为准确的理论，有待进一步发现。