不同高压处理下薯类食物消化特性研究进展

摘 要：挤压膨化技术、超高压处理技术、高压湿热处理技术、高压均质技术作为物理改性技术，已广泛应用于食品物料改性研究中。综述了近年来国内外关于不同高压处理技术在薯类食物消化特性中的研究与应用。通过对比分析，探究不同高压处理条件对薯类食物消化特性的影响。挤压膨化技术处理后的物料适口性好，但会损失物料中的游离氨基酸和维生素;超高压处理技术作为非热物理改性技术，改性效果较好，但设备较为昂贵，产品后期贮藏条件较为严格;高压湿热处理技术操作相对简便，在高压湿热条件下有利于抗性淀粉生成，改性效果较好，应用较为广泛;高压均质技术因缺乏对薯类相关研究作为理论支撑，目前无法充分证明其对薯类消化特性的影响，但该技术应用于其他物料时呈现了良好的降低淀粉水解率的效果，物料中抗性淀粉含量增加，这为高压均质技术改性物料奠定了理论基础，也为今后的研究提供了思路。

关 键 词：薯类; 挤压技术; 超高压; 高压湿热; 高压均质; 消化特性

中图分类号：TS215 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2023.06.010

Research progress on digestive characteristics of potato under different pressure treatment conditions

WANG Dongwei¹， DONG Shengzhong²， YANG Yuxia¹， XIU Wenyi¹， LIU Jiali¹， YANG Hongli¹

（1. College of Grain Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Extrusion technology， ultra-high pressure treatment technology， high pressure wet heat treatment technology， high pressure homogenization technology as physical modification technologies， have been widely used in food material modification research. In this paper， the research and application of different high-pressure treatment techniques on the digestive characteristics of potato foods at home and abroad in recent years were reviewed， and the influence of different high-pressure treatment conditions on the digestive characteristics of potato foods was explored through comparative analysis. The material treated by extrusion technology has good palatability， but it will lose free amino acids and vitamins in the material; As a non-thermal physical modification technology， the modification effect of ultra-high pressure technology is better， but the equipment is more expensive and the storage conditions of products are more strict. High pressure wet heat treatment technology is relatively simple to operate， and it is conducive to the formation of resistant starch under high pressure wet heat condition， and the modification effect is good， and it is widely used. Due to the lack of relevant researches on tubers as theoretical support， the influence of high-pressure homogenization technology on the digestibility characteristics of tubers cannot be fully proved at present. However， when it is applied to other materials， the technology shows a good effect of reducing the hydrolysis rate of starch and increasing the content of resistant starch in the materials， which laid a theoretical foundation for the modification of materials by high-pressure homogenization technology and also provide some ideas for future research.

Key words：potato; extrusion technology; ultra-high pressure; high pressure heat and humidity; high pressure homogenization; digestive characteristics

近年来，随着人们对食品营养、合理膳食的重视，薯类逐渐为人们所关注。薯类作物富含多种人体所需元素，营养价值颇高^［1］。甘薯中的蛋白质成分和普通水稻中的蛋白质成分接近，有很高的营养价值，甘薯中的淀粉也更易于被身体的消化系统吸取^［2］;红薯中的烟酸、胡萝卜素及钾、钙等矿物质元素浓度都较高，而且膳食纤维浓度也较高^［3］;紫薯的营养元素也比较齐全，不但具有一般红薯中的无机盐、糖、蛋白质等，而且还含有许多微量元素，其中有“抗癌大王”之称的“硒”的浓度最高^［4］;马铃薯具有一般粮食所缺乏的赖氨酸和色氨酸，并且马铃薯中还含有较高含量的抗坏血酸^［5］。

我国科学家目前已在马铃薯的种植栽培、生产利用和营养价值等领域取得大量科研成果。薯类中富含的优质纤维素和抗性淀粉不但可加快胃肠蠕动，还可延缓人体对淀粉的消化吸收，薯类从而成为控制主食食品升糖指数的关键作物^［6-11］。

1 薯类中的抗性淀粉及其与消化特性的关系

在抗性淀粉的功能特性研究中，多项研究表明，抗性淀粉具有降低血糖和血脂的作用，对预防糖尿病也有一定的作用^［12］。淀粉食品的升糖指数主要与淀粉颗粒的种类、水分浓度、糊化程度和生产环境等影响因素有关^［13］，同时上述影响因素还与抗性淀粉的产生有重要联系。富含抗性淀粉的食品不易被消化，能够调节血糖水平、降低胰岛素反应并利用储存的脂肪^［14］。

薯类所含淀粉中的抗性淀粉比例较高，由于其能量较小，而且对多种营养蛋白质的分解代谢有抗性，所以在人体中消化吸收缓慢，有助于保持血糖平衡，从而降低饥饿感，并减少血液中的胆固醇和甘油三酯的含量^［15］。

2 体外消化模型在薯类食物中的应用

2.1 体外消化模型在测定薯类淀粉水解率中的应用

抗性淀粉（resistant starch， RS）是降血糖食物的重要成分，详细精确地计算食物中抗性淀粉的浓度极其重要。按照检测环境RS的测定方法可划分为体内检测与体外检测。其中，体外检测方法按照实验要求划分为实验室方法和体外模型方法。实验室方法中又根据其所用的酶和酵解条件的不同划分为Englyst法、Goni法、Berry法等。有关专家也做了仔细的对比，指出Goni法的检测条件比较贴近机体的消化吸收条件。表1为各评级法酶解条件的差异比较结果^［16-17］。

2.2 体外消化模型在薯类蛋白质中的应用

蛋白质体外消化模型一般以蛋白质的消化吸收率为重要参考，蛋白质的消化吸收率指食品中蛋白质被消化系统吸收的部分与总蛋白质数量之间的比例，是判断蛋白质营养的最重要指标^［18］。消化吸收率高的蛋白质在被消化或吸收后可以形成更高的氨基酸，从而具有更高的食品营养价值。近几年来，不同类型的蛋白质已被广泛用作体外消化模型的基础，其中常用的有大豆蛋白^［19］、乳制品蛋白^［20］和蛋清蛋白^［21］等。

但是对于人体的消化系统的复杂情况来说，多酶共同作用相比于单酶更加符合人体内的消化系统情况^［22］。Prandi等^［23］在对各种消化吸收酶系统开展深入研究时，对比了2种消化吸收酶系统（单纯酶消化体系和多酶消化体系）对薯类蛋白体外消化率的差异。科学研究还证实，通过模拟各种酶对蛋白质的消化吸收更有利于模拟蛋白质在胃肠道内的消化吸收情况。表2为各种体外消化吸收模型的优缺点。

3 不同高压处理方式对薯类食物消化特性的影响

3.1 挤压技术及其对薯类食物消化特性的影响

挤压处理（挤压膨化）是将食品材料放在高温、高压的环境中，突然释放能量至常温常压，从而引起材料结构与性能的改变过程^［28］。经升温、高压，淀粉粒子中大分子间氢键弱化，导致变性淀粉粒子部分解散，产生网纹组织，黏度增加，进而发生糊化。将压榨技术运用到抗性淀粉生产预处理过程时，由于在抗性淀粉生产处理过程中压榨技术具有预糊化功能，从而增加了变性淀粉糊化的可能性。只有使淀粉完全糊化，才能使淀粉酶与普鲁兰淀粉酶对其充分利用，生成必然长度的直链淀粉分子，通过调整蛋白酶的利用条件，进而增加抗性淀粉得率。挤压技术是指利用高压、髙温或高剪切作用，导致连接在化纤分子物质内部的化学键破裂，从而改变了分子结构的极性并且使分子剪切，使化纤内物料被完全的微粒化，也因此增加了物料与水分子间弥散的接触面积，从而增加了亲水性，减少了不可溶性的膳食纤维比例，从而增加了可溶性膳食纤维的浓度^［29］。这一技术不仅改善了纤维物料的口感，而且也增强了物料的溶解性。水溶性膳食纤维可以有效控制葡萄糖被消化吸收时血糖的增加。挤压方法可提高制品的适口度，且成本低，但仍具有无法溶解物质、分解营养物质的缺点。

倪文霞^［30］通过比较纤维素酶和压榨工艺技术对红薯渣的改性，使酵解渣和压榨技术渣广泛地应用于生产面食和饼干，从而提高了面食和饼干中的膳食纤维的浓度。科学研究结果显示，红薯渣在经挤压技术的改良后，水溶性膳食纤维浓度显著提高，含量为19.23%。莎日娜^［29］以马铃薯渣为原材料，分别探讨了纤维素酶和挤压处理方法对马铃薯膳食纤维的作用，实验结果显示，2种改性方式处理的马铃薯渣水溶性膳食纤维浓度均增加，而以挤压处理方式增加的水溶性膳食纤维浓度则高于以纤维素酶的处理。

3.2 超高压技术及其对薯类食物消化特性的影响

超高压（high hydrostatic pressure， HHP）处理工艺是通过100MPa的电压，在常温或更低工作温度下对食物进行杀菌、物料改性及使食物发生生化反应等^［31］的一种食物处理方法。超高压处理有结构均匀、运行稳定、费用较低等优点。淀粉经过超高压处理后，A型结晶受到高压影响，双螺旋部分重新聚集，部分变成了B型，所以和高温下糊化淀粉一样，经过超高压处理的淀粉显示出了不同的糊化程度和胶状特性，有一些淀粉在未产生糊化的情况下，由于淀粉颗粒仍保持了原有的分子结构，增加了RS的含量^［32］。超高压技术增加了货架期，保持了食物原有的风味和营养价值，提高了产品的价值。但该技术所应用的设备相对昂贵，而且大多数改造后的产品需要在冷冻的条件下贮存和运送;该技术也不适合面制品带有巨大气泡的产品。由于超高压技术需要将水当作压力传递介质，所以带有泡沫的产品也不适合。

Raad^［33］研究了在超高压和酶解条件下马铃薯淀粉分子结构和生物化特征的变化，研究发现，在600MPa以下，马铃薯淀粉等B型淀粉是最耐高压的。超高压下α-淀粉酶处理可以同时改变RS的结晶结构和理化性质，但改变程度受酶浓度和压力水平的影响。薛路舟^［34］研究证实，通过超高压加工可使蛋白质分子的内部结构完全变化或使蛋白质分子内部结构的二、三、四级结构变化，在500MPa下时，一级结构并没有发生改变。超高压处理过程也能够明显地影响淀粉的糊化程度。Sun等^［35］发现，随着加热温度和加热时间的增加，甘薯蛋白体外消化率显著增高，HHP处理时压强的改变对消化率的影响较小或没有影响。HHP处理增加了甘薯蛋白二次构成中β-折叠浓度，无规卷曲浓度明显减少。研究表明，甘薯蛋白结构的变化可能是影响甘薯蛋白体外消化率的主要原因，且热处理对甘薯蛋白的影响更为明显。

3.3 高压湿热技术及其对薯类食物消化特性的影响

压热处理（高压湿热处理）是在一定温度和压力条件下，对含水分量高于40%的淀粉溶液进行处理。在一般情况下，高温、高压和高含湿度条件有利于抗性淀粉的形成。这主要是由于在淀粉糊化充分后，直链淀粉的氢键断裂，发生凝沉所致。在高压高热影响下，部分不溶性膳食纤维转变为可溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维吸收膨胀，形成高黏度的水溶胶或凝胶^［36］，葡萄糖的扩散速率减小，α-淀粉酶的活性也得到有效控制^［37-38］。压热技术常被用来做灭菌处理，其操作简便，且大量研究证明将其应用于物料改性后，改性效果良好。

闫巧珍^［39］应用体外消化法，探讨了物理处理方法对马铃薯全粉理化特性和消化吸收功能的影响，实验结果表明，经湿热处理的马铃薯全粉结晶性、可溶性、RS和SDS（slowly digestible starch）浓度均有增加，而还原糖和RDS（rapidly digestible starch）的浓度则减少。当水分浓度约为30%时，溶解度、还原糖和RS浓度均变大。在100℃时，RDS浓度最低，而RS浓度最大。Onyango等^［40］研究了在压热-酸解法制备木薯的RS过程中储藏时间及储藏温度对RS3形成的影响。结果表明，当不加酸处理，压热时间为15min时，以及加酸处理，压热时间为45min时，RS3 得率最大;同时，在水环境压热条件下，RS3晶体熔融的温度为158～175℃，加酸处理则热转换不明显。Wittawat等^［41］研究了湿热处理后蜡质淀粉和普通淀粉的微观结构和物理化学特性。在100℃，水含量为25%的条件下，将玉米、大米和马铃薯淀粉样品处理16h，结果发现只有大米淀粉表面胶化，蜡质马铃薯淀粉晶型发生由B型到C型的转变，在黏度变化方面，普通淀粉比蜡质淀粉明显，而糊化温度则恰好相反。

3.4 高压均质技术及其对薯类食物消化特性的影响

高压均质技术是一种以流体力学和超高压理论为基础的迅速、有效的动态高压处理技术^［42］。其在几秒内就能形成超过200MPa的压强，且处理时限极短，能进行连续性作业^［43］。高压或均质作用中发生的剧烈的切割、冲击、震动，以及气穴效应导致了淀粉的分子结构被打破，淀粉的分子链断裂，淀粉分子结构也发生了变化，从而导致了淀粉的理化特性发生改变。因此，高压均质会引起淀粉的持水力、溶解度和膨胀度提高，并降低淀粉的黏度、糊化温度及糊化热焓值，改善淀粉的凝沉性和冻融稳定性^［44］。高压均质机对材料的细化作用很强，其细化机理是依靠材料的作用，因为材料的发热量小，所以可维持材料的性质基本不变，但能耗高、易磨损且不易维护。

高压均质技术目前多用于小麦、稻米等主粮作物，鲜有学者将其应用于薯类。孟爽^［45］利用高压均质稳定技术成功生产了玉米淀粉-类脂复合物，实验结果显示，动态高压均质固定技术改善了玉米淀粉分子，支链淀粉中的α-1，6-糖苷键被破坏，进而使得淀粉分子量减少和直链淀粉数量提高，经高压均质处理后的玉米淀粉-亚麻酸复合抗消化性能增加。刘誉繁^［46］采用高压均质固定工艺对水稻淀粉进行了物理修饰，并利用现代方法系统地研究了高压均质固定压力和均质次数对水稻淀粉链组织结构和聚态功能及其消化特性的影响，研究结果表明，水稻淀粉的RDS数量下降，而RS数量则上升。在高压均质稳定过程中，玉米淀粉分子链一方面因为受剪切力的影响而出现破裂，产生了分子量相对较小的微粒分子，玉米淀粉原有结构，包括与氢键作用结合形式、结构、双钉状结构和有序性结构均遭到了破坏，向不定型结构转化;另一方面，在剪切力的影响下分子链出现了取向的重新排列，通过氢键的作用产生了单螺旋结构、双螺旋结构等更近距离的新结构，或通过缠绕与聚集排列形成致密的微区结构域，从而降低和屏蔽了淀粉酶在淀粉分子中的迁移速率和作用位点，抑制了淀粉的降解速度和程度。这也证明了高压均质技术在降低淀粉水解率方面的可行性，为今后将高压均质技术应用于薯类研究奠定了理论基础。

4 总结及展望

通过综述不同高压处理对薯类食物消化特性的影响，发现不同的体外模型对薯类消化特性的影响不尽相同，且在不同高压方式处理下对体外消化率的影响也不尽相同。

挤压技术利用高温和高剪切的作用效应，导致连接纤维蛋白质间的化学键破裂，使水溶性膳食纤维浓度增加，从而改变了薯类的消化特征，该技术可提高产品的适口性，降低生产成本，但同时也存在着产生不易消化吸收的产物、破坏营养平衡等不利因素。

利用超高压处理技术作为非热处理使淀粉的生产过程显示出不同糊化和凝胶材料的特性，其中一些技术可在不产生糊化过程条件下，淀粉最大程度保留其原有颗粒结构并增加RS含量，虽然改性效果较好，但设备价格上相对昂贵、生产后期的贮存要求也相对严格。

高压湿热处理作为物理改性技术改变了淀粉的结构，将淀粉分子链重排，形成的双螺旋结构更加牢固，抗酶解功能也得到提高，从而达到了对淀粉消化特性的调节目的。该技术操作简便，且大量研究证明，将其应用于物料改性后改性效果良好。高压均质过程中产生的强烈的剪切、撞击、振荡等作用使淀粉颗粒结构被破坏，淀粉的分子链发生断裂，改变了淀粉结构。

高压均质机对材料的细化作用较强，可维持材料的性质基本不变，但均质机能耗较高、易磨损且不易维护，鉴于国内外目前将高压均质技术应用于薯类的研究较少，日后研究中可针对此项技术对薯类的影响进行更为系统的研究，同时，高压均质技术应用于其他物料时降低淀粉水解率的特性也为今后高压均质技术在薯类消化特性方面的研究提供了理论支撑。

致谢 沈阳师范大学校级大学生创新创业训练计划资助项目（X202310166250）。

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