影响淀粉消化的内外因素

任 欣，张 一，方 圆，彭 洁，张 敏

（北京工商大学食品与健康学院 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心北京市食品添加剂工程技术研究中心 北京 100048）

淀粉是小麦、大麦、青稞等粮食作物中碳水化合物的最主要组成部分，是人类和大多数动物的重要能量来源之一[1]。淀粉只有在人体消化道中被酶和微生物消化分解后才能被机体吸收利用。淀粉在人体中的消化吸收过程分为3 个阶段。第一阶段在口腔中，唾液淀粉酶将食物中的淀粉分解生成糊精、麦芽糖及葡萄糖。随着食物进入胃部，然后进入小肠，淀粉消化吸收的第二阶段开始了，淀粉在十二指肠内被胰淀粉酶水解生成麦芽糖、麦芽三糖、α-极限糊精及少量的葡萄糖；当这些水解产物接触到小肠黏膜上皮细胞时，被该处的葡萄糖淀粉酶、麦芽糖酶、蔗糖酶等进一步分解成葡萄糖；最后，小肠黏膜上皮绒毛细胞以主动运输的方式吸收葡萄糖进入血液循环系统。小部分未被消化吸收的淀粉进入大肠，在微生物的作用下发酵生成短链脂肪酸[2-3]。Englyst 等[4]通过体外模拟消化试验，根据淀粉的水解速率快、慢将其分为3类：快消化淀粉（Rapid Digestible Starch，RDS），指20 min 内在小肠中被快速消化吸收的淀粉；慢消化淀粉（Slowly Digestible Starch，SDS），指20～120 min 内被小肠缓慢吸收的淀粉；抗性淀粉（Resistant Starch，RS），指大于120 min 未能被小肠吸收的淀粉。

淀粉的消化特性与人体健康密切相关。研究表明，由于SDS 和RS 在胃肠道中滞留时间较长，可以促进肠道充分蠕动和粪便、毒素的排出，因此减少了肠道机能失调及结肠癌等疾病的发生[5]。SDS 被小肠缓慢吸收，不会引起餐后血糖的急剧升高，同时缓慢释放能量，能够维持较长时间的饱腹感，有利于血糖控制人群和肥胖人群。RS 在人体消化道内基本不被消化吸收，从而不会促进血糖升高和胰岛素分泌，避免餐后高血糖和胰岛素抵抗。同时，RS 是肠道内双歧杆菌和乳酸菌等有益菌的增殖因子，能促进其生长繁殖，并会降低大肠埃希氏菌和链球菌等有害菌的数量[6-7]。

由于淀粉来源及自身结构的不同，因此其在机体内的消化特性千差万别。多项研究表明，淀粉自身的结构特征与其消化速率密切相关[8]。食品中其它组分，如蛋白质、脂类和非淀粉多糖等，以及食品加工过程亦可影响淀粉的消化。此外，不同的淀粉改性方法对其消化特性也有较大影响，如化学改性淀粉对α-淀粉酶表现出较大的抗性[9]。为了便于人们系统了解影响淀粉消化特性的体内外因素，本文详细介绍淀粉的结构、直支链的比例以及食物组分等对淀粉消化特性的影响，并论述通过物理、化学及生物等因素改变淀粉消化特性的可行性（图1）。

图1 影响淀粉消化性的因素Fig.1 Influencing factor of starch digestibility

1 影响淀粉消化性的内在因素

如表1所示，淀粉由于自身结构的不同，使其消化速率存在较大的差异。比如淀粉的颗粒结构、晶型、层状结构、直支链的比例等发生变化，淀粉的消化速率也随之变化。除此之外，食物中的其它组分与淀粉的相互作用对其消化速率也有影响。

表1 影响淀粉消化的内在因素Table 1 Intrinsic factors affecting starch digestibility

（续表1）

1.1 淀粉自身结构

1.1.1 淀粉颗粒结构 淀粉颗粒大小与消化率之间存在明显的负相关关系[10]。Snow 等[11]也指出不同品种的淀粉颗粒具有不同的粒径，粒径越小，消化率越高。这是因为淀粉发生酶解时，是一种固-液两相反应，首先需要α-淀粉酶扩散到淀粉分子上并吸附，然后催化淀粉中的糖苷键断裂，使其降解[12]。因此，颗粒越小，单位质量比表面积越大，越有利于酶的扩散和吸附，进而可加速酶解作用。

另外，淀粉颗粒的形貌及孔隙结构等也可使淀粉的比表面积不同，进而影响淀粉的消化速率。谷物类淀粉颗粒表面较粗糙且存在表面孔隙和从表面延伸到内部的通道，显著增加了酶扩散和吸附的位点，使淀粉易于被消化[13]。而薯类淀粉颗粒表面光滑，没有表面孔隙和通道结构的存在，淀粉酶不易进入到颗粒内部，只能从表面向内部酶解，因而不易被消化吸收[14]。尽管目前关于淀粉颗粒表面的精细结构并未被完全阐明，但已有不少研究证明薯类淀粉表面有序化程度高，因此具有较高的抗消化能力[15]。

1.1.2 层状结构 淀粉的周期性层状结构主要由支链淀粉簇状结构中的双螺旋结晶区和支链淀粉分支部分的非结晶区交替排列形成，其厚度均为9 nm 左右[16]，如图2所示。不同的层状结构会对淀粉的消化性能产生影响。Zhang 等[12]发现，普通玉米淀粉层状结构的厚度及周期性排列的完美程度影响着淀粉的消化性能。Zhang 等[8]发现随着发酵时间的延长，糯米淀粉层状结构变厚，层状聚集体结构的有序化程度增加，使淀粉中SDS 含量升高。由此可见，淀粉层状结构中结晶区、非结晶区的厚度及其周期性排列的完美程度，均对淀粉的消化性能有影响。

图2 淀粉颗粒示意图[17]Fig.2 Schematic representation of starch in granule[17]

1.1.3 淀粉晶型 天然淀粉有4 种结晶形态，即A 型、B 型、C 型、V 型，如图2所示。不同的结晶形态与淀粉的来源有关。玉米、小麦等为代表的谷类淀粉为A 型；以马铃薯等为代表的块茎类淀粉为B 型；C 型可以看作是A 和B 的混合结晶类型；而V 型结晶很少在天然淀粉中发现，通常在直链淀粉与脂肪酸、碘、二甲基亚砜等形成的复合物中发现[18]。Zhou 等[19]研究表明在相同的遗传背景下，大米淀粉结晶形态的不同使淀粉的消化性也不同。一般而言，A 型淀粉中存在的较短的双螺旋结构使其容易受到酶影响，消化速率较高[20]；而与A 型相比，B 型结晶在非晶区有更多的分枝点，导致高密度的非晶区和稳定晶态的形成，使B 型结晶结构能够抵抗酶解，消化速率较低[21]。Man 等[22]研究表明，B 型大米淀粉的结晶衍射峰比A 型大米淀粉更加尖锐，形成的晶体更加完整，不容易受到酶的破坏，从而使B 型大米淀粉的抗消化能力高于A 型淀粉。此外，淀粉与脂肪酸、碘等形成的具有V 型结晶的复合物，也有显著的抗消化能力[23]。Hung 等[24]研究发现，大米淀粉经湿热处理后，淀粉中SDS 和RS 的含量增加，其中湿热处理过程中淀粉-脂质复合物的出现（即V-型结晶出现）是淀粉抗消化能力提高的重要因素。

1.1.4 淀粉链结构 与直链淀粉相比，支链淀粉具有更大的分子表面积，这使得它更易受到淀粉酶的攻击[25]。淀粉中直/支链淀粉的不同比例，对淀粉的消化性能有较大的影响。通常直链淀粉含量越多，淀粉的抗消化性能越好[26]。张习军等[27]发现，含有10%的直链淀粉的粳米RS 含量仅为1%；当直链淀粉含量提高到30%时，RS 含量提高到3.5%。Liu 等[28]研究发现，高直链玉米淀粉的体外消化率低于普通玉米淀粉，这可能是因为高直链玉米淀粉不易糊化，并且直链淀粉含量越高，越易回生形成新的结晶结构，使淀粉对酶的抗性增加。此外，高直链淀粉的结晶结构更加稳定，形成的淀粉-脂肪复合物也更多，从而使淀粉的结构不易受到破坏；同时，直链淀粉分子会互相缠绕形成三维凝胶网络，随着交联缠绕的增多，淀粉体系中以双螺旋形式形成的局部有序程度增加，对淀粉酶的抗性增大[29]。

虽然淀粉消化速率的快慢主要归因于直链淀粉的含量[30]，但支链淀粉的精细结构也会对其有一定的影响。Srichuwong 等[31]研究表明，淀粉的抗消化性与支链淀粉的链长有关，支链淀粉的短链含量越高，淀粉颗粒越易被淀粉酶降解。王月慧等[29]发现大米淀粉凝胶在4 ℃贮藏3 h 后，大米淀粉中的SDS 含量逐渐增加，可能是由于支链淀粉的重结晶所引起的，且重新形成的支链淀粉重结晶属B 型晶体，对淀粉酶水解的敏感程度比无定形状的淀粉分子差，说明支链淀粉的重结晶使淀粉有一定的抗酶解性。

1.2 其它组分

食物中的蛋白质、脂肪、非淀粉类多糖及酚类物质等其它组分，对淀粉的消化性都有一定程度的影响。

1.2.1 蛋白质 食品中淀粉和蛋白质的相互作用对淀粉消化率有显著影响。蛋白质通过以下几种机制有效的降低淀粉的消化率。首先，蛋白质可以在淀粉颗粒周围形成保护层，从而限制酶进入底物[32]。其次，表面蛋白可以阻止酶在淀粉颗粒表面的催化结合。张慧等[33]通过扫描电镜图发现，小麦、苦荞和大米淀粉颗粒表面覆盖着一层蛋白质膜状物，经脱蛋白处理后，膜状物消失，蛋白质对淀粉颗粒包埋作用减弱，使淀粉更易与淀粉酶接触而发生降解。除此之外，α-淀粉酶可以部分结合蛋白质，从而降低酶的利用率。Yu 等[34]研究表明，大麦蛋白的存在，会阻碍淀粉颗粒的酶解，可能是因为酶的非催化结合即淀粉酶与蛋白质的结合，减少了淀粉酶与淀粉的接触。此外，Zou 等[35]在探讨意大利面中蛋白质与淀粉酶的相互作用中发现，可溶性蛋白质与α-淀粉酶通过氢键等部分结合，降低淀粉酶的活性，从而延缓淀粉的消化，当蛋白质被蛋白酶水解后，酶活性可以部分恢复。因此，蛋白质的存在使淀粉抗消化性增强。

1.2.2 脂质 直链淀粉的双螺旋外表面存在葡萄糖残基羟基，而内部为疏水内腔，脂质的疏水基团通过疏水相互作用进入淀粉颗粒的螺旋结构内部，形成淀粉-脂质复合物[35]。而支链淀粉与脂肪酸形成复合物的能力远远小于直链淀粉，主要是由于支链淀粉高度的分支结构引起的空间位阻效应所引起的[37]。在酶水解淀粉的过程中，淀粉的无定型区没有结晶区稳定，更容易被酶破坏，在直链淀粉-脂质复合物形成的过程中，脂质与淀粉的无定型区形成了较为稳定的结构，降低了淀粉的消化性[38]，同时在淀粉与脂质共存的体系中，由于直链淀粉与脂质发生复合，抑制了淀粉颗粒的吸水膨胀作用，减少了淀粉与酶分子之间结合的位点，产生了酶的抵抗性[39]。Crowe 等[40]研究表明，游离脂肪酸使直链淀粉的消化率降低35%，而对支链淀粉的消化率无影响，这可能是因为直链淀粉的螺旋状构象，可与游离脂肪酸迅速形成包合物，从而使淀粉不易被淀粉酶水解。有报道称[38]，淀粉-脂质复合物产生了V 型结晶结构，使RS、SDS 含量升高，RDS 含量降低，且淀粉的抗消化性随着脂肪酸碳链长度及不饱和度的增加而降低。此外，崔亚楠等[41]研究表明，脱脂后豆类淀粉颗粒之间粘连聚集减少，淀粉酶易渗入淀粉颗粒内部，使淀粉消化速率增加。因此，淀粉-脂质复合物的形成有利于淀粉抗消化性的提高。

1.2.3 β-葡聚糖 β-葡聚糖是一种具有降血糖、降血脂，抑制和预防糖尿病，增强机体免疫力，延缓皮肤衰老等多种功能的非淀粉多糖。研究表明[42]，β-葡聚糖能降低饼干、面包等食物在体外消化试验中所产生的葡萄糖量。张宇[43]研究表明，燕麦β-葡聚糖能够延缓淀粉的消化，且β-葡聚糖分子质量及浓度越大，延缓淀粉消化效果越好，即SDS 和RS 含量增加，血糖生成指数（GI 值）降低。陈忠秋等[44]同样发现添加香菇β-葡聚糖的小麦和玉米淀粉消化速率降低，SDS 及RS 含量增加。这可能是因为香菇β-葡聚糖和淀粉之间相互缠绕，凝胶网络结构增强，阻碍了淀粉酶与淀粉的接触。邓婧等[45]探究了青稞β-葡聚糖延缓淀粉体外消化性的内在原因，发现青稞β-葡聚糖形成凝胶覆盖在淀粉颗粒表面，使淀粉酶不易吸附在淀粉颗粒表面，同时，青稞β-葡聚糖会形成高黏性溶液，对淀粉酶的构象也有一定的影响，抑制酶的活性。因此，添加β-葡聚糖可使淀粉抗消化性增强。

1.2.4 多酚 多种膳食多酚均可在一定程度上减缓淀粉消化速率，减少葡萄糖的释放，预防各种疾病的发生[46]。例如向玉米淀粉中加入10%咖啡酸、槲皮素和表儿茶素，使RDS 比例由73.9%分别降低为70.3%，69.2%和63.2%[47]。目前，多酚对淀粉消化性影响的研究主要集中在多酚对淀粉酶的影响。He 等[48]研究了茶多酚对α-淀粉酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、脂肪酶4 种典型消化酶活性的影响。结果表明，茶多酚对4 种酶的活性都有一定的抑制作用，其中对α-淀粉酶活性的抑制作用最强。徐锦川[46]发现茶多酚可与淀粉酶的氨基酸残基相结合形成强的氢键，造成淀粉酶分子结构的改变和活性的降低，从而使淀粉的消化率降低，且多酚对淀粉酶的抑制属于非竞争性抑制。此外，绿原酸亦可通过抑制α-淀粉酶的活性来抑制马铃薯淀粉的消化[49]。Shen 等[50]研究发现，橙皮苷、柚皮苷、新橙皮苷和川陈皮素4 种柑橘黄酮均显著抑制淀粉酶催化的淀粉消化，且部分黄酮与淀粉分子结合，增加肝糖酵解和肝糖原浓度，降低肝糖原异生，可预防餐后高血糖。因此，添加多酚可使淀粉抗消化性增强。

2 影响淀粉消化性的外在因素

如表2所示，淀粉在加工过程中，不同的加工处理方式会改变淀粉的链结构或聚集态结构，以及酶与淀粉的接触性，从而使淀粉的消化性也随之改变。国内外学者对利用物理、化学、生物方法改变淀粉原有的消化性，提高其营养价值方面做了大量的研究。

表2 影响淀粉消化的外在因素Table 2 Extrinsic factors affecting starch digestibility

2.1 物理因素

目前可用于改变淀粉消化特性的物理方法有湿热、干热、微波、超声和超高压等。目前关于微波对淀粉消化性能的影响还没形成统一的结论[51]。罗志刚等[52]研究发现微波处理使马铃薯淀粉中RS 含量降低，SDS、RDS 含量相应增加。但牛黎莉等[53]在湿热条件下，使用不同功率的微波对马铃薯淀粉进行不同时间的处理。结果表明，与原淀粉相比，随着功率及处理时间的增加，微波处理后的马铃薯淀粉中RS 和直链淀粉含量均增加。究其原因，微波处理后的马铃薯淀粉颗粒表面变得粗糙，相互粘连，淀粉分子趋于有序化重新形成的晶体结构，从而使淀粉的抗消化性增强。大量研究表明，对淀粉进行热处理也会使淀粉的消化性发生变化。张天学[54]发现湿热处理使青稞淀粉中SDS、RS 总量由3.81%提高到18%。因为在湿热处理中，淀粉结晶区的氢键作用增强，且部分淀粉分子断裂为短链分子，小分子间发生交联作用；同时蛋白在湿热处理过程中会发生聚集反应，这些蛋白聚集物会延展开来，黏附在淀粉的表面，阻止酶与淀粉的接近，使其对淀粉酶敏感性降低，进而使淀粉中的SDS、RS 含量增加[55]。闫巧珍等[56]发现湿热处理使马铃薯淀粉中的RS 含量升高，且当处理温度为100 ℃时，RS 淀粉含量达到最高。这可能是由于随着温度的升高，淀粉-脂肪、淀粉-蛋白质复合物形成，使淀粉不易被水解，因此RS 含量增加。胡月明[57]研究发现，用过热蒸汽处理小麦面粉时，高的水分含量有助于SDS 和RS 的形成。因为水分的增加使得热处理时淀粉分子移动性增强，从而促进了直链淀粉－直链淀粉、直链淀粉－支链淀粉的交联。另外，淀粉-蛋白质、淀粉-脂质复合物的形成也被促进，使得淀粉更难以被淀粉酶所结合。除此之外，螺杆挤压也会对淀粉的消化性带来一定程度的影响。樊佳玫等[58]发现，螺杆挤压后马铃薯淀粉中RS 含量增加了1.08%，且挤压处理后的马铃薯淀粉在一定程度上可以降低小鼠的餐后血糖指数。周中凯等[59]研究表明，对高直链玉米淀粉进行超高压处理，200～600 MPa 压力处理后的淀粉消化率随着压力的增加不断下降，800～1 000 MPa 压力处理后的淀粉消化率不断增加。

物理法改性淀粉主要利用热、机械力、电场、磁场等物理场作用于淀粉，通过使淀粉颗粒的层状结构重组，有序化、无序化结构改变，直链/支链比例、淀粉颗粒形貌改变来实现调控淀粉消化特性。物理改性方法不使用化学试剂，仅涉及到水和热等纯天然资源，安全性高于化学改性，减少对环境的污染，有较好的应用前景[60]。

2.2 化学因素

目前可用于改变淀粉消化速率的化学方法有羟丙基化、辛烯基琥珀酰化以及交联和取代的组合等[61]。Chung 等[62]认为，取代和氧化有助于增加RS 的含量，而交联在很大程度上不影响淀粉的消化率。Juansang 等[63]研究表明乙酰化、羟丙基化、琥珀酸辛烯基化处理均使美人蕉淀粉中的RS 含量升高。李晓玺等[64]利用化学方法向玉米淀粉中引入乙酰基团，玉米淀粉经乙酰酯化处理后，其空间位阻阻碍了淀粉酶与淀粉颗粒的结合，使玉米淀粉的消化性降低，且当取代度大于2 时，淀粉中RS 含量达90%以上，结晶类型由A 型转变为V型。Chen 等[65]通过对预糊化玉米淀粉进行二次改性，与三氯氧磷交联，制备了交联预糊化玉米淀粉。淀粉中的RS 含量随预糊化淀粉的交联程度的提高而提高，当交联度为0.030 时，交联预糊化淀粉的RS 含量可达90%以上。Han 等[66]发现交联-羟丙基化的组合处理方式比单独交联产生更多的SDS，而交联-乙酰化产生的RS 含量最高。

化学法改性淀粉就是在淀粉分子上引入一些新官能团，一般包括氧化、乙酰化、交联和磷酸化等单一或者复合改性，降低酶分子与淀粉的结合位点来降低淀粉酶的水解作用，效率高，易实现工业化生产。但化学改性方法也存在一些问题，化学试剂的大批量使用，易造成环境污染；另外，经过化学改性的淀粉应用于食品工业中，需考虑到安全问题[67]。

2.3 生物因素

影响淀粉消化性的生物因素主要指酶，比如利用酶来对淀粉进行处理，降低支链淀粉的链长及含量，使直/支链淀粉比例增加，得到更多游离的直链淀粉分子，再通过双螺旋相互缔结，从而增加淀粉的抗消化性。其中应用较多的脱支酶为普鲁兰酶[67]，可专一性地切开支链淀粉分支处的α-1，6-糖苷键，切下整个分支结构，形成直链淀粉[69]。淀粉经脱支处理后，产生更多的短链线性分子，在氢键作用下大量短链分子聚集产生沉淀，形成致密的结晶结构；此外，经脱支处理后，体系中游离的直链淀粉的含量显著升高，有利于淀粉-脂肪复合物的形成，使淀粉抗消化性增强[39]。张焕新[70]使用了α-淀粉酶及普鲁兰酶对玉米淀粉进行连续的处理，利用α-淀粉酶内切淀粉长链、普鲁兰酶脱支的特点，制备出含有高抗性的玉米淀粉。在最优条件下，处理过后的玉米淀粉中RS 含量高达46.20%。蹇华丽[71]研究表明，在玉米淀粉糊化时加入耐热α-淀粉酶，接着加入普鲁兰酶，使淀粉脱支，改变淀粉原有的结构，提高淀粉中RS 的含量，最终可得到RS 含量高达19.02%的玉米淀粉。Shin 等[72]发现通过使用α-淀粉酶控制糊化淀粉的水解程度，随后进行重结晶，可以获得不同含量的SDS 及RS 产品。

酶法改性淀粉一般是通过淀粉酶（α-淀粉酶，β-淀粉酶，糖化酶等）或脱支酶来修饰、重组淀粉的分子结构，从而增加淀粉颗粒的分支度和改变淀粉的结晶结构来提高淀粉的抗酶解能力[39]。利用酶法调节淀粉的消化性能较为简便，快速且污染小。

3 结语

淀粉是主粮的主要组成部分，是人类主要的能量来源，其消化性与多种疾病密切相关，由此对淀粉消化性能的研究及调控越来越受到世界性的关注，成为淀粉领域的研究前沿和热点。综上所述，淀粉自身结构、食品中的其它组分及物理、化学、生物处理都会对淀粉的消化性能带来一定的影响。淀粉消化性能的改变，使其营养价值也随之而变。通过了解影响淀粉消化的因素，人们才能更好地探究使用不同处理方式来调控淀粉的消化性能。相信随着时间的推移，人们能找到更多安全有效可靠的调控淀粉消化性能的方法，并运用于大规模生产中，赋予淀粉多样化的营养功能，满足不同人群的营养需求。