抗性淀粉是一种新型的膳食纤维,被定义为“不被健康个体小肠所吸收的淀粉及其降解物的总称”。根据植物来源、品种、生长阶段、部位以及处理方式的不同,可将抗性淀粉分为物理性包埋淀粉(RS1)、天然抗性淀粉颗粒(RS2)、回生淀粉(RS3)、化学改性淀粉(RS4)、直链淀粉-脂肪复合淀粉(RS5)5类。
国内外研究者对不同来源抗性淀粉结构特征与肠道菌群调节功能之间的关系进行了探究,发现抗性淀粉与肠道菌群两者共存可产生积极效应。其原因是肠道中有益微生物对抗性淀粉的发酵作用与肠道有益微生物代谢碳水化合物产生的短链脂肪酸(SCFAs)共同促进机体健康。此外,抗性淀粉对炎性肠病、肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、慢性肾病、短肠综合症、癌症(胰肠癌、结肠癌)等疾病的发生有重要的预防及调控作用,并可进一步影响骨密度和炎症以及紧密连接蛋白基因的表达。福建农林大学食品科学学院的林炎、王培鑫和曾红亮*等人综述了国内外抗性淀粉结构特性和肠道菌群调节功能的研究进展,比较了不同抗性淀粉的表观结构、晶体结构和分子结构等结构特性,介绍了抗性淀粉的益生作用及肠道菌群调节功能,在此基础上,分析和探讨了抗性淀粉结构特性对肠道菌群调节功能的影响。研究结果为开发具有肠道菌群调节功能的特异性结构抗性淀粉提供了一定的理论依据和科学指导。1.抗性淀粉的定义及分类
2.抗性淀粉的制备和测定
不同植物来源的淀粉在加工过程中通过施以不同时间、不同温度、不同方式而达到提高抗性淀粉含量的目的,其中物理处理法、化学改性法、脂质复合法以及生物改进法已形成一定的理论体系(图1)。
目前,国际上常用的抗性淀粉含量测定方法分为体内直接法(测定体内未被小肠吸收的淀粉及其降解物)和体外间接法(不被淀粉酶水解的淀粉含量)。体内直接法包括测定人体肺部呼吸释放的氢气含量、回肠造口术法以及插管法;体外间接法是利用消化前后淀粉质量的差值而进行的研究,主要方法包括Bj?rck方法、Berry方法、Englyst方法、Champ方法、Go?i方法、Akerberg方法、McCleary方法、AOAC方法、AACC推荐方法、直接法(基于Englyst和Champ方法)、猪胰α-淀粉酶法、耐高温α-淀粉酶法。目前,以AOAC方法以及AACC方法为基础的Megazyme试剂盒因其适用范围广、使用方便及准确率高的特点在分析实验室中得到广泛的推广及应用。
3.抗性淀粉的表观结构特性
抗性淀粉的表观结构在扫描电子显微镜或透射电子显微镜的观察下呈现块状、层状,其中根据块状颗粒表面形态分为沟壑块状、孔洞块状或网络块状/蜂窝块状以及复合状(图2)。例如,在糊化过程中持续加热或是酶处理的马铃薯淀粉(图2a)颗粒易发生溶胀以及熔化,向无定形状态转变,并与周边的淀粉偶联形成海绵状结构,促进老化阶段内部双螺旋结构生成,形成更为致密的晶体结构,易产生凹陷孔洞以及蜂窝状结构及复合状,但并非所有经过酶处理的抗性淀粉都以块状为主,有研究发现经过α-淀粉酶处理后的苦荞抗性淀粉呈现片状结构(图2g);对薏仁抗性淀粉(图2b)进行微波处理后发现,其表面粗糙程度较大并形成密集的条纹状沟壑,而在超声辅酶压热法的研究中发现其呈现出孔洞状结构特征(图2d);常见的淀粉处理以高压均质、高速剪切以及超声波等外界辅助压力与交联技术相互结合的处理方式进行,主要原因是淀粉在交联过程中分子链之间的相互作用增强,易发生团聚现象,多呈现出沟槽层状结构乃至于出现单颗粒上的立体网状结构,例如经过高压均质-反相乳化交联法制得的RS4基纳米抗性淀粉(图2e),但值得注意的是团聚现象的发生与交联化、酰化程度有一定的联系,例如,当乙酰化的取代度较低时,抗性淀粉的表征形貌无法出现融合、皱缩、孔洞甚至于网状结构。因此,抗性淀粉的形貌特征不仅与淀粉来源有关,还与抗性淀粉形成前后的处理方式密切相关。当抗性淀粉属于同一来源时,处理方式的差异会导致表观结构可能存在不同。
4.抗性淀粉的晶体结构特性
抗性淀粉存在4种不同的晶体结构类型,分别是A型、B型、C型、V型晶体结构。A型结构(衍射角2θ为15°、17°、18°、23°的单斜晶胞)大多数存在于谷类淀粉中,B型结构(衍射角为2θ为5.6°、17°、22°、24°的六方晶胞)的抗性淀粉主要是由链长为30~44个葡萄糖分子的支链淀粉与直链淀粉交错缠绕组成,当其经过压热-酶解处理,芸豆淀粉、鹰嘴豆淀粉、红豆淀粉等均呈现B型晶体结构。有研究表明,压热法处理通常会使得抗性淀粉从A型结晶向B型结晶转化。C型晶体结构(衍射角2θ为5.7°、15.3°、17.2°、18.3°、23.5°)是A型与B型晶体结构的混合物,主要有芋头、甘薯等块根淀粉以及某些豆类淀粉,其中C型又被分为Ca、Cb、Cc、Ca型接近于A型,Cb型倾向于B型,有研究表明,经过微波双酶法、湿热酶法、微波湿热法制得的马铃薯抗性淀粉更接近于Cb型,结晶度为29.12%~30.52%,而2次循环湿热法制得的马铃薯抗性淀粉更接近于Ca型,结晶度为28.65%。V型晶体结构(衍射角2θ为7.4°、13°、19.8°)主要存在直链淀粉和磷酸单酯、脂肪酸等复合物以及糊化后的淀粉(即RS5型抗性淀粉)之中,又被分为V6I、V6II、V6III、V8。有研究表明不同晶型复合物主要区别在于脂质进入直链淀粉螺旋腔内的程度。普通玉米淀粉经过复合酶的处理,抗性淀粉的晶型由B+V型向V型发生转变,正是因为晶体结构的改变导致了RS3抗酶性能的增加。
5.抗性淀粉的分子结构特性
有研究结果表明,FT-IR图所呈现的特征吸收频率对应不同的基团类型,通常情况下RS3型淀粉可通过cm-1和cm-1处的吸收峰变化判断晶体结构的改变,cm-1和cm-1处的吸收峰分别与抗性淀粉的有序结构和水合结晶有关,cm-1处的峰与无定形结构有关,利用/cm-1和/cm-1峰值比来表示淀粉颗粒外部区域的有序程度或是双螺旋的内部变化。RS4型抗性淀粉是淀粉经过醚化、酰化或是交联作用后得到的改性淀粉,研究表明RS4荞麦抗性淀粉在~cm-1处出现吸收峰,这个波段是P—O—C基团的吸收峰,证明了RS4荞麦抗性淀粉中有淀粉磷酸酯的生成;乙酰化处理的马铃薯淀粉在cm-1处出现强吸收峰,可以判定该反应过程中产生了乙酰化基团,这与酯化反应过程中产生的cm-1处的新峰所代表的酯羰基基团极为相似。
此外,还可通过紫外分光光度计、高效分子排阻色谱和激光衍射法粒度分析仪等仪器测量抗性淀粉的直链淀粉含量、聚合度、分子质量分布等分子结构特征。研究表明抗性淀粉的分子结构特征会因为植物来源以及处理方式的不同而呈现出的差异性。而同一来源马铃薯淀粉经过微波、双酶、湿热法等不同方式处理后,它们的分子质量分布也呈现较大的差异。但值得