物理加工方法對淀粉及淀粉基食品中抗性淀粉含量的影響

唐 雙，楊 英，謝琪琪，卓 俁，韓文芳 ，林親錄,，李 勃

(稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程研究中心；中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，長沙 410004) (江蘇康之源糧油有限公司2，宿遷 223800)

抗性淀粉(resistant starch，RS)是指在健康人體小腸中不被消化吸收的淀粉或淀粉降解產(chǎn)物[1]，它作為功能性膳食纖維具有以下功能[2]：改變腸道激素和下丘腦食欲調(diào)節(jié)中心神經(jīng)元活動，增強人體主觀飽腹感、可防止肥胖癥[3，4]；改變腸道菌群的組成，增加雙歧桿菌、乳酸菌等益生菌的存活率，減輕腸道炎癥[5]；使糞便中短鏈脂肪酸含量增加，有利于通過降低腸道pH增加礦物質(zhì)溶解度，從而促進腸道對鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)的吸收[6]。抗性淀粉還具有降低餐后血糖、膽固醇并預(yù)防心血管疾病和保護腎臟功能[9]的作用。此外，將抗性淀粉應(yīng)用于食品工業(yè)，不僅可以提高食品的營養(yǎng)保健價值，而且可以使食品呈現(xiàn)良好的外觀、質(zhì)地和口感品質(zhì)，并具有優(yōu)良的增粘、膠凝、保水、溶脹等物理加工特性。

抗性淀粉在天然食物中的含量通常較低，難以發(fā)揮其應(yīng)有的營養(yǎng)保健作用。已有大量研究嘗試采用高壓蒸煮、濕熱、退火、擠壓、超聲、微波等物理加工方法提高淀粉和淀粉基食品中的抗性淀粉含量，但缺乏對其提高抗性淀粉含量效果的歸納總結(jié)與對比分析。本文綜述了物理加工方法對淀粉和淀粉基食品中抗性淀粉含量的影響規(guī)律，以期為提高食品中抗性淀粉含量提供高效的方法選擇參考，從而促進抗性淀粉的實際應(yīng)用。

1 高壓蒸煮處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

高壓蒸煮利用高溫(通常為120～145 ℃)、高壓作用于一定濃度的淀粉懸濁液，使淀粉充分糊化后經(jīng)冷卻回生形成抗性淀粉[10,11]。淀粉顆粒結(jié)構(gòu)在加熱糊化過程中崩解，失去完整顆粒狀結(jié)構(gòu)[12]，導(dǎo)致原有結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞并釋放出呈現(xiàn)隨機卷曲狀的直鏈淀粉[13]，而直鏈淀粉在冷卻回生過程中重新結(jié)晶形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，使淀粉的結(jié)晶度和晶型發(fā)生改變，進而影響淀粉對酶的抗性。一般情況下，結(jié)晶度增大會增強淀粉的抗消化性。有研究表明，高壓蒸煮可以使A型大米淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)閂型[14]，而V型結(jié)晶的出現(xiàn)有利于提高淀粉分子的緊密度，進而增強淀粉的抗消化性[15]。

高壓蒸煮處理對淀粉中抗性淀粉含量的提高效果如表1所示，高壓蒸煮結(jié)合4 ℃冷藏處理大米淀粉可以使其抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)提高率超過600%，甚至達到了824.74%[13]。適當時長的高壓蒸煮可以有效提高樣品的抗性淀粉含量；高壓蒸煮處理時間過短會使淀粉因糊化不充分而沒有形成大量具有抗酶解特性的雙螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而處理時間過長會增加淀粉水解度而產(chǎn)生大量運動過快的短直鏈淀粉分子，結(jié)果都不利于抗性淀粉的形成。另外，較高蒸煮溫度具有更高的水結(jié)合值，而重復(fù)蒸煮-冷卻可以使無定形或可消化淀粉重新分散并形成抗酶解的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這些都有利于抗性淀粉的形成。也有研究表明高壓蒸煮會降低糙米的抗性淀粉含量[16]，因此，可以通過適度提高高壓蒸煮溫度以及適當增加高壓蒸煮-冷卻循環(huán)次數(shù)提高淀粉中的抗性淀粉含量，從而制備出抗性淀粉含量更高的淀粉作為食品原料。

表1 高壓蒸煮處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

2 濕熱處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

濕熱處理是一種常見的物理改性方法，是在低水分(<35%)、高溫條件下加熱淀粉0.25～16 h[18]。濕熱處理后，淀粉顆粒仍保留其顆粒結(jié)構(gòu)[19]，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，分子間流動性增強，促進雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，增強了晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)淀粉鏈之間的相互作用[20]，降低了酶作用敏感性。

濕熱處理對淀粉中抗性淀粉含量的提高效果如表2所示，提高率一般可達27%以上，最高可達到303%[20]。在濕熱處理過程中，含水量、溫度以及時間是影響抗性淀粉含量的關(guān)鍵因素。適當?shù)暮靠梢云茐牡矸鄣慕Y(jié)構(gòu)，促進淀粉分子的遷移，增加無定形區(qū)直鏈淀粉與支鏈淀粉之間的交互作用，從而提高抗性淀粉產(chǎn)率。研究表明，淀粉含水量為20%～35%[20，21]時，對抗性淀粉含量的提高效果較為顯著。濕熱處理在不破壞淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的溫度條件下，溫度提高至約90～130 ℃制備效果更為顯著，是由于溫度過低時淀粉中的直鏈淀粉不能充分釋放，不利于抗性淀粉的形成，而溫度過高可能會使淀粉分子降解為小分子糊精，使抗性淀粉產(chǎn)率降低。此外，適當?shù)臐駸崽幚頃r間可以有效提高抗性淀粉含量，部分研究發(fā)現(xiàn)濕熱處理12 h后抗性淀粉含量最高，提高率可達303.57%[20]，但濕熱處理時間過長會導(dǎo)致淀粉分子降解，不利于抗性淀粉形成。

表2 濕熱處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

3 退火處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

退火處理是以高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低于糊化溫度對含過量水分(>60%)或中等水分(40%)的淀粉顆粒處理一定時間的物理方法[23]。退火處理沒有顯著改變淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)[24]，但提高了抗性淀粉的含量(表3)，一般可以使抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)提高20%～80%。在退火處理過程中，適當提高淀粉的含水量以及處理溫度，可以增加淀粉顆粒分子鏈的流動性，促進雙螺旋結(jié)構(gòu)的移動，實現(xiàn)晶體內(nèi)部重排，提高結(jié)晶緊密程度和完整性，進而促進抗性淀粉的形成，并增加抗性淀粉的熱穩(wěn)定性，從而減少抗性淀粉的蒸煮損失。

表3 退火處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

4 擠壓處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

擠壓是將未熟化的食物經(jīng)高溫、高壓和剪切力作用后擠出的一種熱加工方法，具有高溫、高壓、短時的特點。由于擠壓膨化操作簡單、成本低且可連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)[27]，利用擠壓加工提高抗性淀粉含量已成為食品工業(yè)領(lǐng)域的一個研究重點。

目前，擠壓處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響有2種不同的研究結(jié)果。如表4所示，一方面有研究表明擠壓處理會降低抗性淀粉的含量，例如，Yan等[28]對玉米淀粉進行擠壓處理，擠壓后抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)從83.18%降低到63.03%。其原因可能是淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)在高溫、高壓以及剪切力作用下被破壞[29]，暴露更多的酶解位點，從而提高了淀粉的酶解率。另一方面也有研究發(fā)現(xiàn)擠壓處理可以提高抗性淀粉含量，如樊佳玫等[30]利用螺桿擠壓馬鈴薯淀粉使其抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)提高了142.42%，但提高后的抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)也只有1.84%，難以滿足實際應(yīng)用的需求。原因是植物中存在的天然抗性淀粉RS2在擠壓過程中受高溫易被降解，經(jīng)擠壓蒸煮和干燥后，通過凝膠化和重結(jié)晶轉(zhuǎn)化為更多的RS3[31]，另外，擠壓過程中直鏈淀粉在無定形區(qū)局部緊密堆積或形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，會抑制淀粉酶解，進而促進抗性淀粉的形成。由研究結(jié)果可知，擠壓處理不是提高淀粉中抗性淀粉含量的優(yōu)選方法。

表4 擠壓處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

5 超聲輔助處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

超聲處理是一種通過空化泡膨脹產(chǎn)生高剪切力和壓力使周圍介質(zhì)發(fā)生變化的加工方法，具有反應(yīng)時間短、反應(yīng)效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，因此常作為輔助手段與其他加工方法聯(lián)用制備抗性淀粉。超聲處理可以破壞淀粉內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，也會使淀粉樣品表面呈現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分淀粉分子的糖苷鍵斷裂，形成一定數(shù)量長度適宜的分子鏈，并且會增加直鏈淀粉分子的溶出，促進雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成[32]，最終提高抗性淀粉含量。

超聲輔助處理提高淀粉中抗性淀粉含量的效果如表5所示，該輔助處理可以使抗性淀粉含量進一步提高15%以上，最高可達75.90%。超聲輔助不同方法時其作用原理不同：輔助化學(xué)處理時會使淀粉顆粒溶脹性、滲透性增加，促進交聯(lián)劑分子進入淀粉顆粒，加速交聯(lián)反應(yīng)；輔助酶處理時會促進淀粉分子鏈的有序排列，從而提高抗性淀粉含量；輔助高壓蒸煮時，剪切作用會破壞淀粉顆粒，并將長鏈切割成適當長度的分子鏈，從而促進抗性淀粉的形成。超聲處理的頻率、功率和時間都會對輔助處理效果產(chǎn)生重要的影響，這些參數(shù)條件過高或過低都不利于形成抗性淀粉，因此選擇適宜的參數(shù)條件是發(fā)揮超聲輔助處理作用的關(guān)鍵。

表5 超聲輔助處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

6 微波輔助處理對淀粉中抗性淀粉含量的影響

作為食品加工領(lǐng)域常見加熱方式之一的微波處理也是制備抗性淀粉的一個重要輔助手段。微波處理主要通過降解支鏈淀粉分子促進淀粉形成雙螺旋結(jié)構(gòu)而起到提高抗性淀粉的作用[36，37]。微波常用于輔助物理方法制備抗性淀粉，提高效果如表6所示，其中輔助高壓蒸煮以及退火處理效果較佳，可以使淀粉中抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)進一步提高30%左右[36，38]。微波輔助處理時，高功率長時間和低功率短時間處理都能較好地提高淀粉中抗性淀粉的含量，但居中的功率和時間條件對抗性淀粉的提高效果較差，這可能與RS2降解和RS3形成的平衡點相關(guān)。

表6 微波輔助處理對淀粉中抗性淀粉含量提高效果的比較

7 其他物理處理方式對淀粉中抗性淀粉含量的影響

除物理加工方式外，球磨、脈沖電場、高壓均質(zhì)等處理也會影響淀粉中抗性淀粉的含量。球磨處理利用摩擦、碰撞、剪切等機械活動破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使淀粉酶更容易進入淀粉顆粒內(nèi)部，從而降低淀粉的抗消化性[40]。脈沖電場是對金屬電極間的物料反復(fù)施加高壓的短脈沖，通過破壞分子間作用力使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)受損和結(jié)晶度降低[41]，從而降低淀粉的抗消化性。高壓均質(zhì)主要利用剪切、撞擊、振蕩等作用，使淀粉分子鏈斷裂，誘導(dǎo)淀粉分子重組，從而改變淀粉的消化性能。劉譽繁等[42]高壓均質(zhì)處理大米淀粉后，提高了大米淀粉的抗消化性能。

8 物理烹飪方式對淀粉基食品中抗性淀粉含量的影響

淀粉基食品的抗性淀粉含量受蒸煮、烘焙、油炸等物理烹飪方式的影響。其中，蒸煮通常會降低抗性淀粉含量[17，43]，而烘焙和油炸對抗性淀粉含量的影響比較復(fù)雜。

報道較多的富含抗性淀粉的淀粉基食品是面包和餅干，其抗性淀粉含量會受烘焙條件的影響。研究結(jié)果表明，低溫長時間(120 ℃和4 h)相比高溫短時間(150 ℃和3 h)烘焙更能有效提高面包中抗性淀粉含量，究其原因是，直鏈淀粉的結(jié)晶發(fā)生在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度(約150 ℃)之間，采用相對較低的溫度120 ℃進行長時間烘焙更有利于形成直鏈淀粉結(jié)晶[44]。此外，低溫長時間烘焙(120 ℃，4 h)可相對延長內(nèi)源酶的失活時間，有利于通過降解支鏈淀粉促進抗性淀粉的形成[45]。不過，長時間低溫烘焙會增加生產(chǎn)成本，并且對抗性淀粉含量的提高效果不顯著，應(yīng)慎重選用。

油炸是食品工業(yè)中常見的加工方法之一，有研究者認為油脂的存在可以增加直鏈淀粉與脂質(zhì)復(fù)合的概率，從而通過形成RS5提高油炸食品的營養(yǎng)價值[46]，但實際上普通油炸食品的淺層油炸過程不太可能促使直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成。部分研究表明，油炸會降低抗性淀粉含量[45, 46]，油炸造成的水分缺失也會抑制直鏈淀粉結(jié)晶，從而導(dǎo)致油炸食品中抗性淀粉含量進一步減少[45]。因此，油炸不適合用于提高淀粉基食品中的抗性淀粉含量。

9 總結(jié)與展望

物理加工方法主要通過熱、機械等手段改變淀粉原有的形態(tài)、結(jié)構(gòu)，使淀粉經(jīng)過分子間氫鍵斷裂、支/直鏈淀粉比例改變而發(fā)生分子重排后，具有更多的雙螺旋淀粉分子結(jié)構(gòu)，進而形成更完整的晶體結(jié)構(gòu)，從而具有更強的抗消化性。在各種物理加工方法中，高壓蒸煮、濕熱處理和退火處理是提高淀粉中抗性淀粉含量的有效方法；超聲和微波處理可以輔助其他處理方法更有效地提高淀粉中抗性淀粉的含量；擠壓、烘焙和油炸處理不是提高淀粉及淀粉基食品中抗性淀粉含量的優(yōu)選方法。此外，需關(guān)注抗性淀粉熱穩(wěn)定性問題，富含抗性淀粉的食品會因消費者烹飪或復(fù)熱而導(dǎo)致抗性淀粉損失。通過促進形成熱穩(wěn)定性高的RS3和RS4型抗性淀粉，或改變加工條件增強直鏈和支鏈淀粉之間的交聯(lián)強度，可以提高食品中抗性淀粉的熱穩(wěn)定性。