馬鈴薯淀粉的消化吸收特性研究進(jìn)展

王麗，李淑榮，句榮輝，王輝，汪慧華，賈紅亮，楊洋，程雪華

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院食品與生物工程系，北京102442）

馬鈴薯產(chǎn)量高、種植面積廣、生命力頑強(qiáng)、對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有多種營養(yǎng)價(jià)值。由于地域文化和風(fēng)俗習(xí)慣的不同，馬鈴薯在很多地方并不是主食，但馬鈴薯在世界各地廣泛種植，每年全球產(chǎn)量為3.68億噸，其中我國馬鈴薯產(chǎn)量占比約四分之一，位居世界首位[1]。目前馬鈴薯與小麥、水稻、玉米一起被稱為世界四大農(nóng)產(chǎn)品，也是世界五大農(nóng)作物之一。淀粉是馬鈴薯的主要成分（大于70%），為人類的正常活動(dòng)提供能量[2]。2015年農(nóng)業(yè)部提出推進(jìn)馬鈴薯主糧化的戰(zhàn)略思想，使馬鈴薯逐漸成為人們?nèi)粘５谋匦杵罚R鈴薯淀粉對人類身體健康的影響情況一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，本文將對馬鈴薯淀粉的消化特性進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為馬鈴薯的加工利用提供依據(jù)。

1 馬鈴薯淀粉的消化吸收率

根據(jù)淀粉在腸道運(yùn)輸過程中被消化酶水解的時(shí)間，可以分為三類，即快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS，在 20 min內(nèi)水解）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch，SDS，在 20 min～120 min之間水解）和抗性淀粉（resistant starch，RS，在 120 min內(nèi)未水解）[3]。RDS通常被認(rèn)為是最不健康的部分，因?yàn)榈矸鄣目焖偎鈺?huì)導(dǎo)致血糖和胰島素水平快速上升。在煮熟的馬鈴薯中，RDS含量可高達(dá)53%～86%[2-3]。SDS在體內(nèi)的消化時(shí)間大致相當(dāng)于食物通過小腸所需的時(shí)間，由于這種緩慢的消化特性，SDS可以持續(xù)提供能量，并有助于控制血糖和胰島素水平，即使在總體血糖指數(shù)較高的食物中也是如此[4]。ENGLYST等[3]研究發(fā)現(xiàn)煮熟馬鈴薯中的SDS含量為10%，MISHRA等[5]發(fā)現(xiàn)速食土豆泥中的SDS高達(dá)45%。這兩項(xiàng)研究中SDS含量的差異很大程度上是由于速食土豆泥進(jìn)行了冷卻處理，有利于沉淀和SDS的形成。由于淀粉的消化吸收率不同，使得SDS含量高的食物比RDS含量高的食物更符合消費(fèi)者的需求。SDS含量高的食品可以作為糖尿病患者的一種功能性食品。RS是一種有效的淀粉基纖維部分，可以抵抗腸道淀粉酶分解，因此不能被消化進(jìn)入大腸。未煮熟的馬鈴薯中RS含量高達(dá)75%，然而，煮熟后，馬鈴薯RS含量下降到5%～10%[3]。但馬鈴薯煮熟后再冷藏，其RS含量會(huì)回升[2]。在大腸中，RS可作為大腸內(nèi)益生菌的發(fā)酵底物發(fā)揮著益生元的作用，同時(shí)RS也促進(jìn)了其它益生菌的生長[6]。DEN BESTEN等[7]研究發(fā)現(xiàn)RS能增加腸道乳酸菌和雙歧桿菌的數(shù)量，這些微生物和其它有益微生物發(fā)酵RS并排泄短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸），對結(jié)腸腺細(xì)胞和結(jié)腸健康有積極作用，從而有助于預(yù)防結(jié)腸癌。盡管RS對健康有明顯的積極影響，但在德國、印度、新西蘭、澳大利亞和美國，RS的消耗量僅為每天2 g～10 g；在中國及其它發(fā)展中國家，攝取量高達(dá)18 g/d～40 g/d。然而，每天攝入20 g的RS對于人體的生長代謝是必要的，但是不同加工工藝會(huì)顯著降低RS的含量，這對加工工藝和貯藏環(huán)節(jié)提出了新的要求[8]。

由于熟馬鈴薯產(chǎn)品具有較高的RDS水平和高血糖指數(shù)（hyperglycemic index，GI），因此，全球馬鈴薯消費(fèi)量較低[9]。以白面包為參照（GI=100），經(jīng)過各種烹飪處理（烘烤、煮沸、微波、油炸）的馬鈴薯的GI值始終在100以上。馬鈴薯以及許多富含碳水化合物的食物，如面食和米飯，通常不是單獨(dú)食用，當(dāng)與其它食物一起食用時(shí)，馬鈴薯的GI值顯著降低。例如，當(dāng)馬鈴薯涂上奶酪或與肉、油和沙拉一起食用時(shí)[10]，馬鈴薯的GI值降低了50%或更多；與花椰菜一起食用時(shí)GI值降低了約20%[11-12]。KALITA等[13]研究發(fā)現(xiàn)白色、紅色、紫色和黃色馬鈴薯提取物中的多酚成分具有抑制消化酶的作用，可以調(diào)節(jié)馬鈴薯的血糖指數(shù)。因此，馬鈴薯提取物可能對控制II型糖尿病有貢獻(xiàn)。

2 提高馬鈴薯抗性淀粉含量的方法

增加馬鈴薯RS含量的方法有很多種，如采用酶水解或細(xì)菌分解等方法可以開發(fā)出新的富含RS的馬鈴薯淀粉衍生物。許多提高RS的方法對不同的淀粉類型有相似但不同的效果。

2.1 基因工程或選擇性育種

在馬鈴薯生長代謝過程中改變淀粉的性質(zhì)，可以提高RS的含量。通過RNA干擾或反轉(zhuǎn)錄RNA抑制會(huì)增加轉(zhuǎn)基因馬鈴薯直鏈淀粉含量。一般來說，高直鏈淀粉含量的馬鈴薯在煮熟狀態(tài)具有較高的RS含量。由于磷酸化酶的過度表達(dá)，轉(zhuǎn)基因方法也會(huì)增加支鏈淀粉的長度和磷含量，而降低RS含量[14]。由于馬鈴薯淀粉的天然消化率較低，磷含量高于大多數(shù)淀粉，磷的增加可能會(huì)降低高直鏈淀粉的消化率。

2.2 熱水處理

熱水處理（heat moisture treatment，HMT）改變直鏈淀粉和支鏈淀粉顆粒的物理特性，但可以保持顆粒完好無損[15]。一般來說，老化是在遠(yuǎn)低于凝膠化溫度和過量水中進(jìn)行的。但高溫（90℃～120℃）高壓下的老化所需水分要低得多（10%～30%），這使得高溫高壓能在特殊條件下有效地進(jìn)行高壓滅菌。當(dāng)?shù)湫偷母邏簻缇谒诌^量的情況下進(jìn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生完全的顆粒破壞。在未糊化的馬鈴薯淀粉中，HMT降低了RS含量，增加了SDS含量，提高了顆粒的整體熱穩(wěn)定性[16]。然而，煮熟的馬鈴薯樣品RS含量更高[17]。此外，淀粉煮沸后再進(jìn)行回生（一次或循環(huán)）以及煮熟的全馬鈴薯，有利于淀粉凝膠中RS含量和SDS含量的增加[2]。HMT與酸處理相結(jié)合可以進(jìn)一步提高RS水平[18]。酸能夠部分水解淀粉顆粒的無定形區(qū)域，形成許多更小的鏈。在對酸處理馬鈴薯淀粉進(jìn)行HMT或高壓滅菌時(shí)，這些小分子鏈在老化過程中更容易結(jié)晶，形成熱穩(wěn)定、耐消化的RS3淀粉。HMT或老化后的馬鈴薯淀粉具有高熱穩(wěn)定性、低回生性而使得這些技術(shù)廣泛應(yīng)用在罐頭和冷凍食品加工中[15,19]。

2.3 化學(xué)改性

淀粉的化學(xué)修飾是建立新的官能團(tuán)或化學(xué)鍵，以減少碳水化合物的酶解，從而降低消化率。化學(xué)改性包括酯化、磷酸化、乙酯化，或應(yīng)用伽瑪射線照射。酯化引進(jìn)了新的化學(xué)基團(tuán)阻止了酶的有效吸附或交聯(lián)的形成，導(dǎo)致淀粉消化吸收率降低。磷酸化通過改變pH值及不同磷基團(tuán)的相對數(shù)量來產(chǎn)生高度抗消化的淀粉[20]。當(dāng)?shù)矸鄣?0%官能團(tuán)被乙酰化后，可以改進(jìn)淀粉葡萄糖苷酶的水解。脈沖電場增加了乙酰基含量，并破壞淀粉顆粒，使得RS轉(zhuǎn)化為SDS[21]。酯化交聯(lián)琥珀酸酐衍生物會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯淀粉RS和SDS顯著增加[22]。乙酰化的淀粉會(huì)產(chǎn)生非常清晰的凝膠，放置時(shí)幾乎不會(huì)分離，并且在低溫下成膠狀，這些淀粉非常適合做肉汁、餡餅餡料和沙拉醬。磷酸鹽單酯或辛烯基琥珀酸酐取代的淀粉具有良好的凍融穩(wěn)定性，在冷凍食品中具有良好的乳化作用。交聯(lián)淀粉（如雙淀粉-磷酸鹽）具有很高的增稠能力，可以在長時(shí)間加熱后保持其黏度，非常適合用于罐裝產(chǎn)品[23]。氧化會(huì)增加糊化馬鈴薯淀粉的RS和SDS含量[24]。有機(jī)酸處理淀粉是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域。有機(jī)酸比無機(jī)酸具有更多的官能團(tuán)，因此對淀粉的修飾方式不同。有機(jī)酸除了能裂解直鏈淀粉或支鏈淀粉外，還能使淀粉的羥基酯化。酒石酸和檸檬酸各有兩個(gè)羧基，在處理時(shí)，淀粉可以交聯(lián)生成雙淀粉檸檬酸鹽，添加的基團(tuán)或交聯(lián)抑制消化，增加 RS含量[25]。WICKRAMASINGHE 等[14]研究了用10%的面粉替代面包中的檸檬酸對馬鈴薯淀粉的影響，發(fā)現(xiàn)面包中的RS含量比對照增加了5倍，但面包體積（cm3/100 g面粉）下降不到2%。

2.4 酶法

酶法是改變蠟質(zhì)淀粉功能性和活性的常用方法。對淀粉進(jìn)行熱處理后再進(jìn)行回生，有利于增加RS含量[26]。這種處理能夠增加直鏈淀粉含量，并在熱處理和回生后形成具有高耐消化能力的緊密排列的結(jié)晶。雖然這可能降低原生RS的水平，但RS從RS2轉(zhuǎn)化為RS3[27]，且大體上更具有熱穩(wěn)定性；這種淀粉在加工后可能會(huì)保留大部分的RS。在蠟質(zhì)馬鈴薯淀粉上使用分支酶，淀粉中葡萄糖的釋放降低[28]。可通過使用更多的酶來增加分支點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)而提高淀粉的RS特征[29]。淀粉分支酶改性淀粉在烘焙行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[30]。

2.5 直鏈淀粉-脂混合物

疏水化合物（最常見的是脂肪酸或脂類）復(fù)合成直鏈淀粉螺旋線，可降低消化吸收率。馬鈴薯淀粉與脂肪酸（碳個(gè)數(shù)不同）混合的預(yù)糊化淀粉中，RS含量在所有樣品中是相近的，然而，SDS的含量因復(fù)合脂質(zhì)的種類和數(shù)量差異而不同[31]。馬鈴薯淀粉具有高度結(jié)晶性質(zhì)，能最大限度地減少絡(luò)合團(tuán)對顆粒的滲透。因此，當(dāng)?shù)矸垲w粒順序改變（膨脹）或破壞（糊化淀粉）后，形成的復(fù)合物基團(tuán)更接近直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物可以防止不含麩質(zhì)面包的變質(zhì)并改善面包屑的質(zhì)地，還可以替代酸奶和蛋黃醬等產(chǎn)品中的脂肪[32]。當(dāng)引入新的絡(luò)合劑，在不同程度上成功抑制消化吸收率[33]，其中許多化合物，特別是生物活性物質(zhì)和藥物，單獨(dú)服用時(shí)消化吸收性差，但復(fù)合物的形成可以克服許多缺點(diǎn)，并成功地將緩釋生物活性物或藥物送到小腸或大腸[34]。

2.6 食物基質(zhì)成分相互作用

ESCARPA等[35]研究了食品基質(zhì)對馬鈴薯淀粉消化特性的模型系統(tǒng)，結(jié)果表明碳水化合物（如單糖、樹膠、纖維）、蛋白質(zhì)、油和其它成分——多酚、植酸和鹽對RS含量有不利影響，將直接影響馬鈴薯淀粉的消化特性。人們認(rèn)為油脂會(huì)由于淀粉-脂質(zhì)復(fù)合作用而增加RS的含量，但與傳統(tǒng)使用的脂肪酸相比，三酰甘油的大量存在可能會(huì)阻礙它們與淀粉分子相互作用。在馬鈴薯淀粉中添加蛋白質(zhì)可能有助于或阻礙RS的形成。馬鈴薯蛋白和馬鈴薯淀粉的結(jié)合減少了酶的攻擊，增加了RS含量[36]，然而，該研究發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯淀粉中加入牛血清白蛋白阻礙了RS的形成；添加樹膠或纖維也可能降低消化率；黃原膠、瓜爾膠、果膠和葡甘露聚糖的添加均顯著提高馬鈴薯淀粉凝膠的RS含量[37]。在體內(nèi)，除葡甘露聚糖外，5%的上述纖維降低了小鼠的總血糖水平。由于RS測定方法和制備系統(tǒng)（如淀粉與添加劑的比例、固體與水的比例和蒸煮處理）的不同，可能會(huì)出現(xiàn)相互沖突的結(jié)果。

3 未來發(fā)展方向

3.1 建立馬鈴薯RS和SDS的生理效應(yīng)模型

測定馬鈴薯新品種（如高直鏈淀粉）的RS和SDS特征，分析馬鈴薯淀粉在人體或動(dòng)物模型中消化吸收率、飽腹感、營養(yǎng)物質(zhì)吸收率、能量平衡情況、腸道生理影響以及代謝過程，構(gòu)建馬鈴薯淀粉的RS、SDS評價(jià)模型，為馬鈴薯新品種的培育提供一定的依據(jù)。

3.2 構(gòu)建馬鈴薯RS消化吸收率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型

RS是一種高附加值的食品成分，具有與纖維相似的特性，具有保健和預(yù)防疾病的功效。一般來說，RS在加熱過程中顆粒結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞，使得熟馬鈴薯中淀粉在體內(nèi)迅速被消化。因此，可以通過控制馬鈴薯的不同加工工藝，監(jiān)測加工過程中淀粉微觀結(jié)構(gòu)的變化，測定慢速消化淀粉、快速消化淀粉和抗性淀粉的變化規(guī)律，構(gòu)建馬鈴薯RS消化吸收率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型，為馬鈴薯的加工工藝設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

3.3 創(chuàng)新馬鈴薯淀粉加工利用新技術(shù)

馬鈴薯淀粉是食品工業(yè)的重要原料之一，如無脂肉類加工工業(yè)。食用RS和SDS含量高的食物可能有助于降低與代謝綜合癥相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)，如Ⅱ型糖尿病、肥胖和心臟病。因此，創(chuàng)新馬鈴薯淀粉食品的加工技術(shù)，控制馬鈴薯淀粉的結(jié)構(gòu)變化，掌握馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)與健康之間的關(guān)系，為生產(chǎn)具有特定加工和消費(fèi)需求的馬鈴薯淀粉及具有不同營養(yǎng)特性的淀粉餾分提供依據(jù)。

3.4 完善馬鈴薯淀粉的改性技術(shù)

淀粉可以通過物理、化學(xué)和生物方法改性來滿足特定應(yīng)用的要求。因此，結(jié)合RS和SDS生理效應(yīng)模型、微觀結(jié)構(gòu)變化模型、加工利用新技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)母男约夹g(shù)控制淀粉的分子結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)變化，適應(yīng)食品安全“綠色”發(fā)展，是未來馬鈴薯淀粉改性的新方向。