不同高壓處理下薯類食物消化特性研究進展

摘 要：擠壓膨化技術、超高壓處理技術、高壓濕熱處理技術、高壓均質技術作為物理改性技術，已廣泛應用于食品物料改性研究中。綜述了近年來國內外關于不同高壓處理技術在薯類食物消化特性中的研究與應用。通過對比分析，探究不同高壓處理條件對薯類食物消化特性的影響。擠壓膨化技術處理后的物料適口性好，但會損失物料中的游離氨基酸和維生素;超高壓處理技術作為非熱物理改性技術，改性效果較好，但設備較為昂貴，產品后期貯藏條件較為嚴格;高壓濕熱處理技術操作相對簡便，在高壓濕熱條件下有利于抗性淀粉生成，改性效果較好，應用較為廣泛;高壓均質技術因缺乏對薯類相關研究作為理論支撐，目前無法充分證明其對薯類消化特性的影響，但該技術應用于其他物料時呈現了良好的降低淀粉水解率的效果，物料中抗性淀粉含量增加，這為高壓均質技術改性物料奠定了理論基礎，也為今后的研究提供了思路。

關 鍵 詞：薯類; 擠壓技術; 超高壓; 高壓濕熱; 高壓均質; 消化特性

中圖分類號：TS215 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2023.06.010

Research progress on digestive characteristics of potato under different pressure treatment conditions

WANG Dongwei¹， DONG Shengzhong²， YANG Yuxia¹， XIU Wenyi¹， LIU Jiali¹， YANG Hongli¹

（1. College of Grain Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Extrusion technology， ultra-high pressure treatment technology， high pressure wet heat treatment technology， high pressure homogenization technology as physical modification technologies， have been widely used in food material modification research. In this paper， the research and application of different high-pressure treatment techniques on the digestive characteristics of potato foods at home and abroad in recent years were reviewed， and the influence of different high-pressure treatment conditions on the digestive characteristics of potato foods was explored through comparative analysis. The material treated by extrusion technology has good palatability， but it will lose free amino acids and vitamins in the material; As a non-thermal physical modification technology， the modification effect of ultra-high pressure technology is better， but the equipment is more expensive and the storage conditions of products are more strict. High pressure wet heat treatment technology is relatively simple to operate， and it is conducive to the formation of resistant starch under high pressure wet heat condition， and the modification effect is good， and it is widely used. Due to the lack of relevant researches on tubers as theoretical support， the influence of high-pressure homogenization technology on the digestibility characteristics of tubers cannot be fully proved at present. However， when it is applied to other materials， the technology shows a good effect of reducing the hydrolysis rate of starch and increasing the content of resistant starch in the materials， which laid a theoretical foundation for the modification of materials by high-pressure homogenization technology and also provide some ideas for future research.

Key words：potato; extrusion technology; ultra-high pressure; high pressure heat and humidity; high pressure homogenization; digestive characteristics

近年來，隨著人們對食品營養、合理膳食的重視，薯類逐漸為人們所關注。薯類作物富含多種人體所需元素，營養價值頗高^［1］。甘薯中的蛋白質成分和普通水稻中的蛋白質成分接近，有很高的營養價值，甘薯中的淀粉也更易于被身體的消化系統吸取^［2］;紅薯中的煙酸、胡蘿卜素及鉀、鈣等礦物質元素濃度都較高，而且膳食纖維濃度也較高^［3］;紫薯的營養元素也比較齊全，不但具有一般紅薯中的無機鹽、糖、蛋白質等，而且還含有許多微量元素，其中有“抗癌大王”之稱的“硒”的濃度最高^［4］;馬鈴薯具有一般糧食所缺乏的賴氨酸和色氨酸，并且馬鈴薯中還含有較高含量的抗壞血酸^［5］。

我國科學家目前已在馬鈴薯的種植栽培、生產利用和營養價值等領域取得大量科研成果。薯類中富含的優質纖維素和抗性淀粉不但可加快胃腸蠕動，還可延緩人體對淀粉的消化吸收，薯類從而成為控制主食食品升糖指數的關鍵作物^［6-11］。

1 薯類中的抗性淀粉及其與消化特性的關系

在抗性淀粉的功能特性研究中，多項研究表明，抗性淀粉具有降低血糖和血脂的作用，對預防糖尿病也有一定的作用^［12］。淀粉食品的升糖指數主要與淀粉顆粒的種類、水分濃度、糊化程度和生產環境等影響因素有關^［13］，同時上述影響因素還與抗性淀粉的產生有重要聯系。富含抗性淀粉的食品不易被消化，能夠調節血糖水平、降低胰島素反應并利用儲存的脂肪^［14］。

薯類所含淀粉中的抗性淀粉比例較高，由于其能量較小，而且對多種營養蛋白質的分解代謝有抗性，所以在人體中消化吸收緩慢，有助于保持血糖平衡，從而降低饑餓感，并減少血液中的膽固醇和甘油三酯的含量^［15］。

2 體外消化模型在薯類食物中的應用

2.1 體外消化模型在測定薯類淀粉水解率中的應用

抗性淀粉（resistant starch， RS）是降血糖食物的重要成分，詳細精確地計算食物中抗性淀粉的濃度極其重要。按照檢測環境RS的測定方法可劃分為體內檢測與體外檢測。其中，體外檢測方法按照實驗要求劃分為實驗室方法和體外模型方法。實驗室方法中又根據其所用的酶和酵解條件的不同劃分為Englyst法、Goni法、Berry法等。有關專家也做了仔細的對比，指出Goni法的檢測條件比較貼近機體的消化吸收條件。表1為各評級法酶解條件的差異比較結果^［16-17］。

2.2 體外消化模型在薯類蛋白質中的應用

蛋白質體外消化模型一般以蛋白質的消化吸收率為重要參考，蛋白質的消化吸收率指食品中蛋白質被消化系統吸收的部分與總蛋白質數量之間的比例，是判斷蛋白質營養的最重要指標^［18］。消化吸收率高的蛋白質在被消化或吸收后可以形成更高的氨基酸，從而具有更高的食品營養價值。近幾年來，不同類型的蛋白質已被廣泛用作體外消化模型的基礎，其中常用的有大豆蛋白^［19］、乳制品蛋白^［20］和蛋清蛋白^［21］等。

但是對于人體的消化系統的復雜情況來說，多酶共同作用相比于單酶更加符合人體內的消化系統情況^［22］。Prandi等^［23］在對各種消化吸收酶系統開展深入研究時，對比了2種消化吸收酶系統（單純酶消化體系和多酶消化體系）對薯類蛋白體外消化率的差異。科學研究還證實，通過模擬各種酶對蛋白質的消化吸收更有利于模擬蛋白質在胃腸道內的消化吸收情況。表2為各種體外消化吸收模型的優缺點。

3 不同高壓處理方式對薯類食物消化特性的影響

3.1 擠壓技術及其對薯類食物消化特性的影響

擠壓處理（擠壓膨化）是將食品材料放在高溫、高壓的環境中，突然釋放能量至常溫常壓，從而引起材料結構與性能的改變過程^［28］。經升溫、高壓，淀粉粒子中大分子間氫鍵弱化，導致變性淀粉粒子部分解散，產生網紋組織，黏度增加，進而發生糊化。將壓榨技術運用到抗性淀粉生產預處理過程時，由于在抗性淀粉生產處理過程中壓榨技術具有預糊化功能，從而增加了變性淀粉糊化的可能性。只有使淀粉完全糊化，才能使淀粉酶與普魯蘭淀粉酶對其充分利用，生成必然長度的直鏈淀粉分子，通過調整蛋白酶的利用條件，進而增加抗性淀粉得率。擠壓技術是指利用高壓、髙溫或高剪切作用，導致連接在化纖分子物質內部的化學鍵破裂，從而改變了分子結構的極性并且使分子剪切，使化纖內物料被完全的微粒化，也因此增加了物料與水分子間彌散的接觸面積，從而增加了親水性，減少了不可溶性的膳食纖維比例，從而增加了可溶性膳食纖維的濃度^［29］。這一技術不僅改善了纖維物料的口感，而且也增強了物料的溶解性。水溶性膳食纖維可以有效控制葡萄糖被消化吸收時血糖的增加。擠壓方法可提高制品的適口度，且成本低，但仍具有無法溶解物質、分解營養物質的缺點。

倪文霞^［30］通過比較纖維素酶和壓榨工藝技術對紅薯渣的改性，使酵解渣和壓榨技術渣廣泛地應用于生產面食和餅干，從而提高了面食和餅干中的膳食纖維的濃度。科學研究結果顯示，紅薯渣在經擠壓技術的改良后，水溶性膳食纖維濃度顯著提高，含量為19.23%。莎日娜^［29］以馬鈴薯渣為原材料，分別探討了纖維素酶和擠壓處理方法對馬鈴薯膳食纖維的作用，實驗結果顯示，2種改性方式處理的馬鈴薯渣水溶性膳食纖維濃度均增加，而以擠壓處理方式增加的水溶性膳食纖維濃度則高于以纖維素酶的處理。

3.2 超高壓技術及其對薯類食物消化特性的影響

超高壓（high hydrostatic pressure， HHP）處理工藝是通過100MPa的電壓，在常溫或更低工作溫度下對食物進行殺菌、物料改性及使食物發生生化反應等^［31］的一種食物處理方法。超高壓處理有結構均勻、運行穩定、費用較低等優點。淀粉經過超高壓處理后，A型結晶受到高壓影響，雙螺旋部分重新聚集，部分變成了B型，所以和高溫下糊化淀粉一樣，經過超高壓處理的淀粉顯示出了不同的糊化程度和膠狀特性，有一些淀粉在未產生糊化的情況下，由于淀粉顆粒仍保持了原有的分子結構，增加了RS的含量^［32］。超高壓技術增加了貨架期，保持了食物原有的風味和營養價值，提高了產品的價值。但該技術所應用的設備相對昂貴，而且大多數改造后的產品需要在冷凍的條件下貯存和運送;該技術也不適合面制品帶有巨大氣泡的產品。由于超高壓技術需要將水當作壓力傳遞介質，所以帶有泡沫的產品也不適合。

Raad^［33］研究了在超高壓和酶解條件下馬鈴薯淀粉分子結構和生物化特征的變化，研究發現，在600MPa以下，馬鈴薯淀粉等B型淀粉是最耐高壓的。超高壓下α-淀粉酶處理可以同時改變RS的結晶結構和理化性質，但改變程度受酶濃度和壓力水平的影響。薛路舟^［34］研究證實，通過超高壓加工可使蛋白質分子的內部結構完全變化或使蛋白質分子內部結構的二、三、四級結構變化，在500MPa下時，一級結構并沒有發生改變。超高壓處理過程也能夠明顯地影響淀粉的糊化程度。Sun等^［35］發現，隨著加熱溫度和加熱時間的增加，甘薯蛋白體外消化率顯著增高，HHP處理時壓強的改變對消化率的影響較小或沒有影響。HHP處理增加了甘薯蛋白二次構成中β-折疊濃度，無規卷曲濃度明顯減少。研究表明，甘薯蛋白結構的變化可能是影響甘薯蛋白體外消化率的主要原因，且熱處理對甘薯蛋白的影響更為明顯。

3.3 高壓濕熱技術及其對薯類食物消化特性的影響

壓熱處理（高壓濕熱處理）是在一定溫度和壓力條件下，對含水分量高于40%的淀粉溶液進行處理。在一般情況下，高溫、高壓和高含濕度條件有利于抗性淀粉的形成。這主要是由于在淀粉糊化充分后，直鏈淀粉的氫鍵斷裂，發生凝沉所致。在高壓高熱影響下，部分不溶性膳食纖維轉變為可溶性膳食纖維，可溶性膳食纖維吸收膨脹，形成高黏度的水溶膠或凝膠^［36］，葡萄糖的擴散速率減小，α-淀粉酶的活性也得到有效控制^［37-38］。壓熱技術常被用來做滅菌處理，其操作簡便，且大量研究證明將其應用于物料改性后，改性效果良好。

閆巧珍^［39］應用體外消化法，探討了物理處理方法對馬鈴薯全粉理化特性和消化吸收功能的影響，實驗結果表明，經濕熱處理的馬鈴薯全粉結晶性、可溶性、RS和SDS（slowly digestible starch）濃度均有增加，而還原糖和RDS（rapidly digestible starch）的濃度則減少。當水分濃度約為30%時，溶解度、還原糖和RS濃度均變大。在100℃時，RDS濃度最低，而RS濃度最大。Onyango等^［40］研究了在壓熱-酸解法制備木薯的RS過程中儲藏時間及儲藏溫度對RS3形成的影響。結果表明，當不加酸處理，壓熱時間為15min時，以及加酸處理，壓熱時間為45min時，RS3 得率最大;同時，在水環境壓熱條件下，RS3晶體熔融的溫度為158～175℃，加酸處理則熱轉換不明顯。Wittawat等^［41］研究了濕熱處理后蠟質淀粉和普通淀粉的微觀結構和物理化學特性。在100℃，水含量為25%的條件下，將玉米、大米和馬鈴薯淀粉樣品處理16h，結果發現只有大米淀粉表面膠化，蠟質馬鈴薯淀粉晶型發生由B型到C型的轉變，在黏度變化方面，普通淀粉比蠟質淀粉明顯，而糊化溫度則恰好相反。

3.4 高壓均質技術及其對薯類食物消化特性的影響

高壓均質技術是一種以流體力學和超高壓理論為基礎的迅速、有效的動態高壓處理技術^［42］。其在幾秒內就能形成超過200MPa的壓強，且處理時限極短，能進行連續性作業^［43］。高壓或均質作用中發生的劇烈的切割、沖擊、震動，以及氣穴效應導致了淀粉的分子結構被打破，淀粉的分子鏈斷裂，淀粉分子結構也發生了變化，從而導致了淀粉的理化特性發生改變。因此，高壓均質會引起淀粉的持水力、溶解度和膨脹度提高，并降低淀粉的黏度、糊化溫度及糊化熱焓值，改善淀粉的凝沉性和凍融穩定性^［44］。高壓均質機對材料的細化作用很強，其細化機理是依靠材料的作用，因為材料的發熱量小，所以可維持材料的性質基本不變，但能耗高、易磨損且不易維護。

高壓均質技術目前多用于小麥、稻米等主糧作物，鮮有學者將其應用于薯類。孟爽^［45］利用高壓均質穩定技術成功生產了玉米淀粉-類脂復合物，實驗結果顯示，動態高壓均質固定技術改善了玉米淀粉分子，支鏈淀粉中的α-1，6-糖苷鍵被破壞，進而使得淀粉分子量減少和直鏈淀粉數量提高，經高壓均質處理后的玉米淀粉-亞麻酸復合抗消化性能增加。劉譽繁^［46］采用高壓均質固定工藝對水稻淀粉進行了物理修飾，并利用現代方法系統地研究了高壓均質固定壓力和均質次數對水稻淀粉鏈組織結構和聚態功能及其消化特性的影響，研究結果表明，水稻淀粉的RDS數量下降，而RS數量則上升。在高壓均質穩定過程中，玉米淀粉分子鏈一方面因為受剪切力的影響而出現破裂，產生了分子量相對較小的微粒分子，玉米淀粉原有結構，包括與氫鍵作用結合形式、結構、雙釘狀結構和有序性結構均遭到了破壞，向不定型結構轉化;另一方面，在剪切力的影響下分子鏈出現了取向的重新排列，通過氫鍵的作用產生了單螺旋結構、雙螺旋結構等更近距離的新結構，或通過纏繞與聚集排列形成致密的微區結構域，從而降低和屏蔽了淀粉酶在淀粉分子中的遷移速率和作用位點，抑制了淀粉的降解速度和程度。這也證明了高壓均質技術在降低淀粉水解率方面的可行性，為今后將高壓均質技術應用于薯類研究奠定了理論基礎。

4 總結及展望

通過綜述不同高壓處理對薯類食物消化特性的影響，發現不同的體外模型對薯類消化特性的影響不盡相同，且在不同高壓方式處理下對體外消化率的影響也不盡相同。

擠壓技術利用高溫和高剪切的作用效應，導致連接纖維蛋白質間的化學鍵破裂，使水溶性膳食纖維濃度增加，從而改變了薯類的消化特征，該技術可提高產品的適口性，降低生產成本，但同時也存在著產生不易消化吸收的產物、破壞營養平衡等不利因素。

利用超高壓處理技術作為非熱處理使淀粉的生產過程顯示出不同糊化和凝膠材料的特性，其中一些技術可在不產生糊化過程條件下，淀粉最大程度保留其原有顆粒結構并增加RS含量，雖然改性效果較好，但設備價格上相對昂貴、生產后期的貯存要求也相對嚴格。

高壓濕熱處理作為物理改性技術改變了淀粉的結構，將淀粉分子鏈重排，形成的雙螺旋結構更加牢固，抗酶解功能也得到提高，從而達到了對淀粉消化特性的調節目的。該技術操作簡便，且大量研究證明，將其應用于物料改性后改性效果良好。高壓均質過程中產生的強烈的剪切、撞擊、振蕩等作用使淀粉顆粒結構被破壞，淀粉的分子鏈發生斷裂，改變了淀粉結構。

高壓均質機對材料的細化作用較強，可維持材料的性質基本不變，但均質機能耗較高、易磨損且不易維護，鑒于國內外目前將高壓均質技術應用于薯類的研究較少，日后研究中可針對此項技術對薯類的影響進行更為系統的研究，同時，高壓均質技術應用于其他物料時降低淀粉水解率的特性也為今后高壓均質技術在薯類消化特性方面的研究提供了理論支撐。

致謝 沈陽師范大學校級大學生創新創業訓練計劃資助項目（X202310166250）。

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