甘薯抗性淀粉研究进展

赵凌霄, 赵冬兰, 戴习彬, 周志林, 曹清河

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所,徐州 221131)

中国营养学会2021年发布的《中国居民膳食指南科学研究报告》指出,膳食不平衡的问题突出,长期摄入可快速消化的碳水化合物易导致餐后血糖急剧上升,是导致肥胖、“三高”和糖尿病等慢性病和结直肠癌等肿瘤疾病的主要危险因素,这些疾病的发生呈现出高发性和低龄化等特点和趋势[1,2]。由于抗性淀粉(RS)不能在健康人体的口、胃及小肠中被消化吸收,但能在大肠中被肠道微生物群缓慢发酵,因此对控制人体血糖和血脂、保持肠道健康等方面具有良好的作用。另外,RS还可调节肠道菌群的组成和功能,从而改善宿主健康状况,因此越来越受到食品和营养学专家的关注[3-8]。

甘薯块根中淀粉含量高(干基质量分数可达85%),广泛应用于甘薯粉丝、粉条、凉粉和粉皮等食品加工行业[9-12]。与其他常见植物来源的淀粉相比,甘薯原淀粉、糊化淀粉或回生淀粉中RS的含量处于较高水平(见表1)[13-15]。虽然水稻和马铃薯等常见作物糊化淀粉中RS含量同样较高,但是其淀粉产品血糖生成指数(GI)高于甘薯[16]。GI是一种依据碳水化合物释放葡萄糖进入血液的相对能力对富含碳水化合物的食物进行评分的参数,经常食用富含膳食纤维的低GI食物可以有效缓解肥胖及糖尿病和心脏病等相关问题,还可预防特定类型的癌症[17]。随着人们对膳食质量的要求不断提高,使得甘薯淀粉的特性,尤其是消化特性成为研究的焦点。因此,结合近年来甘薯RS相关的研究成果,文章就甘薯淀粉的保健效果、淀粉中RS的含量测定、RS含量的影响因素和甘薯RS的制备方法及其特性等方面进行综述,旨在为甘薯淀粉产品的开发和推广利用提供参考。

表1 不同植物来源淀粉中抗性淀粉的质量分数

1 甘薯淀粉的保健价值

我国甘薯产量和淀粉产量都处于较高水平,是农民青睐的淀粉作物。与其他常见作物淀粉相比,甘薯淀粉中RS的含量处于较高水平(见表1),其保健效果受到关注。研究证实,甘薯淀粉能够通过提升大鼠体内脂肪细胞因子、促炎反应和胰岛素信号水平来提升胰岛素的敏感程度[28]。食用含有甘薯RS的饲料能降低高脂小鼠的体重和肝重,降低高脂小鼠肝脏中脂质合成的能力;维持小鼠盲肠壁的重量,改善小肠的健康状况,维持肠道菌群平衡[29-31]。培养基中添加甘薯RS能提高双歧杆菌的浓度,对双歧杆菌显示出较好的益生元效果[32,33]。另外,食用紫甘薯RS使肠炎小鼠的胸腺和脾脏指数显著下降,肠道菌群组成和相对丰度获得显著改善,肠道炎症得以缓解[34]。因此,甘薯淀粉在人类保健方面具有显著的效果,在健康食品加工方面具有更广泛的开发价值和应用潜力。

2 甘薯抗性淀粉的含量测定方法

为向市场提供准确的营养信息,筛选出RS含量较高的优异种质,服务于产品开发、应用、市场推广和种质创新等行业,需要测定并获取甘薯淀粉或加工产品中RS的含量数据。但是由于RS含量的测定需要模拟体内消化的过程,属于一种动态检测,测试数据对测定条件的依赖性较大,样品的制备、酶的种类和反应时间以及反应条件等需要在样品间保持一致的因素较多,导致RS难以精准定量[3]。

目前植物淀粉中RS含量的测定方法主要分为体内测定技术(invivotechniques)和体外测定技术(invitrotechniques),见图1。由于RS主要是指淀粉在胃和小肠中不能被消化酶降解的部分,因此体内测定技术是测定食物中RS含量最直接的方法,例如回肠造口术模型[35,36]以及大鼠体内消化实验(图1a)[37]。然而,体内测定方法用时较多、费用昂贵,需要专门的设备和人员,还涉及伦理问题。此外,由于不同的实验个体在咀嚼方式、消化酶的活性和健康状况等方面的差异,导致淀粉的消化过程稳定性不一致[4]。由于体外测定技术能够排除不稳定因素的干扰,因此更有利于研究淀粉结构在消化过程中的变化规律。目前植物淀粉中RS含量的体外测定主要依据Englyst等[38]和Goi等[39]的方法进行,且已广泛应用在甘薯淀粉中RS含量的测定上(图1b)[15,18,40-45]。

图1 抗性淀粉含量的体内和体外测定技术

Englyst等[38]的方法主要确定了不同来源淀粉的酶解条件,并根据实验过程中葡萄糖的释放和吸收情况对淀粉产品进行分类。基本原理主要是通过沸水糊化、回生、碱解、酶解等步骤分别测定总淀粉和可消化淀粉的含量,通过从总淀粉含量中减去可消化淀粉的含量得出RS的含量,该方法通过与体内测定技术进行对比获得充分地验证[36,38]。近年来,Guo等[18]、Shi等[15]、Lu等[44]和Ye等[45]对该方法进行了优化,省去了沸水浴糊化淀粉和使用转化酶等步骤,加入了糊化淀粉和回生淀粉中RS含量的测定,使获得的数据更全面。

通过2种方法的对比发现,Englyst等[38]的方法对测定操作要求较高,不同技术人员获得测定结果的重复性难以保证[47]。Goi等[39]的方法与之相比,结果的可重复性较强,且耗时更短,成本更低,但操作步骤仍旧繁琐,因此难以快速测定大批量样品中RS的含量,仍然需要建立一种针对RS含量的高通量测定方法。

3 甘薯淀粉的可消化性和抗性淀粉含量的影响因素

甘薯淀粉的可消化性和RS的含量主要取决于淀粉对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶(麦芽糖酶)的敏感性,由淀粉颗粒结构、葡聚糖结构以及淀粉与其他食物成分之间的相互作用共同决定,包括食物成分间物质互作、采后储藏条件、淀粉粒径、栽培条件和遗传修饰等[45,48-51]。

蛋白质、脂类和纤维等成分与淀粉的互作能够提升淀粉的可消化性[42,52]。杨烨[50]研究发现,甘薯淀粉中RS的含量会随着储藏时间的变化而逐渐下降;储藏期甘薯的萌芽或遭遇冷害,导致块根内部淀粉酶产生变化,也会降低RS含量。粒径更大的淀粉具有更高的表观直链淀粉含量和相对结晶度,直链淀粉的分子量也更大,因此对消化酶的抗性更高[53]。生长过程中,随着生长温度的升高,淀粉的平均粒径显著增加;小粒径淀粉颗粒更大的表面积体积比使其与淀粉酶的接触更充分,消化性强于粒径更大的淀粉粒,因此更高的生长温度有利于产生粒径更大的淀粉,提高淀粉中RS的含量[54]。

由于人类食用的主要是蒸煮后的淀粉(糊化淀粉),而蒸煮后淀粉的消化性则主要依赖于直链淀粉含量的高低和支链淀粉分支结构的复杂程度,因此通过调整淀粉中直链淀粉的含量或支链淀粉的结构来改善淀粉的消化特性是甘薯分子育种中备受瞩目的研究内容[54]。其中,通过遗传修饰手段改变甘薯淀粉合成相关基因的表达,是调整甘薯淀粉中RS含量的主要方法[55]。研究表明,通过对甘薯淀粉合成相关基因进行遗传修饰,可以实现直链淀粉含量的增加,或支链淀粉中长侧链占比的的提高,从而提高淀粉中RS的含量[56,57]。SBEII的抑制表达,在不改变淀粉颗粒形态的情况下提高了直链淀粉和RS的含量[58,59]。SSII的抑制表达增加了甘薯淀粉中支链淀粉短侧链的比例,提高了淀粉的消化性,因此降低了RS的含量[60,61]。甘薯IbSSI沉默株系的直链淀粉含量升高,能够起到提高RS含量的效果;而IbSSI过表达后,直链淀粉含量降低,支链淀粉的短侧链比重下降,但是同时淀粉颗粒粒径增大,因此对淀粉消化特性的影响还需进一步证实[62]。Wang等[48]研究发现IbSBEII的敲除显著提升了直链淀粉和RS的含量。因此,通过遗传修饰手段调整甘薯直链淀粉的含量,进而改变淀粉中RS的含量是可行的(见表2)。同时,提高直链淀粉含量会降低淀粉产量的问题还需进一步探索和改良。

表2 甘薯淀粉合成相关基因的遗传修饰

4 甘薯抗性淀粉的制备及淀粉特性

由于具有较高的RS含量和极低的GI值,天然甘薯淀粉本身即可被用来作为一种食品添加剂,改善产品品质,增加产品的营养价值或丰富其功能。已有研究表明,添加甘薯淀粉可增加所制成产品中RS的含量[63]。为更充分地发挥甘薯淀粉作为功能食品的潜力,需要对甘薯淀粉进行处理或修饰以制备获得大量纯度更高或者稳定性更好的甘薯RS。近年来,国内外甘薯加工领域的科研人员对甘薯RS的制备方法进行了深入研究,常用的甘薯RS制备方法包括化学修饰法、物理法和酶解法等,见表3。

表3 甘薯抗性淀粉的制备方法

化学修饰的RS在加工过程中具有较好的稳定性,因此化学修饰是制备RS的首选方法[70]。研究结果表明,盐酸处理提高了淀粉胶强度,影响甘薯淀粉的特性[71]。酸解处理能够腐蚀颗粒外围的无定形部分,剩余的晶体部分对消化酶的抗性更强,有利于RS的形成[72-74]。柠檬酸能够在水解淀粉的同时和淀粉发生酯化及交联反应,抑制酶解速率,且不改变颗粒形态[67]。苹果酸含有的羧基能和淀粉形成酯键,使甘薯淀粉在保持颗粒形态的前提下显著增加RS含量[73]。另外,磷酸化、羧甲基化、氧化、羟丙基化、乙酰化和交联等也属于制备RS的化学修饰方法[69]。但是化学修饰法都存在着反应复杂、速率慢、产物质量不稳定等一系列缺点,化学添加物多,导致其产品的推广存在一定的难度,而物理法则相对环保经济,适应性广[75]。

物理法指通过物理手段改变淀粉结构,从而提高淀粉中RS的含量,主要包括湿热和退火处理等。湿热处理法是一种广泛应用的制备方法,基本原理是通过甘薯淀粉的糊化和回生增加直链淀粉和RS的含量[32,71]。退火处理能在对淀粉颗粒形态和晶体类型的影响较小的前提下提高RS的含量,但是重复退火处理和持续退火处理反而会降低RS含量[76,77]。压热-冷却循环法也属于一种糊化后回生的过程,通过持续高压高温使淀粉充分糊化再冷,直链淀粉重新结晶,形成RS[78,79]。与甘薯天然淀粉相比,压热-冷却循环法处理甘薯淀粉能使RS的含量增加约7倍[80]。超声处理能够降低淀粉的结晶度,且RS的得率较高[81]。因此,压热-冷却循环法制备效果良好,但是耗时较长,后期的研究应注重优化压热工艺,以期提高甘薯RS的制备效率。

酶解法也能有效提高RS的含量,其主要原理是通过脱分支酶给支链淀粉分子脱分支来增加直链淀粉的含量,从而提升淀粉对消化酶的抗性[82-84]。研究表明,与普鲁兰酶充分反应6 h能够显著提升甘薯淀粉的直链淀粉含量和支链淀粉短侧链的占比,从而提高RS的含量[80]。而分支酶和淀粉蔗糖酶的结合使用能够进一步提高甘薯淀粉的RS含量,结果表明,分支酶能够产生很多的分支点,为淀粉蔗糖酶在还原端进行链延长提供了便利,因此加入淀粉蔗糖酶进行反应后,RS的含量得以显著升高[85]。另外,多种手段相结合的处理策略可以显著提高甘薯RS的产量[32,80,86,87]。湿热和辛烯基琥珀酸苷的联合处理使甘薯淀粉种RS含量显著高于天然淀粉,高于辛烯基琥珀酸苷单独处理时的RS含量,且随着辛烯基琥珀酸苷浓度的升高,RS的含量逐渐增加[87]。

化学修饰法、物理法和酶解法等多种方法都可以制备甘薯RS,但是原理、用途和优势不同,因此在生产加工的过程中可以根据产品要求的不同选择合适的制备方法,以实现产业上的效益最大化。

5 结语

甘薯淀粉具有显著的保健价值,是制备RS产品的优良资源。目前甘薯淀粉中RS含量的体外测定方法已足够成熟,但是定量效率仍有待提高。RS的含量受到多种因素的影响,想要提升甘薯淀粉产品中RS的含量,可以通过遗传手段提高甘薯淀粉中RS的含量,或者通过化学修饰法、物理法和酶解法等手段制备甘薯RS产品。

为更充分地利用甘薯淀粉资源面临的挑战:1)为实现大量甘薯淀粉或者产品中RS含量的快速测定,还需进一步建立高通量检测方法;2)通过调整种植条件或者遗传修饰来改良淀粉品质的方法已经日趋成熟,但是要实现甘薯RS含量提高的同时又能保证甘薯淀粉的产量,还有待研究;3)甘薯RS产品的制备和开发具有很大的上升空间。