抗性淀粉的簡(jiǎn)介及其制備.doc

1. 抗性淀粉研究1.1 抗性淀粉簡(jiǎn)介1981年Anderson等首次發(fā)現(xiàn)食物中的淀粉經(jīng)過(guò)小腸并未完全被消化。通過(guò)測(cè)定作為大腸發(fā)酵指示的呼出的氫氣，他們發(fā)現(xiàn)白面包中大約有20%的淀粉進(jìn)入大腸1。最初，研究者稱淀粉進(jìn)入大腸的現(xiàn)象為淀粉的不良吸收，但是隨著對(duì)淀粉在人體內(nèi)代謝過(guò)程的深入研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入大腸的淀粉能被大腸里的微生物發(fā)酵，作為能源利用。研究者們將這種不被健康人體小腸所吸收的淀粉稱之為抗性淀粉(Resistant Starch)，簡(jiǎn)稱RS。這種淀粉較其他淀粉在體內(nèi)消化、吸收和進(jìn)入血液較緩慢，具有類似膳食纖維的功能特性。但抗性淀粉本身仍然是淀粉，其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于纖維。作為一種新型功能型添加劑，抗性淀粉對(duì)人體健康有重要作用，它能降低血糖和胰島素的反應(yīng)，適合肥胖病人和糖尿病人食用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，抗性淀粉還具有降低血清膽固醇、防治心血管疾病的作用2。此外，抗性淀粉還具有比傳統(tǒng)膳食纖維更好的加工特性，特別是在膨脹度、黏度、凝膠能力、持水性等方面3。作為一種新型的膳食纖維，抗性淀粉具有類似于傳統(tǒng)膳食纖維的生理功能，在大腸中，經(jīng)微生物發(fā)酵，它的產(chǎn)短鏈脂肪酸尤其是丁酸的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通膳食纖維4。而且，將抗性淀粉添加到食品中，RS不會(huì)影響食物的風(fēng)味、質(zhì)地和外觀，在許多應(yīng)用中，甚至可以提高最終產(chǎn)品的風(fēng)味。因此在過(guò)去幾十年中，RS已作為保健營(yíng)養(yǎng)成分應(yīng)用于面包、谷物早餐、面條等普通食品和減肥食品等特殊食品中5。1.2 抗性淀粉的分類抗性淀粉(RS)因其天然來(lái)源或加工方法不同，其抗消化性會(huì)有很大的差別，目前一般可將其分為4類，即RS1、RS2、RS3、RS46。RS1，物理包埋淀粉，是指那些因細(xì)胞壁的屏障作用或蛋白質(zhì)的隔離作用而不能被淀粉酶接近的淀粉。如部分研磨的谷物和豆類中，一些淀粉被裹在細(xì)胞壁里，在水中不能充分膨脹和分散，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，往往變得可以消化；RS2，顆粒狀抗性淀粉，是指那些天然具有抗消化性的淀粉。主要存在于生的馬鈴薯、香蕉和高直鏈玉米淀粉中。其抗酶解的原因是因?yàn)榫哂兄旅艿慕Y(jié)構(gòu)和部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其抗性隨著糊化而消失；RS3，回生淀粉，是指糊化后在冷卻或儲(chǔ)存過(guò)程中結(jié)晶而難以被淀粉酶分解的淀粉，也稱為老化淀粉。它是抗性淀粉的重要成分，通過(guò)食品加工引起淀粉化學(xué)結(jié)構(gòu)、聚合度和晶體構(gòu)象等方面的變化而形成的，因而也是一類重要的抗性淀粉?；厣矸凼巧攀持锌剐缘矸鄣闹饕煞?，這類淀粉即使經(jīng)加熱處理，也難以被淀粉酶消化，因此可作為食品添加劑使用。一般采用濕熱處理制備，如直鏈含量為70%的玉米淀粉，經(jīng)過(guò)壓熱法處理，可獲得21.2%的RS3的產(chǎn)品。國(guó)外專利中多采用高直鏈玉米淀粉為原料，將脫支酶作為主要手段，結(jié)合不同干燥方式制備高抗性淀粉含量的產(chǎn)品；RS4，化學(xué)改性淀粉7。主要指經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)變性后，由于淀粉分子結(jié)構(gòu)的改變以及一些化學(xué)官能團(tuán)的引入而產(chǎn)生的抗酶解淀粉，如羧甲基淀粉、交聯(lián)淀粉等。同時(shí)，也指種植過(guò)程中，基因改造引起的淀粉分子結(jié)構(gòu)變化，如基因改造或化學(xué)方法引起的分子結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的抗酶解淀粉。1.3 抗性淀粉的制備方法淀粉中直鏈淀粉的比例越高，淀粉越易老化。普魯蘭酶可催化淀粉分子中-1,6-糖苷鍵的水解，使支鏈淀粉轉(zhuǎn)變成直鏈淀粉，從而提高抗性淀粉得率。有關(guān)抗性淀粉制備方法的研究，近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，研究較為廣泛，制備方法大致可分為以下幾類。 1.3.1 擠壓處理法擠壓處理即將食品物料置于高溫高壓狀態(tài)下，突然釋放至常溫常壓，使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化的過(guò)程。經(jīng)高溫高壓處理，淀粉顆粒中大分子之間的氫鍵削弱，造成淀粉顆粒的部分解體，粘度上升發(fā)生糊化現(xiàn)象。將擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于抗性淀粉制備的預(yù)處理中，是由于擠壓膨化起到了預(yù)糊化的作用，提高淀粉糊化度。只有使淀粉完全糊化，才能使淀粉酶與普魯蘭酶對(duì)其充分作用，生成一定長(zhǎng)度的直鏈淀粉分子，通過(guò)調(diào)節(jié)酶的作用條件，從而提高抗性淀粉得率8。 1.3.2 微波輻射法近年來(lái)，由于微波加熱速度快，可以使食品中的水分在短時(shí)間內(nèi)迅速蒸發(fā)汽化，造成體積膨脹，產(chǎn)生膨化效應(yīng)，微波技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。微波法應(yīng)用于抗性淀粉制備機(jī)理。首先，在微波輻射處理過(guò)程中，淀粉分子間氫鍵斷開(kāi)，冷卻階段相鄰的直鏈淀粉間又重新形成氫鍵，即淀粉的老化；其次，食品物料微波輻射的內(nèi)動(dòng)力是水分汽化，在此過(guò)程中淀粉糊化，使物料產(chǎn)生多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于酶的進(jìn)一步作用；第三，微波處理時(shí)間短、效率高，工藝安全，可以大大縮短制備工藝時(shí)間。目前，微波技術(shù)主要應(yīng)用于物料的后期處理，如膨化小食品中的應(yīng)用，并且對(duì)食品物料的后期處理技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但應(yīng)用于物料的預(yù)處理的研究卻不多見(jiàn)8。 1.3.3 脫支降解法抗性淀粉制備的脫支方法有兩種，一種是酶法脫支，另一種方法是化學(xué)方法脫支9。據(jù)報(bào)道，用酸(鹽酸、硫酸、硝酸等)處理淀粉，有一定的脫支效果，但其脫支效果不及酶法脫支效果好。所用的酶主要為脫支酶普魯蘭酶，此種酶可以水解直鏈和支鏈淀粉分子中的-1,6-糖苷鍵，并且所切-1,6-糖苷鍵的兩頭至少含有兩個(gè)以上的-1,4-糖苷鍵。普魯蘭酶是異淀粉酶的一種，它能切開(kāi)支鏈淀粉分支點(diǎn)的-1,6-糖苷鍵，從而使淀粉的水解產(chǎn)物中含有更多的游離的直鏈淀粉分子10。在淀粉的老化過(guò)程中，更多的直鏈淀粉雙螺旋相互締合，形成高抗性的晶體結(jié)構(gòu)11。普魯蘭酶能夠?qū)Ｒ淮呋ф湹矸?1,6-糖苷鍵的水解,從而使支鏈淀粉的分支鏈脫離主鏈形成一系列長(zhǎng)短不一的直鏈淀粉，這樣直鏈淀粉含量增加，從而提高抗性淀粉得率。已在市場(chǎng)上銷售的抗性淀粉產(chǎn)品CrystaLean就是應(yīng)用酶解法生產(chǎn)的。 1.3.4 熱液處理法按照熱處理溫度和淀粉乳水分含量的不同，可以將淀粉的熱液處理分為四類12：濕熱處理(Heat Moisture Treatment，HMT)，是指淀粉在低水分含量下經(jīng)熱處理加工的過(guò)程（含水量小于35%），處理溫度一般較高，在80-160之間。韌化處理又稱退火處理(Annealing，ANN)，是指在過(guò)量水分含量的條件下（含水量大于40%），溫度在淀粉糊化溫度以下的熱處理過(guò)程。壓熱處理(Autoclaving)，是指淀粉含水量大于40%，溶液在一定溫度和壓力下進(jìn)行處理的過(guò)程。減壓處理法(Reduced-Pressurized)，短時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行大批量的處理，沒(méi)有糊化的淀粉顆粒，熱穩(wěn)定性高,工業(yè)生產(chǎn)非常有潛力。 1.3.5超高壓處理法超高壓食品處理技術(shù)(Ultra-High Pressure, UHP)就是使用100MPa以上的壓力，在常溫下或較低溫度下對(duì)食品物料進(jìn)行處理，從而滅菌、物料改性和改變食品的某些理化反應(yīng)速度等。根據(jù)超高壓對(duì)淀粉影響的研究，可以將超高壓技術(shù)應(yīng)用于抗性淀粉的制備。淀粉經(jīng)超高壓處理后，A型結(jié)晶由于壓力的作用，雙螺旋結(jié)構(gòu)重新聚集，部分轉(zhuǎn)為B型，因此與熱糊化淀粉相比，超高壓處理使淀粉表現(xiàn)出不同的糊化以及凝膠特性，其中一些可以在不發(fā)生糊化的條件下，淀粉顆粒維持其最初的顆粒結(jié)構(gòu)而提高抗性淀粉含量。當(dāng)含水量較高時(shí)(大于40%)，淀粉微晶結(jié)構(gòu)的破壞溫度與糊化溫度接近，因此在這種含水量的條件下，退化處理溫度必須低于此條件下的糊化溫度，用以維持晶體結(jié)構(gòu)以及形成更多的抗性淀粉。在濕熱處理以及退化處理之前，有選擇地進(jìn)行水解可以提高原料中的抗性淀粉含量。高溫高壓處理用以使淀粉顆粒充分糊化，直鏈淀粉分子徹底溶出，從而有利于直鏈淀粉分子雙螺旋間的充分締合，有利于抗性淀粉的形成13。1.4影響抗性淀粉形成的因素 1.4.1 直支比對(duì)抗性淀粉形成的影響淀粉是由-D-葡萄糖組成的高分子化合物，有直鏈狀和支叉狀的兩種，分別稱為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例大小對(duì)抗性淀粉的形成有顯著影響，因?yàn)榭剐缘矸跼S3的形成機(jī)理是淀粉糊的凝沉。一般來(lái)說(shuō)，比值大，抗性淀粉含量越高。這是因?yàn)橹辨湹矸郾戎ф湹矸鄹啄?。Wen等發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉對(duì)RS的形成具有非常重要的影響，淀粉經(jīng)加熱冷卻處理所得到的抗性淀粉含量會(huì)隨著分子中的直鏈淀粉含量的增加而增加。但Szczodrak等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大麥含43.5%直鏈淀粉的白色淀粉層RS生成量(7.5%)卻比直鏈淀粉含量為49.3%的褐色淀粉層中的RS生成量(4.0%)要高，各種淀粉形成RS的能力存在很大的差異，并不完全與直鏈淀粉的含量有關(guān)，也可能是由于褐色層含有較多的脂肪及礦物質(zhì)。 1.4.2 蛋白質(zhì)對(duì)抗性淀粉含量的影響淀粉中蛋白質(zhì)的含量因其原料來(lái)源不同而存在較大差異。谷物中淀粉與蛋白質(zhì)的結(jié)合比較緊密，對(duì)淀粉的深度加工利用存在許多不利影響，例如分離困難等。Holm等研究發(fā)現(xiàn)小麥淀粉大部分被蛋白質(zhì)包裹，Chandrshekar和Kirlies主要研究了高粱淀粉中蛋白質(zhì)對(duì)其凝沉的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)對(duì)淀粉顆粒有保護(hù)作用，只有去除后，淀粉粒才能發(fā)生凝沉。上述研究都是對(duì)谷物中自身所含蛋白質(zhì)而言的，關(guān)于外源蛋白質(zhì)添加對(duì)淀粉凝沉性的影響，Escarpa等作了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)和淀粉凝沉?xí)r會(huì)在直鏈淀粉分子之間形成氫鍵一樣，外源蛋白質(zhì)也能與直鏈淀粉分子形成氫鍵而使淀粉分子被束縛，從而抑制直鏈淀粉的凝沉，降低食物中的抗性淀粉含量。因此，蛋白質(zhì)對(duì)抗性淀粉含量的影響包括了兩個(gè)方面：一方面蛋白質(zhì)對(duì)淀粉有包埋、束縛作用，使淀粉難以接觸淀粉酶而形成抗性，即增加RS1抗性淀粉含量；另一方面，蛋白質(zhì)對(duì)淀粉形成保護(hù)，可以防止淀粉老化，即減少抗性淀粉含量。從整體上看，后一種影響更為重要。 1.4.3 脂類對(duì)抗性淀粉形成的影響谷物淀粉中脂類化合物的含量較高(0.8%-0.9%)，它可以與直鏈淀粉分子形成一種包合物而抑制淀粉顆粒的膨脹和溶解，使糊化溫度升高，對(duì)淀粉的抗性產(chǎn)生一定的影響。Eliasson等發(fā)現(xiàn)單甘酯可與直鏈淀粉形成復(fù)合物從而競(jìng)爭(zhēng)性地抑制由于直鏈淀粉分子間相互復(fù)合而導(dǎo)致的淀粉凝沉，并通過(guò)DSC研究其結(jié)構(gòu)。而Czuchajowska等用DSC研究磷脂酰膽堿(LPC)、硬脂酸乳酸鈉(SSL)和羥基磷脂(OHL)與直鏈淀粉的相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在95-110時(shí)會(huì)形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。Mercier認(rèn)為直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物也可能在食品加工過(guò)程中產(chǎn)生，如蒸煮后冷卻。其它脂質(zhì)如磷脂、油酸和大豆油都會(huì)使抗性淀粉含量降低。 1.4.4 糖類物質(zhì)對(duì)抗性淀粉形成的影響葡萄糖、麥芽糖、蔗糖是食品中常用的甜味劑，屬于可溶性糖?？扇苄蕴且种坪矸勰林饕怯捎谔欠肿优c淀粉分子的相互作用改變了淀粉凝沉的基質(zhì)，即可溶性糖作為抗塑劑而使食品玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度升高。Kohyama和Nishinari等研究了糖對(duì)抗性淀粉形成的影響，發(fā)現(xiàn)添加這些糖糖可以降低糊化淀粉的重結(jié)晶度，從而抗性淀粉含量降低。然而Eerlingen等發(fā)現(xiàn)，添加蔗糖使小麥淀粉的抗性淀粉含量顯著降低，卻使高直鏈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對(duì)抗性淀粉形成的影響淀粉來(lái)源不同，其大小也有差異，其中馬鈴薯淀粉粒平均直徑較大，約為100m，而豌豆、小麥和玉米淀粉粒度相對(duì)較小，平均直徑約20-30m，二者比表面積相差接近20倍，因此，同樣條件下馬鈴薯淀粉水解速率低于其它淀粉。和淀粉大小一樣，淀粉分子的平均聚合度對(duì)抗性淀粉的形成也有影響。Eerlingen等研究了平均聚合度(DPn)在40-610的淀粉其抗性淀粉的含量，發(fā)現(xiàn)分子平均聚合度越小，含量越高。X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)抗性淀粉粒有A、B、C三種衍射圖型，其中B型的抗性最強(qiáng)。1.5 抗性淀粉的生理功能隨著對(duì)抗性淀粉進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉對(duì)腸道代謝、糖代謝和脂代謝均有一定的影響。抗性淀粉在小腸中不被吸收，能在大腸中被細(xì)菌發(fā)酵分解，產(chǎn)物主要是一些氣體和短鏈脂肪酸。氣體能使糞便變得疏松，增加其體積，這對(duì)于預(yù)防便秘、盲腸炎、痔瘡、腸憩室病、肛門、直腸機(jī)能失調(diào)等腸道疾病具有重要意義。國(guó)內(nèi)外關(guān)于抗性淀粉對(duì)血糖值和胰島素水平的影響做了大量研究。王竹等利用天然穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究了抗性淀粉吸收代謝的特點(diǎn)及對(duì)血糖的調(diào)節(jié)作用，證明RS具有吸收慢的代謝特點(diǎn)，對(duì)調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)，減低餐后胰島素分泌，增強(qiáng)胰島素敏感性有一定作用，并初步論述了RS對(duì)餐后體內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，綜合其他研究成果，預(yù)示RS可能對(duì)預(yù)防慢性疾病的發(fā)生，減少餐后組織負(fù)荷有益14。Jocaro等分別用生馬鈴薯淀粉RS2和馬鈴薯老化淀粉RS3及纖維素飼喂大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與纖維素組大鼠相比，RS2組大鼠和RS3組大鼠的日總糞固醇排泄量大大增加，并且RS3組大鼠的日總糞固醇排泄量幾乎是纖維素組的2倍，與纖維素組大鼠相比達(dá)到了極顯著差異，進(jìn)一步提示了抗性淀粉是通過(guò)增加糞固醇的排泄量來(lái)達(dá)到降脂目的15。近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)具有保健功能的食品進(jìn)一步重視，抗性淀粉作為低熱、高膳食纖維含量的功能食品成分可為人們提供嶄新的功能性產(chǎn)品。而且抗性淀粉的大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)推動(dòng)農(nóng)副產(chǎn)品深加工和綜合利用，促進(jìn)農(nóng)副產(chǎn)品增值，提高農(nóng)民收入水平具有重要意義。2. 研究目的和意義淀粉作為自然界最豐富的貯藏性多糖，是僅次于纖維素的可再生性資源，自古以來(lái)是人類和大多數(shù)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)和能量主要來(lái)源；現(xiàn)作為一種重要工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于食品、化工、造紙、紡織等行業(yè)，且具有分布廣泛、產(chǎn)量豐富、價(jià)格低廉、可降解、無(wú)污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)晶度一般為14%45%，其顆粒大小、分子量、形狀及性質(zhì)因植物種類、生長(zhǎng)環(huán)境和基因型不同而有較大區(qū)別16。然而絕大多數(shù)天然淀粉因其結(jié)構(gòu)和性能缺陷，如不溶于冷水、淀粉糊易老化脫水、缺乏乳化力、糊液在酸、熱、剪切作用下不穩(wěn)定等，而制約其應(yīng)用范圍，因此可利用物理、化學(xué)或生物等方法改變天然淀粉性質(zhì)和增加新的功能，使其能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)加工要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)淀粉改性主要為化學(xué)改性方法，在化學(xué)改性過(guò)程中，往往要加入必要化學(xué)試劑，以改變淀粉化學(xué)結(jié)構(gòu)或引入新的基團(tuán)使其達(dá)到改性目的。然而，將化學(xué)改性淀粉用于食品工業(yè)時(shí)，需考慮和評(píng)價(jià)其安全性問(wèn)題，且化學(xué)法常存在反應(yīng)速率低、生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、環(huán)境污染等問(wèn)題。而采用非化學(xué)手段，如采用物理或生物（酶）改性淀粉便不存在化學(xué)試劑殘留問(wèn)題，且可大大改善產(chǎn)品理化性能、拓寬產(chǎn)品應(yīng)用范圍和提高其附加值。隨綠色加工理念提出，采用物理或生物（酶）方法，如熱處理、物理場(chǎng)處理、超高壓、擠壓、超微粉碎、酶處理等15技術(shù)對(duì)淀粉進(jìn)行改性研究日益受到關(guān)注。酶處理法是一種非常具發(fā)展前景的生物方法。普魯蘭酶，屬淀粉酶類，能夠?qū)Ｒ恍郧虚_(kāi)支鏈淀粉分支點(diǎn)中的-1,6-糖苷鍵，切下整個(gè)分支結(jié)構(gòu)，形成直鏈淀粉。與異淀粉酶不同的是，普魯蘭酶可以將最小單位的支鏈分解，最大限度的利用淀粉原料，而異淀粉酶雖然也能水解分支點(diǎn)的-1,6-糖苷鍵，但是不能水解由23個(gè)葡萄糖殘基構(gòu)成的側(cè)枝。脫支酶的發(fā)現(xiàn)較其他淀粉酶遲，但近年來(lái)對(duì)它的研究和應(yīng)用受到學(xué)者和企業(yè)的廣泛重視。脫支酶可使食品質(zhì)量提高，徹底分解淀粉，降低糧耗，節(jié)約成本，減少污染，已成為淀粉酶制劑中一個(gè)很有前途的品種，具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。故可以普通玉米淀粉為試驗(yàn)材料，以普魯蘭酶為酶制劑，采用單因素試驗(yàn)分析加酶量、酶解時(shí)間、老化時(shí)間對(duì)抗性淀粉含量的影響，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化抗性淀粉的制備條件，以期為酶法制備抗性淀粉提供參考和指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 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