甘薯抗性淀粉研究進(jìn)展

趙凌霄, 趙冬蘭, 戴習(xí)彬, 周志林, 曹清河

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,徐州 221131)

中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)2021年發(fā)布的《中國(guó)居民膳食指南科學(xué)研究報(bào)告》指出,膳食不平衡的問(wèn)題突出,長(zhǎng)期攝入可快速消化的碳水化合物易導(dǎo)致餐后血糖急劇上升,是導(dǎo)致肥胖、“三高”和糖尿病等慢性病和結(jié)直腸癌等腫瘤疾病的主要危險(xiǎn)因素,這些疾病的發(fā)生呈現(xiàn)出高發(fā)性和低齡化等特點(diǎn)和趨勢(shì)[1,2]。由于抗性淀粉(RS)不能在健康人體的口、胃及小腸中被消化吸收,但能在大腸中被腸道微生物群緩慢發(fā)酵,因此對(duì)控制人體血糖和血脂、保持腸道健康等方面具有良好的作用。另外,RS還可調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和功能,從而改善宿主健康狀況,因此越來(lái)越受到食品和營(yíng)養(yǎng)學(xué)專(zhuān)家的關(guān)注[3-8]。

甘薯塊根中淀粉含量高(干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)85%),廣泛應(yīng)用于甘薯粉絲、粉條、涼粉和粉皮等食品加工行業(yè)[9-12]。與其他常見(jiàn)植物來(lái)源的淀粉相比,甘薯原淀粉、糊化淀粉或回生淀粉中RS的含量處于較高水平(見(jiàn)表1)[13-15]。雖然水稻和馬鈴薯等常見(jiàn)作物糊化淀粉中RS含量同樣較高,但是其淀粉產(chǎn)品血糖生成指數(shù)(GI)高于甘薯[16]。GI是一種依據(jù)碳水化合物釋放葡萄糖進(jìn)入血液的相對(duì)能力對(duì)富含碳水化合物的食物進(jìn)行評(píng)分的參數(shù),經(jīng)常食用富含膳食纖維的低GI食物可以有效緩解肥胖及糖尿病和心臟病等相關(guān)問(wèn)題,還可預(yù)防特定類(lèi)型的癌癥[17]。隨著人們對(duì)膳食質(zhì)量的要求不斷提高,使得甘薯淀粉的特性,尤其是消化特性成為研究的焦點(diǎn)。因此,結(jié)合近年來(lái)甘薯RS相關(guān)的研究成果,文章就甘薯淀粉的保健效果、淀粉中RS的含量測(cè)定、RS含量的影響因素和甘薯RS的制備方法及其特性等方面進(jìn)行綜述,旨在為甘薯淀粉產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣利用提供參考。

表1 不同植物來(lái)源淀粉中抗性淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1 甘薯淀粉的保健價(jià)值

我國(guó)甘薯產(chǎn)量和淀粉產(chǎn)量都處于較高水平,是農(nóng)民青睞的淀粉作物。與其他常見(jiàn)作物淀粉相比,甘薯淀粉中RS的含量處于較高水平(見(jiàn)表1),其保健效果受到關(guān)注。研究證實(shí),甘薯淀粉能夠通過(guò)提升大鼠體內(nèi)脂肪細(xì)胞因子、促炎反應(yīng)和胰島素信號(hào)水平來(lái)提升胰島素的敏感程度[28]。食用含有甘薯RS的飼料能降低高脂小鼠的體重和肝重,降低高脂小鼠肝臟中脂質(zhì)合成的能力;維持小鼠盲腸壁的重量,改善小腸的健康狀況,維持腸道菌群平衡[29-31]。培養(yǎng)基中添加甘薯RS能提高雙歧桿菌的濃度,對(duì)雙歧桿菌顯示出較好的益生元效果[32,33]。另外,食用紫甘薯RS使腸炎小鼠的胸腺和脾臟指數(shù)顯著下降,腸道菌群組成和相對(duì)豐度獲得顯著改善,腸道炎癥得以緩解[34]。因此,甘薯淀粉在人類(lèi)保健方面具有顯著的效果,在健康食品加工方面具有更廣泛的開(kāi)發(fā)價(jià)值和應(yīng)用潛力。

2 甘薯抗性淀粉的含量測(cè)定方法

為向市場(chǎng)提供準(zhǔn)確的營(yíng)養(yǎng)信息,篩選出RS含量較高的優(yōu)異種質(zhì),服務(wù)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、市場(chǎng)推廣和種質(zhì)創(chuàng)新等行業(yè),需要測(cè)定并獲取甘薯淀粉或加工產(chǎn)品中RS的含量數(shù)據(jù)。但是由于RS含量的測(cè)定需要模擬體內(nèi)消化的過(guò)程,屬于一種動(dòng)態(tài)檢測(cè),測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)定條件的依賴(lài)性較大,樣品的制備、酶的種類(lèi)和反應(yīng)時(shí)間以及反應(yīng)條件等需要在樣品間保持一致的因素較多,導(dǎo)致RS難以精準(zhǔn)定量[3]。

目前植物淀粉中RS含量的測(cè)定方法主要分為體內(nèi)測(cè)定技術(shù)(invivotechniques)和體外測(cè)定技術(shù)(invitrotechniques),見(jiàn)圖1。由于RS主要是指淀粉在胃和小腸中不能被消化酶降解的部分,因此體內(nèi)測(cè)定技術(shù)是測(cè)定食物中RS含量最直接的方法,例如回腸造口術(shù)模型[35,36]以及大鼠體內(nèi)消化實(shí)驗(yàn)(圖1a)[37]。然而,體內(nèi)測(cè)定方法用時(shí)較多、費(fèi)用昂貴,需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和人員,還涉及倫理問(wèn)題。此外,由于不同的實(shí)驗(yàn)個(gè)體在咀嚼方式、消化酶的活性和健康狀況等方面的差異,導(dǎo)致淀粉的消化過(guò)程穩(wěn)定性不一致[4]。由于體外測(cè)定技術(shù)能夠排除不穩(wěn)定因素的干擾,因此更有利于研究淀粉結(jié)構(gòu)在消化過(guò)程中的變化規(guī)律。目前植物淀粉中RS含量的體外測(cè)定主要依據(jù)Englyst等[38]和Goi等[39]的方法進(jìn)行,且已廣泛應(yīng)用在甘薯淀粉中RS含量的測(cè)定上(圖1b)[15,18,40-45]。

圖1 抗性淀粉含量的體內(nèi)和體外測(cè)定技術(shù)

Englyst等[38]的方法主要確定了不同來(lái)源淀粉的酶解條件,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中葡萄糖的釋放和吸收情況對(duì)淀粉產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)。基本原理主要是通過(guò)沸水糊化、回生、堿解、酶解等步驟分別測(cè)定總淀粉和可消化淀粉的含量,通過(guò)從總淀粉含量中減去可消化淀粉的含量得出RS的含量,該方法通過(guò)與體內(nèi)測(cè)定技術(shù)進(jìn)行對(duì)比獲得充分地驗(yàn)證[36,38]。近年來(lái),Guo等[18]、Shi等[15]、Lu等[44]和Ye等[45]對(duì)該方法進(jìn)行了優(yōu)化,省去了沸水浴糊化淀粉和使用轉(zhuǎn)化酶等步驟,加入了糊化淀粉和回生淀粉中RS含量的測(cè)定,使獲得的數(shù)據(jù)更全面。

通過(guò)2種方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn),Englyst等[38]的方法對(duì)測(cè)定操作要求較高,不同技術(shù)人員獲得測(cè)定結(jié)果的重復(fù)性難以保證[47]。Goi等[39]的方法與之相比,結(jié)果的可重復(fù)性較強(qiáng),且耗時(shí)更短,成本更低,但操作步驟仍舊繁瑣,因此難以快速測(cè)定大批量樣品中RS的含量,仍然需要建立一種針對(duì)RS含量的高通量測(cè)定方法。

3 甘薯淀粉的可消化性和抗性淀粉含量的影響因素

甘薯淀粉的可消化性和RS的含量主要取決于淀粉對(duì)α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶(麥芽糖酶)的敏感性,由淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、葡聚糖結(jié)構(gòu)以及淀粉與其他食物成分之間的相互作用共同決定,包括食物成分間物質(zhì)互作、采后儲(chǔ)藏條件、淀粉粒徑、栽培條件和遺傳修飾等[45,48-51]。

蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和纖維等成分與淀粉的互作能夠提升淀粉的可消化性[42,52]。楊燁[50]研究發(fā)現(xiàn),甘薯淀粉中RS的含量會(huì)隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的變化而逐漸下降;儲(chǔ)藏期甘薯的萌芽或遭遇冷害,導(dǎo)致塊根內(nèi)部淀粉酶產(chǎn)生變化,也會(huì)降低RS含量。粒徑更大的淀粉具有更高的表觀直鏈淀粉含量和相對(duì)結(jié)晶度,直鏈淀粉的分子量也更大,因此對(duì)消化酶的抗性更高[53]。生長(zhǎng)過(guò)程中,隨著生長(zhǎng)溫度的升高,淀粉的平均粒徑顯著增加;小粒徑淀粉顆粒更大的表面積體積比使其與淀粉酶的接觸更充分,消化性強(qiáng)于粒徑更大的淀粉粒,因此更高的生長(zhǎng)溫度有利于產(chǎn)生粒徑更大的淀粉,提高淀粉中RS的含量[54]。

由于人類(lèi)食用的主要是蒸煮后的淀粉(糊化淀粉),而蒸煮后淀粉的消化性則主要依賴(lài)于直鏈淀粉含量的高低和支鏈淀粉分支結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,因此通過(guò)調(diào)整淀粉中直鏈淀粉的含量或支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)來(lái)改善淀粉的消化特性是甘薯分子育種中備受矚目的研究?jī)?nèi)容[54]。其中,通過(guò)遺傳修飾手段改變甘薯淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá),是調(diào)整甘薯淀粉中RS含量的主要方法[55]。研究表明,通過(guò)對(duì)甘薯淀粉合成相關(guān)基因進(jìn)行遺傳修飾,可以實(shí)現(xiàn)直鏈淀粉含量的增加,或支鏈淀粉中長(zhǎng)側(cè)鏈占比的的提高,從而提高淀粉中RS的含量[56,57]。SBEII的抑制表達(dá),在不改變淀粉顆粒形態(tài)的情況下提高了直鏈淀粉和RS的含量[58,59]。SSII的抑制表達(dá)增加了甘薯淀粉中支鏈淀粉短側(cè)鏈的比例,提高了淀粉的消化性,因此降低了RS的含量[60,61]。甘薯IbSSI沉默株系的直鏈淀粉含量升高,能夠起到提高RS含量的效果;而IbSSI過(guò)表達(dá)后,直鏈淀粉含量降低,支鏈淀粉的短側(cè)鏈比重下降,但是同時(shí)淀粉顆粒粒徑增大,因此對(duì)淀粉消化特性的影響還需進(jìn)一步證實(shí)[62]。Wang等[48]研究發(fā)現(xiàn)IbSBEII的敲除顯著提升了直鏈淀粉和RS的含量。因此,通過(guò)遺傳修飾手段調(diào)整甘薯直鏈淀粉的含量,進(jìn)而改變淀粉中RS的含量是可行的(見(jiàn)表2)。同時(shí),提高直鏈淀粉含量會(huì)降低淀粉產(chǎn)量的問(wèn)題還需進(jìn)一步探索和改良。

表2 甘薯淀粉合成相關(guān)基因的遺傳修飾

4 甘薯抗性淀粉的制備及淀粉特性

由于具有較高的RS含量和極低的GI值,天然甘薯淀粉本身即可被用來(lái)作為一種食品添加劑,改善產(chǎn)品品質(zhì),增加產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值或豐富其功能。已有研究表明,添加甘薯淀粉可增加所制成產(chǎn)品中RS的含量[63]。為更充分地發(fā)揮甘薯淀粉作為功能食品的潛力,需要對(duì)甘薯淀粉進(jìn)行處理或修飾以制備獲得大量純度更高或者穩(wěn)定性更好的甘薯RS。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外甘薯加工領(lǐng)域的科研人員對(duì)甘薯RS的制備方法進(jìn)行了深入研究,常用的甘薯RS制備方法包括化學(xué)修飾法、物理法和酶解法等,見(jiàn)表3。

表3 甘薯抗性淀粉的制備方法

化學(xué)修飾的RS在加工過(guò)程中具有較好的穩(wěn)定性,因此化學(xué)修飾是制備RS的首選方法[70]。研究結(jié)果表明,鹽酸處理提高了淀粉膠強(qiáng)度,影響甘薯淀粉的特性[71]。酸解處理能夠腐蝕顆粒外圍的無(wú)定形部分,剩余的晶體部分對(duì)消化酶的抗性更強(qiáng),有利于RS的形成[72-74]。檸檬酸能夠在水解淀粉的同時(shí)和淀粉發(fā)生酯化及交聯(lián)反應(yīng),抑制酶解速率,且不改變顆粒形態(tài)[67]。蘋(píng)果酸含有的羧基能和淀粉形成酯鍵,使甘薯淀粉在保持顆粒形態(tài)的前提下顯著增加RS含量[73]。另外,磷酸化、羧甲基化、氧化、羥丙基化、乙酰化和交聯(lián)等也屬于制備RS的化學(xué)修飾方法[69]。但是化學(xué)修飾法都存在著反應(yīng)復(fù)雜、速率慢、產(chǎn)物質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列缺點(diǎn),化學(xué)添加物多,導(dǎo)致其產(chǎn)品的推廣存在一定的難度,而物理法則相對(duì)環(huán)保經(jīng)濟(jì),適應(yīng)性廣[75]。

物理法指通過(guò)物理手段改變淀粉結(jié)構(gòu),從而提高淀粉中RS的含量,主要包括濕熱和退火處理等。濕熱處理法是一種廣泛應(yīng)用的制備方法,基本原理是通過(guò)甘薯淀粉的糊化和回生增加直鏈淀粉和RS的含量[32,71]。退火處理能在對(duì)淀粉顆粒形態(tài)和晶體類(lèi)型的影響較小的前提下提高RS的含量,但是重復(fù)退火處理和持續(xù)退火處理反而會(huì)降低RS含量[76,77]。壓熱-冷卻循環(huán)法也屬于一種糊化后回生的過(guò)程,通過(guò)持續(xù)高壓高溫使淀粉充分糊化再冷,直鏈淀粉重新結(jié)晶,形成RS[78,79]。與甘薯天然淀粉相比,壓熱-冷卻循環(huán)法處理甘薯淀粉能使RS的含量增加約7倍[80]。超聲處理能夠降低淀粉的結(jié)晶度,且RS的得率較高[81]。因此,壓熱-冷卻循環(huán)法制備效果良好,但是耗時(shí)較長(zhǎng),后期的研究應(yīng)注重優(yōu)化壓熱工藝,以期提高甘薯RS的制備效率。

酶解法也能有效提高RS的含量,其主要原理是通過(guò)脫分支酶給支鏈淀粉分子脫分支來(lái)增加直鏈淀粉的含量,從而提升淀粉對(duì)消化酶的抗性[82-84]。研究表明,與普魯蘭酶充分反應(yīng)6 h能夠顯著提升甘薯淀粉的直鏈淀粉含量和支鏈淀粉短側(cè)鏈的占比,從而提高RS的含量[80]。而分支酶和淀粉蔗糖酶的結(jié)合使用能夠進(jìn)一步提高甘薯淀粉的RS含量,結(jié)果表明,分支酶能夠產(chǎn)生很多的分支點(diǎn),為淀粉蔗糖酶在還原端進(jìn)行鏈延長(zhǎng)提供了便利,因此加入淀粉蔗糖酶進(jìn)行反應(yīng)后,RS的含量得以顯著升高[85]。另外,多種手段相結(jié)合的處理策略可以顯著提高甘薯RS的產(chǎn)量[32,80,86,87]。濕熱和辛烯基琥珀酸苷的聯(lián)合處理使甘薯淀粉種RS含量顯著高于天然淀粉,高于辛烯基琥珀酸苷單獨(dú)處理時(shí)的RS含量,且隨著辛烯基琥珀酸苷濃度的升高,RS的含量逐漸增加[87]。

化學(xué)修飾法、物理法和酶解法等多種方法都可以制備甘薯RS,但是原理、用途和優(yōu)勢(shì)不同,因此在生產(chǎn)加工的過(guò)程中可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同選擇合適的制備方法,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)上的效益最大化。

5 結(jié)語(yǔ)

甘薯淀粉具有顯著的保健價(jià)值,是制備RS產(chǎn)品的優(yōu)良資源。目前甘薯淀粉中RS含量的體外測(cè)定方法已足夠成熟,但是定量效率仍有待提高。RS的含量受到多種因素的影響,想要提升甘薯淀粉產(chǎn)品中RS的含量,可以通過(guò)遺傳手段提高甘薯淀粉中RS的含量,或者通過(guò)化學(xué)修飾法、物理法和酶解法等手段制備甘薯RS產(chǎn)品。

為更充分地利用甘薯淀粉資源面臨的挑戰(zhàn):1)為實(shí)現(xiàn)大量甘薯淀粉或者產(chǎn)品中RS含量的快速測(cè)定,還需進(jìn)一步建立高通量檢測(cè)方法;2)通過(guò)調(diào)整種植條件或者遺傳修飾來(lái)改良淀粉品質(zhì)的方法已經(jīng)日趨成熟,但是要實(shí)現(xiàn)甘薯RS含量提高的同時(shí)又能保證甘薯淀粉的產(chǎn)量,還有待研究;3)甘薯RS產(chǎn)品的制備和開(kāi)發(fā)具有很大的上升空間。