抗性淀粉的简介及其制备

1. 抗性淀粉研究 1.1 抗性淀粉简介 1981年Anderson等首次发现食物中的淀粉经过小肠并未完全被消化。通过测定作为大肠发酵指示的呼出的氢气,他们发现白面包中大约有20%的淀粉进入大肠[1]。最初,研究者称淀粉进入大肠的现象为淀粉的不良吸收,但是随着对淀粉在人体内代谢过程的深入研究,发现进入大肠的淀粉能被大肠里的微生物发酵,作为能源利用。研究者们将这种不被健康人体小肠所吸收的淀粉称之为抗性淀粉(Resistant Starch),简称RS。这种淀粉较其他淀粉在体内消化、吸收和进入血液较缓慢,具有类似膳食纤维的功能特性。但抗性淀粉本身仍然是淀粉,其化学结构不同于纤维。作为一种新型功能型添加剂,抗性淀粉对人体健康有重要作用,它能降低血糖和胰岛素的反应,适合肥胖病人和糖尿病人食用。动物实验表明,抗性淀粉还具有降低血清胆固醇、防治心血管疾病的作用[2]。此外,抗性淀粉还具有比传统膳食纤维更好的加工特性,特别是在膨胀度、黏度、凝胶能力、持水性等方面[3]。作为一种新型的膳食纤维,抗性淀粉具有类似于传统膳食纤维的生理功能,在大肠中,经微生物发酵,它的产短链脂肪酸尤其是丁酸的能力远远高于普通膳食纤维[4]。而且,将抗性淀粉添加到食品中,RS不会影响食物的风味、质地和外观,在许多应用中,甚至可以提高最终产品的风味。因此在过去几十年中,RS已作为保健营养成分应用于面包、谷物早餐、面条等普通食品和减肥食品等特殊食品中[5]。 1.2 抗性淀粉的分类 抗性淀粉(RS)因其天然来源或加工不同,其抗消化性会有很大的差别,目前一般可将其分为4类,即RS1、RS2、RS3、RS4[6]。 RS1,物理包埋淀粉,是指那些因细胞壁的屏障作用或蛋白质的隔离作用而不能被淀粉酶接近的淀粉。如部分研磨的谷物和豆类中,一些淀粉被裹在细胞壁里,在水中不能充分膨胀和分散,不能被淀粉酶接近,因此不能被消化。但是在加工和咀嚼之后,往往变得可以消化; RS2,颗粒状抗性淀粉,是指那些天然具有抗消化性的淀粉。主要存在于生的马铃薯、香蕉和高直链玉米淀粉中。其抗酶解的原因是因为具有致密的结构和部分结晶结构,其抗性随着糊化而消失; RS3,回生淀粉,是指糊化后在冷却或储存过程中结晶而难以被淀粉酶分解的淀粉,也称为老化淀粉。它是抗性淀粉的重要成分,通过食品加工引起淀粉化学结构、聚合度和晶体构象等方面的变化而形成的,因而也是一类重要的抗性淀粉。回生淀粉是膳食中抗性淀粉的主要成分,这类淀粉即使经加热处理,也难以被淀粉酶消化,因此可作为食品添加剂使用。一般采用湿热处理制备,如直链含量为70%的玉米淀粉,经过压热法处理,可获得21.2%的RS3的产品。国外专利中多采用高直链玉米淀粉为 原料,将脱支酶作为主要手段,结合不同干燥方式制备高抗性淀粉含量的产品; RS4,化学改性淀粉[7]。主要指经过物理或化学变性后,由于淀粉分子结构的改变以及一些化学官能团的引入而产生的抗酶解淀粉,如羧甲基淀粉、交联淀粉等。同时,也指种植过程中,基因改造引起的淀粉分子结构变化,如基因改造或化学方法引起的分子结构变化而产生的抗酶解淀粉。 1.3 抗性淀粉的制备方法 淀粉中直链淀粉的比例越高,淀粉越易老化。普鲁兰酶可催化淀粉分子中α-1,6-糖苷键的水解,使支链淀粉转变成直链淀粉,从而提高抗性淀粉得率。有关抗性淀粉制备方法的研究,近十年来国内外发展较快,研究较为广泛,制备方法大致可分为以下几类。 1.3.1 挤压处理法 挤压处理即将食品物料置于高温高压状态下,突然释放至常温常压,使物料内部结构和性质发生变化的过程。经高温高压处理,淀粉颗粒中大分子之间的氢键削弱,造成淀粉颗粒的部分解体,粘度上升发生糊化现象。将挤压膨化技术应用于抗性淀粉制备的预处理中,是由于挤压膨化起到了预糊化的作用,提高淀粉糊化度。只有使淀粉完全糊化,才能使淀粉酶与普鲁兰酶对其充分作用,生成一定长度的直链淀粉分子,通过调节酶的作用条件,从而提高抗性淀粉得率[8]。 1.3.2 微波辐射法 近年来,由于微波加热速度快,可以使食品中的水分在短时间内迅速蒸发汽化,造成体积膨胀,产生膨化效应,微波技术在食品工业中的应用越来越广泛。 微波法应用于抗性淀粉制备机理。首先,在微波辐射处理过程中,淀粉分子间氢键断开,冷却阶段相邻的直链淀粉间又重新形成氢键,即淀粉的老化;其次,食品物料微波辐射的内动力是水分汽化,在此过程中淀粉糊化,使物料产生多孔的网状结构,有利于酶的进一步作用;第三,微波处理时间短、效率高,工艺安全,可以大大缩短制备工艺时间。目前,微波技术主要应用于物料的后期处理,如膨化小食品中的应用,并且对食品物料的后期处理技术已经较为成熟,但应用于物料的预处理的研究却不多见[8]。 1.3.3 脱支降解法 抗性淀粉制备的脱支方法有两种,一种是酶法脱支,另一种方法是化学方法脱支[9]。据报道,用酸(盐酸、硫酸、硝酸等)处理淀粉,有一定的脱支效果,但其脱支效果不及酶法脱支效果好。所用的酶主要为脱支酶——普鲁兰酶,此种酶可以水解直链和支链淀粉分子中的α-1,6-糖苷键,并且所切α-1,6-糖苷键的两头至少含有两个以上的α-1,4-糖苷键。普鲁兰酶是异淀粉酶的一种,它能切开支链淀粉分支点的α-1,6-糖苷键,从而使淀粉的水解产物中含有更多的游离的直链淀粉分子[10]。在淀粉的老化过程中,更多的直链淀粉双螺旋相互缔合,形成高抗 性的晶体结构[11]。普鲁兰酶能够专一催化支链淀粉α-1,6-糖苷键的水解,从而使支链淀粉的分支链脱离主链形成一系列长短不一的直链淀粉,这样直链淀粉含量增加,从而提高抗性淀粉得率。已在市场上销售的抗性淀粉产品CrystaLean就是应用酶解法生产的。 1.3.4 热液处理法 按照热处理温度和淀粉乳水分含量的不同,可以将淀粉的热液处理分为四类[12]: ①湿热处理(Heat Moisture Treatment,HMT),是指淀粉在低水分含量下经热处理加工的过程(含水量小于35%),处理温度一般较高,在80-160℃之间。 ②韧化处理又称退火处理(Annealing,ANN),是指在过量水分含量的条件下(含水量大于40%),温度在淀粉糊化温度以下的热处理过程。 ③压热处理(Autoclaving),是指淀粉含水量大于40%,溶液在一定温度和压力下进行处理的过程。 ④减压处理法(Reduced-Pressurized),短时间内能够进行大批量的处理,没有糊化的淀粉颗粒,热稳定性高,工业生产非常有潜力。 1.3.5超高压处理法 超高压食品处理技术(Ultra-High Pressure, UHP)就是使用100MPa以上的压力,在常温下或较低温度下对食品物料进行处理,从而灭菌、物料改性和改变食品的某些理化反应速度等。 根据超高压对淀粉影响的研究,可以将超高压技术应用于抗性淀粉的制备。淀粉经超高压处理后,A型结晶由于压力的作用,双螺旋结构重新聚集,部分转为B型,因此与热糊化淀粉相比,超高压处理使淀粉表现出不同的糊化以及凝胶特性,其中一些可以在不发生糊化的条件下,淀粉颗粒维持其最初的颗粒结构而提高抗性淀粉含量。当含水量较高时(大于40%),淀粉微晶结构的破坏温度与糊化温度接近,因此在这种含水量的条件下,退化处理温度必须低于此条件下的糊化温度,用以维持晶体结构以及形成更多的抗性淀粉。在湿热处理以及退化处理之前,有选择地进行水解可以提高原料中的抗性淀粉含量。高温高压处理用以使淀粉颗粒充分糊化,直链淀粉分子彻底溶出,从而有利于直链淀粉分子双螺旋间的充分缔合,有利于抗性淀粉的形成[13]。 1.4影响抗性淀粉形成的因素 1.4.1 直支比对抗性淀粉形成的影响 淀粉是由α-D-葡萄糖组成的高分子化合物,有直链状和支叉状的两种,分别称为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉/支链淀粉的比例大小对抗性淀粉的形成有显著影响,因为抗性淀粉RS3的形成机理是淀粉糊的凝沉。一般来说,比值大,抗性淀粉含量越高。这是因为直链淀粉比支链淀粉更易凝沉。Wen等发现直链淀粉对RS的形成具有非常重要的影响,淀粉经加热冷却处理所得到的抗性淀粉 含量会随着分子中的直链淀粉含量的增加而增加。但Szczodrak等通过实验发现大麦含43.5%直链淀粉的白色淀粉层RS生成量(7.5%)却比直链淀粉含量为49.3%的褐色淀粉层中的RS生成量(4.0%)要高,各种淀粉形成RS的能力存在很大的差异,并不完全与直链淀粉的含量有关,也可能是由于褐色层含有较多的脂肪及矿物质。 1.4.2 蛋白质对抗性淀粉含量的影响 淀粉中蛋白质的含量因其原料来源不同而存在较大差异。谷物中淀粉与蛋白质的结合比较紧密,对淀粉的深度加工利用存在许多不利影响,例如分离困难等。Holm等研究发现小麦淀粉大部分被蛋白质包裹,Chandrshekar和Kirlies主要研究了高粱淀粉中蛋白质对其凝沉的影响,发现蛋白质对淀粉颗粒有保护作用,只有去除后,淀粉粒才能发生凝沉。上述研究都是对谷物中自身所含蛋白质而言的,关于外源蛋白质添加对淀粉凝沉性的影响,Escarpa等作了相关的研究,发现和淀粉凝沉时会在直链淀粉分子之间形成氢键一样,外源蛋白质也能与直链淀粉分子形成氢键而使淀粉分子被束缚,从而抑制直链淀粉的凝沉,降低食物中的抗性淀粉含量。因此,蛋白质对抗性淀粉含量的影响包括了两个方面:一方面蛋白质对淀粉有包埋、束缚作用,使淀粉难以接触淀粉酶而形成抗性,即增加RS1抗性淀粉含量;另一方面,蛋白质对淀粉形成保护,可以防止淀粉老化,即减少抗性淀粉含量。从整体上看,后一种影响更为重要。 1.4.3 脂类对抗性淀粉形成的影响 谷物淀粉中脂类化合物的含量较高(0.8%-0.9%),它可以与直链淀粉分子形成一种包合物而抑制淀粉颗粒的膨胀和溶解,使糊化温度升高,对淀粉的抗性产生一定的影响。Eliasson等发现单甘酯可与直链淀粉形成复合物从而竞争性地抑制由于直链淀粉分子间相互复合而导致的淀粉凝沉,并通过DSC研究其结构。而Czuchajowska等用DSC研究磷脂酰胆碱(LPC)、硬脂酸乳酸钠(SSL)和羟基磷脂(OHL)与直链淀粉的相互作用时发现,在95-110℃时会形成直链淀粉-脂质复合物。Mercier认为直链淀粉-脂质复合物也可能在食品加工过程中产生,如蒸煮后冷却。其它脂质如磷脂、油酸和大豆油都会使抗性淀粉含量降低。 1.4.4 糖类物质对抗性淀粉形成的影响 葡萄糖、麦芽糖、蔗糖是食品中常用的甜味剂,属于可溶性糖。可溶性糖抑制糊化淀粉凝沉主要是由于糖分子与淀粉分子的相互作用改变了淀粉凝沉的基质,即可溶性糖作为抗塑剂而使食品玻璃态转变温度升高。Kohyama和Nishinari 等研究了糖对抗性淀粉形成的影响,发现添加这些糖糖可以降低糊化淀粉的重结晶度,从而抗性淀粉含量降低。然而Eerlingen等发现,添加蔗糖使小麦淀粉的抗性淀粉含量显著降低,却使高直链玉米淀粉的抗性淀粉含量增加。 1.4.5 淀粉分子大小和平均聚合度对抗性淀粉形成的影响 淀粉来源不同,其大小也有差异,其中马铃薯淀粉粒平均直径较大,约为100μm,而豌豆、小麦和玉米淀粉粒度相对较小,平均直径约20-30μm,二者比表面积相差接近20倍,因此,同样条件下马铃薯淀粉水解速率低于其它淀粉。和淀粉大小一样,淀粉分子的平均聚合度对抗性淀粉的形成也有影响。Eerlingen 等研究了平均聚合度(DP n)在40-610的淀粉其抗性淀粉的含量,发现分子平均聚合度越小,含量越高。X射线衍射分析发现抗性淀粉粒有A、B、C三种衍射图型,其中B型的抗性最强。 1.5 抗性淀粉的生理功能 随着对抗性淀粉进一步的研究发现,抗性淀粉对肠道代谢、糖代谢和脂代谢均有一定的影响。抗性淀粉在小肠中不被吸收,能在大肠中被细菌发酵分解,产物主要是一些气体和短链脂肪酸。气体能使粪便变得疏松,增加其体积,这对于预防便秘、盲肠炎、痔疮、肠憩室病、肛门、直肠机能失调等肠道疾病具有重要意义。 国内外关于抗性淀粉对血糖值和胰岛素水平的影响做了大量研究。王竹等利用天然稳定同位素技术,研究了抗性淀粉吸收代谢的特点及对血糖的调节作用,证明RS具有吸收慢的代谢特点,对调节血糖稳态,减低餐后胰岛素分泌,增强胰岛素敏感性有一定作用,并初步论述了RS对餐后体内葡萄糖转运的影响,综合其他研究成果,预示RS可能对预防慢性疾病的发生,减少餐后组织负荷有益[14]。 Jocaro等分别用生马铃薯淀粉RS2和马铃薯老化淀粉RS3及纤维素饲喂大鼠,结果发现:与纤维素组大鼠相比,RS2组大鼠和RS3组大鼠的日总粪固醇排泄量大大增加,并且RS3组大鼠的日总粪固醇排泄量几乎是纤维素组的2倍,与纤维素组大鼠相比达到了极显著差异,进一步提示了抗性淀粉是通过增加粪固醇的排泄量来达到降脂目的[15]。 近年来,随着人们生活水平的不断提高,人们对具有保健功能的食品进一步重视,抗性淀粉作为低热、高膳食纤维含量的功能食品成分可为人们提供崭新的功能性产品。而且抗性淀粉的大规模生产对推动农副产品深加工和综合利用,促进农副产品增值,提高农民收入水平具有重要意义。 2. 研究目的和意义 淀粉作为自然界最丰富的贮藏性多糖,是仅次于纤维素的可再生性资源,自古以来是人类和大多数动物的营养和能量主要来源;现作为一种重要工业原料,广泛应用于食品、化工、造纸、纺织等行业,且具有分布广泛、产量丰富、价格低廉、可降解、无污染、可再生等优点。结晶度一般为14%~45%,其颗粒大小、分子量、形状及性质因植物种类、生长环境和基因型不同而有较大区别[16]。然而绝大多数天然淀粉因其结构和性能缺陷,如不溶于冷水、淀粉糊易老化脱水、缺乏乳化力、糊液在酸、热、剪 切作用下不稳定等,而制约其应用范围,因此可利用物理、化学或生物等方法改变天然淀粉性质和增加新的功能,使其能适应现代化工业加工要求。 目前国内外对淀粉改性主要为化学改性方法,在化学改性过程中,往往要加入必要化学试剂,以改变淀粉化学结构或引入新的基团使其达到改性目的。然而,将化学改性淀粉用于食品工业时,需考虑和评价其安全性问题,且化学法常存在反应速率低、生产时间长、产品质量不稳定、环境污染等问题。而采用非化学手段,如采用物理或生物(酶)改性淀粉便不存在化学试剂残留问题,且可大大改善产品理化性能、拓宽产品应用范围和提高其附加值。随绿色加工理念提出,采用物理或生物(酶)方法,如热处理、物理场处理、超高压、挤压、超微粉碎、酶处理等[15]技术对淀粉进行改性研究日益受到关注。 酶处理法是一种非常具发展前景的生物方法。普鲁兰酶,属淀粉酶类,能够专一性切开支链淀粉分支点中的α-1,6-糖苷键,切下整个分支结构,形成直链淀粉。与异淀粉酶不同的是,普鲁兰酶可以将最小单位的支链分解,最大限度的利用淀粉原料,而异淀粉酶虽然也能水解分支点的α-1,6-糖苷键,但是不能水解由2~3个葡萄糖残基构成的侧枝。脱支酶的发现较其他淀粉酶迟,但近年来对它的研究和应用受到学者和企业的广泛重视。脱支酶可使食品质量提高,彻底分解淀粉,降低粮耗,节约成本,减少污染,已成为淀粉酶制剂中一个很有前途的品种,具有广阔的开发和应用前景。 故可以普通玉米淀粉为试验材料,以普鲁兰酶为酶制剂,采用单因素试验分析加酶量、酶解时间、老化时间对抗性淀粉含量的影响,采用响应面设计优化抗性淀粉的制备条件,以期为酶法制备抗性淀粉提供参考和指导。 参考文献 [1] S. 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