RS3型抗性淀粉制备方法研究进展

(王 宁 阮长青,2 张东杰,2 李志江,2

(黑龙江八一农垦大学食品学院；黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室；国家杂粮工程技术研究中心1，大庆 163319)

(黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心2，大庆 163319)

抗性淀粉(Resistant Starch，RS)又称抗酶解淀粉或难消化淀粉，在健康人体的小肠不能被消化吸收，但可以几乎完整地到达大肠，被其中肠道微生物菌群发酵产生短链脂肪酸及少量气体，继而产生有益生理作用[1]。如增加饱腹感、降低肥胖风险、降低餐后血糖水平、改善Ⅱ型糖尿病患者的胰岛素敏感性和预防结肠癌及一些慢性疾病等[2,3]。抗性淀粉的化学组成与淀粉相似，都是由直链淀粉和支链淀粉组成，其抗性指淀粉抵抗小肠内淀粉酶消化的作用，抗酶消化能力主要由无定型变为结晶状的直链淀粉决定[4]。在不同的加工条件下使糊化淀粉冷却后形成更多的结晶结构，从而形成具有抗性的淀粉。

根据来源和性质的不同，RS被分成5种类型：RS1(物理包埋淀粉)、RS2(生淀粉颗粒)、RS3(回生淀粉)、RS4(化学改性淀粉)、RS5(直链淀粉-脂肪复合淀粉)，其中RS3主要是在加工过程中形成的一种老化淀粉。经过加工的淀粉分子被水解，糖苷键断裂并重新排列，再进行老化处理使直链淀粉形成难以被酶作用的短直链晶体[5]。与其他类型的抗性淀粉相比，RS3具有低持水性和热稳定性，将其加入食品中不会影响产品的风味及颜色，口感优于传统的膳食纤维[6]，这使它在大多数普通的烹饪操作中保持稳定，并使其能够作为各种传统食品的配料使用。

因其优越的物化特性和生理效应，RS3被认为是一种很有前景的新型食品成分。但受原材料性质及加工手段的影响，目前RS3制备方法的研究存在操作时间长、得率低等不足。本文对近年来RS3型抗性淀粉制备方法进行综述，以期对未来RS3型抗性淀粉的研究及应用提供有益的参考。

1 RS3型抗性淀粉的形成机理及影响因素

抗性淀粉广泛存在于各种天然淀粉类作物中，RS3主要存在于一些经湿热处理的食物中[7]。原淀粉在水分充足的条件下进行热处理，其内部的淀粉分子糖苷键可在适宜温度下与水分子作用发生糊化效应，导致淀粉颗粒溶胀、崩溃，直链淀粉分子从原淀粉内部溶出后，以无规则卷曲的形式与水分子作用形成淀粉凝胶。随着温度的降低，部分断裂的直链淀粉分子所形成的短直链淀粉分子与原淀粉中的直链淀粉分子间相互缠绕靠拢，并重新排列形成以氢键连接的双螺旋聚合物，最终形成了对淀粉酶有一定抵抗作用的结晶结构，即RS3型抗性淀粉的形成[8-9]。

抗性淀粉主要由老化的直链淀粉形成，因此直链淀粉的含量是影响RS3形成的主要因素。其他一因素也会影响淀粉的抗性，如淀粉中的基本成分(如蛋白质、脂质、可溶性糖等)、淀粉颗粒的大小和类型、淀粉分子的聚合度和链长，以及植物基因型和突变等[10-11]。此外，通过改变加工条件如含水量、pH值、加热条件、储藏条件及所需设备工作参数等也可以增加食品中RS的含量[12-13]。总的来说，不同来源的食物淀粉原料，在适宜的温度和水分条件下，通过不同的处理方式进行加工和贮藏，对RS3形成和得率都会产生不同程度的影响。

2 RS3型抗性淀粉的制备方法

2.1 水热处理法

2.1.1 湿热法

湿热处理是指在低湿度(<35%)条件下对淀粉进行热处理，使淀粉颗粒晶体结构破坏，从而提高淀粉链的分子重排，促进淀粉的回生以增加RS3的形成。含水量和加热温度是影响湿热法形成RS3的重要因素。Hung等[14]研究发现，随着含水量和加热温度的增加，RS3含量也在不断增加，在含水率30%、加热温度120 ℃条件下得到糙米RS3含量为49.1%，RS3得率增加了近55%，此时，大米释放血糖水平、淀粉黏度和GI值最低。Zavareze等[15]发现当含水量从15%增加到25%时，大米淀粉颗粒在较高的含水量和加热温度条件下下发生了部分糊化和溶胀，直链淀粉的形态被破坏，进而提高直链淀粉与支链淀粉的有效相互作用，使淀粉颗粒内部结构更为致密。此外，随着加热时间的增加，淀粉颗粒中双螺旋结构的分子间氢键的破坏程度也会增大，最终增加淀粉的抗性[16]。

为提高RS3生产效率，Li等[17]采用湿热-盐酸结合的方法处理百合抗性淀粉时淀粉颗粒增大，相对结晶度提高，且在含水量为25%时得到最高抗性淀粉含量(44.15%)。谢莹等[18]认为，与单一处理相比，采用2次重复湿热处理与酶法结合处理多孔小麦淀粉，并没有改变小麦淀粉的化学结构和晶体类型，但增加了其有序性。这与Pratiwi等[19]结论相同 ，湿热处理过程中淀粉颗粒的非晶相不是结晶度增加，而是有序度的提高。因此，在制备RS3时，将湿热法与脱支处理法结合使用并优化其参数将有效提高RS3的得率。

2.1.2 压热法

压热法是指在较高的温度和压力条件下破坏淀粉颗粒的结构，使直链淀粉分子浸出，形成淀粉凝胶，压热冷却促进了淀粉的糊化和老化，从而促进了RS3的形成。淀粉乳浓度、压力强度、压热温度、压热时间、回生时间等是影响RS3产率及结构的重要因素。较高的温度和压力会加剧淀粉颗粒的破坏程度，直链淀粉更易溶出，从而更有效地形成结晶区域；长时间的贮藏有利于淀粉的回生，更易促进RS3的形成[20]。Dundar等[21]证实了此观点，较高的压热温度(145 ℃)比略低的压热温度(140 ℃)时更易形成RS3，且储藏时间越长(24～72 h)，高直链玉米RS3得率越高(30.41%)。但李一博等[22]发现蚕豆RS3得率随着温度的增加在121 ℃达到峰值(约23%)，但在126 ℃时得率下降(约19%)。这可能是因为过高的温度使淀粉颗粒破裂其他小分子而不能再形成晶体，从而影响抗性淀粉的形成。

此外，采用压热法对同类原料进行处理时，各影响因素对RS3得率的影响主次顺序也存在差异。宋洪波等[23]研究压热法的影响因素对淮山药RS3得率的关系时发现，影响因素主次顺序依次为：淀粉乳含量>淀粉乳pH>压热时间，而张红霞等[24]对安顺山药处理时发现，各因素对RS3得率的影响依次为:压热温度>压热时间>淀粉乳百分含量>pH值。这可能是因为是不同产地的同类原料直链淀粉分布不同，其自身的含水量及质地也不同，导致的结论也存在差异。为提高RS3得率，Reddy等[25]将压热法联合酶解法制备马铃薯RS3，与单一法相比, 原淀粉经热处理后，淀粉颗粒结构被破坏，使酶更易与淀粉结合，并对支链进行有效脱支，联用法的RS3含量最高(29.35%)，其热稳定性、水溶性和吸水能力也明显提高，经酶解-压热处理后的马铃薯具有更好的抗消化性。因此，利用方法间的互补作用可有效提高RS3的得率，优化原淀粉的性能。

2.1.3 韧化法

韧化法，也称为退火法，是一种较温和的物理改性方法。此过程是在过量水分条件下，将淀粉置于玻璃转变温度与淀粉糊化温度之间加热一段时间，在保持淀粉颗粒结构完整的前提下，改变淀粉的理化性质和体外消化率。Trung等[26]利用韧化法处理甘薯淀粉发现，与天然淀粉相比，RS3增加了9.8%～13.0%，但显著低于湿热法(11.6%～20.3%)。这可能是因为前者作用条件较后者相对温和，对淀粉颗粒的破坏程度弱，导致直链淀粉的浸出降低，从而减少了形成RS的机会[27]。王雨生等[28]研究温度(50、55、60 ℃)和时间(24、48、72 h)对普通玉米淀粉和蜡质玉米淀粉理化性质的影响发现，随着温度升高至60 ℃，两种淀粉的膨胀力和峰值明显降低，淀粉颗粒表面的破坏程度增大，而延长韧化时间对此影响不明显。Zou等[29]还发现与反复多次韧化处理比连续增加时间韧化处理更有利于提高绿豆淀粉的相对结晶度、和糊化焓，降低淀粉对酶的敏感性，提高RS3含量，降低淀粉的消化率。

温和的作用条件在处理植物淀粉时既有优势又存在弊端。Zhong等[30]发现用韧化法处理早籼稻淀粉所得到的改性是不够的，他们将微波法与韧化法复合使用对其进行进一步的修饰，增加适当的强度能显著改变韧化处理过程中淀粉的结构和性质，包括淀粉长链和短链结晶结构、以及糊化焓、粒径、峰值黏度的增强。由于其温和的作用条件，对处理原料的性质有一定的局限性，在通常情况下，为提高RS3得率也常与微波法进行联用来处理淀粉原料。

2.2 脱支处理法

2.2.1 酶解法

酶解法是指将淀粉水混合物调至酶的最适反应温度后加入酶试剂，以水解淀粉分子中的α-1,6糖苷键来降低支链淀粉的分子量，从而形成更多的短直链淀粉分子，以提高RS3的产量。在酶解法中，经常添加耐高温α-淀粉酶、普鲁兰酶及异淀粉酶类等。Shi等[31]和冷志富等[32]分别利用普鲁兰酶制备蜡质玉米和普通玉米RS3时发现，随着普鲁兰酶用量的增加，RS3的得率呈先增加后下降的趋势，对脱支时间进行实验时也发现此规律。这可能是因为随着酶用量的增加和脱支时间的延长，直链分子聚合度较小，不易形成双螺旋结构，从而减少了RS3形成的机会[8]，因此适宜的酶用量是十分重要的。此外，酶也需要适宜的作用温度, 温度过高或过低都会影响到酶的活性，从而影响酶解效果[33]。

为提高RS3含量，章丽琳等[34]和康怀彬等[35]分别采用纤维素酶-压热法和普鲁兰酶-压热法制备马铃薯抗性淀粉和玉米抗性淀粉，优化工艺参数后发现RS3含量均高于原淀粉，分别为30.33%和16.84%。这是因为普鲁兰酶可以专一性水解α-1,6糖苷键，纤维素酶可以破坏像纤维素等会阻碍淀粉分子聚集的非淀粉物质[36]。因此，将耐高温α-淀粉酶、纤维素酶等复合使用可大大增加直链淀粉分子的含量，从而提高RS3的得率。姚奥林等[37]在制备普通玉米RS3发现，采用纤维素酶-普鲁兰酶复合使用制得RS3含量(28.10%)明显高于单独使用纤维素酶(19.59%)。张倩等[38]还对比了酶法及压热-酶法制备的大米淀粉及其理化性质的研究。结果发现，压热-酶法所制备的淀粉的硬度和弹性最大，且优于单独使用酶法。因此，在制备RS3时，采用复合酶法及与水热处理法等方法联合作用效果更显著。

2.2.2 酸解法

酸解法是指将酸试剂在淀粉糊化前加入淀粉悬浊液中，以促进淀粉的水解。酸试剂会优先水解无定形区，从而导致紧密的晶体结构增加。此外，酸水解还可以使支链淀粉分子脱支，产生分子量较低的直链淀粉分子，并进一步形成抗酶解的双螺旋结构，因此，随着水解度的增加，RS3含量增加。不同酸试剂的酸性强弱会影响RS3的形成。尹秀华等[39]同时比较盐酸、磷酸、柠檬酸和乳酸对木薯RS3含量及性质的影响发现，酸解法处理后的木薯抗性淀粉含量明显高于原淀粉，其中，磷酸和盐酸处理后所得到的RS3含量(15.9%、15.61%)高于乳酸和柠檬酸(10.09%、9.96%)，并且经四种酸处理后木薯淀粉具有良好的低持水力。因为柠檬酸和乳酸属于有机酸，酸性较弱，而盐酸和磷酸的酸性较强，对淀粉的水解程度较强，利于淀粉的老化和重结晶，从而形成更多的抗性淀粉。

利用酸解法制备RS3时，经常与湿热法和压热法等联合使用，以提高RS3得率。Liu等[40]研究湿热-柠檬酸法对普通玉米抗性淀粉形成发现，在柠檬酸热处理过程中支链淀粉比直链淀粉更容易发生水解，协同湿热法得到RS3质量分数为36.55%，是天然淀粉的7倍。Hung等[41]也得到了此结论，采用酸解法与湿热相结合处理大米淀粉的RS3含量(30.1%～39.0%)明显高于天然大米淀粉(6.3%～10.2%)和热湿处理的大米淀粉(18.5%～23.9%)，且与天然淀粉相比，柠檬酸对抗性淀粉的形成影响最大，其次是乳酸和乙酸。酸试剂的酸性强酸不同，对淀粉的水解能力也不同，在使用酸试剂时要根据原料的性质进行合理选择。

2.3 机械辅助法

2.3.1 挤压法

挤压法是借助于螺旋挤压机通过螺旋杆的快速转动对淀粉乳产生高温、高压及剪切作用，使淀粉颗粒破碎、崩解，促进短直链淀粉分子的形成并发生糊化，以增加RS3的形成机会。挤压蒸煮是一项重要的食品热加工技术，近年来被广泛应用于生产膨化休闲食品、即食谷类食品和宠物食品等。螺旋挤压机的工作参数也会影响RS3的形成，一般多采用双螺旋杆挤压机制备RS3，其螺杆参数范围为：淀粉糊含水量(20%～60%)，进料速度(30～50 kg/h)，螺杆转速(100～400 r/min)，筒体温度(120～150 ℃)[42-44]。其中，含水量和挤压温度作用效果显著，且与RS3的形成呈正相关。这是由于挤压过程中较高的含水量和温度导致淀粉颗粒易于溶胀、崩解，改变了样品中淀粉分子的结构组织，从而改变了它们对消化的敏感性[45]。

为得到较高的RS3含量，挤压法可作为一种预处理方法，与脱支处理法联用。David等[46]以玉米淀粉为原料，同时比较了酸水解、挤压蒸煮及两者相结合的方法制备抗性淀粉，其中，酸性效果主次顺序为：盐酸>磷酸>柠檬酸，且盐酸挤压结合法(1.58%)优于酸解法(2.10%)，其次是挤压法(0.85%)，这是因为淀粉颗粒在剪切力的作用下使淀粉颗粒破裂，酸试剂的添加促进了直链淀粉的水解，所形成的短直链淀粉分子又重新结合形成了一种抵抗酶消化的结构，增加了抗性淀粉的形成[47]，然而，只有剪切力作用时会引起淀粉机械损伤，使直链淀粉链水解产生的淀粉分子的聚合度较小而不能聚成结晶结构，导致抗性淀粉含量下降[48]。因此，根据所用物料及预期产品的性质，可以不同程度地调控筒体温度、进料湿度、进料速率、剪切和螺杆速度等参数，得到较高的RS3，且与其他方法联合使用制备抗性淀粉时作用效果更显著。

2.3.2 微波法

微波处理可在短时间内快速积累热量使淀粉乳由内而外迅速升温，在高反应速率下对淀粉结构进行修饰，切断淀粉分子间的糖苷键，使大淀粉分子裂解成小淀粉分子，加速淀粉糊化，以获得较高的RS3产率。微波功率和微波时间是影响RS3形成的重要因素。Mutlu等[49]在微波功率和时间分别为160 W、2 min和320 W、2.5 min的条件下3次微波循环处理高直链玉米淀粉后，得到较高的RS3含量分别为43.4%和43.3%，并且微波处理后淀粉的溶解度增加，黏度降低。在低强度条件下，淀粉粒瞬间被加热并在短时间内吸收能量导致支链淀粉链广泛分解，形成更多的直链淀粉，从而增加了RS3的形成[16]。

然而，林姗等[50]研究微波条件对莲子RS3得率的影响时发现，在淀粉乳浓度15%、微波时间120 s、微波功率640 W条件下，RS3得率达到最高(39.53%)，但低于压热法(41.89%)[51]。Zeng等[52]也发现，微波制备莲子抗性淀粉的莲子仁颗粒小且表面相对光滑，形成效果不如压热法。这可能是因为在微波蒸煮过程中加热速度快，导致直链淀粉不能完全从天然淀粉颗粒中滤出，从而减少了形成RS3的机会。

此外，在制备RS3时，微波法常与酶解法联用起到协同作用，从而增加RS3的形成机会。牛春艳等[53]采用微波-酶法制得的玉米RS3的含量(0.85%)高于酶法(9.75%)[33]和压热-酶解(16.84%)[35]。这是因为微波处理会产生膨化效应，导致淀粉糊出现疏松多孔的结构，使酶类更容易与淀粉分子结合[54]，两者协同影响抗性淀粉的形成。当然，原料本身所含有的直链淀粉含量也会影响抗性淀粉的产率。

2.3.3 超声波法

利用超声波法制备RS3时，高频超声波可在淀粉乳中传播并产生能量，导致高温高压及剪切力的形成，使淀粉乳颗粒内部产生空腔，致使淀粉颗粒崩解，进一步将长链淀粉切断，产生更多适合形成抗性淀粉的短直链淀粉分子[55]，从而促进了RS3的形成。由于超声功率、超声时间和超声温度等参数的变化，制备RS3所产生的效应也有所不同。其中，优化超声功率是决定超声持续时间和RS3产率的重要参数之一，也是决定工艺成本的重要因素之一。在制备RS3时，通常采用较低的功率可达到较好的效果。You等[56]在300 W低功率条件下探究超声时间(5、10、15、20、25 min)对豌豆RS3的影响，结果发现超声时间约为13 min时RS3的含量最高，得率约为35.26%，且与原淀粉相比，豌豆淀粉的溶解度也有所增加。一般来说，超声处理促进了淀粉分子链的有序排列，进而促进了RS3的形成，但超声时间过长会严重破坏淀粉的晶体结构，降低抗性淀粉的得率[57]。因此，合理优化超声条件十分必要。

在利用超声波法制备RS3时多采用与其他方法进行联用，如超声-酶解法、超声-微波-酶解法等以提高RS3产率。Zeng等[51]比较了三种不同的制备方法对莲子抗性淀粉含量的影响，结果发现，超声-压热法(56.12%)>压热法(41.89%)>微波-压热法(39.53%)，且超声处理后的淀粉双螺旋结构程度最高，热稳定性最强。这可能是由于微波瞬间快速加热使直链淀粉不能完全从天然淀粉中流出，减少了形成RS3的机会，而超声处理会引起高温、高压及剪切力作用，再结合压热处理可进一步破坏淀粉颗粒并生成短直链淀粉分子，促进抗性淀粉的形成[58]。刘淑婷等[59]利用超声-微波协同酶法制备RS3型抗性淀粉与原淀粉相比，此方法可提高芸豆RS3得率(24.37%)，其内部结构更致密，热稳定性相对较好且不改变抗性淀粉的官能团。因此，在利用超声波法制备RS3时与其他方法结合使用，可以优化工艺，提高效率。

表1 RS3型抗性淀粉的制备方法

3 结论与展望

RS3作为一种新型功能性成分，添加到面制品、奶制品中还可以改善产品风味及咀嚼性。此外，RS3在医药行业作为口服药物的载体薄膜也有一定的应用。目前，RS3的制备方法中，水热处理法和脱支处理法制得的RS3产率较高，但由于设备的局限性，产量较小，生产成本高，脱支酶和酸的添加也存在反应速率低，生产时间长、环境污染等问题；挤压法是一个连续的过程，具有短时高效的优点，但该过程易引起机械损伤，RS3得率较低；微波法和超声法具有简便、高效、环保的特点，目前应用比较广泛。近年来多采用将水热处理法、脱支处理法和机械辅助法两者或两者以上联合使用来制备RS3，与单一处理方法相比，可起到协同作用从而获得较高的RS3得率，处理后样品的溶解度、黏度、膨胀力等性质也较为理想。因此，为满足RS3在食品、药品及各行业中的产品多样化应用需求，根据淀粉原料的结构及理化性质，进一步开发高效的RS3制备工艺以及先进的设备已成为必然趋势。