玉米抗性淀粉研究進(jìn)展

陸 陽，李春元

（中央儲(chǔ)備糧通遼東郊直屬庫有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028012）

玉米是世界上重要的糧食作物之一，玉米的相關(guān)衍生產(chǎn)品種類豐富，是食品、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工業(yè)及化工業(yè)等不可或缺的原料。其中玉米淀粉具有廉價(jià)且易獲得，是日常飲食攝取最普遍的碳水化合物之一和人體主要能源供給物[1-3]。隨著社會(huì)快速發(fā)展，人民的生活水平不斷提升，餐桌上的飯菜逐漸趨向于高油脂、高蛋白、高鹽等，造成人體亞健康甚至引發(fā)疾病，高血糖、高血脂、高血壓等“富貴病”患病率呈逐年上升趨勢(shì)?！?016年全球營養(yǎng)報(bào)告》指出，“三高”屬于營養(yǎng)不良，此類“患者”大約占全球1/3人口，改善和解決這種狀況最有效方法就是改善居民膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，增加膳食纖維的攝入，抗性淀粉[4]成為了其中重要的選項(xiàng)。

抗性淀粉作為淀粉的優(yōu)化產(chǎn)品，因在食品加工中穩(wěn)定性良好，具有熱量低、降低血清膽固醇、調(diào)節(jié)血糖、預(yù)防結(jié)腸癌、穩(wěn)定腸道菌群以及調(diào)節(jié)腸道健康等生理功能[5]，這些生物特性成為食品科學(xué)與營養(yǎng)健康領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

本文以玉米抗性淀粉的制備方法、理化指標(biāo)、功能特性及應(yīng)用等內(nèi)容，對(duì)國內(nèi)外的玉米抗性淀粉的相關(guān)研究進(jìn)行綜述

1 玉米抗性淀粉的制備

淀粉作為食品工業(yè)中的重要基礎(chǔ)原料，它屬于高GI型（GlycemicIndex,GI）食品[6]，在體內(nèi)消化速率較快并會(huì)導(dǎo)致餐后血糖快速升高，導(dǎo)致肥胖、高血糖等一系列慢性疾病[7]。根據(jù)最新營養(yǎng)學(xué)分類，淀粉可分為快速消化淀粉（RDS）、緩慢消化淀粉（SDS）和具有抗消化性的抗性淀粉（RS）。RS尚無化學(xué)上的精確分類，因?yàn)榭剐缘矸鄣亩ㄐ耘c酶和淀粉的比例、酶的來源、水解條件等有關(guān)，所以需要一種優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)學(xué)者根據(jù)淀粉來源和抗酶解性的不同，將抗性淀粉分為4類[8-10]：RS1、RS2、RS3和RS4（見表1）。

表1 抗性淀粉的分類

1.1 熱處理法

根據(jù)淀粉乳水分含量、熱處理溫度的不同，可細(xì)分為壓熱法、濕熱法及韌化處理法，不同的熱處理?xiàng)l件對(duì)抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)及抗性淀粉產(chǎn)生量具有顯著的差異。在改變溫度、壓力及水分含量的條件下，使淀粉顆粒充分糊化，淀粉分子之間的直鏈淀粉通過氫鍵結(jié)合，從而能夠顯著增加抗性淀粉的得率。濕熱處理作為物理制備抗性淀粉的方法，在操作過程中只需改變水分含量和溫度因素，所制得的抗性淀粉的安全性較高[11]。

1.2 擠壓處理法

擠壓處理法是食品加工廠使用較為廣泛的一種方法[12]，它是指在擠壓過程中運(yùn)用高溫、高壓和高剪切力使淀粉分子發(fā)生一系列變化，使淀粉由粉狀變成糊狀，從而發(fā)生糊化、裂解，導(dǎo)致一些糖苷鍵斷裂，分子發(fā)生解聚作用，分子大小和分子量的分布也隨之發(fā)生變化。

1.3 酶處理法

酶法改性是指根據(jù)不同的淀粉來源及特點(diǎn)[13]，需使用不同的酶，如α-淀粉酶、脫支酶、淀粉葡糖苷轉(zhuǎn)移酶等來改變淀粉分子的結(jié)構(gòu)，從而改變淀粉的性質(zhì)，以此達(dá)到降低其消化性能的效果。

1.4 微波處理法

微波處理法指的是淀粉與水混合后對(duì)其進(jìn)行微波處理，使淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)均有所改變。有研究表明微波處理在酶的敏感性、硬度及支鏈淀粉重結(jié)晶等方面遠(yuǎn)優(yōu)于其它熱處理方式。

1.5 化學(xué)改性法

化學(xué)改性法是指通過改變官能團(tuán)結(jié)構(gòu)或使其發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)，來改變淀粉分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而提高抗性淀粉得率的方法。

研究表明，組合制備方法可以提高抗性淀粉得率，通過張守花[8]響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定微波輔助酶解制備玉米抗性淀粉的最優(yōu)工藝參數(shù):耐高溫α-淀粉酶添加量3 U/g干淀粉、酶解時(shí)間30 min,普魯蘭酶添加量8 U/g干淀粉、酶解時(shí)間4.5 h；寧月嘉[12]利用單因素和正交實(shí)驗(yàn),確定了普魯蘭酶制備脫支玉米（DCS）淀粉的最佳條件:淀粉乳濃度8%,普魯蘭酶用量20 U/g,酶解時(shí)間10 h,難消化淀粉得率為56.88%,結(jié)晶度為25.67%。

2 玉米抗性淀粉的理化特征和結(jié)構(gòu)分析

2.1 玉米抗性淀粉的理化特征

玉米抗性淀粉與其它食品制備的抗性淀粉具有相同的理化特性：

（1）不溶于水，能溶解于2 mol/L KOH溶液和DMSO（二甲基亞砜）。

（2）平均聚合度DPn范圍30～200。

（3）在100～165℃時(shí)，直鏈淀粉晶體熔融。

（4）X射線衍射類型為B型。

（5）耐熱性高，在高溫蒸煮后，幾乎沒有損失。

（6）持水能力低，僅為1.4～2.8 g，是所有膳食纖維中最低的。

（7）含熱量低，熱值一般不超過10.0～10.5 kJ/g。

2.2 玉米抗性淀粉的結(jié)構(gòu)分析

不同條件加工后的RS功能和營養(yǎng)價(jià)值[14]，尤其是其生理意義，都取決于其結(jié)構(gòu)和構(gòu)象特征。用于分析研究抗性淀粉的各種技術(shù)手段同樣適用于玉米抗性淀粉的分析研究?，F(xiàn)如今儀器分析的技術(shù)不斷發(fā)展，針對(duì)RS結(jié)構(gòu)測(cè)定[15]和分析已達(dá)到分子水平，檢測(cè)手段包括光譜學(xué)、色譜學(xué)及熱力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，并通過這些技術(shù)對(duì)各類RS結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

（1）RS1和RS2為天然淀粉，抗消化性是因結(jié)晶結(jié)構(gòu)[16-17]、密度大等特點(diǎn)而產(chǎn)生；大顆粒淀粉的比表面積小，與酶接觸的機(jī)會(huì)相對(duì)較少，從而較難消化吸收；除此之外淀粉顆粒表面有一層光滑的致密層，是阻礙酶與淀粉接觸、降低淀粉水解率的重要原因。

（2）RS3為淀粉顆粒完全凝膠化后提取的隨機(jī)線圈狀直鏈淀粉[18]，經(jīng)冷卻后高聚鏈重組形成由氫鍵連接的致密左旋雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋單鏈每圈20.8重復(fù)內(nèi)包含6個(gè)葡萄糖單體，通過持續(xù)老化，雙螺旋形成六邊形晶胞。

（3）RS4淀粉顆粒[19]通常具有粗糙的表面和中空的結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒包括固體結(jié)晶區(qū)域和無定形區(qū)域。顆粒表面不如天然淀粉光滑，但是仍保持相對(duì)完整的顆粒結(jié)構(gòu)，隨著化學(xué)基團(tuán)增加，其分子間氫鍵被逐漸破壞。

對(duì)RS的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與鑒定的方法主要有X射線衍射技術(shù)測(cè)定抗性淀粉的結(jié)晶程度、紅外光譜技術(shù)測(cè)定抗性淀粉的分子順序[20-22]、氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)測(cè)定抗性淀粉的糖苷鍵、固態(tài)13C核磁共振技術(shù)測(cè)量抗性淀粉的結(jié)構(gòu)構(gòu)象、掃描電子顯微鏡觀察RS的表面特性。隨著儀器的不斷更新，對(duì)于RS結(jié)構(gòu)的檢測(cè)也會(huì)更加精密。圖1所示為玉米淀粉與抗性淀粉的掃描電鏡照片，可看出抗性淀粉表面更加致密。

圖1 玉米淀粉與抗性淀粉結(jié)構(gòu)差異

3 玉米抗性淀粉的功能性

3.1 RS對(duì)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的影響

腸道微生態(tài)群落是由數(shù)以萬億計(jì)的微生物組成了一個(gè)復(fù)雜的群體，它們參與宿主的正常代謝過程，影響宿主的消化、吸收以及免疫等功能，在保障宿主健康和維持宿主正常生理功能等方面發(fā)揮著重要的作用[23]。腸道菌群紊亂會(huì)打破原有與宿主之間的相對(duì)穩(wěn)定關(guān)系，進(jìn)而誘發(fā)多種疾病?，F(xiàn)有研究表明，膳食纖維能夠達(dá)到改善腸道菌群紊亂，RS的攝入能夠促進(jìn)保護(hù)腸道屏障[24]的雙歧桿菌等有益菌增加，抑制腸道內(nèi)產(chǎn)內(nèi)毒素革蘭氏陰性菌增殖，減少致病機(jī)率。楊玥熹等[25]通過體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證玉米抗性淀粉對(duì)腸道菌群的影響效果。結(jié)果表明:添加3%（相對(duì)于肉湯培養(yǎng)基干基）玉米抗性淀粉后,乙酸、丙酸和丁酸的含量能夠極顯著（P＜0.01）提升。給健康小鼠喂食含有玉米抗性淀粉的飼料,能有效促進(jìn)小鼠腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌的增殖,抑制大腸桿菌和腸球菌的生長,結(jié)腸中乙酸、丙酸和丁酸的含量顯著提高（P＜0.01）。用PCR-DGGE分析小鼠腸道內(nèi)容物的微生物區(qū)系的相似性與多樣性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)玉米抗性淀粉能有效增加腸道中微生物種類的多樣性。孫巍巍[16]發(fā)現(xiàn)玉米抗性淀粉對(duì)抗生素干預(yù)后豬后腸微生物蛋白質(zhì)發(fā)酵特性的影響，結(jié)果顯示,MCP除外,抗生素干預(yù)不影響抗性淀粉對(duì)豬糞樣微生物蛋白質(zhì)發(fā)酵的作用,隨抗性淀粉水平升高,pH、氨氮和尸胺濃度均降低（P＜0.05）,總SCFA、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的濃度均升高（P＜0.05）。因此攝入RS對(duì)于改善腸道菌群有著重要的意義。

3.2 RS改善機(jī)體糖脂代謝紊亂

生活水平的不斷提高，超重和肥胖已成為一種全球性的“流行病”，隨著胰島素抵抗相關(guān)疾病的增加，患糖尿病和心血管疾病及其相關(guān)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加劇。RS在人體內(nèi)的消化速度緩慢，血糖指數(shù)(glycemic index，GI)值明顯低于葡萄糖。研究發(fā)現(xiàn)，RS能有效提高糖尿病小鼠的葡萄糖耐量，通過干預(yù)糖尿病小鼠體內(nèi)的基因表達(dá)提高外周組織對(duì)胰島素的敏感性，以達(dá)到改善胰島素敏感性并調(diào)節(jié)糖脂代謝的目的。申曉鈺[26]研究RS對(duì)高糖高脂模型小鼠代謝調(diào)節(jié)，結(jié)果表明與高脂模型組比較，多元復(fù)合RS組小鼠體脂量、血清中的TC、TG指標(biāo)顯著降低；肝糖原含量與RS的劑量呈正相關(guān)；腸道內(nèi)乙酸、丙酸、丁酸含量分別顯著上升39.9%、74.9%和78.5%。楊玥熹等[25]給Ⅱ型糖尿病小鼠喂食含抗性淀粉的飼料,與喂食普通飼料組相比,血糖值下降了（14.7±1.1）%,乳酸桿菌數(shù)量上升了（30.4±2.3）%，而腸球菌和大腸桿菌數(shù)量分別降低了（20.6±1.3）%和（22.1±1.5）%。數(shù)據(jù)分析表明,血糖值與結(jié)腸內(nèi)乳酸桿菌數(shù)量呈負(fù)相關(guān),與大腸桿菌和腸球菌數(shù)量呈正相關(guān)。

4 玉米抗性淀粉的應(yīng)用

RS廣泛存在于各種含有天然淀粉類作物中，雖然來源廣泛但含量較低。天然淀粉經(jīng)過一定的加工處理后即轉(zhuǎn)變?yōu)橐紫矸?，無法滿足人們對(duì)高纖低熱類健康食品的要求，因此，將人工制備的RS添加到食品中成為當(dāng)前食品加工行業(yè)的研究熱點(diǎn)。目前，RS作為食品膳食纖維的功能成分，添加在食品的制作過程中，制成不同特色的功能性食品和風(fēng)味食品[27]。

在面包中加入膳食纖維可改善飲食中膳食纖維攝入量偏低的狀況，但傳統(tǒng)的膳食纖維如麥麩、大麥粉等的加入會(huì)使面包顏色加深、體積變小、口感變差，感官上難以被廣大消費(fèi)者所接受。在面粉中加入RS制得的面包，不僅不會(huì)降低面包的感官水平，反而在一定程度上提升了感官水平，使面包含水量更高且更加松軟，更為廣大消費(fèi)者所接受；在小麥粉中添加RS可以明顯改善面條的質(zhì)量，在一定的添加范圍內(nèi)，RS的加入不會(huì)改變面條的硬度、韌度、咀嚼性、順滑度和口感等感官特性，而且會(huì)使面條亮度增大、消化性降低；RS花卷比普通纖維制作的花卷體積大,空隙結(jié)構(gòu)更均勻。

RS具有良好的穩(wěn)定性和不溶于水的性質(zhì)[28]，將其添加在發(fā)酵食品當(dāng)中可達(dá)到增稠、增加穩(wěn)定性的作用[28]。通過向發(fā)酵乳當(dāng)中添加兩種不同方法制備的玉米抗性淀粉觀察其達(dá)到的作用，結(jié)果表明:W相對(duì)于G殘留量較高且維持在60%左右;兩種抗性淀粉均保留著淀粉顆粒形態(tài),有不同程度的損耗,主要集中在發(fā)酵后期與貯藏期;W更有利于發(fā)酵乳形成完整、均一的微觀結(jié)構(gòu);含W的發(fā)酵乳微觀彈性較強(qiáng)且有利于酪蛋白顆粒結(jié)合形成更加堅(jiān)固的結(jié)構(gòu);含W發(fā)酵乳的微觀穩(wěn)定性優(yōu)于含G的發(fā)酵乳。除此之外，玉米抗性淀粉還可作為微生物發(fā)酵時(shí)的益生元，為益生菌的生長和繁殖提供了碳源。因?yàn)樾∧c不能消化RS，所以可以用作微膠囊的材料嵌入到其它的益生菌中。還可以作為食品增稠劑應(yīng)用在調(diào)味汁、湯料、飲料等乳制品中，以增加飲料的不透明度和懸浮度，但不影響口感及風(fēng)味。

5 展望

抗性淀粉作為玉米淀粉的加工產(chǎn)物[29]，因其結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)而具有一定的功能性。社會(huì)的發(fā)展使人們關(guān)注飲食已經(jīng)不僅局限于吃飽，而更傾向于吃得健康?？剐缘矸圩鳛樾滦偷纳攀忱w維替代品，受到研究者、市場(chǎng)和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。玉米抗性淀粉的功能特性目前的研究對(duì)象主要是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，對(duì)人體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)并不充足，其對(duì)人體的生物學(xué)功效及相關(guān)機(jī)制還有待進(jìn)一步探索和證明。目前RS制備方法存在著制取率低或者工序復(fù)雜、無法批量生產(chǎn)等問題，其生產(chǎn)還處在起步階段，但其具有廣泛應(yīng)用的良好前景，急需探究多種高效率制備RS的方法，以滿足社會(huì)需求。