玉米抗性淀粉研究进展

陆 阳，李春元

（中央储备粮通辽东郊直属库有限公司，内蒙古 通辽 028012）

玉米是世界上重要的粮食作物之一，玉米的相关衍生产品种类丰富，是食品、医疗卫生、轻工业及化工业等不可或缺的原料。其中玉米淀粉具有廉价且易获得，是日常饮食摄取最普遍的碳水化合物之一和人体主要能源供给物[1-3]。随着社会快速发展，人民的生活水平不断提升，餐桌上的饭菜逐渐趋向于高油脂、高蛋白、高盐等，造成人体亚健康甚至引发疾病，高血糖、高血脂、高血压等“富贵病”患病率呈逐年上升趋势。《2016年全球营养报告》指出，“三高”属于营养不良，此类“患者”大约占全球1/3人口，改善和解决这种状况最有效方法就是改善居民膳食营养结构，增加膳食纤维的摄入，抗性淀粉[4]成为了其中重要的选项。

抗性淀粉作为淀粉的优化产品，因在食品加工中稳定性良好，具有热量低、降低血清胆固醇、调节血糖、预防结肠癌、稳定肠道菌群以及调节肠道健康等生理功能[5]，这些生物特性成为食品科学与营养健康领域研究的热点。

本文以玉米抗性淀粉的制备方法、理化指标、功能特性及应用等内容，对国内外的玉米抗性淀粉的相关研究进行综述

1 玉米抗性淀粉的制备

淀粉作为食品工业中的重要基础原料，它属于高GI型（GlycemicIndex,GI）食品[6]，在体内消化速率较快并会导致餐后血糖快速升高，导致肥胖、高血糖等一系列慢性疾病[7]。根据最新营养学分类，淀粉可分为快速消化淀粉（RDS）、缓慢消化淀粉（SDS）和具有抗消化性的抗性淀粉（RS）。RS尚无化学上的精确分类，因为抗性淀粉的定性与酶和淀粉的比例、酶的来源、水解条件等有关，所以需要一种优化标准。多数学者根据淀粉来源和抗酶解性的不同，将抗性淀粉分为4类[8-10]：RS1、RS2、RS3和RS4（见表1）。

表1 抗性淀粉的分类

1.1 热处理法

根据淀粉乳水分含量、热处理温度的不同，可细分为压热法、湿热法及韧化处理法，不同的热处理条件对抗性淀粉的分子结构及抗性淀粉产生量具有显著的差异。在改变温度、压力及水分含量的条件下，使淀粉颗粒充分糊化，淀粉分子之间的直链淀粉通过氢键结合，从而能够显著增加抗性淀粉的得率。湿热处理作为物理制备抗性淀粉的方法，在操作过程中只需改变水分含量和温度因素，所制得的抗性淀粉的安全性较高[11]。

1.2 挤压处理法

挤压处理法是食品加工厂使用较为广泛的一种方法[12]，它是指在挤压过程中运用高温、高压和高剪切力使淀粉分子发生一系列变化，使淀粉由粉状变成糊状，从而发生糊化、裂解，导致一些糖苷键断裂，分子发生解聚作用，分子大小和分子量的分布也随之发生变化。

1.3 酶处理法

酶法改性是指根据不同的淀粉来源及特点[13]，需使用不同的酶，如α-淀粉酶、脱支酶、淀粉葡糖苷转移酶等来改变淀粉分子的结构，从而改变淀粉的性质，以此达到降低其消化性能的效果。

1.4 微波处理法

微波处理法指的是淀粉与水混合后对其进行微波处理，使淀粉的结构和理化性质均有所改变。有研究表明微波处理在酶的敏感性、硬度及支链淀粉重结晶等方面远优于其它热处理方式。

1.5 化学改性法

化学改性法是指通过改变官能团结构或使其发生某种化学反应，来改变淀粉分子的结构和性质，从而提高抗性淀粉得率的方法。

研究表明，组合制备方法可以提高抗性淀粉得率，通过张守花[8]响应面优化试验确定微波辅助酶解制备玉米抗性淀粉的最优工艺参数:耐高温α-淀粉酶添加量3 U/g干淀粉、酶解时间30 min,普鲁兰酶添加量8 U/g干淀粉、酶解时间4.5 h；宁月嘉[12]利用单因素和正交实验,确定了普鲁兰酶制备脱支玉米（DCS）淀粉的最佳条件:淀粉乳浓度8%,普鲁兰酶用量20 U/g,酶解时间10 h,难消化淀粉得率为56.88%,结晶度为25.67%。

2 玉米抗性淀粉的理化特征和结构分析

2.1 玉米抗性淀粉的理化特征

玉米抗性淀粉与其它食品制备的抗性淀粉具有相同的理化特性：

（1）不溶于水，能溶解于2 mol/L KOH溶液和DMSO（二甲基亚砜）。

（2）平均聚合度DPn范围30～200。

（3）在100～165℃时，直链淀粉晶体熔融。

（4）X射线衍射类型为B型。

（5）耐热性高，在高温蒸煮后，几乎没有损失。

（6）持水能力低，仅为1.4～2.8 g，是所有膳食纤维中最低的。

（7）含热量低，热值一般不超过10.0～10.5 kJ/g。

2.2 玉米抗性淀粉的结构分析

不同条件加工后的RS功能和营养价值[14]，尤其是其生理意义，都取决于其结构和构象特征。用于分析研究抗性淀粉的各种技术手段同样适用于玉米抗性淀粉的分析研究。现如今仪器分析的技术不断发展，针对RS结构测定[15]和分析已达到分子水平，检测手段包括光谱学、色谱学及热力学等学科的相关技术，并通过这些技术对各类RS结构进行分析。

（1）RS1和RS2为天然淀粉，抗消化性是因结晶结构[16-17]、密度大等特点而产生；大颗粒淀粉的比表面积小，与酶接触的机会相对较少，从而较难消化吸收；除此之外淀粉颗粒表面有一层光滑的致密层，是阻碍酶与淀粉接触、降低淀粉水解率的重要原因。

（2）RS3为淀粉颗粒完全凝胶化后提取的随机线圈状直链淀粉[18]，经冷却后高聚链重组形成由氢键连接的致密左旋双螺旋结构。螺旋单链每圈20.8重复内包含6个葡萄糖单体，通过持续老化，双螺旋形成六边形晶胞。

（3）RS4淀粉颗粒[19]通常具有粗糙的表面和中空的结构，淀粉颗粒包括固体结晶区域和无定形区域。颗粒表面不如天然淀粉光滑，但是仍保持相对完整的颗粒结构，随着化学基团增加，其分子间氢键被逐渐破坏。

对RS的结构检测与鉴定的方法主要有X射线衍射技术测定抗性淀粉的结晶程度、红外光谱技术测定抗性淀粉的分子顺序[20-22]、气相色谱-质谱技术测定抗性淀粉的糖苷键、固态13C核磁共振技术测量抗性淀粉的结构构象、扫描电子显微镜观察RS的表面特性。随着仪器的不断更新，对于RS结构的检测也会更加精密。图1所示为玉米淀粉与抗性淀粉的扫描电镜照片，可看出抗性淀粉表面更加致密。

图1 玉米淀粉与抗性淀粉结构差异

3 玉米抗性淀粉的功能性

3.1 RS对肠道菌群及其代谢产物的影响

肠道微生态群落是由数以万亿计的微生物组成了一个复杂的群体，它们参与宿主的正常代谢过程，影响宿主的消化、吸收以及免疫等功能，在保障宿主健康和维持宿主正常生理功能等方面发挥着重要的作用[23]。肠道菌群紊乱会打破原有与宿主之间的相对稳定关系，进而诱发多种疾病。现有研究表明，膳食纤维能够达到改善肠道菌群紊乱，RS的摄入能够促进保护肠道屏障[24]的双歧杆菌等有益菌增加，抑制肠道内产内毒素革兰氏阴性菌增殖，减少致病机率。杨玥熹等[25]通过体内体外实验验证玉米抗性淀粉对肠道菌群的影响效果。结果表明:添加3%（相对于肉汤培养基干基）玉米抗性淀粉后,乙酸、丙酸和丁酸的含量能够极显著（P＜0.01）提升。给健康小鼠喂食含有玉米抗性淀粉的饲料,能有效促进小鼠肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌的增殖,抑制大肠杆菌和肠球菌的生长,结肠中乙酸、丙酸和丁酸的含量显著提高（P＜0.01）。用PCR-DGGE分析小鼠肠道内容物的微生物区系的相似性与多样性,结果发现玉米抗性淀粉能有效增加肠道中微生物种类的多样性。孙巍巍[16]发现玉米抗性淀粉对抗生素干预后猪后肠微生物蛋白质发酵特性的影响，结果显示,MCP除外,抗生素干预不影响抗性淀粉对猪粪样微生物蛋白质发酵的作用,随抗性淀粉水平升高,pH、氨氮和尸胺浓度均降低（P＜0.05）,总SCFA、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的浓度均升高（P＜0.05）。因此摄入RS对于改善肠道菌群有着重要的意义。

3.2 RS改善机体糖脂代谢紊乱

生活水平的不断提高，超重和肥胖已成为一种全球性的“流行病”，随着胰岛素抵抗相关疾病的增加，患糖尿病和心血管疾病及其相关并发症的风险逐渐加剧。RS在人体内的消化速度缓慢，血糖指数(glycemic index，GI)值明显低于葡萄糖。研究发现，RS能有效提高糖尿病小鼠的葡萄糖耐量，通过干预糖尿病小鼠体内的基因表达提高外周组织对胰岛素的敏感性，以达到改善胰岛素敏感性并调节糖脂代谢的目的。申晓钰[26]研究RS对高糖高脂模型小鼠代谢调节，结果表明与高脂模型组比较，多元复合RS组小鼠体脂量、血清中的TC、TG指标显著降低；肝糖原含量与RS的剂量呈正相关；肠道内乙酸、丙酸、丁酸含量分别显著上升39.9%、74.9%和78.5%。杨玥熹等[25]给Ⅱ型糖尿病小鼠喂食含抗性淀粉的饲料,与喂食普通饲料组相比,血糖值下降了（14.7±1.1）%,乳酸杆菌数量上升了（30.4±2.3）%，而肠球菌和大肠杆菌数量分别降低了（20.6±1.3）%和（22.1±1.5）%。数据分析表明,血糖值与结肠内乳酸杆菌数量呈负相关,与大肠杆菌和肠球菌数量呈正相关。

4 玉米抗性淀粉的应用

RS广泛存在于各种含有天然淀粉类作物中，虽然来源广泛但含量较低。天然淀粉经过一定的加工处理后即转变为易消化淀粉，无法满足人们对高纤低热类健康食品的要求，因此，将人工制备的RS添加到食品中成为当前食品加工行业的研究热点。目前，RS作为食品膳食纤维的功能成分，添加在食品的制作过程中，制成不同特色的功能性食品和风味食品[27]。

在面包中加入膳食纤维可改善饮食中膳食纤维摄入量偏低的状况，但传统的膳食纤维如麦麸、大麦粉等的加入会使面包颜色加深、体积变小、口感变差，感官上难以被广大消费者所接受。在面粉中加入RS制得的面包，不仅不会降低面包的感官水平，反而在一定程度上提升了感官水平，使面包含水量更高且更加松软，更为广大消费者所接受；在小麦粉中添加RS可以明显改善面条的质量，在一定的添加范围内，RS的加入不会改变面条的硬度、韧度、咀嚼性、顺滑度和口感等感官特性，而且会使面条亮度增大、消化性降低；RS花卷比普通纤维制作的花卷体积大,空隙结构更均匀。

RS具有良好的稳定性和不溶于水的性质[28]，将其添加在发酵食品当中可达到增稠、增加稳定性的作用[28]。通过向发酵乳当中添加两种不同方法制备的玉米抗性淀粉观察其达到的作用，结果表明:W相对于G残留量较高且维持在60%左右;两种抗性淀粉均保留着淀粉颗粒形态,有不同程度的损耗,主要集中在发酵后期与贮藏期;W更有利于发酵乳形成完整、均一的微观结构;含W的发酵乳微观弹性较强且有利于酪蛋白颗粒结合形成更加坚固的结构;含W发酵乳的微观稳定性优于含G的发酵乳。除此之外，玉米抗性淀粉还可作为微生物发酵时的益生元，为益生菌的生长和繁殖提供了碳源。因为小肠不能消化RS，所以可以用作微胶囊的材料嵌入到其它的益生菌中。还可以作为食品增稠剂应用在调味汁、汤料、饮料等乳制品中，以增加饮料的不透明度和悬浮度，但不影响口感及风味。

5 展望

抗性淀粉作为玉米淀粉的加工产物[29]，因其结构和理化性质而具有一定的功能性。社会的发展使人们关注饮食已经不仅局限于吃饱，而更倾向于吃得健康。抗性淀粉作为新型的膳食纤维替代品，受到研究者、市场和消费者的广泛关注。玉米抗性淀粉的功能特性目前的研究对象主要是实验动物，对人体的相关实验并不充足，其对人体的生物学功效及相关机制还有待进一步探索和证明。目前RS制备方法存在着制取率低或者工序复杂、无法批量生产等问题，其生产还处在起步阶段，但其具有广泛应用的良好前景，急需探究多种高效率制备RS的方法，以满足社会需求。