抗性淀粉的理化性質(zhì)、生物活性及應(yīng)用研究進(jìn)展

任澤玥，馬凡怡

(河南大學(xué) 天然藥物與免疫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004)

抗性淀粉又稱抗酶解淀粉(或難消化淀粉)，指那些不被健康人體小腸消化吸收的淀粉[1]，它們可以進(jìn)入結(jié)腸中被結(jié)腸微生物區(qū)系降解[2]?？剐缘矸劬哂薪笛牵龠M(jìn)腸道有益微生物繁殖、改善結(jié)腸微生物群落，抑制腸內(nèi)致病菌生長(zhǎng)繁殖等功能[3]。由于其特性類似纖維素類多糖，不易被小腸消化，因此抗性淀粉在藥物載體、功能性食品等方面有著極大的開發(fā)潛力。

1 抗性淀粉的分類與制備

1.1 抗性淀粉的分類

根據(jù)抗性淀粉的來源和抗酶解能力的不同，可將抗性淀粉分為4類：RS1、RS2、RS3、RS4[4]。RS1是指物理包埋淀粉，利用物理加工的方式將淀粉顆粒固定在植物細(xì)胞壁上，使淀粉難以被消化。RS2主要指抗性淀粉顆粒，因?yàn)槠渚哂幸欢ǔ潭鹊念w粒度，故難以被消化。RS1和RS2經(jīng)過適當(dāng)加工后仍可被淀粉酶消化吸收。RS3常指老化淀粉，是淀粉糊化后，經(jīng)冷卻沉降形成的聚合物。RS4為改性淀粉，利用化學(xué)改性等方法在淀粉中引入新的基團(tuán)，使其對(duì)淀粉酶具有一定的抵抗力，如檸檬酸淀粉等[4]。

1.2 抗性淀粉的制備方法

常見制備抗性淀粉的方法主要有物理法、酶解法和化學(xué)法。復(fù)合法是指同時(shí)使用2～3種方法制備抗性淀粉，提高得率或純度，如壓熱酶解法、超聲波輔助酶法等。Liang等[5]將慈菇淀粉配置成4%的淀粉懸濁液，100 ℃攪拌加熱20 min后調(diào)節(jié)pH至5.0，平均分為兩組。一組在50 ℃下與普魯蘭酶反應(yīng)24 h，另一組則在與普魯蘭酶反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行超聲，沸水浴使酶失活后冷凍干燥，得到慈菇抗性淀粉。經(jīng)酶解后得到15.93%的慈菇抗性淀粉；經(jīng)超聲輔助酶解后，得到21.42%的慈菇抗性淀粉，得率提高了34.36%(P<0.05)，所以超聲輔助酶法使糖化酶活性明顯提高[6]。由于復(fù)合法相較于傳統(tǒng)方法擁有更高的得率或純度，近年來關(guān)于抗性淀粉的研究多采用復(fù)合法來制備[7-9]。

2 抗性淀粉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 抗性淀粉的微觀結(jié)構(gòu)

板栗[10]、懷山藥[11]、淮山藥[12]、綠豆、馬鈴薯、錐栗的原淀粉及其抗性淀粉的超微結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)謝濤等[10]的研究，綠豆、馬鈴薯、錐栗、板栗的原淀粉呈表面光滑、大小不一的橢球型或球形。懷山藥[11]和淮山藥[12]的原淀粉也有類似的特點(diǎn)。原淀粉制備成抗性淀粉后，淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)均消失，呈不規(guī)則的片層狀結(jié)構(gòu)，表面凹凸不平。此現(xiàn)象可能是由于壓熱處理使淀粉的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，直鏈淀粉溶出，冷卻沉降后，直鏈淀粉分子由于氫鍵和范德華力的作用重新排列，形成更為穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)[13]。純化時(shí)，未形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的淀粉會(huì)被酶解，未被酶解的直鏈淀粉結(jié)晶度較高，故純化抗性淀粉呈現(xiàn)表面疏松的片層狀結(jié)構(gòu)。

注：a、g為懷山藥淀粉顆粒與其抗性淀粉顆粒[11]；b、h為淮山藥淀粉顆粒與其抗性淀粉顆粒[12]；c、i、d、j、e、k、f、l分別為綠豆、馬鈴薯、錐栗、板栗的淀粉顆粒與其抗性淀粉顆粒[10]

2.2 抗性淀粉的熱力學(xué)特性

懷山藥[11]、淮山藥[12]、蕎麥(西農(nóng)9976和平橋2)、玉米、馬鈴薯[14]和豇豆[5]的原淀粉及其抗性淀粉的熱力學(xué)參數(shù)見表1。由表可知，上述7種植物抗性淀粉的糊化溫度均高于其原淀粉的糊化溫度。Cooke等[15]學(xué)者認(rèn)為淀粉通過改性，淀粉鏈重排形成更緊密的結(jié)構(gòu)，形成的抗性淀粉糊化溫度升高，熱穩(wěn)定性更好?？剐缘矸鄹男院罂傠p螺旋數(shù)量比未處理前多，緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使淀粉具有更好的耐熱性，難發(fā)生熔融，因此，需要更高的溫度才能使其發(fā)生非晶化相變。

表1 幾種原淀粉及其抗性淀粉的熱力學(xué)參數(shù)

2.3 抗性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

根據(jù)X射線衍射圖譜，將淀粉分為A、B、C和V四種類型：A型在衍射角15.9°、17°、18° 和23°有較強(qiáng)的衍射峰；B型在衍射角5.6°、17°、22°和24°有較強(qiáng)的衍射峰；C型在衍射角5.7°、15°、17°和23°有較強(qiáng)的衍射峰，是A型晶體和B型晶體的混合；V型在衍射角7.4°、13°和20°有較強(qiáng)的衍射峰[16-17]。根據(jù)相關(guān)研究，豇豆原淀粉為C型淀粉，經(jīng)壓熱處理后變成了B型和V型結(jié)晶的混合物，并且繼續(xù)進(jìn)行壓熱處理并沒有改變抗性淀粉的晶型。蕎麥、玉米的原淀粉的晶型均為A型，經(jīng)過改性后變?yōu)榱薆型晶體。而已經(jīng)為B型晶體的馬鈴薯原淀粉在經(jīng)過改性后晶型卻沒有發(fā)生改變。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是原淀粉在壓熱處理中分子結(jié)構(gòu)被打亂，重新排列形成更為穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為部分特征峰的消失與新特征峰的形成[11-12]。

2.4 抗性淀粉的持水性

淀粉持水性指羥基與淀粉分子鏈共價(jià)結(jié)合后，所產(chǎn)生的結(jié)合水的含量。根據(jù)Liang[8]等的研究，慈菇原淀粉的持水性為261.38%，經(jīng)酶解和超聲波輔助酶解后得到的慈菇抗性淀粉的持水性分別為383.63%和406.25%，持水性顯著提高。豇豆[5]、蕎麥、玉米、馬鈴薯[14]淀粉也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，一方面是由于高溫高壓處理后，淀粉晶體結(jié)構(gòu)的親水基團(tuán)增加，吸水能力增強(qiáng)；另一方面，淀粉分子在冷卻沉降的過程中重新排列，形成類似海綿多孔狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶，吸水能力增強(qiáng)[18]。

2.5 抗性淀粉的溶解度

淀粉在一定溫度下可溶解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為淀粉溶解度。根據(jù)張麗芳等[12]的研究，淮山藥淀粉及其抗性淀粉的溶解度均隨著溫度的升高而增大。姜黃原淀粉與其抗性淀粉的溶解度也顯示正相關(guān)趨勢(shì)[19]。這可能是由于淀粉分子在過量水中加熱時(shí)，顆粒溶解，晶體結(jié)構(gòu)被破壞。此外，水分子通過氫鍵與直鏈淀粉和支鏈淀粉的暴露羥基結(jié)合，從而導(dǎo)致水溶性增加[20]。相同溫度下，懷山藥[11]、淮山藥、蕎麥、玉米、馬鈴薯[14]、綠豆、錐栗和板栗[10]抗性淀粉的溶解度均小于其原淀粉。可能是由于在制備抗性淀粉時(shí)，直鏈淀粉先從淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)中游離出來。同時(shí)，部分支鏈淀粉斷裂形成了新的直鏈淀粉，溶液中游離的直鏈淀粉的含量增加。經(jīng)冷卻沉降后，直鏈淀粉重新排列成更緊密的結(jié)晶，溶解度降低[17,21]。

3 抗性淀粉的活性

抗性淀粉為多糖類物質(zhì)，具有膳食纖維的特點(diǎn)。據(jù)馬麗萍等[11]的研究，懷山藥原淀粉及其抗性淀粉消化產(chǎn)物的量均隨消化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。但與原淀粉相比，經(jīng)相同消化時(shí)間后，抗性淀粉消化產(chǎn)物的量顯著低于原淀粉消化產(chǎn)物。糯稻的原淀粉及其抗性淀粉也有類似趨勢(shì)[22]?？赡苁怯捎诳剐缘矸坌纬闪朔€(wěn)定晶格，淀粉酶較難發(fā)揮作用。謝濤等[10]利用α-淀粉酶水解綠豆、馬鈴薯、錐栗、板栗原淀粉，6 h后，酶解率均高于90%，說明淀粉中可消化成分已基本消耗掉，繼續(xù)延長(zhǎng)消化時(shí)間對(duì)酶解率增幅影響不顯著。而α-淀粉酶水解這4種植物的抗性淀粉，消化率均未達(dá)到10%，遠(yuǎn)低于相應(yīng)的原淀粉，說明抗性淀粉不易被消化的特性。

3.1 降血糖作用

由于抗性淀粉的抗消化特性，在人體胃和小腸中能抵抗酶的水解，只能釋放少量葡萄糖，所以有利于人體血糖指數(shù)維持在一個(gè)較低的水平，同時(shí)也可增加胰島素的敏感性，在一定程度上控制糖尿病。根據(jù)Wang等[23]的研究，蓮子抗性淀粉能使胰島素水平下降，顯著降低糖尿病小鼠的血糖指數(shù)。通過對(duì)胰腺組織轉(zhuǎn)錄譜全基因組研究，識(shí)別511個(gè)差異表達(dá)基因，與KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)蓮子抗性淀粉的攝入通過調(diào)節(jié)參與胰島素分泌的多種關(guān)鍵因子的表達(dá)水平，如胰島素信號(hào)傳遞、抑制細(xì)胞凋亡、減輕氧化應(yīng)激和p53信號(hào)通路等。

3.2 加強(qiáng)脂代謝

食用抗性淀粉可以降低人體內(nèi)的甘油三酯和膽固醇[24]。王欣等[25]利用化學(xué)改性制備了3種抗性淀粉，并驗(yàn)證抗性淀粉可以降低小鼠血清中游離脂肪酸的濃度，抑制甘油三酯的合成，降低血清中TNF-α、IL-6、MCP-1等炎癥因子的含量。通過觀察脂肪細(xì)胞組織切片發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉可以明顯減小脂肪細(xì)胞體積，防止脂肪的堆積。

3.3 促進(jìn)腸道有益微生物繁殖

抗性淀粉不易被小腸消化，更容易在小腸或結(jié)腸中被微生物發(fā)酵，促進(jìn)益生菌的生長(zhǎng)和繁殖，產(chǎn)生更多的短鏈脂肪酸。根據(jù)Zeng等[26]的研究，蓮子抗性淀粉有利于益生菌的生長(zhǎng)與繁殖。經(jīng)24 h的發(fā)酵后，含有抗性淀粉的培養(yǎng)基中的長(zhǎng)雙歧桿菌的細(xì)胞密度明顯高于含有葡萄糖和高直鏈淀粉的培養(yǎng)基。抗性淀粉有效地增加了長(zhǎng)雙歧桿菌和保加利亞乳桿菌的耐酸性。在酸性環(huán)境中，含有抗性淀粉的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的菌株存活率明顯高于葡萄糖和高直鏈淀粉培養(yǎng)基中的菌株。

4 抗性淀粉的應(yīng)用

4.1 抗性淀粉在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

Meneguin等[27]以不同比例和濃度的抗性淀粉和果膠為原材料，采用溶劑澆鑄法制備了抗性淀粉-果膠分散體薄膜。經(jīng)過體外酶消化實(shí)驗(yàn)，證明抗性淀粉含量更高的薄膜對(duì)于α-胰淀粉酶具有更好的抗酶解能力，有望開發(fā)為結(jié)腸靶向給藥系統(tǒng)的遞送材料。Meneguin等[28]在前期基礎(chǔ)上，制備了抗性淀粉-果膠-甲氨蝶呤納米復(fù)合膜，提高了甲氨蝶呤的水溶性和生物利用度，以期治療腸道炎癥、潰瘍性結(jié)腸炎等疾病。Wang等[29]采用離子交聯(lián)法制備了氧化結(jié)冷膠-抗性淀粉微球，并將其作為白藜蘆醇的載體。該微球包封率高達(dá)90.73%，并且在體外模擬胃液中具有良好的穩(wěn)定性，在體外模擬腸液中具有較好的緩釋作用。近年來多項(xiàng)研究表明，抗性淀粉作為藥物遞送載體具有良好的開發(fā)前景。

4.2 抗性淀粉在食品中的應(yīng)用

抗性淀粉不易被小腸吸收，可直接到達(dá)結(jié)腸，被微生物群發(fā)酵后生成大量短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸可以具有多種生物活性，如降低血糖、膽固醇，預(yù)防結(jié)腸癌和促進(jìn)結(jié)腸中有益微生物群的生長(zhǎng)[30-31]。Ashwar等[32]將喜馬拉雅水稻中的抗性淀粉經(jīng)過體外發(fā)酵得到了醋酸、丙酸、丁酸為主的短鏈脂肪酸，可刺激結(jié)腸中有益微生物區(qū)系的生長(zhǎng)[33]，作為有益結(jié)腸菌底物。

面包是血糖指數(shù)最高的膳食之一[34]，很難從日常飲食中取代或消除。含有麩皮、用全麥或非小麥粉制成的面包具有低脂、飽腹感強(qiáng)、富含B族維生素等多種益處，但外觀和味道并不被消費(fèi)者普遍接受[35-37]。Arp等[38]在面包中分別加入10%、20%、30%的抗性淀粉，與全麥面包進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)隨著抗性淀粉加入量的增高，面包比體積降低，硬度升高，黏度和彈性均會(huì)降低，但添加量<20%時(shí)，理化性質(zhì)變化并不顯著。同時(shí)，添加抗性淀粉可降低血糖指數(shù)，顯著提高纖維含量，使產(chǎn)品更加健康。

He等[39]在酸奶中加入了RS2和RS3兩種抗性淀粉進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加抗性淀粉會(huì)使酸奶的酪蛋白聚集體的三維網(wǎng)絡(luò)組成發(fā)生改變，具有更強(qiáng)的凝膠和相互作用，從而形成更連續(xù)緊致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[40]?？剐缘矸鄣奶砑咏档土怂崮痰乃岫群腿榍宸蛛x度，增大了黏度和彈性，改善了酸奶的品質(zhì)及風(fēng)味。此外，抗性淀粉RS3處理后，雙歧桿菌BB-12的含量顯著高于其他組，說明抗性淀粉對(duì)于益生菌具有保護(hù)作用。

5 展望

抗性淀粉作為低熱、高膳食纖維的功能食品，具有降血糖、降低膽固醇和甘油三酯、潤(rùn)腸通便等多種生物活性。隨著抗性淀粉的制備方法不斷完善，理化性質(zhì)和功能特性逐漸全面，胃腸道模擬及腸道菌群研究的普及，代謝組學(xué)及基因組學(xué)的發(fā)展，近年來被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、材料等領(lǐng)域中。在未來研究中，對(duì)抗性淀粉改性的繼續(xù)優(yōu)化、與蛋白質(zhì)及其他活性成分的復(fù)配使用、對(duì)胰腺及脂代謝的作用機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。