淀粉基膳食食品的設(shè)計及其結(jié)構(gòu)研究

柏玉香 , 李曉曉 , 紀杭燕 , 王禹 , 鄭丹妮 , 王艷麗 , 金征宇 ,*

a State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

b School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

c Collaborative Innovation Center of Food Safety and Quality Control in Jiangsu Province, University, Wuxi, 214122, China

1. 引言

碳水化合物是自然界中應(yīng)用最廣泛的物質(zhì)之一，也是食品的主要成分之一。膳食碳水化合物是人類飲食的主要能量來源，也是決定餐后血糖水平的主要因素（圖 1）。除碳水化合物外，富含碳水化合物的食物也在很大程度上受膳食纖維的數(shù)量、種類及其相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)的影響。此外，這些食物還能調(diào)節(jié)體內(nèi)的血糖水平。1981年，首次提出血糖生成指數(shù)（glycemic index, GⅠ）的概念[1]。GⅠ可以量化碳水化合物食物升高血糖水平的效能。同時，它可以提供體內(nèi)葡萄糖清除率的定量描述。除GⅠ外，最近還引入了“血糖負荷”（glycemic load, GL）的概念，為食物的GⅠ與該食物中可利用的碳水化合物含量的乘積。GL的主要優(yōu)點是能夠量化高碳水化合物食物的總體血糖效應(yīng)[2]。

在西方飲食中，碳水化合物占熱量攝入的主要部分，文獻報道顯示將近一半的熱量攝入來自碳水化合物，而狩獵者飲食中22%～40%的熱量也來自碳水化合物[4]。受益于碳水化合物食物的多樣性，我們的營養(yǎng)狀況和健康可以得到充分滿足。同時，這些食物也給我們帶來了更多的樂趣和享受。然而，除了這些有利特性外，也出現(xiàn)了各種與這些食物可能產(chǎn)生的副作用有關(guān)的問題。例如，有報道稱，這些食物對血糖控制和血脂濃度有一些不良影響。更嚴重的是，有報告表明，大量攝入精制碳水化合物食物會造成餐后血糖和胰島素水平的提高。此外，還會導致餐后血漿甘油三酯增加，加速肥胖，高密度脂蛋白（high density lipoprotein, HDL）膽固醇水平降低[5]。

碳水化合物包括三種不同的類型：糖、淀粉和纖維（非淀粉多糖）。糖在人類歷史上扮演著重要的角色，關(guān)于糖在飲食模式中的重要作用有許多記載。這主要源于糖在生物生命中的基本作用。例如，葡萄糖，盡管其結(jié)構(gòu)簡單，但由于其在人類健康方面的核心作用，它仍是世界衛(wèi)生組織（WHO）的基本藥物之一。雖然糖是人體重要的能量供應(yīng)者，但攝入高劑量的糖對人體代謝是一種挑戰(zhàn)，并可能導致一些疾病[6]。糖（包括總糖、添加糖和游離糖）的攝入量超過推薦水平目前是一個全球公共衛(wèi)生問題。因此，WHO決定復審《成人和兒童糖攝入量指南》，該指南建議將成人和兒童的游離糖攝入量降至總能量攝入量的10%以下[7,8]。游離糖包括制造商、廚師或消費者添加到食品中的單糖和二糖，以及蜂蜜、糖漿、果汁和濃縮果汁中的天然糖[8]。盡管糖類對人類健康有不利影響，但新型糖是介于單糖和多糖之間的功能性低聚糖（圖2），有利于人類健康，這主要歸因于它們重要的物理化學和生理特性。因此，人們對膳食食品中低聚糖的需求量也越來越大[9]。與單糖相比，功能性低聚糖具有獨特的優(yōu)勢，例如，功能性低聚糖由于很少釋放葡萄糖而不會刺激血糖應(yīng)答或胰島素分泌的增加。同時，它們還可以改變腸道菌群，改善腸道環(huán)境[10,11]。通過攝入功能性低聚糖也可以達到抑制腹瀉等癥狀的目的。此外，還可提高對鈣、鎂、鐵等多種礦物的吸附效率[12,13]，并且減少結(jié)腸癌、肥胖癥等“都市病”。因此，食用功能性低聚糖可降低上述風險[14]。

圖1. 能量平衡時各組分與膳食碳水化合物之間的相互作用示意圖，以及能量過剩對人體健康的影響[3]。

圖2. 功能性低聚糖中常見的單糖[15]。

淀粉是世界上儲量最豐富的碳水化合物之一，廣泛存在于植物的塊莖、根、葉、果實和種子等不同器官中。在人類飲食中，大米、小麥和玉米的谷粒，或者馬鈴薯和木薯的塊莖，都是主食和重要的能量來源[17]。膳食淀粉實際上是一種葡聚糖，或者更具體地說，是由糖苷鍵連接的D-葡萄糖單體鏈。一旦被腸道淀粉酶消化，它就會釋放出容易被人體吸收的葡萄糖[18]。食品加工業(yè)和消費者要求淀粉具有比天然淀粉更好的行為特性。幸運的是，天然淀粉的缺點可以通過化學、物理或酶改性來克服。功能性淀粉是指通過不同的改性方法賦予特定功能特性的變性淀粉，如生理功能、健康益處、吸收功能、持續(xù)緩慢的能量釋放等功能。研究人員對開發(fā)功能性淀粉制備的新方法有著濃厚的興趣，其中更側(cè)重于酶和物理修飾。功能淀粉理化性質(zhì)和多尺度結(jié)構(gòu)也已經(jīng)通過現(xiàn)代分析技術(shù)得到了良好的評價。

現(xiàn)代消費者對個人健康越來越重視，其中對膳食食品的要求不僅是美味誘人，還要兼顧安全和健康。因此，消費者更傾向于選擇有營養(yǎng)的食物。具有多種生理功能的抗消化類碳水化合物，包括膳食纖維、低聚糖和抗性淀粉，引起了大眾的廣泛關(guān)注。

2. 膳食淀粉的分類、制備和應(yīng)用

淀粉作為一種主要的膳食能量來源，具有生物聚合物功能，并在許多植物器官中充當儲能碳水化合物。餐后小腸中淀粉的消化率主導著食物的消化程度，從而提高了血糖和胰島素水平，這與營養(yǎng)密切相關(guān)。降低餐后血糖被公認是健康的，Englyst等[19]根據(jù)消化率將淀粉分為三類：快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。本節(jié)將詳細介紹三種膳食淀粉及其對人體的影響。此外，還包括淀粉類食品的測定方法。

2.1. 快消化淀粉

2.1.1. RDS的定義和生理特性

膳食淀粉的主要成分是RDS。經(jīng)濕熱處理的淀粉類食品（面包和土豆）中含有大量的RDS，其定義為“在20 min內(nèi)通過酶解消化快速轉(zhuǎn)化為葡萄糖分子的淀粉”[19]?；隗w內(nèi)餐后血糖反應(yīng)，RDS與血糖生成指數(shù)顯著相關(guān)[20]。如果食物中RDS含量過高，它會將葡萄糖迅速釋放到血液中，從而提高血糖和胰島素反應(yīng)，不利于健康[21]。

圖3. 低GⅠ和高纖維食品的可能機制概述[16]。

2.1.2. RDS的制備和應(yīng)用

淀粉的消化率受食品加工條件的影響很大[22,23]，進而影響RDS在食物中的比例。通常來說，糊化后RDS的比例會有所升高。研究顯示，糯米淀粉糊化后RDS含量增加[24]。同時，高溫處理也將增大許多谷物淀粉中RDS的比例。用微波爐、電飯鍋、傳統(tǒng)烤箱和高壓鍋煮熟的谷物含有更多的RDS[25,26]。

2.2. 慢消化淀粉

2.2.1. SDS的定義和生理特性

SDS是指在整個小腸中消化速度較慢的淀粉，Englyst法體外測定其消化速率為20～120 min [23,27]。由于消化率較低，SDS被美國醫(yī)學研究所（Ⅰnstitute of Medicine, ⅠOM）視為一種膳食纖維，因為膳食纖維通常是指植物中難以消化或低消化性的碳水化合物[28]。關(guān)于對人體健康的作用方面，SDS能夠保持餐后葡萄糖代謝穩(wěn)定，降低患糖尿病的風險，并具有更好的心理及生理表現(xiàn)。

此外，與高GⅠ的RDS相比，SDS具有中低水平的GⅠ，可以降低食品的GL [29]。與使用速煮易消化的玉米淀粉制成的餐食相比，含有慢消化的蠟質(zhì)玉米淀粉的食物可使血糖和胰島素的峰值濃度降低[30,31]。與RDS相比，SDS可誘導餐后血糖和胰島素水平的延遲反應(yīng)，并在一段時間內(nèi)能夠持續(xù)提供能量。根據(jù)先前的文獻報道，肥胖患者緩慢攝入葡萄糖可改善其代謝狀況。并且這種情況尤其發(fā)生在餐后胰島素血癥中，伴隨著甘油三酯和存在于富含甘油三酯的脂蛋白中的載脂蛋白在較低的水平循環(huán)[32]。一般來說，由于飲食中攝入過多的碳水化合物和脂質(zhì)而誘發(fā)的糖尿病，實際上是一種代謝紊亂。2型糖尿?。╰ype-2 diabetes mellitus, T2DM）是由于血液中胰島素分泌的絕對或相對不足而引起，已成為一種常見的內(nèi)分泌及代謝性疾病。據(jù)文獻報道，含SDS的食物可改善接受胰島素治療的2型糖尿病患者的碳水化合物代謝，降低胰島素需求[33]。

在對健康志愿者進行的測試中，與快吸收的碳水化合物相比，一份主要含有SDS的早餐能夠減輕早晨疲乏的表現(xiàn)[34]。葡萄糖能夠為大腦提供能量，而對葡萄糖飲料的相關(guān)研究也展現(xiàn)出積極的影響，結(jié)果顯示葡萄糖能夠改善8%的注意力（P＜ 0.07）[35]。這表明餐后穩(wěn)定的低胰島素反應(yīng)在飽腹感調(diào)節(jié)中起著重要作用，進一步支持了SDS對飽腹感的有益影響。慢消化的大麥仁和白面包對照組的比較也顯示出類似的結(jié)果[36]。由此可見，SDS對飽腹感有一定影響，即影響餐后血糖和胰島素水平。然而，關(guān)于飽腹感的機制還應(yīng)繼續(xù)研究，包括吸附特性、膳食成分、胃腸激素以及與小腸的接觸。

2.2.2. SDS的制備及應(yīng)用

目前SDS主要通過酶法、物理法和化學法制備。酶法脫支處理一般使用α-淀粉酶、普魯蘭酶或異淀粉酶[37]水解淀粉分子中的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵從而破壞淀粉的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更多的短鏈。普魯蘭酶脫支-重結(jié)晶法已被用于處理糊化的蠟質(zhì)玉米淀粉，制備高含量的SDS [38]。結(jié)果表明，酶法脫支處理有利于SDS的生成。在化學改性方面，辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride, OSA）酯化是提高SDS含量的最有效改性方法之一。OSA改性淀粉在人體試驗中能夠明顯誘導低血糖應(yīng)答反應(yīng)，這與SDS的葡萄糖釋放曲線延長的結(jié)果一致[39]。通過環(huán)氧丙烷交聯(lián)或糊精化處理普通淀粉（直鏈淀粉含量為27%）、蠟質(zhì)玉米淀粉、角蠟質(zhì)玉米淀粉（直鏈淀粉含量為0）和高直鏈淀粉（直鏈淀粉含量為50%）也可制備SDS [40]。有學者報道，將甘薯淀粉的水分含量調(diào)整至50%，并在55 ℃熱處理12 h后，最高SDS含量可達31% [41]。此外，將蠟質(zhì)大米淀粉和非蠟質(zhì)大米淀粉的水分含量調(diào)至20%（濕基），在淀粉晶體的熔融溫度（Tm）下微波加熱1 h，得到的SDS具有更好的熱穩(wěn)定性[42]。

SDS可以添加到蛋糕、面包、餅干、披薩、膳食補充劑和糖尿病食品等多種食品中，有助于控制能量釋放。此外，SDS產(chǎn)品可以延緩葡萄糖的釋放，為運動員提供足夠的能量，以避免耐力運動帶來的疲勞?？防锵嚓P(guān)的健康危害也可以通過用碳水化合物替代典型食物中的脂肪來避免[43]。雞具有隨著淀粉攝入的增加而增加胰淀粉酶分泌的能力[44]。通過淀粉基質(zhì)和化合物的官能團之間的相互作用，淀粉對各種親水和疏水化合物的結(jié)合及包封能力得以增強，這使相應(yīng)衍生物在給藥領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.3. 抗性淀粉

2.3.1. RS的定義和生理特性

與其他兩種淀粉不同，抗性淀粉（RS）不能在小腸中消化，只能在結(jié)腸中發(fā)酵。20 min內(nèi)就被消化完全的淀粉為RDS（使用體外Englyst法測定），20～120 min間被消化的淀粉為SDS，剩余無法消化的淀粉則稱為RS [23]。RS實際上是多種不同物質(zhì)的混合物，可將其分為五類，即物理難接近淀粉（RS1）、生淀粉顆粒（RS2）、回生淀粉（RS3）、化學改性淀粉（RS4）和淀粉-脂質(zhì)復合物（RS5）[45-47]。RS已被發(fā)現(xiàn)對人體代謝和結(jié)腸健康有益，能夠改善血糖和胰島素反應(yīng)，控制脂質(zhì)代謝，像益生菌一樣調(diào)節(jié)腸道微生物，預(yù)防結(jié)腸癌。本節(jié)將從腸道健康、降血糖/降低膽固醇、抑制脂肪堆積和膽結(jié)石形成等方面介紹RS對人體健康的益處。

雖然RS不能在小腸中被消化吸收，但可以在大腸中被益生菌發(fā)酵利用，產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short chain fatty acid, SCFA）、有機酸和醇類物質(zhì)。其中，丁酸具有降低結(jié)腸癌風險的特殊作用，并且通過丁酸處理培養(yǎng)的結(jié)腸癌細胞可以抑制癌細胞增殖，刺激細胞凋亡[48]。據(jù)報道，RS有可能通過在遠端結(jié)腸中提高纖維發(fā)酵并減輕紅肉誘導的結(jié)直腸DNA損傷來抵消結(jié)腸癌風險[49]。

益生元作為難以消化的碳水化合物，可以選擇性刺激胃腸道中益生菌的生長和活性，對宿主產(chǎn)生有益的影響。雖然不能被小腸吸收，但RS能夠提供能量促進特定優(yōu)勢菌群的生長[50]。例如，RS可促進大鼠胃腸道內(nèi)雙歧桿菌的生長[51]，并在酸性緩沖液或膽汁酸溶液中提高雙歧桿菌的存活率[52]。有研究通過糞便和大腸SCFA的時間依賴性變化證實了益生菌和抗性淀粉之間的良好相互作用[53]。

抗性淀粉的降血糖/降膽固醇作用已得到了廣泛的研究。與其他碳水化合物相比，RS能夠降低健康受試者的血清葡萄糖和胰島素水平[54]。據(jù)報道，富含RS的食物可以降低人的餐后血糖水平[55]。這表明這些食物可能在2型糖尿病的代謝控制的補充中發(fā)揮重要作用。針對RS3對正常和高膽固醇血癥大鼠膽固醇代謝影響的研究表明，RS對正常大鼠的膽固醇代謝無影響[56]。但是，它可以顯著降低高膽固醇血癥大鼠血漿中的游離膽固醇和總膽固醇濃度。同時，一項針對RS和纖維素對倉鼠血脂和肝臟脂質(zhì)影響的研究表明，RS可以使血清膽固醇水平降低16.2%，而纖維素則使其可以降低13.5% [57]。盡管已有大量研究，但RS對人體總膽固醇水平的影響仍然存在爭議。因此，RS對人體膽固醇代謝的影響還有待進一步研究。

富含RS的食物引起的附睪和腹膜后脂肪的減少可能導致體脂分布發(fā)生顯著變化[58]。此外，硫酸皮膚素通過增加胰島素分泌顯著影響膽結(jié)石的形成，這反過來又刺激了膽固醇的合成。因此，RS可降低膽結(jié)石的發(fā)病率[59]。由于磨粉過程增加了淀粉的消化率，大米和小麥是易消化淀粉的主要來源[60]。而在美國、歐洲和澳大利亞等發(fā)達國家和地區(qū)，RS的攝入量比在印度和中國等食用高淀粉食品的發(fā)展中國家高2～4倍[46]。這也可以解釋前幾個國家膽結(jié)石病例較多的原因[61,62]。

2.3.2. RS的制備及應(yīng)用

許多改性方法已用于RS的制備。有研究發(fā)現(xiàn)熱蒸汽處理豆類淀粉能夠提高抗性淀粉的含量[63]。然而，稍長的處理時間將導致淀粉的水解和焦糖化。此外，蒸汽處理的高成本也限制了其推廣和應(yīng)用。以芒果淀粉為原料，研究者采用單螺桿擠壓法制備抗性淀粉，并測定淀粉乳擠壓前后抗性淀粉含量的變化[64]。有研究通過將普通玉米淀粉糊化并對其進行高壓滅菌和酶解處理，開發(fā)出了一種熱穩(wěn)定的降血糖淀粉[65]。此外，據(jù)報道，通過在熱冷循環(huán)處理之前使用普魯蘭酶脫支處理可以有效改善馬鈴薯淀粉的抗消化能力[66]。在另一項研究中[38]，通過普魯蘭酶脫支蠟質(zhì)玉米淀粉，糊化后RS質(zhì)量分數(shù)達到50.1% [67]。普魯蘭酶對淀粉分子脫支處理后，分子鏈碰撞、聚集，形成致密晶體結(jié)構(gòu)的概率大大增加，RS3的產(chǎn)率提高。同時，有研究比較了用辛烯基琥珀酸酐（OSA）對木薯和馬鈴薯兩種不同的塊莖淀粉進行化學改性后形成的RS4。此外，還評估了使用OSA改性的普通玉米（NCS）和高直鏈玉米（HA7）淀粉的酶水解速率[68]。

RS具有獨特的理化特性，包括能形成凝膠、粒度細、風味淡、顏色發(fā)白、溶脹指數(shù)高、黏度大、持水能力強。因此，RS被廣泛應(yīng)用于許多食品，如蛋糕和布朗尼。RS3由于耐高溫通常用于油炸食品中。此外，RS可以改善烘焙或油炸食品的感官特征，如顏色、風味、油性和脆度。

3. 淀粉類食品消化率的測定

血糖反應(yīng)的時長和速率通常用于表示淀粉的消化率。淀粉的體外和體內(nèi)消化曲線如圖4所示。準確測定淀粉類食品消化率的方法有幾種，用于監(jiān)測淀粉消化和腸道對淀粉衍生葡萄糖吸收的速率及程度。這使得制造商可以改變每種食品的血糖反應(yīng)，特別是應(yīng)用在糖尿病功能性食品、糖尿病管理和碳水化合物代謝紊亂的情況下。本節(jié)將詳細介紹淀粉基膳食食品消化率的主要測定方法和指標。

3.1. 體內(nèi)淀粉消化

口腔中的唾液淀粉酶作用于淀粉，是消化過程中作用于碳水化合物的第一種酶[69]。在相對較短的時間內(nèi)，食物通過食管的蠕動進入胃內(nèi)，胃分泌出鹽酸。胃液的pH值約為2.6，抑制了α-淀粉酶的作用，但增強了淀粉的酸水解。攝入的淀粉從胃中進入十二指腸。胰液中含有消化淀粉的兩個重要成分：碳酸氫鹽和α-淀粉酶。前者將胃液的酸性中和至pH值為8。α-淀粉酶則繼續(xù)將淀粉水解為葡萄糖和低聚糖。具有線性和分支結(jié)構(gòu)的低聚糖如果不進一步水解為葡萄糖，就不被血液吸收。因此，必須進行進一步的酶解[70]。

未被α-淀粉酶消化的底物在小腸中被黏膜麥芽糖酶-葡糖淀粉酶和蔗糖酶-異麥芽糖酶水解為單個葡萄糖。這些都是外切葡糖苷酶，可以作用于α-1,4鍵和支鏈的α-1,6鍵，從而確保非線性寡糖的進一步降解。獲得的單糖通過次級主動運輸穿過腸上皮細胞頂端膜被吸收到血液中，隨后通過基側(cè)膜離開胃腸道[71]。未消化的多糖，如RS和可溶性纖維，在含有大量微生物的大腸（結(jié)腸）中發(fā)酵而消化。 發(fā)酵會導致SCFA形成，從而穩(wěn)定血糖水平并抑制肝臟中的膽固醇合成[72,73]。

GⅠ是指含50 g碳水化合物食物的標準食品血糖應(yīng)答曲線下的增量面積（餐后120 min時血糖水平的變化），它表示同一受試者對相同量的標準食物（白面包或葡萄糖）的反應(yīng)比值[74,75]。新型淀粉產(chǎn)物的體外水解數(shù)據(jù)可有效用于預(yù)測體內(nèi)的血糖反應(yīng)。而血糖反應(yīng)很大程度上被認為與胰島素分泌有關(guān)。胰島素指數(shù)（Ⅱ）已被認為可用于糖尿病患者的飲食管理。Ⅱ的計算公式與Jenkins Granfeldt等[76]提出的GⅠ值計算公式相似，并且體外法發(fā)現(xiàn)水解指數(shù)與Ⅱ顯著相關(guān)[76]。

3.2. 體外淀粉消化

受人體消化系統(tǒng)的啟發(fā)，Englyst等[19]開發(fā)了最被廣泛接受的方法，以定量估算從復雜食品原料到純淀粉的營養(yǎng)淀粉含量。使用胰淀粉酶和淀粉葡糖苷酶控制酶解以確定各種淀粉組分。葡萄糖氧化酶用于測定釋放的葡萄糖?；贓nglyst法的計算公式如下：

式中，F(xiàn)G、TG和TS分別表示游離葡萄糖、總葡萄糖和總淀粉；G20和G120分別表示消化20 min和120 min后的葡萄糖含量；0.9表示葡萄糖換算成淀粉系數(shù)。此外，已經(jīng)進行了許多嘗試來修正該方程式。例如，荷蘭國家應(yīng)用科學研究院（TNO）對其進行了兩大改進：一是使用混合微生物酶；二是分析特定時間點的葡萄糖釋放量。文獻報道，采用TNO法得到的GⅠ值與人體研究中各種純碳水化合物和不同種類含碳水化合物食品的比較結(jié)果一致[77]。Englyst法仍然存在某些缺點，包括需要各種底物、過程冗長、可重復性差等。

圖4. 營養(yǎng)淀粉組分的生物利用度。（a）RDS、SDS和RS的體內(nèi)血糖反應(yīng)；（b）Englyst法體外消化試驗[23]。

另外，淀粉特性和淀粉類食品的組成等因素也會影響淀粉的體外水解過程。不同的食品中淀粉的水解率存在很大的差異：小扁豆的水解率最低，而煮土豆的水解率最高。Goni等[78]提出了一種改進的體外法來研究不同時間間隔下淀粉的水解，并給出了其一級動力學方程：

式中，C表示在t時刻的反應(yīng)物濃度；C∞為常數(shù)，并表示在平衡時的反應(yīng)物濃度；k表示動力學常數(shù)。

多項研究表明淀粉黏度的變化影響其消化性。許多研究人員已經(jīng)證實，淀粉黏度的變化會影響消化率。淀粉顆粒的溶解程度和隨后的酶解可使用商業(yè)的控制應(yīng)力型流變儀進行表征[79]。研究表明，在模擬消化過程中黏度降低，且通過相對黏度可以預(yù)測部分消化的腸內(nèi)容物黏度增加的程度[80]。此外，淀粉類食品的代謝行為也可以被預(yù)測。有研究提出了一種測定食品中體外淀粉消化率的方法，基于特殊的“食用”（咀嚼/透析試驗）結(jié)構(gòu)來預(yù)測其行為[76]。

4. 新型淀粉基膳食食品的結(jié)構(gòu)

4.1. 通過直接添加改性淀粉設(shè)計低GⅠ食品

隨著生活水平的提高，飲食相關(guān)的慢性代謝性疾病發(fā)生率逐年增加[81]。食物的GⅠ值已受到越來越多的關(guān)注，相關(guān)的研究也在增加。研究表明，長期攝入高GⅠ食品與肥胖、高脂血癥、糖尿病、高血壓以及心腦血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)。GⅠ值在預(yù)防和控制某些慢性疾病方面具有很強的指導意義和可操作性[82-84]。

進一步的研究表明，目前用于制備低GⅠ食品的方法，通常使用低GⅠ原料，例如，采用擠壓技術(shù)制備的改性淀粉和復合營養(yǎng)食品，其最終目的是提高RS和SDS的產(chǎn)品含量，使得GⅠ在短時間內(nèi)不會迅速增加。

眾多研究已經(jīng)報道了基于改性淀粉的低GⅠ食品，如大米、面包、面條、奶酪和餅干。而微膠囊技術(shù)能夠保留熱敏性SDS和RS，已被廣泛用于揮發(fā)性、光敏性、溫敏性和易氧化食品配料的保存。研究發(fā)現(xiàn)，使用包埋的蠟質(zhì)淀粉代替支化的蠟質(zhì)玉米淀粉可以開發(fā)出具有高SDS含量和一定功能特性的新產(chǎn)品[85]。

研究者通過用聚右旋糖（polydextrose, PD）作為脂肪替代品代替起酥油，用RS增加膳食纖維含量，并添加餅干改良劑，生產(chǎn)出了乳品-雜糧復合餅干[86]。結(jié)果表明，與對照組相比，該餅干的總膳食纖維含量提高了142.7%，脂肪含量降低了35%，熱量降低了28.25%。以低筋小麥粉為主要原料，加入RS、植物油等，研究人員開發(fā)了一種中GⅠ產(chǎn)品[87]，其GⅠ值和水解指數(shù)分別為49.19和66.72。

Montesinos-Herrero等[88]選擇使用Novelose 240（N240，天然RS）或Novelose 330（N330，降解的RS）而非脂肪來制備奶酪。結(jié)果表明，所制備的仿制干酪脂肪含量有一半以上被RS代替，而熔化性保持不變。掃描電子顯微鏡（SEM）被用于表征模擬干酪的微觀結(jié)構(gòu)（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該成分導致奶酪變硬，并且使用RS進一步替代了90%的脂肪，從而生成了2%的脂肪奶酪。當水含量保持在60%時，其硬度和內(nèi)聚力值適用于切片、分割和成型。盡管奶酪脂肪很少或沒有脂肪，但仍具有良好的熔化性[89]。

有研究者評估了改良的豌豆淀粉、小麥粉和高含量的RS（PeaP）對面包產(chǎn)品的影響[90]。當面粉替代品中添加PeaP的比例高達10%～20%時，小麥面包的RS水平顯著增加（從0.70%到5.10%），從而產(chǎn)生有益的影響。當面粉替代率高達20%，能夠保持面團的機械強度、拉伸強度和黏性的同時，不影響其加工性能[91]?？偟膩碚f，RS面包的體外消化率說明還原糖釋放緩慢，RS4含量增加的面包表現(xiàn)出較低的體外淀粉消化率。此外，RS面包相應(yīng)的GⅠ值遠低于普通面包，這在特殊膳食中至關(guān)重要。

淀粉的消化行為可以通過添加其他物質(zhì)來改變，如酚類化合物、蛋白質(zhì)和多糖。研究報道，沒食子酸（一種膳食多酚）可以與淀粉凝膠復合，提高RS含量，從而降低預(yù)測GⅠ值[92]。也有研究發(fā)現(xiàn)，普魯蘭多糖可以增加SDS和RS的總含量，同時降低RDS[93]。水凝膠（如瓜爾膠）是另一種類型的多糖，由于其增稠作用，可以降低酶對淀粉底物的可及性，從而減少體外消化過程中的淀粉水解[94]。據(jù)報道，大米蛋白也有助于降低淀粉的消化率，這是因為熟淀粉聚集有序的結(jié)構(gòu)以及淀粉V型結(jié)構(gòu)的增加[95]。此外，添加平菇（Pleurotus sajor-caju）粉可增加膳食纖維含量，同時減小形成的不均勻球形淀粉顆粒的尺寸。這與淀粉顆粒的完整性相互作用，導致淀粉對消化酶的敏感性下降、餅干的GⅠ值降低[96]。

圖5. 具有52%水分（a）、12.5% Novelose 240（500×）（b）和12.5% Novelose 330（800×）（c）的奶酪的掃描電子顯微鏡圖像（F：脂質(zhì)體；H：蜂窩結(jié)構(gòu)；S：淀粉）[89]。

4.2. 通過改變加工條件設(shè)計低GⅠ食品

加工條件對食品質(zhì)量和消化率有重要影響[97]。經(jīng)過超高壓處理的草魚的硬度、彈性和耐嚼性均高于新鮮魚和經(jīng)過冷凍處理的魚，表明超高壓可顯著改善草魚的質(zhì)量和消化率[98]。在正常的蒸煮、高壓滅菌、干焙和微波烘烤條件下，燕麥的膳食纖維和蛋白質(zhì)含量也會發(fā)生變化[99]。

大米是全世界人類的主要能量來源，是飲食營養(yǎng)中必不可少的碳水化合物。在大米品種和磨粉精度確定的條件下，加工方法是影響大米食品血糖反應(yīng)的重要因素，它可能通過影響大米的成熟度、淀粉組成和理化性質(zhì)進一步影響碳水化合物的消化率，最終決定米制品的血糖反應(yīng)特性。

研究表明，在蒸煮前浸泡、加水，延長蒸煮時間會導致蒸煮過程中淀粉的消化率更高，而且，冷藏后淀粉的消化率顯著降低[100]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)在不同溫度（80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃）和壓力（0、0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa）下米飯的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖6、圖7）[101]。隨著溫度升高，米飯表面孔洞減少，其外觀（顏色和表面完整性）和質(zhì)地也會發(fā)生明顯變化。相反，蒸煮壓力對米飯的影響有限。其表面和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6. 不同溫度和壓力下米飯表面的SEM圖像。（a）80 °C, 0 MPa；（b） 80 °C, 0.5 MPa；（c）100 °C, 0 MPa；（d）100 °C, 0.5 MPa；（e）120 °C, 0.1 MPa；（f）120 °C, 0.5 MPa；（g）140 °C, 0.3 MPa；（h）140 °C, 0.5 MPa [101]。

圖7. 不同溫度和壓力下米飯內(nèi)部的SEM圖像。（a）80 °C, 0 MPa；（b）80 °C, 0.5 MPa；（c）100 °C, 0 MPa；（d）100 °C, 0.5 MPa；（e）120 °C, 0.1 MPa；（f）120 °C, 0.5 MPa；（g）140 °C, 0.3 MPa；（h）140 °C, 0.5 MPa [101]。

方便米飯的加工主要包括大米的蒸煮和干燥，這涉及淀粉的糊化和回生。結(jié)果顯示，與用電飯鍋煮飯相比，常規(guī)蒸煮的方便米飯的RDS含量下降幅度更大，且SDS含量顯著增加[102]。同時，直鏈淀粉含量低的大米RDS含量較低，SDS和RS含量較高，而直鏈淀粉含量高的大米SDS含量較低，RS含量較高。常溫常壓下，煮飯時間縮短了約30% [103]。動力學實驗表明，預(yù)浸泡大米和未浸泡大米在室溫和大氣壓下均符合一級動力學方程。

干燥也是影響米飯品質(zhì)的重要因素，主要包括水分含量、干燥溫度和氣流速度。研究人員采用響應(yīng)面分析法評價干燥條件對米飯品質(zhì)的影響，并對其干燥參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[104]。結(jié)果表明，水分含量是最重要的因素，而氣流速度影響最小。干燥條件對米飯的質(zhì)地和味道有重大影響。此外，干燥溫度影響米飯的顏色，但對干燥米飯的脫水和復水能力沒有顯著影響。通過掃描電鏡觀察，不同溫度下干米飯的形態(tài)相似，但與新鮮米飯的形態(tài)不同[105]。

4.3. 展望

如今，在現(xiàn)代人的飲食結(jié)構(gòu)中存在大量加工食品，而水果、蔬菜和粗糧的攝入有限。因此，膳食纖維攝入普遍不足。與此同時，心血管疾病、腸道疾病和糖尿病的患者人數(shù)逐年增加，因此更強調(diào)少糖、少鹽、低脂飲食的重要性。為了滿足消費者的飲食習慣需求，可口可樂于2017年在日本推出了“可口可樂Plus”[106]。該產(chǎn)品在保留了原有口味及零卡路里外，還含有5 g水溶性膳食纖維，有助減少餐后脂肪吸收。此外，“雪碧纖維+”也在中國推出，其零卡路里配方能夠滿足成人日常所需30%膳食纖維[107]。這兩種新型飲料均添加了抗性糊精（一種可溶性膳食纖維），不僅增加其在胃腸道的體積從而引起飽腹感，還促進腸道蠕動。低能量、低熱量食品逐漸成為一種新趨勢，而這也為淀粉類食品的開發(fā)提供了新的思路和方向。

5. 結(jié)論

隨著人們對健康食品的迫切需求以及對開發(fā)新型膳食食品的興趣日益增長，淀粉的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。本文從淀粉的基本化學結(jié)構(gòu)、淀粉類食品消化率的體內(nèi)外測定方法等方面綜述了淀粉相關(guān)的主要研究前沿和熱點。淀粉不像單純的化學試劑那么簡單，它是一種復雜的生物聚合物，包括RDS、SDS和RS三類。通過應(yīng)用各種表征技術(shù)，如電子顯微鏡，淀粉研究取得了巨大進展，從而直接闡明淀粉類食品的微觀形態(tài)。得益于對淀粉的基本認識，人們設(shè)計合成了新型的淀粉基膳食食品，以滿足現(xiàn)代人的需求。例如，通過直接添加變性淀粉或改變加工條件可以成功制備低GⅠ食品。因此，在不久的將來，必須將基礎(chǔ)研究與新的加工技術(shù)相結(jié)合，來設(shè)計和生產(chǎn)更健康的淀粉基膳食食品。

致謝

這項工作得到了國家自然科學基金（31701644和32072268）、江蘇省科技支撐計劃（BE2018304）和食品科學與技術(shù)國家一級學科建設(shè)專項（JUFSTR20180203）的資助。

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