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抗性淀粉的制備、生理功能及應用

2016-02-20 22:15:30陳祖琴黃文麗
食品工業(yè)科技 2016年24期
關(guān)鍵詞:抗性淀粉含量

王 怡,陳祖琴,李 萍,黃文麗,*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)核技術(shù)研究所,四川成都 610066;2.成都大學,四川成都 610106)

抗性淀粉的制備、生理功能及應用

王 怡,2,陳祖琴1,李 萍1,黃文麗1,*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)核技術(shù)研究所,四川成都 610066;2.成都大學,四川成都 610106)

抗性淀粉作為一種低熱量、高膳食纖維的功能性食品成分,具有多種保健功能,成為近年來國際上新興的食品研究領(lǐng)域。本文綜述了抗性淀粉的分類、制備、生理功能及抗性淀粉在食品及其他行業(yè)中的應用現(xiàn)狀。

抗性淀粉,制備,生理功能,應用

淀粉作為日常飲食中最重要的碳水化合物,是人體重要的能量來源。根據(jù)營養(yǎng)學分類,淀粉可分為快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)??剐缘矸墼谖负托∧c中不被消化吸收,而在大腸中發(fā)酵,產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)和氣體,從而發(fā)揮出對人體獨特的生理功能,許多研究表明,RS能夠降低糖尿病、結(jié)腸癌、心血管疾病、肥胖等疾病的發(fā)病風險。

目前國際上把抗性淀粉主要分為5種類型:物理包埋淀粉(Physically Trapped Starch,RS1)、抗酶解的天然淀粉顆粒(Resistant Starch Granules,RS2)、回生淀粉(Retrograded Starch,RS3)以及化學改性淀粉(Chemically Modified Starch,RS4、RS5)。其中,RS5是Jay-lin Jane在2010年發(fā)現(xiàn)的一種新的抗性淀粉,它是直鏈淀粉與脂類形成的復合物[1]。抗性淀粉不僅能夠改善腸道環(huán)境,起到與膳食纖維相似的生理功能,對許多慢性病的防治有著重要的意義。同時,抗性淀粉持水性低、無異味,具有良好的食品加工性能。因此,抗性淀粉作為一種功能性的食品成分,已受到國內(nèi)外研究學者的廣泛關(guān)注,在抗性淀粉的制備、生理功能以及開發(fā)方面都取得進展[2]。

1 抗性淀粉的制備方法

谷物、豆類、水果等食物中存在的天然抗性淀粉的含量都比較少,通過普通提取的方法得到的含量難以滿足市場需求。因此,越來越多的研究者致力于通過一些物理、化學方法來提高抗性淀粉的產(chǎn)率,實現(xiàn)抗性淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)。目前,國內(nèi)外抗性淀粉制備方法主要有以下幾種:

1.1 壓熱處理法

壓熱處理是目前制備抗性淀粉最常用的方法之一,壓熱處理法是將淀粉和水混合,通過高溫、高壓將一定濃度的淀粉懸浮液充分糊化后,再經(jīng)過冷卻老化處理來制備抗性淀粉[3]。淀粉經(jīng)高壓蒸汽處理后變成糊狀,顆粒淀粉全部分解,再對淀粉進行回生處理,直鏈淀粉分子間通過氫鍵形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)淀粉乳濃度、處理溫度及時間不同,抗性淀粉的得率有較大的差異。一般來說,淀粉乳濃度居于20%~40%,處理溫度為80~160 ℃。然而,不同原料其影響抗性淀粉得率的因素重要性不同。苑會功等[4]用小麥淀粉壓熱制備抗性淀粉,影響因素主次為:壓熱溫度>淀粉乳濃度>放置時間>壓熱時間;利用紫山藥淀粉為原料時,影響抗性淀粉得率最重要的因素是淀粉乳濃度[5]。研究還發(fā)現(xiàn),淀粉回生循環(huán)可顯著提高抗性淀粉的含量,香蕉淀粉在121 ℃高壓熱蒸汽條件下處理1 h,在4 ℃的條件下儲存24 h,進行三次循環(huán)之后,抗性淀粉的含量從1.5%增加到16%[6]。

淀粉經(jīng)超高壓處理后,原淀粉晶體結(jié)構(gòu)重新排列,一部分A型結(jié)晶轉(zhuǎn)化為抗淀粉酶的B型晶體[7],從而提高抗性淀粉含量。劉樹興等[8]采用超高壓和酶相結(jié)合對小麥淀粉進行處理,在淀粉乳濃度20%、溫度25 ℃的條件下,保持450 MPa的壓力10 min制得的抗性淀粉平均得率為9.85%,比原始淀粉中R抗性淀粉的得率3.09%提高了2.18倍。

1.2 脫支法

脫支法是將淀粉水解、切割產(chǎn)生長度均一的脫支分子片斷,再通過分子間的相互締合作用形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。脫支法最常用的是酶法脫支,使用的酶為耐高溫α-淀粉酶和普魯蘭酶,α-淀粉酶主要水解淀粉的α-1,4-糖苷鍵,普魯蘭酶能夠?qū)R恍郧虚_支鏈淀粉分支點中的α-1,6-糖苷鍵,切下分支,形成直鏈淀粉[9]。經(jīng)過普魯蘭酶(1 U/g)協(xié)同處理紫薯淀粉,所得紫薯抗性淀粉含量為17.16%,較單一壓熱法提高了67.74%[10]。在酶法處理過程中,酶用量、溫度、酶解時間以及pH對脫支效果具有顯著的影響。此外,更多的研究者采用復合酶對淀粉進行處理。姚奧林等[11]采用普魯蘭酶和纖維素酶共同處理玉米淀粉,抗性淀粉的得率高達28.1%。α-淀粉酶、糖化酶和纖維素酶兩兩聯(lián)合處理、三種酶共同處理均使馬鈴薯回生抗性淀粉產(chǎn)率降低;而纖維素酶處理可大大提高馬鈴薯回生抗性淀粉產(chǎn)率[12]。因此,復合酶中酶的配比以及酶解順序?qū)剐缘矸壑苽湟灿幸欢ǖ挠绊憽?/p>

此外,酸法脫支也常被用于抗性淀粉的制備,其中鹽酸的催化率高達100%,該方法處理后,非晶型部分被水解掉,留下的晶型部分很難被分解,從而提高抗消化率,使抗性淀粉含量增加[13]。Mun等[14]以玉米淀粉為原料,在0.1 mol/L HCl,35 ℃的條件下酸解30 d,玉米中抗性淀粉的含量從5.9%增至9.1%。Pham等[15]將濕熱處理分別與3種有機酸(檸檬酸、乳酸、醋酸)相結(jié)合,對3種直鏈淀粉含量不同的大米淀粉進行處理。結(jié)果表明,酸和濕熱相結(jié)合處理之后的淀粉中抗性淀粉的含量為30.1%~39.0%,明顯高于未處理的大米淀粉(6.3%~10.2%)和只進行濕熱處理的大米淀粉(18.5%~23.9%)。

1.3 氧化處理

淀粉經(jīng)化學方法進行氧化處理(NaClO、過氧化氫、高碘酸鹽、氧氣、臭氧、高錳酸鹽等)過程中,淀粉葡萄糖單元中的羥基首先被氧化成羰基,然后繼續(xù)氧化成羧基,增加的羰基和羧酸對消化酶產(chǎn)生位阻效應,從而提高抗性淀粉含量。Simsek等[16]研究發(fā)現(xiàn),黑豆淀粉經(jīng)過臭氧化處理后,抗性淀粉含量從36.2%增至44.7%,黑白斑豆RS含量從41%增至44.6%。Chuang等[17]以玉米淀粉為原料,加入6%的NaClO,在pH9.5,35 ℃的條件下反應30 min,抗性淀粉的含量從11.7%增至35.1%。此外,通過電離輻射產(chǎn)生的自由基對淀粉不斷地進行氧化,增加淀粉中羰基的含量,能夠提高抗性淀粉的含量。Chung等[18]對馬鈴薯和白豆進行輻照處理,馬鈴薯抗性淀粉含量從84.1%提高到86.0%,白豆抗性淀粉含量從56.3%增至65.9%。輻照劑量及輻照劑量率對抗性淀粉得率的影響較大,利用Co60對樣品進行輻照,輻照劑量一般為每小時0.4~10 kGy。與其他化學制備方法相比,輻照處理具有無殘留物污染、耗時短的優(yōu)點,近年來受到更多的關(guān)注。

1.4 擠壓膨化處理法

擠壓膨化法是指將淀粉乳加入螺旋擠壓機,螺旋擠壓機的擠壓作用使淀粉乳與螺旋摩擦產(chǎn)生大量熱量和發(fā)生剪切作用,淀粉糊化,直鏈淀粉溶出,一部分的支鏈淀粉發(fā)生斷裂,形成的線性片段更容易形成抗酶解的結(jié)構(gòu),從而增加抗性淀粉的含量。擠壓膨化法在制備抗性淀粉的過程中具有成本低、效率高的優(yōu)點,因此在國外有許多關(guān)于擠壓膨化法的研究與應用,其中Hasjim等[19]以普通的玉米淀粉為原料進行擠壓過后,抗性淀粉的含量從2.1%增至17.4%,此外,Sarawong等[20]在以綠香蕉淀粉為原料進行擠壓時,發(fā)現(xiàn)在水分含量越高,轉(zhuǎn)速越低的條件下,直鏈淀粉含量增加,抗性淀粉也隨之增加,González-Soto[21]和July[22]在對芒果進行擠壓處理時,也得到此結(jié)論。目前國外采用擠壓膨化法工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品有美國Novelose系、Fiberstar系、Hi-Maize和英國Crystalean。而在國內(nèi),采用擠壓膨化法制備RS還處于研究階段,目前還無法進行工業(yè)化的生產(chǎn)[23]。

除此之外,適量的微波處理能使淀粉分子的膨脹度、溶解度、粘度下降,部分雙螺旋解旋,直鏈淀粉含量增加,從而增加抗性淀粉的含量[24]。采用微波-酶法制備RS3型玉米抗性淀粉[25]和甘薯淀粉[26]均能提高抗性淀粉含量,抗性淀粉得率分別為13.45%和31.25%。另外,超聲波輔助處理不僅可以利用空化效應降解淀粉,還可以促進酶解速率,提高抗性淀粉得率[27]。淀粉經(jīng)壓熱法制備后,再經(jīng)過反復凍融,會改變淀粉凝膠結(jié)構(gòu)和促進淀粉回生,可顯著提高抗性淀粉含量[28]。

2 抗性淀粉的生理功能

抗性淀粉作為一種新型膳食纖維,不僅具有傳統(tǒng)膳食纖維的大部分生理功能,還能通過在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物而對人體發(fā)揮著獨特的生理功能。

2.1 抗性淀粉對腸道健康的影響

抗性淀粉在小腸中不能被消化吸收,但在大腸內(nèi)能被結(jié)腸微生物完全發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸(丁酸、乙酸、丙酸等)和氣體(CO2、CH4、H2)。其中丁酸是對大腸健康影響最為突出的短鏈脂肪酸,是大腸上皮細胞主要能量底物,能夠抑制腸道細胞的惡性轉(zhuǎn)化,預防結(jié)直腸癌。此外,丁酸還能預防和改善潰瘍性結(jié)腸炎、抗腹瀉、治療類風濕性關(guān)節(jié)炎[29]。產(chǎn)生的氣體不僅能使糞便變得疏松,還能增加糞便的體積,有效預防痔瘡、盲腸炎、便秘等腸道疾病。

抗性淀粉還能作為一種益生元,促進腸道中有益微生物的生長、繁殖。謝濤等[30]研究了制得的綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗抗性淀粉的益生作用及結(jié)構(gòu)變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),4種抗性淀粉不僅對雙歧桿菌和乳酸桿菌都有較好的增殖作用,還能抑制大腸桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌。另外,抗性淀粉還能夠促進礦物質(zhì)的吸收,Morais等[31]發(fā)現(xiàn)抗性淀粉能明顯促進豬腸道對鈣離子和鐵離子的吸收。

2.2 抗性淀粉對糖尿病的預防功能

抗性淀粉不會在小腸內(nèi)轉(zhuǎn)化成為葡萄糖,而是在攝入5~7 h后在大腸發(fā)生代謝,有效降低了餐后血糖和胰島素濃度,同時也增加了飽腹感[32]。大量人體實驗表明,攝入含有抗性淀粉的食物能有效控制血糖[33]、提高胰島素的敏感性[34],改善糖尿病患者、正常人和超重個體餐后血糖狀況。在動物實驗中,白建江等[35]和Shen等[36]均發(fā)現(xiàn)患有2型糖尿病的大鼠在喂食抗性淀粉之后,血糖均得到了有效控制。有研究發(fā)現(xiàn),抗性淀粉控制血糖、降低糖尿病的并發(fā)癥可能與抗性淀粉保護腎臟的功能使人體保證充足的營養(yǎng),尤其是維生素D的含量有關(guān)。許多病列表明:I型[37]和Ⅱ型[38]糖尿病患者的身體中缺乏維生素D。但是患有糖尿病導致維生素D缺乏,還是缺乏維生素D導致糖尿病發(fā)生仍然有很多爭議,需要進行更深入的研究。

2.3 抗性淀粉對脂類代謝的影響

抗性淀粉能降低肝臟、血清中甘油三酯和膽固醇的含量,但是如何降低甘油三酯、膽固醇的機制尚不清楚。大多數(shù)的研究者認為抗性淀粉是通過增加類固醇和糞便的排泄來降低肝臟、血清中甘油三酯和膽固醇含量。Jocarol等[39]用生馬鈴薯淀粉RS2、馬鈴薯老化淀粉RS3及纖維素飼喂大鼠,結(jié)果發(fā)現(xiàn),3組大鼠的日總糞固醇排泄量分別為RS3組(26.31 mg/d),RS2組(16.81 mg/d),纖維素組(14.27 mg/d),其中RS3組大鼠的日總糞固醇排泄量幾乎是纖維素組的2倍。Cheng等[40]發(fā)現(xiàn)不同比例RS的大米淀粉和玉米淀粉能能夠顯著降低高膽固醇大鼠血清總膽固醇濃度及肝臟中甘油三酯和總膽固醇,這可能與大米發(fā)酵產(chǎn)生的丙酸有關(guān)。此外,Han等[41]發(fā)現(xiàn)用含有5%大豆RS的飲食飼喂雄性大鼠4周后,肝7α-膽固醇脫氫酶、SR-B1、LDL受體等脂代謝相關(guān)基因的表達水平均顯著上升,這可能是血清膽固醇水平降低的原因之一。抗性淀粉降低血清甘油三酯及膽固醇的機制還有待于進一步研究。

此外,抗性淀粉作為一種新型的膳食纖維,含有較低的熱量,添加到食物中能降低食物的能量密度和增加飽腹感,還能增強能量的消耗和脂肪氧化,從而達到控制體重的目的。許多研究證明,抗性淀粉能有效的控制體重。Aziz等[42]發(fā)現(xiàn),給肥胖小鼠喂食含有23.4%抗性淀粉的飼料,小鼠的體重減少了40%。此外,研究發(fā)現(xiàn)含有8%以上抗性淀粉的飼料能有效降低小鼠的體重,每增加4%抗性淀粉,小鼠的能量攝入減少9.8 kJ/d[43]。

2.4 抗性淀粉的其他功能

容易消化的淀粉在人體中被消化吸收后能夠產(chǎn)生大量的胰島素,而胰島素能夠促進膽固醇的形成,進而形成膽結(jié)石。研究發(fā)現(xiàn),抗性淀粉可以降低膽結(jié)石的發(fā)病率[44]。此外,抗性淀粉對SD大鼠胃損傷有一定的保護作用。騫宇等[45]在HCl-乙醇誘導的胃損傷動物模型中發(fā)現(xiàn),RS2能夠顯著降低大鼠的胃損傷程度,減少胃液分泌量、增加胃液pH,對胃損傷有一定的預防效果。

3 抗性淀粉的應用

抗性淀粉不僅對人體具有獨特的生理功能,同時還具有良好的食品加工特性,而被廣泛應用在食品中。

3.1 抗性淀粉作為食品添加劑

抗性淀粉不僅具有豐富的營養(yǎng)特性,還具有持水能力低、結(jié)合水能力高、口感細膩等特點。將抗性淀粉添加到食物中不僅可以增強食品的營養(yǎng),還能增加食品的脆度、膨脹性等感官品質(zhì),提高產(chǎn)品質(zhì)地。抗性淀粉作為食品添加劑可以添加到面包、餅干等烤焙食物中,也可以添加到面條、米飯等食物中。Maziarz等[46]分別將5.50%、13.10%和8.94%的RS2添加到松餅、面包、咖喱這三種食物中,比較添加RS2三種食物的感官品質(zhì)發(fā)現(xiàn),添加RS2的松餅,其感官品質(zhì)提高;添加RS2的面包顏色更深,更稠密;強化后咖喱的感官品質(zhì)沒有受到較大影響。

抗性淀粉也可用于飲料、發(fā)酵乳制品和湯料的制作中??剐缘矸塾米髟龀韯┨砑拥斤嬃现?不但增加了飲料的不透明度和懸浮度,而且還不會影響其風味。將抗性淀粉添加到酸奶中能增加有益菌(乳酸桿菌)的數(shù)量,提高酸奶的營養(yǎng)價值。在油炸食品中,因RS3在高溫下的穩(wěn)定性最好,因此常將RS3添加到油炸食品中,添加抗性淀粉的油炸食品不僅顏色、硬度和脆性均得到了優(yōu)化,同時膳食纖維的含量還得到了提高,有利于人體消化吸收。

3.2 抗性淀粉作為功能食品原料

抗性淀粉具有改善腸道環(huán)境,防止便秘,預防結(jié)腸癌和糖尿病,降低血清脂質(zhì)含量等多種良好的生理功能,因此抗性淀粉作為原料開發(fā)高品質(zhì)的功能性保健食品具有巨大的應用前景。目前,美國Medistar公司以抗性淀粉為原料開發(fā)出針對糖尿病患者的特纖特膳沖劑,能有效提高胰島素的敏感性,降低血糖。此外抗性淀粉因其具有良好的飽腹感,也可作為一種減肥產(chǎn)品來控制肥胖人群體重的增長。

3.3 抗性淀粉作為生化藥物載體

抗性淀粉因其不能被小腸內(nèi)的消化酶降解而直接到達大腸,因此,可用它作為載體用來包埋某些藥物而達到在特定位點釋放的目的。Chen等[47]研究發(fā)現(xiàn)糊化和交聯(lián)處理之后的玉米淀粉不僅抗性淀粉含量增加,還可作為靶向結(jié)腸的藥物載體,從而使藥物達到定點釋放的目的。此外,抗性淀粉也被用于微膠囊技術(shù)中,其中,海藻酸鈣因操作簡單、無副作用、成本低而廣泛用作微膠囊壁材,但是將海藻酸鹽與淀粉一起使用可以更好強化固定細菌,提高細菌的存活率。Mirzaei等[48]將抗性淀粉和海藻酸鈣作為微膠囊壁材對奶酪進行包埋,結(jié)果發(fā)現(xiàn)包埋之后的奶酪中乳酸桿菌的活菌數(shù)明顯高于未包埋的,酸奶中益生菌用微膠囊(海藻酸鹽和RS2)包埋后其中的乳酸桿菌和雙歧桿菌的活菌數(shù)也均高于沒有包埋的[49]。

4 總結(jié)與展望

隨著人們生活水平的提高,人們也越來越關(guān)注具有保健功能的食品。其中,抗性淀粉作為一種新興的膳食纖維資源,因具有良好的加工特性以及對人體有著獨特的生理功能而引起了廣泛的關(guān)注,擁有廣闊的市場前景。但是國內(nèi)外對抗性淀粉的研究都不夠深入,很多機制并未解釋清楚。此外,富含抗性淀粉品種的篩選以及如何才能實現(xiàn)對抗性淀粉進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),都需要進行更加深入的研究。

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Preparation and physiological function of resistant starch and its application

WANG Yi1,2,CHEN Zu-qin1,LI Ping1,HUANG Wen-li1,*

(1.Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Biotechnology and Nuclear Technology Research Institute,Chengdu 610066,China; 2.Chengdu University,Chengdu 610106,China)

Resistant starch(RS),a functional food with low calorie and high content of dietary fiber,has multi-benefit for health. It attracts more and more attention all over the world in food field. Here,we focus on the classification,preparation and physiological function of resistant starch. In addition,its application in food and other industry was summarized.

resistant starch;preparation;physiological function;application

2016-06-28

王怡(1993-),女,碩士研究生,研究方向:食品加工與安全,E-mail:wangchehz@163.com。

*通訊作者:黃文麗(1983-),女,博士,研究方向:天然產(chǎn)物開發(fā)與利用,E-mail:wenlih_11@126.com。

四川省財政創(chuàng)新能力提升工程資金項目(2015JSCX-001)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000

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