淀粉消化的影响因素及其速率调控的研究进展

魏芷茜, 欧雨嘉, 汤俊杰, 兰小玲, 郭泽镔, 郑宝东

(1.福建农林大学食品科学学院;2.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建 福州 350002)

淀粉及淀粉类食物富含碳水化合物，常作为人们的主食.在人体中，淀粉提供大量能量以保证身体代谢和生理功能的正常进行.消化率是食物的固有属性，受到许多因素的影响.人们普遍认为，淀粉消化始于口腔，主要发生在小肠，在小肠中胰腺α-淀粉酶、糊精酶、淀粉糖化酶、α-葡萄糖苷酶和麦芽糖酶等对淀粉消化起催化作用.淀粉及淀粉类食物可根据其消化速率进行分类，消化速率通常以血糖反应的速率和持续时间为特征.Englyst et al[1]提出了一种基于体外消化动力学对淀粉分类最广泛使用的方法，该方法以淀粉的体外消化为基础，通过模拟胃和肠道条件，测量不同时间葡萄糖的释放量.根据该方法，在20 min内被消化的淀粉分类为快速消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)，在20～120 min被消化的淀粉分类为慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)，剩余未被消化的部分为抗性淀粉(resistant starch, RS).一些研究人员指出，体外消化速率与血糖反应之间存在密切关系.RDS能在摄入淀粉后快速提高人体血糖水平，为人体提供必要能量以维持身体和中枢神经系统的正常生理功能[2]；而大量的葡萄糖从RDS中快速释放会导致血糖和胰岛素水平快速升高从而引发代谢性慢性疾病，如2型糖尿病[3].SDS消化缓慢，但可以在小肠中被完全吸收并维持人体血液中的葡萄糖浓度[2,4].RS在人体消化道中无法被消化，但可以在结肠中被微生物降解发酵[2]，有利于肠道菌群调节和预防代谢性疾病[5-6].调控淀粉消化速率对日常健康饮食显得尤为重要.

近年来，肥胖和糖尿病已经成为世界范围内的健康问题，患病人数呈指数级增长.两者为多病因疾病，但不健康的饮食是病因之一的观点已经得到了广泛认可[7].减慢摄入碳水化合物时葡萄糖的释放速度有助于减缓血糖指数和胰岛素水平的升高，并可获得饱腹感，有助于降低肥胖和糖尿病的患病风险[7].目前，调控淀粉消化速率及开发一种新的慢消化碳水化合物[8]已成为食品工业的研究热点，其中的SDS具有很大的发展潜能.因此，本文综述了影响调控淀粉消化速率的内外部因素及RDS、SDS、RS的应用和发展趋势，以期可以优化SDS基食品的制备工艺，为研究淀粉的消化过程及消化速率的调控提供依据.

1 影响淀粉消化速率调控的因素

1.1 直链和支链淀粉的结构

1.1.1 直链淀粉 直链淀粉是由D-葡萄糖基以α-1，4糖苷键连接而成的一条长而直的链，在烹煮过程中很难被糊化.Lin et al[9]通过对比相同遗传背景的6种大米淀粉的酶水解发现来自相同遗传背景的大米淀粉表现出相同或相似的支链淀粉结构，但直链淀粉含量不同，其直链淀粉含量为1%～15%；直链淀粉的含量与淀粉水解速率呈显著负相关，表明直链淀粉对淀粉的酶解有明显的抑制作用.说明高含量直链淀粉有助于降低淀粉消化速率.Gong et al[10]揭示了通过增加直链淀粉的中、短链改变直链淀粉的分子结构，可以减缓大米淀粉的消化速率，这是由于直链淀粉的中、短链相互作用有助于在回生淀粉中形成较小的凝胶网络晶胞，从而减缓淀粉的消化.淀粉消化速率与形成的凝胶网络中的晶胞大小及其厚度呈正相关，主要与直链淀粉中、短链的相互作用有关，与支链淀粉的分子结构关系不大.此外，从淀粉颗粒中滤出的直链淀粉在冷却和消化过程中容易形成重组的有序结构，因为直链淀粉重新结合了含有稳定双螺旋和强微晶的凝胶网络(图1A).重组、有序的直链淀粉结构会减少酶在淀粉表面的可及性和酶催化[11]，从而降低淀粉的消化速率.

A:直链淀粉精细结构与消化敏感性的关系;B:支链淀粉与消化敏感性的关系(a:同一主链上支链形成双螺旋结构;b:未能形成双螺旋结构的长支链;c:不同主链上的长支链形成双螺旋结构;d:同一主链上短支链形成双螺旋结构;e:未能形成双螺旋结构的长支链;f:不同主链上的长支链形成双螺旋结构).图1 直链和支链淀粉对淀粉消化速率的影响Fig.1 Effects of amylose and amylopectin on starch digestibility

1.1.2 支链淀粉 支链淀粉是D-葡萄糖基以α-1，4糖苷键和α-1，6糖苷键相连，具有树形分枝的多糖链.许多研究表明，支链淀粉长度与淀粉消化有关，短支链的支链淀粉含量较高有助于RDS含量的增长，而支链较长的支链淀粉则具有更好的结晶特性和更高的热稳定性，这有助于SDS、RS含量的增加[12].Yang et al[13]用葡聚糖分支酶预处理多种淀粉，葡聚糖分支酶主要作用于长链，将糖基残基转移到相同或不同的直链淀粉或支链淀粉上，从而提高了淀粉的α-1，6糖苷键含量，提高分枝密度，表明多种淀粉经葡聚糖分支酶处理后使RDS含量减少，SDS、RS含量增加.因此，分枝密度降低有助于形成RDS.同时，支链淀粉也可能通过影响直链淀粉进而改变淀粉的消化特性.Shin et al[14]通过淀粉蔗糖酶改性糯马铃薯淀粉以得到不同支链长度的支链淀粉并与直链淀粉混合，研究其消化特性发现，RDS、RS含量与淀粉改性程度呈线性变化，而SDS含量则没有.这是因为支链长度决定了直链淀粉的双螺旋结构长度以及直链淀粉的流动性.RDS由单链直链淀粉和无定型双螺旋结构淀粉组成，而SDS和RS主要由半结晶或双螺旋结晶结构组成.因此，短支链淀粉[聚合度(DP)<13]倾向于产生RDS，较长的支链淀粉(DP≥37)更倾向于产生RS，而一定长度的支链淀粉(DP为13～24)会产生适当长度的双螺旋结构以形成半结晶排列从而增加SDS含量(图1B).

1.2 淀粉结构

当淀粉中的双螺旋排列有序时，淀粉中堆积着A、B、C型晶体结构.相对来说，A型淀粉比B型淀粉更容易被酶解.A、B型淀粉在支链支点分布上表现出了很大的差异，A型淀粉在无定形区和晶形区内聚集了较多分支点，而B型淀粉的分支点几乎都聚集在无定形区.在A型淀粉中，更多的短A链来自结晶区内的分支点，从而产生了一种较为“劣质”的结晶区.而这种含有α-1，6糖苷键和短螺旋的劣质结晶结构更容易被酶水解[15].B型淀粉聚集的分支点和相对较少的短支链促使其形成了一种较为“优越”的结晶区，类似于直链淀粉分子回生后的结构，而回生直链淀粉对酶解并不敏感，因此，B型淀粉更耐酶解.C型淀粉多为A型和B型多晶型的组合，其酶解敏感性居于A型与B型之间.V型结构仅见于直链淀粉螺旋复合物糊化后与脂类或相关化合物形成的复合物，因V型淀粉中的直链淀粉或长支链淀粉通过疏水相互作用与疏水客体分子结合形成稳定复合物，大分子结构保护淀粉结合位点不受酶的影响，因此，V型淀粉对酶解并不敏感.

1.3 淀粉回生对消化速率的影响

淀粉具有独特的回生特性，是糊化淀粉颗粒储存较长的时间后，直链淀粉与支链淀粉的线性区域通过氢键相互作用，失去精细结构中的水分，形成不完全再结晶.由于回生淀粉相对更有序的结构，其不易被酶识别，比糊化淀粉更难消化[16]，在消化过程中释放葡萄糖的速度也更为缓慢，因此，回生过程对于降低淀粉的消化速率较为有利[17].长支链淀粉在冷却和回生的过程中倾向于形成双螺旋或微晶结构，是导致其消化速率变缓的原因之一[18].Xie et al[19]对糯马铃薯淀粉进行重复回生处理，发现SDS含量随着回生时间的延长而增加，深究SDS形成的原因可能是淀粉分子在回生过程中再缔合形成了较弱的基体或网络，在这种结构中存在无定形区和少量的不完全微晶，而这正是SDS形成的主要原因.因此，贮藏过程中淀粉的回生以及回生时间的延长有利于降低淀粉消化率.

1.4 淀粉糊化对消化速率的影响

天然淀粉可视为现行聚合物和高度值化聚合物的混合物，它们以某种方式组成有序的颗粒结构.当在大量水中加热时，淀粉颗粒会不可逆变化，即糊化.在日常生活中，淀粉通常与水共同进行加工或烹饪，而在此期间，糊化通常为淀粉颗粒主要的变化.已有研究表明，无论淀粉类型或来源有何不同，糊化淀粉相较于天然淀粉都更容易被酶解[20-22].Miao et al[23]研究了控制糊化程度对糯玉米及其淀粉消化速率的影响，发现随着温度升高，RDS含量增加，SDS、RS含量逐渐下降.此外，体内研究表明，血糖反应、胰岛素反应与淀粉糊化程度呈强正相关[24-26].因此，淀粉的糊化程度对淀粉的消化速率具有较大影响，糊化程度越高，淀粉越容易被酶水解，消化速率也随之升高.

1.5 其他成分对淀粉消化速率的影响

食品基质中的其他成分，如蛋白质、脂类等，在加工中起着重要作用，同时影响着淀粉的理化特性和消化率.食品基质中蛋白质的存在可能会影响淀粉消化速率，蛋白质组分，如白蛋白、球蛋白、谷蛋白等，有助于使蛋白质黏合形成基质黏附于淀粉颗粒周围，进而阻碍淀粉的消化.这一点在Rooney et al[27]的研究中也得到了证实.Rooney et al[27]通过添加链霉蛋白酶水解蛋白基质，证实了淀粉颗粒周围存在蛋白质屏障，并且由于链霉蛋白酶清除了阻碍淀粉酶和淀粉糖苷酶通道的蛋白质屏障，体外淀粉消化速率显著提高了.在食品工业中常加入各种添加剂以改善淀粉的各种性质，其中就包括多种乳化剂.单硬脂酸甘油酯为食品工业中一种重要的乳化剂，脂肪酸的名称按照主要组成可将单甘酯分为单硬脂酸甘油酯、单月桂酸甘油酯、单油酸甘油酯等，其中产量最大、应用最多的是单硬脂酸甘油酯.Crowe et al[28]研究游离脂肪酸对α-淀粉酶和淀粉糖苷酶水解淀粉的影响，发现游离脂肪酸对淀粉的酶解有抑制作用，这种抑制作用是由于直链淀粉呈螺旋构象，可与疏水性小分子形成包合物，有助于RS的形成，进而影响消化速率.

2 淀粉消化速率的调控方法

2.1 物理改性

物理改性是淀粉消化速率调控方法中较为常用的一种，包括水热处理、重结晶、聚合物包埋等.水热处理广泛用于改变淀粉的营养特性，主要用于产生RS[29].Shin et al[14]报道，当含水量为50%的熟淀粉加热至55 ℃时，消化速率明显减缓，淀粉组分中的RDS含量显著下降，SDS含量为原来的两倍.水热处理会改变淀粉晶型及相对结晶度，较高的温度有助于晶体的形成，从而形成RS，进而达到调控淀粉消化速率的目的.许多研究人员将水热处理与淀粉消化速率的变化联系起来，主要提出了以下几种机制：(1)非晶区的双螺旋结构被破坏，直链淀粉间的相互作用增强[30]；(2)非晶区相互作用的程度增强，微晶重新排列、堆积[31].包埋已成为一种新兴的、广泛使用的调控淀粉消化速率方法.Hamaker et al[32]用海藻酸钠包埋淀粉，将混合物滴入氯化钙溶液中，制备淀粉包埋微球，提供了更加稳定的淀粉，促使其成为有益健康的膳食纤维.

2.2 化学改性

在许多食品生产工业中，淀粉通过化学方法进行改性，以提高其功能性和商品性.最常见的化学改性方法有酸处理、交联、氧化、基团取代等.针对淀粉消化速率的调控，有一系列的化学改性方法，如丙烯氧化、乙酰化、磷酸化、糊化、辛烯基琥珀酸酐(alkenyl succinic anhydride, OSA)修饰等.将这些方法复合用于改性淀粉，使RDS含量显著下降，SDS含量略有下降，RS含量显著增加，可以在较长时间内控制葡萄糖的释放速度，使体内血糖水平更稳定.OSA酰化已被证明是最有效的延缓蜡质淀粉消化速率的方法，经OSA处理后的淀粉在人体试验中显示出低血糖反应，这可能是由于带有OSA分子的变性淀粉作为非竞争性抑制剂降低酶活性，进而减缓淀粉消化速率[33].

2.3 基因改性

基因改性淀粉的研究还较少，但近年来有日益增多的趋势.基因改性方法是通过广泛的育种及对已有品种进行鉴定，筛选出具有所需功能的品种.影响淀粉消化速率的遗传因素主要包括淀粉含量、淀粉结构和淀粉颗粒形态等.蜡质淀粉的消化速率相较于普通淀粉更为缓慢，因其支链淀粉结构中淀粉分支和支链长度的特殊性，使其更倾向于形成SDS[34].基因改性也可以通过调节淀粉生物合成中酶的表达，以达到调控淀粉消化速率的目的.Zhong et al[35]通过使参与淀粉合成的特定酶过度表达从而开发出了一种长支链淀粉含量较高的SDS，该淀粉颗粒结晶度高、短链少、中长链较多，使消化速率变慢.基因工程具有较大调控淀粉消化速率的潜力.

2.4 改性处理产品

通过物理、化学、基因等方法对淀粉进行改性以调控消化速率的产品如表1所示.

表1 调控淀粉消化速率的改性方法Table 1 Modification methods for the regulation of starch digestibility

续表1

3 淀粉消化速率调控的研究进展

迄今为止，关于SDS应用的研究还较少，此外，大多数研究没有对淀粉组分进行精确区分.但综合目前对SDS的研究以及已经实现的应用，SDS在稳定糖代谢、糖尿病管理、饱腹感、体育活动、改善精神表现上都有潜在益处.较低的血糖和胰岛素水平可以减少患慢性生理、代谢疾病的风险.富含SDS的食品在食用后会缓慢地在小肠中释放葡萄糖，血糖和胰岛素水平的上升较为平缓，同时又可持久地为人体生理活动提供必需的能量.富含SDS的食品可以通过降低与葡萄糖稳态相关的调节系统的压力，从而减少与饮食有关的常见慢性疾病(如糖尿病、心血管疾病、肥胖等)患病风险，为人体健康提供广泛的益处[47].

3.1 淀粉消化速率调控与糖尿病的预防

餐后高血糖导致胰岛素抵抗，引起胰岛β-细胞衰竭进而引发非胰岛素依赖型糖尿病，这类患者占糖尿病患者的90%，因此降低餐后血糖反应是预防糖尿病的有效途径.以RDS或SDS为主的淀粉在餐后引起明显不同的代谢模式.RDS被认为会通过减少肝磷脂酰丙酮酸羧激酶mRNA的数量来提高脂肪酸合成酶活性，并促进脂肪的生成[48].而流行病学研究表明，脂质与碳水化合物的交联反应不利于糖尿病的治疗[49].因此，RDS从长期代谢的角度来看对人体健康的影响并不理想.Ells et al[50]通过对比10名健康女性食用主要含有RDS、SDS的食物后发现，食用SDS后的餐后血糖、游离脂肪酸、血清胰岛素浓度变化明显比食用RDS的更慢、更小.SDS的这种餐后反应有助于预防和辅助治疗糖尿病代谢综合征的并发症.而RS虽然可以降低餐后血糖反应，但其无法在人体消化道被消化，只能进入结肠被微生物利用发酵，可为人体提供的能量少之又少，只能作为功能性成分添加至食品中，而无法作为淀粉基食品中的主要成分为人体提供能量[51].因此，SDS在预防和辅助治疗糖尿病上显得尤为重要.Golay et al[52]对14名2型糖尿病患者进行早餐控制后发现，食用富含SDS早餐的患者体内血浆胰岛素水平比食用富含RDS早餐的患者显著下降，这个结果表明仅在早餐时，从RDS基食品到SDS基食品的转换可以改善糖尿病患者的碳水化合物代谢.同时，Kaufman[53]研究也表明，由于SDS在人体内被消化的过程中会缓慢地释放葡萄糖，因此富含SDS的食物可以避免胰岛素依赖型糖尿病患者在夜间和早晨会出现的低血糖症状，同时又不会引起餐后高血糖反应.SDS还通过调节胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)来调节葡萄糖稳态.图2显示，食用SDS后，GLP-1和GIP在180～300 min升高，这可能与人体内葡萄糖稳态以及能量的储存有关，表明了SDS在餐后180～300 min的有益作用.目前，SDS可作为一种新的功能性成分或新产品的组分，以粉末的形式添加到精加工食品和营养补充剂等供糖尿病患者食用，以调节葡萄糖的释放速度，达到所需功能特性及消化速率，用于维持糖尿病患者的血糖水平.

图2 RDS、SDS、RS对人体葡萄糖稳态的影响Fig.2 Effects of RDS, SDS and RS on human glucose homeostasis

3.2 其他健康应用

低血糖生成指数(GI)淀粉对代谢综合征的益处如表2所示.

表2 淀粉消化速率调控的健康应用Table 2 Applications of regulatory starch digestion on health

4 淀粉消化速率调控的研究方向

综合目前的研究状况，SDS作为一种新型的食品功能成分显示出较为优越的效果，在消化过程中释放葡萄糖的速度慢且长，餐后血糖反应平缓.因此，近年来针对淀粉消化速率的调控受到越来越多学者的关注，对淀粉结构基本原理的深入探究和消化速率的调控设计显得尤为重要.但就从目前的研究可以看出，SDS作为食品在市场应用方面仍存在着较大的空白.一方面，有些研究只关注淀粉消化速率的调控方法，而没有注意到调控后可能会对食品感官性能和烹煮性能等产生影响；另一方面，一些研究只关注到淀粉消化速率调控后对淀粉的流变性能和消化性能等的影响，而忽略了调控后的食品对人体健康的影响.

至今有关淀粉消化速率调控仍存在着许多问题需进一步研究：(1)大多数淀粉消化速率调控方法的实践仍停留在实验室水平，未能真正应用到食品工业中，应当更多地优化工艺，提高产量，降低生产成本；(2)目前用于调控淀粉消化速率的方法虽然多种多样，但各个方法都有缺点，可将多种方法复合使用，优化制备方案，提高制备效率，降低制备成本；(3)目前对减缓淀粉消化速率后的功能性研究和理化性质研究较为完善，但淀粉与其他食品组分反应后对食品性质影响的研究还较少，可在现有基础上进行相关研究以便将淀粉消化速率调控方法更好地应用于食品工业生产；(4)现有研究中对SDS、RS的制备方法及理化性质、功能性质的研究较多，但其消化特性和结构特性还需进一步研究.

5 结语

据世界卫生组织报道，直接范围内受糖尿病和肥胖影响的人群数量正在上升.因此，近年来SDS因其在体内消化缓慢且葡萄糖释放持续时间长、餐后引起血糖浓度和胰岛素水平变幅小等功能特性受到越来越多的关注.SDS产品可以弥补低GI食品在市场上的空白，亦可作为功能性添加剂加入食品中以改善食品的消化特性.但消化速率下降后的淀粉结构特性、如何提高食品工业中淀粉消化速率的调控效率、淀粉消化速率调控方法在食品工业中如何应用等问题还需进一步研究.