抗性淀粉結(jié)構(gòu)特性和腸道菌群調(diào)節(jié)功能的研究進(jìn)展

林 炎，王培鑫，呂芳瀾，張 怡,2，鄭寶東,2,3，曾紅亮,2,3,*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.中愛國際合作食品物質(zhì)學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中心，福建 福州 350002）

抗性淀粉是一種新型的膳食纖維，被定義為“不被健康個(gè)體小腸所吸收的淀粉及其降解物的總稱[1]”。根據(jù)植物來源、品種、生長階段、部位以及處理方式的不同，可將抗性淀粉分為物理性包埋淀粉（physically trapped starch，RS1）、天然抗性淀粉顆粒（resistant starch granules，RS2）、回生淀粉（retrograded starch，RS3）、化學(xué)改性淀粉（chemically modified starch，RS4）、直鏈淀粉-脂肪復(fù)合淀粉[2]（amylose-lipid complexed starch，RS5）5 類?？剐缘矸厶厥獾慕Y(jié)構(gòu)性質(zhì)主要與直鏈淀粉（由無水葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵組成的線性聚合物）和支鏈淀粉（是高度分支化聚合物，由含有5%左右的α-1,6-糖苷鍵組成）相互作用以及兩者在抗性淀粉中的占比有關(guān)[3]。因此，呈現(xiàn)不同的顆粒形狀（包括塊狀、層狀、溝壑狀、孔洞狀、網(wǎng)絡(luò)狀/蜂窩狀）、不同的晶體結(jié)構(gòu)（由原生淀粉的A型、B型、C型轉(zhuǎn)化為A型、C型、B型、V型或B+V型）和不同的分子結(jié)構(gòu)（分子質(zhì)量分布范圍為104～108g/mol）。國內(nèi)外研究者對不同來源抗性淀粉結(jié)構(gòu)特征與腸道菌群調(diào)節(jié)功能之間的關(guān)系進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)抗性淀粉與腸道菌群兩者共存可產(chǎn)生積極效應(yīng)，如：增強(qiáng)胰島素敏感性、擴(kuò)大腸道內(nèi)抗性淀粉與菌群之間的可發(fā)酵面積，減少脂肪積累、改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)代謝等作用[4]。其原因是腸道中有益微生物對抗性淀粉的發(fā)酵作用與腸道有益微生物代謝碳水化合物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）共同促進(jìn)機(jī)體健康。此外，抗性淀粉對炎性腸病[5]、肥胖[6]、2型糖尿病[7]、心血管疾病[8]、慢性腎病[9-10]、短腸綜合癥[11]、癌癥（胰腸癌、結(jié)腸癌）[12-13]等疾病的發(fā)生有重要的預(yù)防及調(diào)控作用，并可進(jìn)一步影響骨密度和炎癥以及緊密連接蛋白基因的表達(dá)[12]。

1 抗性淀粉的定義及分類

1982年，Englyst等[14]首次發(fā)現(xiàn)，在煮熟冷卻后的馬鈴薯中存在不可被胰腺淀粉酶和普魯蘭酶水解的淀粉，而提出了抗酶解淀粉；Englyst等[15]建立了體外小腸消化環(huán)境，定義了3 類不同葡萄糖釋放速率的淀粉，其中包括在口腔及小腸中迅速消化吸收（時(shí)間小于20 min）的快消化無定形淀粉（rapidly digestible starch，RDS）；在小腸中完全消化吸收，但速率較慢（時(shí)間20～120 min）的慢消化無定形或結(jié)晶淀粉（slowly digestible starch，SDS）；經(jīng)過小腸后在結(jié)腸中才可發(fā)酵的抗性淀粉。RDS攝入后立即引起血糖升高，SDS的攝入較RDS能較為緩慢地引起血糖變化，而抗性淀粉能達(dá)到有效控制血糖變化的目的。

根據(jù)表1抗性淀粉的不同類型來源及其消化情況，RS1主要存在于硬質(zhì)小麥、豆類種子等由細(xì)胞壁或是蛋白質(zhì)包埋的淀粉本體中，通過物理結(jié)構(gòu)阻礙淀粉消化；RS2屬于天然抗性淀粉顆粒，存在于未成熟的綠皮香蕉、馬鈴薯、未加工的豌豆中等具有緊密結(jié)構(gòu)的天然食物結(jié)構(gòu)中，由于B型和C型兩種致密的晶體結(jié)構(gòu)使RS2不能被淀粉酶消化；RS3淀粉是指淀粉先經(jīng)歷糊化（即通過添加過量水或配比水后加熱，進(jìn)而破壞原有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的過程），后經(jīng)過食品加工過程中的回生（即冷卻或是脫水時(shí)被破壞的顆粒結(jié)構(gòu)緩慢重結(jié)晶逐漸形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程）作用重新聚合形成的重結(jié)晶組分；RS4是一種化學(xué)改性淀粉，淀粉在醚化、酯化、以及交聯(lián)等化學(xué)作用下[16]，形成不同于α-1,4-糖苷鍵及α-1,6-糖苷鍵的新化學(xué)鍵，因而具有對淀粉酶的抗性。RS5是新型的直鏈淀粉-脂質(zhì)類抗性淀粉，其結(jié)構(gòu)變化主要是由淀粉構(gòu)象所引起，當(dāng)存在合適的配體（脂質(zhì)）時(shí)，直鏈淀粉將由雙螺旋向單螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)脂質(zhì)進(jìn)入直鏈淀粉螺旋腔后直鏈淀粉與脂質(zhì)不同程度的復(fù)合，形成具有塌陷螺旋構(gòu)象的V6I、V6II、V6III及V8型的結(jié)構(gòu)晶體[17]。因此，也稱直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物為V-復(fù)合物，其屬于直鏈淀粉單螺旋內(nèi)或在螺旋間空間中存在的小客體分子，其包括單體類黃酮、染料木黃酮以及縮合單寧等與直鏈淀粉相互作用的多類別分子[18-19]。

表1 抗性淀粉的不同類型來源及其消化情況Table 1 Different sources of resistant starch and their digestion levels

2 抗性淀粉的制備和測定

抗性淀粉抗酶解性的關(guān)鍵因素與淀粉本體特征有關(guān)，包括淀粉基本成分的含量、顆粒結(jié)構(gòu)、聚合度、直鏈淀粉的鏈長、結(jié)晶區(qū)支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的排列方式等[24-26]。此外，食品加工及貯藏條件也對抗性淀粉的含量及其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[27]。一般而言，不同植物來源的淀粉在加工過程中通過施以不同時(shí)間、不同溫度、不同方式而達(dá)到提高抗性淀粉含量的目的，其中物理處理法、化學(xué)改性法、脂質(zhì)復(fù)合法以及生物改進(jìn)法已形成一定的理論體系（圖1）。

圖1 抗性淀粉的制備方法Fig. 1 Preparation methods for resistant starch

1）物理處理法通過經(jīng)歷糊化和老化兩階段，糊化一般采用濕熱和壓熱，包括蒸煮、高壓滅菌微波等處理方式，后經(jīng)歷冷熱循環(huán)、冷凍循環(huán)等老化過程促進(jìn)無定形分子重結(jié)晶形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，通常形成RS3型。李素玲[28]以綠豆淀粉為原料采用濕熱法糊化，120 ℃環(huán)境條件下將水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的綠豆淀粉加熱12 h后，其抗性淀粉含量達(dá)到45.2%。2）化學(xué)法通過削弱α-淀粉酶與糖苷鍵的結(jié)合作用及降低淀粉消化的程度而促進(jìn)抗性淀粉含量增加[29]。任俊彥[3]研究發(fā)現(xiàn)，木薯淀粉經(jīng)辛烯基琥珀酸酐酯化處理后有效引入酯羰基，抗性淀粉含量得到顯著提高。3）脂質(zhì)復(fù)合法是指淀粉、脂質(zhì)以及其他化合物通過疏水性基團(tuán)相互作用形成單螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu)[30]。4）生物酶法改性包括酶法以及基因工程法，酶法一般被稱為酸解脫支法，基于脫支酶的脫支作用以及無機(jī)酸的降解作用而得以實(shí)現(xiàn)，一般添加水解酶（α-淀粉酶、β-淀粉酶、普魯蘭酶在單獨(dú)改性時(shí)的使用居多）、糖基轉(zhuǎn)移酶（多與水解酶協(xié)同作用）、麥芽三糖酶等進(jìn)行處理[31]，具有反應(yīng)效率高、底物特異性強(qiáng)，能有效降低產(chǎn)物快消化淀粉含量，增加慢消化淀粉及抗性淀粉含量等優(yōu)點(diǎn)。以添加普魯蘭酶為例，其作用于支鏈淀粉與支鏈淀粉連接的α-1,6-糖苷鍵，從而達(dá)到釋放更多在回生時(shí)排列并聚集形成的晶體結(jié)構(gòu)短線性分子，提高抗性淀粉產(chǎn)量的目的[32]?；蚬こ谭▌t是以從分子遺傳技術(shù)為基礎(chǔ)，從基因水平層面促使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)與含量發(fā)生變化。

目前，國際上常用的抗性淀粉含量測定方法分為體內(nèi)直接法（測定體內(nèi)未被小腸吸收的淀粉及其降解物）和體外間接法（不被淀粉酶水解的淀粉含量）。體內(nèi)直接法包括測定人體肺部呼吸釋放的氫氣含量、回腸造口術(shù)法以及插管法；體外間接法是利用消化前后淀粉質(zhì)量的差值而進(jìn)行的研究，主要方法包括Bj?rck方法[33]、Berry方法[34]、Englyst方法[14]、Champ方法[35]、Go?i方法[36]、Akerberg方法[37]、McCleary方法[38]、AOAC方法[39]、AACC推薦方法[40]、直接法（基于Englyst和Champ方法）[41]、豬胰α-淀粉酶法[41]、耐高溫α-淀粉酶法[41]。目前，以AOAC方法以及AACC方法為基礎(chǔ)的Megazyme試劑盒因其適用范圍廣、使用方便及準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)在分析實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛的推廣及應(yīng)用[42-43]。

3 抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)特性

抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)在掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡的觀察下呈現(xiàn)塊狀、層狀，其中根據(jù)塊狀顆粒表面形態(tài)分為溝壑塊狀、孔洞塊狀或網(wǎng)絡(luò)塊狀/蜂窩塊狀以及復(fù)合狀（圖2）。例如，在糊化過程中持續(xù)加熱或是酶處理的馬鈴薯淀粉（圖2a）顆粒易發(fā)生溶脹以及熔化，向無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并與周邊的淀粉偶聯(lián)形成海綿狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)老化階段內(nèi)部雙螺旋結(jié)構(gòu)生成，形成更為致密的晶體結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生凹陷孔洞以及蜂窩狀結(jié)構(gòu)及復(fù)合狀[44-45]，但并非所有經(jīng)過酶處理的抗性淀粉都以塊狀為主，有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過α-淀粉酶處理后的苦蕎抗性淀粉呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)（圖2g）；對薏仁抗性淀粉（圖2b）進(jìn)行微波處理后發(fā)現(xiàn)，其表面粗糙程度較大并形成密集的條紋狀溝壑，可能是由于微波的快速導(dǎo)熱機(jī)制所產(chǎn)生的形貌特征，而在超聲輔酶壓熱法的研究中發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出孔洞狀結(jié)構(gòu)特征（圖2d），這可能是超聲波空化作用所引起的[45]；常見的淀粉處理以高壓均質(zhì)、高速剪切以及超聲波等外界輔助壓力與交聯(lián)技術(shù)相互結(jié)合的處理方式進(jìn)行，主要原因是淀粉在交聯(lián)過程中分子鏈之間的相互作用增強(qiáng)，易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，多呈現(xiàn)出溝槽層狀結(jié)構(gòu)乃至于出現(xiàn)單顆粒上的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，例如經(jīng)過高壓均質(zhì)-反相乳化交聯(lián)法制得的RS4基納米抗性淀粉（圖2e）[46]，但值得注意的是團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生與交聯(lián)化、酰化程度有一定的聯(lián)系，例如，當(dāng)乙?；娜〈容^低時(shí)，抗性淀粉的表征形貌無法出現(xiàn)融合、皺縮、孔洞甚至于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[47-48]。因此，抗性淀粉的形貌特征不僅與淀粉來源有關(guān)，還與抗性淀粉形成前后的處理方式密切相關(guān)。當(dāng)抗性淀粉屬于同一來源時(shí)，處理方式的差異會導(dǎo)致表觀結(jié)構(gòu)可能存在不同。例如，Zeng Shaoxiao等[49]通過壓熱法、超聲-壓熱法、微波法制備蓮子抗性淀粉，發(fā)現(xiàn)與壓熱法制備的蓮子抗性淀粉相比，微波法制備的蓮子抗性淀粉顆粒較小且較為光滑，而超聲-壓熱法處理的蓮子抗性淀粉顆粒較大且較為粗糙。歐陽夢云[50]研究發(fā)現(xiàn)，秈米淀粉在超聲輔助-雙酶復(fù)合法處理后呈現(xiàn)深陷溝壑塊狀（圖2c），而在晶種誘導(dǎo)-雙酶復(fù)合法處理后呈不規(guī)則塊狀，且表面凹凸不平，以塌陷狀為主（圖2f）。當(dāng)抗性淀粉為非同一來源時(shí)，以相同的方式處理，其所呈現(xiàn)的表觀結(jié)構(gòu)也不一定相同，宋家鈺等以壓熱酶法對苦蕎抗性淀粉及黑豆抗性淀粉的研究[51]中驗(yàn)證了以上猜想。

圖2 不同抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)特性Fig. 2 Apparent structural characteristics of different types of resistant starch

4 抗性淀粉的晶體結(jié)構(gòu)特性

不同抗性淀粉的晶體類型與結(jié)晶度如表2所示，抗性淀粉存在4 種不同的晶體結(jié)構(gòu)類型，分別是A型、B型、C型、V型晶體結(jié)構(gòu)。A型結(jié)構(gòu)（衍射角2θ為15°、17°、18°、23°的單斜晶胞）大多數(shù)存在于谷類淀粉中，B型結(jié)構(gòu)（衍射角為2θ為5.6°、17°、22°、24°的六方晶胞）的抗性淀粉主要是由鏈長為30～44 個(gè)葡萄糖分子的支鏈淀粉與直鏈淀粉交錯(cuò)纏繞組成，當(dāng)其經(jīng)過壓熱-酶解處理，蕓豆淀粉、鷹嘴豆淀粉、紅豆淀粉等均呈現(xiàn)B型晶體結(jié)構(gòu)。有研究表明，壓熱法處理通常會使得抗性淀粉從A型結(jié)晶向B型結(jié)晶轉(zhuǎn)化[53]。C型晶體結(jié)構(gòu)（衍射角2θ為5.7°、15.3°、17.2°、18.3°、23.5°）是A型與B型晶體結(jié)構(gòu)的混合物，主要有芋頭、甘薯等塊根淀粉以及某些豆類淀粉，其中C型又被分為Ca、Cb、Cc，Ca型接近于A型，Cb型傾向于B型，劉敏[44]的研究表明，經(jīng)過微波雙酶法、濕熱酶法、微波濕熱法制得的馬鈴薯抗性淀粉更接近于Cb型，結(jié)晶度為29.12%～30.52%，而2 次循環(huán)濕熱法制得的馬鈴薯抗性淀粉更接近于Ca型，結(jié)晶度為28.65%。V型晶體結(jié)構(gòu)（衍射角2θ為7.4°、13°、19.8°）主要存在直鏈淀粉和磷酸單酯、脂肪酸等復(fù)合物以及糊化后的淀粉（即RS5型抗性淀粉）之中，又被分為V6I、V6II、V6III、V8。有研究表明不同晶型復(fù)合物主要區(qū)別在于脂質(zhì)進(jìn)入直鏈淀粉螺旋腔內(nèi)的程度[17]。普通玉米淀粉經(jīng)過復(fù)合酶的處理，抗性淀粉的晶型由B+V型向V型發(fā)生轉(zhuǎn)變，正是因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致了RS3抗酶性能的增加。

抗性淀粉晶體結(jié)構(gòu)與其處理方式有關(guān)，其中，酶解（酸解脫支）法是基于不同的淀粉來源以及性質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同淀粉酶的修剪及脫支作用，從而促進(jìn)α-淀粉酶對任意α-1,4-糖苷鍵的內(nèi)切作用，由此獲得大量游離直鏈分子，后再基于普魯蘭酶對α-1,6-糖苷鍵的催化作用，在老化過程中雙螺旋實(shí)現(xiàn)相互締結(jié)，從而形成一種具有高抗性的晶體結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)原淀粉以A型晶體結(jié)構(gòu)存在時(shí)，其易形成B型、V型以及B+V型晶體的抗性淀粉，值得關(guān)注的是，A型晶體向B型或是B+V型晶體轉(zhuǎn)化時(shí)，處理酶的添加順序會對轉(zhuǎn)化后的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，歐陽夢云[50]以微波預(yù)糊化秈米淀粉（A型晶體結(jié)構(gòu)）為原料，利用超聲波間歇式輔助異淀粉酶和普魯蘭酶分步脫支酶解制備RS3型秈米抗性淀粉，發(fā)現(xiàn)先添加異淀粉酶后再添加普魯蘭酶制備的RS3型秈米抗性淀粉晶體結(jié)構(gòu)為B型，先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶RS3型秈米抗性淀粉晶體結(jié)構(gòu)為B+V型。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)為B型的原淀粉（如馬鈴薯原淀粉）形成抗性淀粉之后，其晶體結(jié)構(gòu)可能會向C型轉(zhuǎn)變，包括Ca型與Cb型；當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)為C型的原淀粉（例如，蓮子原點(diǎn)粉）在轉(zhuǎn)化為抗性淀粉之后，其晶體結(jié)構(gòu)會向A型、B型、V型以及B+V型轉(zhuǎn)變。

大量研究表明不同的處理方式會影響抗性淀粉的晶型結(jié)構(gòu)，但吳小婷[54]在對蓮子原淀粉分別施以壓熱處理、微波處理以及超聲波-壓熱處理后，不同處理使蓮子原淀粉的C型結(jié)構(gòu)均轉(zhuǎn)化為B型結(jié)構(gòu)，由此卻說明了蓮子抗性淀粉的晶體類型與熱處理方式無關(guān)。Chen Chuanjie等[25]研究了水分添加量（50%～90%）對蓮子抗性淀粉的影響，發(fā)現(xiàn)即使蓮子抗性淀粉中水分含量不同，但蓮子抗性淀粉依舊保持B型結(jié)構(gòu)。淀粉的回生重結(jié)晶動力學(xué)研究表明，淀粉回生過程主要包括：單純淀粉鏈高聚構(gòu)象改變、晶核誘導(dǎo)形成、晶體增長、晶體完美形成這4 個(gè)階段。由于高能無序的淀粉分子在范德華力和氫鍵吸引力的作用下發(fā)生重結(jié)晶生成抗性淀粉，若有效控制重結(jié)晶發(fā)生前加入晶種，通過降低溶液的過飽和度、縮短析晶時(shí)間就能盡量避免出現(xiàn)爆發(fā)式的成核現(xiàn)象，進(jìn)而能有效提高抗性淀粉的產(chǎn)率。目前，歐陽夢云[50]通過控制重結(jié)晶動力學(xué)過程中晶體成核方式，將晶體誘導(dǎo)與雙酶法相互結(jié)合，促進(jìn)秈米淀粉內(nèi)晶體的有序結(jié)構(gòu)形成，其中在B+V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)得最為突出。

表2 不同抗性淀粉的晶體類型與結(jié)晶度Table 2 Crystal types and crystallinity of different types of resistant starch

5 抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)特性

淀粉分子中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的短鏈部分有助于雙螺旋短程有序結(jié)構(gòu)的形成，而傅里葉變換紅外光譜（Fourier-transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）的衰減全反射模式以及投射模式恰好滿足短程分子有序結(jié)構(gòu)（淀粉鏈構(gòu)象、螺旋結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度）變化以及形成過程中產(chǎn)生氫鍵組合的變化程度做出有效界定。通常將抗性淀粉與溴化鉀以質(zhì)量比1∶200混合后放置于掃描波譜范圍為400～4 000 cm-1、分辨率為4 cm-1的FT-IR儀中進(jìn)行檢測。有研究結(jié)果表明，F(xiàn)T-IR圖所呈現(xiàn)的特征吸收頻率對應(yīng)不同的基團(tuán)類型[50,61]（表3），通常情況下RS3型淀粉可通過995 cm-1和1 047 cm-1處的吸收峰變化判斷晶體結(jié)構(gòu)的改變，1 047 cm-1和995 cm-1處的吸收峰分別與抗性淀粉的有序結(jié)構(gòu)和水合結(jié)晶有關(guān)，1 022 cm-1處的峰與無定形結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用1 047/1 022 cm-1和995/1 022 cm-1峰值比來表示淀粉顆粒外部區(qū)域的有序程度或是雙螺旋的內(nèi)部變化。例如在蓮子抗性淀粉中，800～1 200 cm-1處呈現(xiàn)的特征峰顯然比天然淀粉弱，也可進(jìn)一步推測蓮子抗性淀粉的構(gòu)象與蓮子原淀粉相比已發(fā)生變化。RS4型抗性淀粉是淀粉經(jīng)過醚化、酰化或是交聯(lián)作用后得到的改性淀粉，研究表明RS4蕎麥抗性淀粉在990～1 050 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，這個(gè)波段是P—O—C基團(tuán)的吸收峰，證明了RS4蕎麥抗性淀粉中有淀粉磷酸酯的生成[55]；乙?；幚淼鸟R鈴薯淀粉在1 730 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，可以判定該反應(yīng)過程中產(chǎn)生了乙?；鶊F(tuán)[48]，這與酯化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的1 746 cm-1處的新峰所代表的酯羰基基團(tuán)極為相似。淀粉與脂質(zhì)復(fù)合后的分子特征同樣可以通過FT-IR光譜進(jìn)行表征，孟爽[69]通過比較玉米淀粉、玉米淀粉與硬脂酸混合物和玉米淀粉-硬脂酸復(fù)合物的光譜發(fā)現(xiàn)，在以上混合物與復(fù)合物中皆出現(xiàn)了1 711 cm-1處的C＝O的伸縮振動與2 850 cm-1處C—H的伸縮振動，而復(fù)合物較混合物相比，并沒有新的特征峰出現(xiàn)，說明在復(fù)合物的形成過程中未產(chǎn)生新的基團(tuán)，表明淀粉與硬脂酸之間并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是通過疏水作用絡(luò)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物。

表3 抗性淀粉的紅外光譜特征峰Table 3 Infrared characteristic peaks of resistant starch

此外，還可通過紫外分光光度計(jì)、高效分子排阻色譜和激光衍射法粒度分析儀等儀器測量抗性淀粉的直鏈淀粉含量、聚合度、分子質(zhì)量分布等分子結(jié)構(gòu)特征（表4）。研究表明抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)特征會因?yàn)橹参飦碓匆约疤幚矸绞降牟煌尸F(xiàn)出的差異性，例如，同是經(jīng)過高支化處理的蠟質(zhì)玉米淀粉以及木薯淀粉，兩者之間的重均相對分子質(zhì)量（Mw）有較大的差異。而同一來源馬鈴薯淀粉經(jīng)過微波、雙酶、濕熱法等不同方式處理后，它們的分子質(zhì)量分布也呈現(xiàn)較大的差異。但值得關(guān)注的是，木薯淀粉原料以及蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)過顆粒淀粉高支化修飾后形成的抗性淀粉含量與直鏈淀粉含量均有較大差異[3]（表4）。直鏈淀粉含量越高淀粉越容易老化，玉米淀粉經(jīng)過壓熱-酶處理后直鏈淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從（23.04±0.18）%上升至（43.40±0.83）%，抗性淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從（1.33±0.02）%上升至（50.84±0.49）%，說明壓熱-酶處理有利于抗性淀粉的形成，直鏈淀粉含量越高，形成抗性淀粉的含量也越高[70]。與原料淀粉顆粒相比，抗性淀粉的粒徑明顯增大，說明原料淀粉經(jīng)過工藝手段制備生成抗性淀粉的過程中，部分淀粉顆粒產(chǎn)生膨化效果或聚集成更大的顆粒[70]，Zheng Mingjing等[71]對比單一蓮子抗性淀粉與蓮子抗性淀粉與殼聚糖混合物發(fā)現(xiàn)，后者的直鏈淀粉含量更高，形成了更完整的有序結(jié)構(gòu)且觀察到明顯的大顆粒聚集趨勢。實(shí)驗(yàn)中通常用分散度來衡量分子質(zhì)量分布的寬度，由Mw與數(shù)均相對分子質(zhì)量（Mn）的比值表示，當(dāng)Mw/Mn為1，說明淀粉樣品為單分散體系；Mw/Mn比值與1的偏移程度越大說明淀粉樣品分子大小越不均一[3]。Zeng Hongliang等[72]的研究結(jié)果表明，淀粉結(jié)構(gòu)上的細(xì)微差異與Mw有著密不可分的關(guān)系，當(dāng)抗性淀粉的Mw在3.0×104～3.0×106范圍時(shí)，則可促進(jìn)結(jié)晶相以及雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成。此外，不同處理易對淀粉的分散度產(chǎn)生影響，例如馬鈴薯淀粉經(jīng)微波-濕熱處理后，其分散度從1.330降至0.303，均一性減小[44]。蓮子淀粉經(jīng)壓熱-干燥-酶處理后其分散度從4.119降至1.045，分散程度下降顯著[64]。

表4 抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)特征Table 4 Molecular structural characteristics of resistant starch

6 抗性淀粉的腸道菌群調(diào)節(jié)功能

6.1 抗性淀粉對益生菌的影響

益生元與益生菌存在共生關(guān)系，由于抗性淀粉可作為底物被結(jié)腸微生物發(fā)酵并利用，因此具有促進(jìn)益生菌生長及增強(qiáng)其活性的作用，并且能夠與其他益生元膳食纖維相互作用發(fā)揮其益生元效應(yīng)[73]。有動物（小鼠、大鼠以及豬等）實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，抗性淀粉可增加擬桿菌[74]、雙歧桿菌[75-76]、乳酸桿菌[74-76]、瘤胃球菌[77]、糞球菌屬[76]以及支原體科[76]菌種的豐度，提高厚壁門菌/擬桿菌的比值。Kawakami等[74]研究發(fā)現(xiàn)，以飼料補(bǔ)充劑RS2飼養(yǎng)的大鼠的盲腸內(nèi)容物的厭氧菌水平高于以飼料補(bǔ)充劑RS3飼養(yǎng)的大鼠。因此，可猜測不同類型的抗性淀粉在影響人類腸道微生物群方面存在功能差異。通過人體研究，對10 名健康人進(jìn)行了雙盲交叉研究驗(yàn)證，結(jié)果表明補(bǔ)充RS4 3 周，能顯著增加人體糞便菌群中放線菌的豐度和擬桿菌（青春雙歧桿菌和狄氏副擬桿菌）的豐度，同時(shí)減少厚壁菌門的豐度，而補(bǔ)充RS2與補(bǔ)充RS4相比能顯著提高布氏瘤胃球菌和直腸真桿菌的比例[78]。Zeng Hongliang等[79]研究發(fā)現(xiàn)，以無糖MRS培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，研究RS3型蓮子抗性淀粉對腸道微生物體外增殖的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)RS3型蓮子抗性淀粉主要促進(jìn)雙歧桿菌與乳桿菌的增殖，并提高長雙歧桿菌對酸性緩沖液的耐受性與德氏乳桿菌亞種的存活率。

6.2 抗性淀粉對腸道菌群的影響

機(jī)體健康和腸道中微生物群落有著密不可分的聯(lián)系，人體腸道細(xì)菌的種類超過1 000 種，細(xì)菌的細(xì)胞總數(shù)高達(dá)4×1013個(gè)左右，成年人的腸道細(xì)菌與自身細(xì)胞數(shù)之比約為1∶1[80]。腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)處于動態(tài)變化之中，受基因、腸道位置、健康狀況、年齡、藥物、補(bǔ)充劑和飲食等諸多因素的影響[81]。飲食是塑造腸道微生物群組成和影響腸道群落功能的關(guān)鍵因素[82]。例如，抗性淀粉與腸道菌群的數(shù)量以及種類有直接關(guān)系，Kieffer等[83]建立由腺嘌呤誘導(dǎo)的慢性腎臟疾病大鼠模型，以高直鏈淀粉玉米2型的抗性淀粉進(jìn)行喂養(yǎng)，結(jié)果顯示腸道內(nèi)細(xì)菌種類平均減少15%，放線菌和變形菌的相對豐度顯著增加，厚壁菌的相對豐度顯著降低。Zeng Hongliang等[84]使用RS3型蓮子抗性淀粉（lotus seed resistant starch，LRS3）喂養(yǎng)小鼠，結(jié)果顯示，喂食LRS3的小鼠腸道細(xì)菌多樣性水平低于正常組以及高直鏈玉米淀粉組，且小鼠的腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌、毛螺菌科、瘤胃菌科和梭狀芽孢桿菌屬等淀粉利用菌[85]和丁酸產(chǎn)生菌[86-87]的數(shù)量增加（表5），而理研菌科和紫單胞菌科則均降低?？剐缘矸鄣臄z入選擇性調(diào)節(jié)特定腸道微生物群的水平，促進(jìn)了雙歧桿菌與乳酸菌的增長，但限制了沙門氏菌和李斯特菌[88]。因此，抗性淀粉具有促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌的生長、抑制有害菌或致病菌的增殖等作用。此外，Koay等[89]觀察小鼠攝入抗性淀粉后能有效增加腸道微生物的代謝物，例如三甲胺-N-氧化物、膽汁酸、膽固醇硫酸鹽三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物等。

6.3 抗性淀粉調(diào)節(jié)腸道菌群產(chǎn)生SCFAs的微生物機(jī)制

表5 不同益生菌的發(fā)酵產(chǎn)物[91]Table 5 Fermentation products from different probiotics[91]

腸道微生物通過部分或完全發(fā)酵飲食中無法完全被酶水解的抗性淀粉，代謝產(chǎn)生SCFAs（其中乙酸鹽相對含量高于60%、丁酸相對含量69.5%、丙酸相對含量50.2%、戊酸相對含量44.1%、異戊酸相對含量20.3%、己酸相對含量19.2%）、乳酸和其他產(chǎn)物[90]。結(jié)腸是人體內(nèi)SCFAs的主要產(chǎn)生部位，這些SCFAs多是由未消化的底物在結(jié)腸內(nèi)被厭氧菌酵解產(chǎn)生的乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等組成。由于機(jī)體內(nèi)腸道環(huán)境各異、腸道發(fā)酵位置、發(fā)酵底物以及腸道內(nèi)發(fā)酵菌的種類（淀粉利用菌、丁酸產(chǎn)生菌）不同，對應(yīng)產(chǎn)生的SCFAs的種類、數(shù)量以及對腸道功能及機(jī)體健康所發(fā)揮的作用也不相同[91]（表5）。大量的研究表明，人體和動物攝食抗性淀粉含量高的食物后，腸道和糞便的SCFAs含量增高，且宿主的腸道菌群也發(fā)生了適應(yīng)性改變[85,92-93]。方建東[94]研究了RS3型玉米抗性淀粉對腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)RS3型玉米抗性淀粉不僅能夠提高小鼠腸道菌群多樣性，促進(jìn)雙歧桿菌和乳桿菌增殖，抑制大腸桿菌和腸球菌生長，并且能夠提高腸道SCFAs含量。Lesmes等[95]研究發(fā)現(xiàn)RS3型抗性淀粉結(jié)構(gòu)的微小差異對腸道內(nèi)丁酸含量的調(diào)控作用也會產(chǎn)生影響。

7 抗性淀粉結(jié)構(gòu)對腸道菌群調(diào)節(jié)功能的影響

抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)特征影響腸道菌群調(diào)節(jié)功能，這可能是腸道微生物對淀粉底物結(jié)構(gòu)特征的敏感性所造成的，而這類調(diào)控機(jī)理可能是受淀粉顆粒的表面形態(tài)及顆粒內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)所影響。比如，蓮子抗性淀粉之所以能促進(jìn)雙歧桿菌增殖，可能與其表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)過壓熱、微波等處理后的蓮子抗性淀粉表面具有的特殊溝塾狀結(jié)構(gòu)，能提高益生菌在不良腸道環(huán)境的適應(yīng)性，使其更好地利用碳源，促進(jìn)自身增殖[96]；張巖[97]比較了非熱處理、干熱處理、壓熱處理制備的抗性淀粉對腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)干熱處理制備的抗性淀粉作為底物進(jìn)行發(fā)酵可有效地提高發(fā)酵液總SCFAs濃度，尤其是提高腸道菌群產(chǎn)丁酸能力，這可能是由于干熱處理制備的抗性淀粉顆粒內(nèi)部的有序程度比RS2更低，該結(jié)構(gòu)可能更利于微生物的利用與增殖，產(chǎn)生更多的SCFAs。以壓熱法制備RS3作為發(fā)酵底物時(shí)，腸道微生物產(chǎn)酸能力最弱。有可能是由于最初的熱處理方式對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，壓熱后的結(jié)構(gòu)更加碎裂與不規(guī)則，不利于微生物的著陸利用。楊春豐等[98]制備與純化得到了板栗抗性淀粉及消化抗性淀粉，并研究了它們的益生作用與結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明：板栗抗性淀粉及抗消化性淀粉對雙歧桿菌和乳酸桿菌都有顯著的增殖作用，對大腸桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌有強(qiáng)抑制作用，對糞腸球菌、梭狀桿菌、兼性細(xì)菌無明顯影響，而這可能與板栗抗性淀粉表面粗糙不平的疊層結(jié)構(gòu)特征有密切聯(lián)系。另一方面，分析對比發(fā)酵前后的板栗抗性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過人工胃液消化的板栗抗性淀粉由V型轉(zhuǎn)化為B型，人工腸液消化的板栗抗性淀粉由V型轉(zhuǎn)化為A型，后者顆粒結(jié)構(gòu)由原來大小不均一的疊層結(jié)構(gòu)變?yōu)榇笮【鶆虻氖杷山Y(jié)構(gòu)，且平均聚合度有所減小，與謝濤等[99]關(guān)于馬鈴薯抗性淀粉的研究結(jié)果一致。抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)亦會對腸道菌群益生菌造成一定的影響，林姍[100]在對抗性淀粉分級分離的研究中發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉的Mw越小，其對益生菌的增殖效果越小。因此，可以推測抗性淀粉的結(jié)構(gòu)在對腸道益生菌產(chǎn)生保護(hù)作用的同時(shí)，腸道菌群亦能對抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?？剐缘矸劭稍谀c道微生物發(fā)酵作用下產(chǎn)生丁酸，其產(chǎn)丁酸能力高于其他膳食纖維[101]?？剐缘矸鄣木?xì)結(jié)構(gòu)對其調(diào)節(jié)腸道產(chǎn)丁酸能力起著決定性作用。周中凱等[102]研究發(fā)現(xiàn)，玉米抗性淀粉的顆粒形態(tài)、有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)影響腸道微生物產(chǎn)丁酸能力，高有序結(jié)構(gòu)的玉米抗性淀粉可促進(jìn)腸道內(nèi)丁酸的生成。目前，關(guān)于抗性淀粉結(jié)構(gòu)對腸道菌群相關(guān)性影響的研究內(nèi)容相對較少，尤其是不同晶體結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)對腸道菌群的調(diào)節(jié)功能等方面的影響，仍需進(jìn)一步的研究。

8 抗性淀粉的開發(fā)與利用趨勢

抗性淀粉的加工特性及益生作用使其具有較為廣泛的可利用空間。抗性淀粉添加于面包類食品中以改善色澤、口感，因此可以達(dá)到優(yōu)化加工工藝、提高感官評價(jià)的效果；添加于油炸食品中以提升表面的脆度和硬度，加深油炸食品表面的金黃色達(dá)到增加食欲的效果；添加于面條制品中可以降低含油量，加深色澤，同時(shí)提高面制品的營養(yǎng)價(jià)值。除此之外，抗性淀粉還可作為益生元被添加到食品中，主要的作用有：1）作為發(fā)酵底物為有益菌的生長提供能量；2）作為新型的可溶性膳食纖維為機(jī)體提供益生作用；3）作為包埋性微膠囊材料提高食品的穩(wěn)定性。

目前，行業(yè)內(nèi)有關(guān)抗性淀粉的應(yīng)用主要集中在藥物載體方面，特別是口服結(jié)腸定位給藥系統(tǒng)（需具備阻止胃液和腸液降解的能力）的理想藥物載體。Sivapragasam等[103]證明了納米抗性淀粉是一種可用于結(jié)腸靶向給藥的新材料，丁涌波[46]驗(yàn)證了基于納米技術(shù)處理的RS3和RS4載藥型抗性淀粉在人工胃液的作用下釋放率快，但是累積釋放率低；而在人工腸液和人工結(jié)腸液實(shí)驗(yàn)條件下，基于納米技術(shù)處理的RS3和RS4載藥型抗性淀粉能實(shí)現(xiàn)藥物的有效控釋。

9 結(jié) 語

隨著生活水平的提高，人們對于食品營養(yǎng)與身體健康之間關(guān)系的關(guān)注度逐漸提升，近年來抗性淀粉因其腸道菌群調(diào)節(jié)功能的特殊性質(zhì)而進(jìn)入大眾的視野?？剐缘矸蹃碓磸V、涉及類別較多，可通過物理、化學(xué)、生物酶促法等方法進(jìn)行制備。本文從不同類別抗性淀粉的表觀結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)3方面介紹抗性淀粉結(jié)構(gòu)特性對其腸道菌群調(diào)節(jié)功能影響，未來研究方向可從以下4 個(gè)方面進(jìn)行探究：1）建立加工條件與抗性淀粉原子和分子等多次度結(jié)構(gòu)之間關(guān)系；2）通過Pearson（皮爾遜）、Kendall（肯德爾）和Spearman（斯皮爾曼）等相關(guān)性指數(shù)建立結(jié)構(gòu)與腸道菌群調(diào)節(jié)功能的關(guān)系；3）進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)特性對腸道菌群調(diào)節(jié)功能的分子機(jī)制；4）通過多組學(xué)研究這種腸道菌群的調(diào)節(jié)與機(jī)體健康的關(guān)系等。

除此之外，抗性淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)與腸道菌群調(diào)節(jié)功能的關(guān)系也是近年來所研究的熱點(diǎn)問題。但就目前的情況而言，關(guān)于抗性淀粉結(jié)構(gòu)特性對腸道菌群調(diào)節(jié)功能的作用機(jī)制尚未明確。因此，需建立抗性淀粉結(jié)構(gòu)特性與體外/體內(nèi)定量的研究方法，為后期抗性淀粉應(yīng)用于藥物載體、結(jié)腸系統(tǒng)定點(diǎn)治療提供有力的理論基礎(chǔ)。