大米RS3型抗性淀粉的影响因素及形成机制的研究进展

余世锋，郑喜群

(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江省高校农产品加工重点实验室，黑龙江齐齐哈尔 161006)

大米RS3型抗性淀粉的影响因素及形成机制的研究进展

余世锋，郑喜群

(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江省高校农产品加工重点实验室，黑龙江齐齐哈尔 161006)

大米RS3型抗性淀粉是一种天然的食品功能物质，具有许多优越的生理功能。综述了大米RS3型抗性淀粉的物理化学特性，分析了大米RS3型抗性淀粉形成的影响因素，探讨了大米RS3型抗性淀粉形成机制，有望为大米RS3型抗性淀粉的生产加工提供理论借鉴。

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抗性淀粉是国际上新兴的食品研究领域，它的发现和研究被誉为近20年来碳水化合物与健康关系研究中的一项重要成果。抗性淀粉由英国生理学家Englyst等1987年发现并命名［1］，抗性淀粉定义为:不被健康人体小肠所消化，而能在大肠中被消化吸收的淀粉及其降解产物的总称［2－7］。目前，抗性淀粉分为五大类［7］:RS1为物理包埋淀粉(physically trapped starch)、RS2为抗性淀粉颗粒(resistant starch granules)、RS3为回生淀粉(retrograded starch)、RS4为化学改性淀粉(chemical modified starch)、RS5为直链淀粉－脂质复合物(Amylose－lipid complexes)。抗性淀粉是一种天然的食品功能物质具有许多优越的生理功能［4－8］:平衡体重和能量(减肥)，控制餐后血糖、防止糖尿病，，促进锌、钙、镁离子的吸收，治疗腹泻，双歧杆菌增殖因子，减少血清中胆固醇和甘油三酯，预防脂肪肝，保护肠道，增加排便量等。其中RS3型抗性淀粉是淀粉在糊化后由淀粉回生而产生［3－4］，它既具有RS淀粉独特的生理功能，且具有颗粒细小、颜色白腻、风味淡、持水力温和等特点而被作为传统膳食纤维的最佳代替物，以增加食品的脆性、改善口感、减少食品的膨胀度等，它是一种优质的食品功能性添加因子。因此，RS3型抗性淀粉具有比传统膳食纤维更为优越的生理功能和食品加工性能，有重要的“药膳”和商业价值。大米RS3型抗性淀粉以大米淀粉为原料制备而成。大米淀粉由直链和支链淀粉组成，形成结晶区和无定形区，其中直链淀粉由α，1－4糖苷键链接成线性结构且带有非常少量的α，1－6分支(＜0.1%)，而支链淀粉带具有高度α，1－6键分支结构(5%～6%)［3，9－10］。当有过量的水(大于50%)存在并受热时，淀粉分子发生水合作用形成一种共聚物胶体，这一过程被称为糊化或凝胶化(gelatinization)，糊化后的淀粉在冷却和贮藏过程中，凝胶中呈无序状态的淀粉分子通过氢键重新进行有序排列而相互缔合，最终形成难以复水的高度结晶体，抗化学试剂或酶侵蚀的能力增强、黏性下降、透明度下降，溶液中产生凝聚、相分离现象或沉淀，这就是大米RS3型抗性淀粉形成过程。尽管大米RS3型抗性淀粉的形成现象早已被人们所认识，但是对于如何高效制备大米RS3型抗性淀粉以及其形成机制，一直是大米淀粉深加工领域的难题。因此，本文对大米RS3型抗性淀粉的物化特性、影响因素及形成机制进行分析，有望为大米RS3型抗性淀粉产品的开发和应用提供理论参考和借鉴。

1 大米RS3型抗性淀粉的物理化学性质

1.1 大米RS3型抗性淀粉的颗粒特征

大米RS3型抗性淀粉的颗粒结构及形状对其物化性质、功能性质等有重要影响。大米RS3型抗性淀粉主要由直链淀粉回生引起，由结晶区和无定形区组成，结晶区可以抗酸解和酶解。研究发现，大米RS3型抗性淀粉颗粒成蜂巢状和丝状结构［11］，而且大米RS3型抗性淀粉的结晶结构比天然淀粉更加致密［12］。挤压法制备的大米抗性淀粉为不规则形状颗粒，不同于大米RS3型抗性淀粉颗粒，这可能由于挤压破坏了淀粉颗粒及其分子分布所致［13］。X射线衍射表明大米RS3型抗性淀粉以V型结构存在［11］，如果制备方法不同，大米RS3型抗性淀粉的颗粒形态也会有很大差异［11，13］。到目前为止，大米RS3型抗性淀粉分子大小及结构、颗粒结构形态等仍不清楚，有待深入研究。

1.2 大米RS3型抗性淀粉的膨润性及溶解性

大米RS3型抗性淀粉的膨润性和溶解性较小，这主要由于RS3型抗性淀粉的颗粒内部比较致密，水分子不容易进入，持水力降低所致，而结晶的淀粉分子不容易与水分子结合并分散，因此，大米RS3型抗性淀粉的溶解性较低。由于大米RS3型抗性淀粉的膨润性和溶解性低且热性质稳定，适宜作为饮料的功能添加因子，以增加饮料的不透明度和悬浮度。

1.3 大米RS3型抗性淀粉的热特性

大米RS3型抗性淀粉的热特性不同于天然大米淀粉，DSC扫描发现原淀粉在20～200℃只有单一吸热峰，而酸解制备的抗性淀粉在85℃和148℃均有吸热峰，与大米原淀粉的相变吸热峰相比，抗性淀粉的相变温度有所提高，吸热焓增大，可能由于抗性淀粉形成了致密的结晶结构致使其热稳定性提高［12］。而压热法制备的大米抗性淀粉的始糊化温度在120℃左右、峰值糊化温度在140℃左右、糊化终点温度在160℃［13］。这说明制备方法不同，大米RS3型抗性淀粉的热特征温度会有差别，可能是由于两种方法导致抗性淀粉分子特性及颗粒结构差异所致。由此可知，抗性淀粉分子特性及颗粒结构是大米RS3型抗性淀粉的热特性的主要影响因素，分子量越大、颗粒结构越完整，颗粒崩解温度越高。然而，抗性淀粉热特性与分子特性及颗粒结构的关系仍不清楚，仍需进一步研究。

1.4 大米RS3型抗性淀粉的糊化特性

采用RVA研究淀粉的糊化性质时，发现大米RS3型抗性淀粉与大米淀粉的峰值黏度、最低黏度、崩析值、衰减值、最终黏度等有很大差异［14］。大米抗性淀粉的糊化温度高于大米淀粉的糊化温度，表明大米淀粉比大米抗性淀粉易于糊化［13－14］。大米淀粉的峰值粘度明显高于大米抗性淀粉，说明大米淀粉结合水的能力高于大米RS3型抗性淀粉，可能由于大米RS3型抗性淀粉与大米淀粉的晶体结构不同所致。大米淀粉的衰减度明显高于大米RS3型抗性淀粉，这表明在高温和机械剪切力的作用下，大米淀粉进一步崩解并且重新排列的程度大于RS3型抗性淀粉，这主要是由于大米RS3型抗性淀粉在前期已经崩解并且经过重新排列，形成的结构具有较高的稳定性。另外，研究发现大米淀粉在熟化并冷却后形成粘糊或凝胶的能力强于大米RS3型抗性淀粉，这主要是由于他们之间结构的不同而造成的［14］。从糊化特性来看，大米RS3型抗性淀粉糊化性质稳定，适宜做焙烤食品的添加剂。

1.5 大米RS3型抗性淀粉的流变特性

采用流变仪研究发现，大米RS3型抗性淀粉的流变性曲线比早籼稻大米淀粉的流变曲线弯曲，可能是因为大米抗性淀粉分子结构发生了很大地变化，成分中以变性的直链淀粉为主，分子易于取向，分子间的联系较为松散所致［14］。淀粉分子结构影响淀粉的流变特性，而抗性淀粉的流变特性与直链淀粉分子取向及致密程度相关，而且大米RS3型抗性淀粉的流变性受制备方法的影响。因此，在生产过程中，通过控制制备方法，可以有效控制大米RS3型抗性淀粉的流变性质。

2 大米RS3型抗性淀粉的影响因素

2.1 大米淀粉组成对RS3型抗性淀粉的影响

大米RS3型抗性淀粉主要由直链淀粉回生引起，而淀粉组成对淀粉回生有重要影响，进而影响了大米RS3型抗性淀粉的形成。另外，淀粉中的脂类通过与直链淀粉形成复合物，进而抑制直链淀粉回生并影响大米RS3型抗性淀粉的形成。因此，大米RS3型抗性淀粉的形成需要考虑直链/支链淀粉比例及脂类的影响。

2.1.1 大米淀粉直支链比对RS3型抗性淀粉的影响

大米RS3型抗性淀粉主要由回生直链淀粉组成，淀粉中直链淀粉含量的高低直接影响抗性淀粉含量，直支比越高，越易形成RS3型抗性淀粉。一般来说，籼米中直链淀粉含量较高，糊化后易产生高含量RS3型抗性淀粉，粳米淀粉直链淀粉含量适中，糊化后产生的RS3型抗性淀粉较低，而糯米淀粉则不易产生抗性淀粉。因此，制备大米RS3型抗性淀粉，需选择高直链淀粉含量的大米淀粉。目前，水稻中直链淀粉含量不高，可以通过基因改良来提高直链淀粉含量，最终提高大米RS3型抗性淀粉产率。

2.1.2 脂类对大米RS3型抗性淀粉的影响 淀粉与脂类形成复合物也会影响大米抗性淀粉的形成。研究发现［15］，直链淀粉与脂质复合物是由直链淀粉的螺旋结构内部非极性区域与脂质的碳氢链之间交互作用，形成单螺旋复合结构，X－射线衍射呈Vh晶型结构;支链淀粉与脂质的复合物主要发生在支链淀粉的分支外部侧链上，没有直链淀粉－脂类复合物稳定。脂质对抗性淀粉含量的影响较大，直链淀粉－脂质复合物的形成影响淀粉糊化和抑制淀粉分子的重新排列，推了迟淀粉凝沉过程，而且直链淀粉－脂质复合物导致水分迁移率下降，延缓淀粉由无序非结晶状态转变为有序结晶状态而引起老化，间接抑制了RS3型抗性淀粉形成［16－18］。研究发现脱脂可以提高抗性淀粉的含量，淀粉脱脂有利于湿热处理过程中颗粒态抗性淀粉的形成，而添加单硬脂酸甘油酯和脂肪酸酯不利于抗性淀粉的形成［17］。另外，淀粉中脂质或加入脂质在淀粉加热过程中影响淀粉特性，脂质致使淀粉溶胀性和溶解性降低，改变糊化温度和热焓及流变性质［18］。因此，在抗性淀粉生产中，通过添加或减少脂质量可抑制或促进RS3型抗性淀粉的形成，进而改变RS3型抗性淀粉的产率。

2.2 盐及糖类对大米RS3型抗性淀粉的影响

盐类对RS3型抗性淀粉的形成有重要影响，不同的盐类对抗性淀粉形成的影响有差异。研究发现NaCl和KCl对颗粒态抗性淀粉含量影响最适添加量分别为20%和12%，随着盐含量的增加，抗性淀粉含量增加，超过最适添加量后，抗性淀粉含量与盐的添加量成反比，而CaCl2的添加对抗性淀粉的形成起抑制作用［19］。因此，在颗粒态抗性淀粉的生产过程中，可以通过适当添加盐类物质以提高其抗性淀粉产率，但添加CaCl2会导致抗性淀粉产率的降低。

糖类的添加会对大米RS3型抗性淀粉的形成有影响，不同的糖对抗性淀粉形成的影响有差异。研究发现葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖对颗粒态抗性淀粉产率最适添加量分别为18%、7%、22%和10%，随着糖含量的增加，抗性淀粉含量增加，超过最适添加量后，抗性淀粉含量与糖添加量成反比［20］。糖在颗粒态抗性淀粉的形成过程中充当增塑剂的作用，在颗粒态抗性淀粉的生产过程中，可溶性糖分子与淀粉分子链间的作用改变了淀粉凝沉的基质，进而改变RS3型抗性淀粉的形成。因此，可以通过添加适当糖类基质的方法来提高RS3型抗性淀粉产率。

2.3 酸解和酶解对大米RS3型抗性淀粉的影响

2.3.1 酸解对大米RS3型抗性淀粉的影响 采用酸变性和水热处理相结合的方法制备抗性淀粉，可以明显提高RS3型抗性淀粉的得率。研究发现盐酸用量、酸解时间、淀粉乳浓度和沸水浴时间对抗性淀粉得率都有较大的影响，各因素间的最佳配比为:酸解时间为2h，盐酸用量为2%，淀粉与水之比1∶9，沸水浴时间2.5h［21］。酸水解致使淀粉分子降解，产生较多的直链淀粉分子，糊化后直链淀粉分子更易于聚集凝结而凝沉(老化)，因此，酸解可促进大米RS3型抗性淀粉的形成及产率的提高。

2.3.2 酶解对大米RS3型抗性淀粉的影响 酶解对抗性淀粉的形成有重要影响，普鲁兰酶能有效提高大米RS3型抗性淀粉的产率［11］，脱支酶主要通过降解支链淀粉分子，使分子结构归直化且Dp有所降低，因此淀粉凝胶更易于聚集结晶而凝沉(老化)。复合酶(脱支酶和麦芽糖酶)通过对淀粉分子结构的改变，也会对RS3型抗性淀粉的形成产生影响［22］。耐热α－淀粉酶和普鲁兰酶的添加量对抗性淀粉的形成均有重要影响，酶添加量太高或太低均不利于抗性淀粉的形成［23］。因此，可以通过加入复合酶适当破坏分子结构，降解淀粉分子量，促进大米RS3型抗性淀粉的形成，并提高其产率。

2.4 超声处理大米对RS3型抗性淀粉的影响

超声波是物质介质中的一种弹性机械波，其频率范围为2×104～2×109Hz，超声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动，可引起与媒质的相互作用，超声波在液体内的作用主要来自超声波的热作用、机械作用和空化作用［24－26］。淀粉在超声波的作用下，由机械性断裂作用和空化效应而破坏C－C键，降解大分子链，进而提高直链淀粉含量［27］，因此适度的超声处理有利于RS3型抗性淀粉产率的提高。郭星［23］等研究发现超声处理可以提高产品中抗性淀粉含量，超声频率为25kHz、作用时间为120s时，抗性淀粉产率可达19.19%。然而，超声作用时间太短或太长都不利于抗性淀粉的形成和产率的提高，过度的超声作用会致使淀粉降解成小分子糊精，不利于大米RS3型抗性淀粉的形成及其产率的提高。

2.5 加热温度和时间对大米RS3型抗性淀粉的影响

加热时间越长，大米淀粉完全糊化后发生老化现象越严重［28］，可能由于充分加热破坏了淀粉分子结构和分子大小，致使淀粉凝胶易于凝沉，有利于RS3型抗性淀粉的形成。而且加热温度对大米抗性淀粉的形成也有促进作用。研究发现，直链淀粉与脂类形成的直链淀粉－脂复合物在95℃左右才能解离，释放出直链淀粉分子，在温度低于90℃的条件下，抗性淀粉的产率较低;当温度在90℃以上压热处理淀粉样品时，RS产率有较明显的升高;在120℃以上，几乎所有的淀粉分子均从破裂的淀粉粒中游离出来，呈无序状态［29］。另外，研究发现［30］170℃的条件下，抗性淀粉的平均产率最高，低于140℃或者高于200℃时，抗性淀粉的平均产率相对较低，温度的升高有利于直链淀粉从破裂的淀粉粒中逸出，有利于冷却时晶核形成，但是温度过高，有可能导致淀粉降解，致使易于形成抗性淀粉的聚合度适中的直链淀粉数量减少，导致抗性淀粉产率的下降。因此，在抗性淀粉生产过程中，可以通过控制温度和加热时间来提高大米RS3型抗性淀粉的产率。

2.6 挤压处理对大米RS3型抗性淀粉的影响

挤压处理致使淀粉在挤压过程中充分糊化，在糊化的过程中淀粉结晶结构被破坏，螺旋结构展开，直链淀粉游离出来;老化过程中，直链淀粉分子间结晶形成抗性淀粉［30］。大米淀粉热处理条件影响RS3的得率，李翠莲［29］等研究发现热处理制备工艺条件为淀粉乳质量分数30%、热处理温度120℃、热处理时间 70min时，大米 RS3型抗性淀粉产率可达9.54%。但RS3型抗性淀粉比超声处理制备抗性淀粉产率低［23］。另外，在高温高压挤压条件下，水分含量在淀粉分子溶胀过程中起着重要的作用，水分含量较低时，淀粉分子的溶胀作用受到抑制，不利于淀粉颗粒分子的逸出，而水分含量太高时，又致使淀粉分子的浓度降低，不利于淀粉分子的交联作用，影响了抗性淀粉的产率［13］。因此，采用单一挤压法不利于制备RS3型抗性淀粉，需要结合其它方法并适度控制水分含量和热处理温度以提高RS3型抗性淀粉的产率。

2.7 冷却速率对大米RS3型抗性淀粉的影响

冷却速率对大米RS3型抗性淀粉的形成有重要影响，快速冷却淀粉凝胶中的直链分子来不及重新结晶和聚集，不易形成RS3型抗性淀粉，而缓慢冷却淀粉凝胶中的分子有足够的时间聚集，容易形成RS3型抗性淀粉［31］。因此，通过控制冷却速率可以提高直链淀粉的回生，进而提高RS3型抗性淀粉的产率。

2.8 贮藏温度和时间对大米RS3型抗性淀粉的影响

贮藏温度影响大米淀粉回生，进而影响大米RS3型抗性淀粉的形成。大米直链淀粉的凝沉结晶主要过程为成核、聚集、结晶形成，淀粉结晶过程主要取决于成核与结晶增长的速率，这两个过程与温度直接相关，0～4℃时成核速率大，结晶增长较快，而高温时则相反［31］。另外，贮藏时间也会显著影响大米淀粉的回生，随着贮藏时间的延长，淀粉回生速率减小，淀粉回生趋于稳定［31］，也就是说抗性淀粉的形成趋于稳定。对于大米淀粉凝胶而言，重结晶通常发生在玻璃化转变温度(Tg)和熔化温度(Tm)之间，大米淀粉凝胶的Tg大约在－5～－10℃，而直链淀粉晶体的熔化温度大约在150℃，因此，大米直链淀粉的结晶只发生在这两个温度之间。然而，大米RS3型抗性淀粉的适宜形成温度为0～4℃，其它温度下不易回生，也就是说不易形成大米 RS3型抗性淀粉的形成［31－32］。而且大米直链淀粉回生发生在降温过程中，大米直链淀粉回生过程在24h内基本完成［33－34］，大米RS3型抗性淀粉的形成主要发生在最初24h内。因此，大米RS3型抗性淀粉最佳形成温度范围0～4℃，时间为24h，通过控制结晶温度和时间，可以有效控制大米RS3型抗性淀粉的形成，提高RS3型抗性淀粉产率和制备效率。

2.9 冻融处理对RS3型抗性淀粉的影响

冻融处理的次数对抗性淀粉形成影响很大，随着次数的增加抗性淀粉的产率也增加。反复冻融处理会致使大米淀粉凝胶冻融稳定性下降，进而促进大米淀粉凝胶回生，高直链淀粉含量的凝胶易于回生［34－35］，易于形成大米RS3型抗性淀粉，反复冻融处理可促进大米直链淀粉回生，进而提高RS3型抗性淀粉的产率。

2.10 其它因素对大米RS3型抗性淀粉的影响

一般来说，影响大米淀粉回生(老化或凝沉)的因素，均会对大米RS3型抗性淀粉的形成产生影响，如pH、添加剂、生物酶等均会影响抗性淀粉的形成。因此，研究大米RS3型抗性淀粉的形成过程需要考虑众多因素。研究发现［36］，温度、时间、pH及Ca2+添加量对大米RS3型抗性淀粉的影响大小分别是时间＞温度＞Ca2+＞pH，当大米淀粉乳浓度为30%、糊化30min、添加1%Ca2+、pH为7、60℃保温12h，大米RS3型抗性淀粉的得率可达19%。但这种方法需要控制的参数过多，工艺复杂不易控制。另外，蒸煮、焙烤、煎炸和转鼓干燥等处理方式等也会对大米RS3型抗性淀粉的形成产生影响。

总之，大米RS3型抗性淀粉的形成影响因素众多，大米RS3型抗性淀粉加工需要综合考虑各种因素，工艺简单、易于控制、产率高且成本低廉的工艺是大米RS3型抗性淀粉加工技术未来发展的方向。

3 大米RS3型抗性淀粉的形成机制

大米RS3型抗性淀粉的形成取决于淀粉凝胶中直链淀粉的回生，大米RS3型抗性淀粉的形成是直链淀粉重结晶的过程。研究发现回生的直链淀粉结晶区25%～60%，晶体融化温度为130～160℃［37］，对直链淀粉含量为32.6%的大米淀粉，加热糊化的最终温度可以影响冷却过程中直链淀粉晶体的形成，糊化最终温度超过170℃后，冷却过程中才有直链淀粉的晶体形成，温度越高形成的晶体越多［38］。直链淀粉回生是一个短期的过程［37，39－40］。直链淀粉回生要经历三个阶段［39］:第一阶段:链伸展，取决于维持结构的内部超级分子的断裂;第二阶段:失去结合水，分子重新定位;第三阶段:彼邻分子间氢键的形成。前两个阶段是吸热过程，后一个阶段是放热过程，总过程是一个吸热过程［39］，直链淀粉糊回生过程如图1所示［41］。而且直链淀粉的回生性质与其分子结构及分子量、支链淀粉结构、脂类、淀粉浓度、冷却速率及贮藏条件等密切相关。然而，由于实验条件和仪器限制，又加上直链淀粉在降温24h内凝沉完成，并且凝沉后的大米直链淀粉融化温度高达160℃以上，普通仪器无法满足实验要求，到目前为止大米直链淀粉回生机制仍不清楚，因此大米RS3型抗性淀粉的形成机制有待深入研究。

图1 直链淀粉回生过程示意图［41］Fig.1 Retrogradation process of amylose gel［41］

4 展望

人类对大米RS3型抗性淀粉的认识还远不如其它营养素那么清楚，RS3型抗性淀粉具有优越的生理功能，它的发现和研究将为淀粉深加工开创一个良好的开端。而且抗性淀粉是可再生资源淀粉的功能化改性产品，研究开发其工业化生产技术，不仅给我国淀粉产业的发展带来新的经济增长点，更重要的是可促进我国功能性食品的发展。目前，大米RS3型抗性淀粉研究仍处于理论阶段，RS3型抗性淀粉的形成机制及影响因素有待深入研究，这些研究的突破可更好地从理论和实践上指导抗性淀粉的工业化生产。

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Research progress of the effect factor of preparation and mechanisms of rice RS3

YU Shi－feng，ZHENG Xi－Qun
(Heilongjiang Provincial Key University Laboratory of Processing Agricultural Products，College of Food and Bioengineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China)

Rice resistant starchⅢ(RS3)is a functional nutrients，which has much physiological function.The physicochemical properties of RS3and the effect factors were reviewed and analyzed，the mechanisms of RS3were discussed，which might be useful for rice RS3production.

rice;starch;resistant starch;RS3;mechanism

TS231

A

1002－0306(2012)08－0431－05

2011－05－13

余世锋(1982－)，男，博士，讲师，研究方向:淀粉科学与工程，淀粉低温特性。

齐齐哈尔大学青年教师科研启动支持计划项目(2010KZ11)。