马铃薯淀粉的消化吸收特性研究进展

2021-01-17王丽李淑荣句荣辉王辉汪慧华贾红亮杨洋程雪华

食品研究与开发 2021年20期

王丽，李淑荣，句荣辉，王辉，汪慧华，贾红亮，杨洋，程雪华

（北京农业职业学院食品与生物工程系，北京102442）

马铃薯产量高、种植面积广、生命力顽强、对环境适应性强，具有多种营养价值。由于地域文化和风俗习惯的不同，马铃薯在很多地方并不是主食，但马铃薯在世界各地广泛种植，每年全球产量为3.68亿吨，其中我国马铃薯产量占比约四分之一，位居世界首位[1]。目前马铃薯与小麦、水稻、玉米一起被称为世界四大农产品，也是世界五大农作物之一。淀粉是马铃薯的主要成分（大于70%），为人类的正常活动提供能量[2]。2015年农业部提出推进马铃薯主粮化的战略思想，使马铃薯逐渐成为人们日常的必需品，但马铃薯淀粉对人类身体健康的影响情况一直是人们关注的热点，本文将对马铃薯淀粉的消化特性进行归纳总结，以期为马铃薯的加工利用提供依据。

1 马铃薯淀粉的消化吸收率

根据淀粉在肠道运输过程中被消化酶水解的时间，可以分为三类，即快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS，在 20 min内水解）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch，SDS，在 20 min～120 min之间水解）和抗性淀粉（resistant starch，RS，在 120 min内未水解）[3]。RDS通常被认为是最不健康的部分，因为淀粉的快速水解会导致血糖和胰岛素水平快速上升。在煮熟的马铃薯中，RDS含量可高达53%～86%[2-3]。SDS在体内的消化时间大致相当于食物通过小肠所需的时间，由于这种缓慢的消化特性，SDS可以持续提供能量，并有助于控制血糖和胰岛素水平，即使在总体血糖指数较高的食物中也是如此[4]。ENGLYST等[3]研究发现煮熟马铃薯中的SDS含量为10%，MISHRA等[5]发现速食土豆泥中的SDS高达45%。这两项研究中SDS含量的差异很大程度上是由于速食土豆泥进行了冷却处理，有利于沉淀和SDS的形成。由于淀粉的消化吸收率不同，使得SDS含量高的食物比RDS含量高的食物更符合消费者的需求。SDS含量高的食品可以作为糖尿病患者的一种功能性食品。RS是一种有效的淀粉基纤维部分，可以抵抗肠道淀粉酶分解，因此不能被消化进入大肠。未煮熟的马铃薯中RS含量高达75%，然而，煮熟后，马铃薯RS含量下降到5%～10%[3]。但马铃薯煮熟后再冷藏，其RS含量会回升[2]。在大肠中，RS可作为大肠内益生菌的发酵底物发挥着益生元的作用，同时RS也促进了其它益生菌的生长[6]。DEN BESTEN等[7]研究发现RS能增加肠道乳酸菌和双歧杆菌的数量，这些微生物和其它有益微生物发酵RS并排泄短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸），对结肠腺细胞和结肠健康有积极作用，从而有助于预防结肠癌。尽管RS对健康有明显的积极影响，但在德国、印度、新西兰、澳大利亚和美国，RS的消耗量仅为每天2 g～10 g；在中国及其它发展中国家，摄取量高达18 g/d～40 g/d。然而，每天摄入20 g的RS对于人体的生长代谢是必要的，但是不同加工工艺会显著降低RS的含量，这对加工工艺和贮藏环节提出了新的要求[8]。

由于熟马铃薯产品具有较高的RDS水平和高血糖指数（hyperglycemic index，GI），因此，全球马铃薯消费量较低[9]。以白面包为参照（GI=100），经过各种烹饪处理（烘烤、煮沸、微波、油炸）的马铃薯的GI值始终在100以上。马铃薯以及许多富含碳水化合物的食物，如面食和米饭，通常不是单独食用，当与其它食物一起食用时，马铃薯的GI值显著降低。例如，当马铃薯涂上奶酪或与肉、油和沙拉一起食用时[10]，马铃薯的GI值降低了50%或更多；与花椰菜一起食用时GI值降低了约20%[11-12]。KALITA等[13]研究发现白色、红色、紫色和黄色马铃薯提取物中的多酚成分具有抑制消化酶的作用，可以调节马铃薯的血糖指数。因此，马铃薯提取物可能对控制II型糖尿病有贡献。

2 提高马铃薯抗性淀粉含量的方法

增加马铃薯RS含量的方法有很多种，如采用酶水解或细菌分解等方法可以开发出新的富含RS的马铃薯淀粉衍生物。许多提高RS的方法对不同的淀粉类型有相似但不同的效果。

2.1 基因工程或选择性育种

在马铃薯生长代谢过程中改变淀粉的性质，可以提高RS的含量。通过RNA干扰或反转录RNA抑制会增加转基因马铃薯直链淀粉含量。一般来说，高直链淀粉含量的马铃薯在煮熟状态具有较高的RS含量。由于磷酸化酶的过度表达，转基因方法也会增加支链淀粉的长度和磷含量，而降低RS含量[14]。由于马铃薯淀粉的天然消化率较低，磷含量高于大多数淀粉，磷的增加可能会降低高直链淀粉的消化率。

2.2 热水处理

热水处理（heat moisture treatment，HMT）改变直链淀粉和支链淀粉颗粒的物理特性，但可以保持颗粒完好无损[15]。一般来说，老化是在远低于凝胶化温度和过量水中进行的。但高温（90℃～120℃）高压下的老化所需水分要低得多（10%～30%），这使得高温高压能在特殊条件下有效地进行高压灭菌。当典型的高压灭菌在水分过量的情况下进行时，会发生完全的颗粒破坏。在未糊化的马铃薯淀粉中，HMT降低了RS含量，增加了SDS含量，提高了颗粒的整体热稳定性[16]。然而，煮熟的马铃薯样品RS含量更高[17]。此外，淀粉煮沸后再进行回生（一次或循环）以及煮熟的全马铃薯，有利于淀粉凝胶中RS含量和SDS含量的增加[2]。HMT与酸处理相结合可以进一步提高RS水平[18]。酸能够部分水解淀粉颗粒的无定形区域，形成许多更小的链。在对酸处理马铃薯淀粉进行HMT或高压灭菌时，这些小分子链在老化过程中更容易结晶，形成热稳定、耐消化的RS3淀粉。HMT或老化后的马铃薯淀粉具有高热稳定性、低回生性而使得这些技术广泛应用在罐头和冷冻食品加工中[15,19]。

2.3 化学改性

淀粉的化学修饰是建立新的官能团或化学键，以减少碳水化合物的酶解，从而降低消化率。化学改性包括酯化、磷酸化、乙酯化，或应用伽玛射线照射。酯化引进了新的化学基团阻止了酶的有效吸附或交联的形成，导致淀粉消化吸收率降低。磷酸化通过改变pH值及不同磷基团的相对数量来产生高度抗消化的淀粉[20]。当淀粉的10%官能团被乙酰化后，可以改进淀粉葡萄糖苷酶的水解。脉冲电场增加了乙酰基含量，并破坏淀粉颗粒，使得RS转化为SDS[21]。酯化交联琥珀酸酐衍生物会导致马铃薯淀粉RS和SDS显著增加[22]。乙酰化的淀粉会产生非常清晰的凝胶，放置时几乎不会分离，并且在低温下成胶状，这些淀粉非常适合做肉汁、馅饼馅料和沙拉酱。磷酸盐单酯或辛烯基琥珀酸酐取代的淀粉具有良好的冻融稳定性，在冷冻食品中具有良好的乳化作用。交联淀粉（如双淀粉-磷酸盐）具有很高的增稠能力，可以在长时间加热后保持其黏度，非常适合用于罐装产品[23]。氧化会增加糊化马铃薯淀粉的RS和SDS含量[24]。有机酸处理淀粉是一个比较新的研究领域。有机酸比无机酸具有更多的官能团，因此对淀粉的修饰方式不同。有机酸除了能裂解直链淀粉或支链淀粉外，还能使淀粉的羟基酯化。酒石酸和柠檬酸各有两个羧基，在处理时，淀粉可以交联生成双淀粉柠檬酸盐，添加的基团或交联抑制消化，增加 RS含量[25]。WICKRAMASINGHE 等[14]研究了用10%的面粉替代面包中的柠檬酸对马铃薯淀粉的影响，发现面包中的RS含量比对照增加了5倍，但面包体积（cm3/100 g面粉）下降不到2%。

2.4 酶法

酶法是改变蜡质淀粉功能性和活性的常用方法。对淀粉进行热处理后再进行回生，有利于增加RS含量[26]。这种处理能够增加直链淀粉含量，并在热处理和回生后形成具有高耐消化能力的紧密排列的结晶。虽然这可能降低原生RS的水平，但RS从RS2转化为RS3[27]，且大体上更具有热稳定性；这种淀粉在加工后可能会保留大部分的RS。在蜡质马铃薯淀粉上使用分支酶，淀粉中葡萄糖的释放降低[28]。可通过使用更多的酶来增加分支点的数量，进而提高淀粉的RS特征[29]。淀粉分支酶改性淀粉在烘焙行业中被广泛应用[30]。

2.5 直链淀粉-脂混合物

疏水化合物（最常见的是脂肪酸或脂类）复合成直链淀粉螺旋线，可降低消化吸收率。马铃薯淀粉与脂肪酸（碳个数不同）混合的预糊化淀粉中，RS含量在所有样品中是相近的，然而，SDS的含量因复合脂质的种类和数量差异而不同[31]。马铃薯淀粉具有高度结晶性质，能最大限度地减少络合团对颗粒的渗透。因此，当淀粉颗粒顺序改变（膨胀）或破坏（糊化淀粉）后，形成的复合物基团更接近直链淀粉的结构。淀粉-脂质复合物可以防止不含麸质面包的变质并改善面包屑的质地，还可以替代酸奶和蛋黄酱等产品中的脂肪[32]。当引入新的络合剂，在不同程度上成功抑制消化吸收率[33]，其中许多化合物，特别是生物活性物质和药物，单独服用时消化吸收性差，但复合物的形成可以克服许多缺点，并成功地将缓释生物活性物或药物送到小肠或大肠[34]。

2.6 食物基质成分相互作用

ESCARPA等[35]研究了食品基质对马铃薯淀粉消化特性的模型系统，结果表明碳水化合物（如单糖、树胶、纤维）、蛋白质、油和其它成分——多酚、植酸和盐对RS含量有不利影响，将直接影响马铃薯淀粉的消化特性。人们认为油脂会由于淀粉-脂质复合作用而增加RS的含量，但与传统使用的脂肪酸相比，三酰甘油的大量存在可能会阻碍它们与淀粉分子相互作用。在马铃薯淀粉中添加蛋白质可能有助于或阻碍RS的形成。马铃薯蛋白和马铃薯淀粉的结合减少了酶的攻击，增加了RS含量[36]，然而，该研究发现在马铃薯淀粉中加入牛血清白蛋白阻碍了RS的形成；添加树胶或纤维也可能降低消化率；黄原胶、瓜尔胶、果胶和葡甘露聚糖的添加均显著提高马铃薯淀粉凝胶的RS含量[37]。在体内，除葡甘露聚糖外，5%的上述纤维降低了小鼠的总血糖水平。由于RS测定方法和制备系统（如淀粉与添加剂的比例、固体与水的比例和蒸煮处理）的不同，可能会出现相互冲突的结果。

3 未来发展方向

3.1 建立马铃薯RS和SDS的生理效应模型

测定马铃薯新品种（如高直链淀粉）的RS和SDS特征，分析马铃薯淀粉在人体或动物模型中消化吸收率、饱腹感、营养物质吸收率、能量平衡情况、肠道生理影响以及代谢过程，构建马铃薯淀粉的RS、SDS评价模型，为马铃薯新品种的培育提供一定的依据。

3.2 构建马铃薯RS消化吸收率与微观结构的关系模型

RS是一种高附加值的食品成分，具有与纤维相似的特性，具有保健和预防疾病的功效。一般来说，RS在加热过程中颗粒结构和细胞壁结构被破坏，使得熟马铃薯中淀粉在体内迅速被消化。因此，可以通过控制马铃薯的不同加工工艺，监测加工过程中淀粉微观结构的变化，测定慢速消化淀粉、快速消化淀粉和抗性淀粉的变化规律，构建马铃薯RS消化吸收率与微观结构的关系模型，为马铃薯的加工工艺设计提供一定的依据。

3.3 创新马铃薯淀粉加工利用新技术

马铃薯淀粉是食品工业的重要原料之一，如无脂肉类加工工业。食用RS和SDS含量高的食物可能有助于降低与代谢综合症相关疾病的风险，如Ⅱ型糖尿病、肥胖和心脏病。因此，创新马铃薯淀粉食品的加工技术，控制马铃薯淀粉的结构变化，掌握马铃薯淀粉结构与健康之间的关系，为生产具有特定加工和消费需求的马铃薯淀粉及具有不同营养特性的淀粉馏分提供依据。