任 欣，張 一，方 圓，彭 潔，張 敏

（北京工商大學食品與健康學院 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心北京市食品添加劑工程技術研究中心 北京 100048）

淀粉是小麥、大麥、青稞等糧食作物中碳水化合物的最主要組成部分，是人類和大多數動物的重要能量來源之一[1]。淀粉只有在人體消化道中被酶和微生物消化分解后才能被機體吸收利用。淀粉在人體中的消化吸收過程分為3 個階段。第一階段在口腔中，唾液淀粉酶將食物中的淀粉分解生成糊精、麥芽糖及葡萄糖。隨著食物進入胃部，然后進入小腸，淀粉消化吸收的第二階段開始了，淀粉在十二指腸內被胰淀粉酶水解生成麥芽糖、麥芽三糖、α-極限糊精及少量的葡萄糖；當這些水解產物接觸到小腸黏膜上皮細胞時，被該處的葡萄糖淀粉酶、麥芽糖酶、蔗糖酶等進一步分解成葡萄糖；最后，小腸黏膜上皮絨毛細胞以主動運輸的方式吸收葡萄糖進入血液循環(huán)系統(tǒng)。小部分未被消化吸收的淀粉進入大腸，在微生物的作用下發(fā)酵生成短鏈脂肪酸[2-3]。Englyst 等[4]通過體外模擬消化試驗，根據淀粉的水解速率快、慢將其分為3類：快消化淀粉（Rapid Digestible Starch，RDS），指20 min 內在小腸中被快速消化吸收的淀粉；慢消化淀粉（Slowly Digestible Starch，SDS），指20～120 min 內被小腸緩慢吸收的淀粉；抗性淀粉（Resistant Starch，RS），指大于120 min 未能被小腸吸收的淀粉。

淀粉的消化特性與人體健康密切相關。研究表明，由于SDS 和RS 在胃腸道中滯留時間較長，可以促進腸道充分蠕動和糞便、毒素的排出，因此減少了腸道機能失調及結腸癌等疾病的發(fā)生[5]。SDS 被小腸緩慢吸收，不會引起餐后血糖的急劇升高，同時緩慢釋放能量，能夠維持較長時間的飽腹感，有利于血糖控制人群和肥胖人群。RS 在人體消化道內基本不被消化吸收，從而不會促進血糖升高和胰島素分泌，避免餐后高血糖和胰島素抵抗。同時，RS 是腸道內雙歧桿菌和乳酸菌等有益菌的增殖因子，能促進其生長繁殖，并會降低大腸埃希氏菌和鏈球菌等有害菌的數量[6-7]。

由于淀粉來源及自身結構的不同，因此其在機體內的消化特性千差萬別。多項研究表明，淀粉自身的結構特征與其消化速率密切相關[8]。食品中其它組分，如蛋白質、脂類和非淀粉多糖等，以及食品加工過程亦可影響淀粉的消化。此外，不同的淀粉改性方法對其消化特性也有較大影響，如化學改性淀粉對α-淀粉酶表現出較大的抗性[9]。為了便于人們系統(tǒng)了解影響淀粉消化特性的體內外因素，本文詳細介紹淀粉的結構、直支鏈的比例以及食物組分等對淀粉消化特性的影響，并論述通過物理、化學及生物等因素改變淀粉消化特性的可行性（圖1）。

圖1 影響淀粉消化性的因素Fig.1 Influencing factor of starch digestibility

1 影響淀粉消化性的內在因素

如表1所示，淀粉由于自身結構的不同，使其消化速率存在較大的差異。比如淀粉的顆粒結構、晶型、層狀結構、直支鏈的比例等發(fā)生變化，淀粉的消化速率也隨之變化。除此之外，食物中的其它組分與淀粉的相互作用對其消化速率也有影響。

表1 影響淀粉消化的內在因素Table 1 Intrinsic factors affecting starch digestibility

（續(xù)表1）

1.1 淀粉自身結構

1.1.1 淀粉顆粒結構 淀粉顆粒大小與消化率之間存在明顯的負相關關系[10]。Snow 等[11]也指出不同品種的淀粉顆粒具有不同的粒徑，粒徑越小，消化率越高。這是因為淀粉發(fā)生酶解時，是一種固-液兩相反應，首先需要α-淀粉酶擴散到淀粉分子上并吸附，然后催化淀粉中的糖苷鍵斷裂，使其降解[12]。因此，顆粒越小，單位質量比表面積越大，越有利于酶的擴散和吸附，進而可加速酶解作用。

另外，淀粉顆粒的形貌及孔隙結構等也可使淀粉的比表面積不同，進而影響淀粉的消化速率。谷物類淀粉顆粒表面較粗糙且存在表面孔隙和從表面延伸到內部的通道，顯著增加了酶擴散和吸附的位點，使淀粉易于被消化[13]。而薯類淀粉顆粒表面光滑，沒有表面孔隙和通道結構的存在，淀粉酶不易進入到顆粒內部，只能從表面向內部酶解，因而不易被消化吸收[14]。盡管目前關于淀粉顆粒表面的精細結構并未被完全闡明，但已有不少研究證明薯類淀粉表面有序化程度高，因此具有較高的抗消化能力[15]。

1.1.2 層狀結構 淀粉的周期性層狀結構主要由支鏈淀粉簇狀結構中的雙螺旋結晶區(qū)和支鏈淀粉分支部分的非結晶區(qū)交替排列形成，其厚度均為9 nm 左右[16]，如圖2所示。不同的層狀結構會對淀粉的消化性能產生影響。Zhang 等[12]發(fā)現，普通玉米淀粉層狀結構的厚度及周期性排列的完美程度影響著淀粉的消化性能。Zhang 等[8]發(fā)現隨著發(fā)酵時間的延長，糯米淀粉層狀結構變厚，層狀聚集體結構的有序化程度增加，使淀粉中SDS 含量升高。由此可見，淀粉層狀結構中結晶區(qū)、非結晶區(qū)的厚度及其周期性排列的完美程度，均對淀粉的消化性能有影響。

圖2 淀粉顆粒示意圖[17]Fig.2 Schematic representation of starch in granule[17]

1.1.3 淀粉晶型 天然淀粉有4 種結晶形態(tài)，即A 型、B 型、C 型、V 型，如圖2所示。不同的結晶形態(tài)與淀粉的來源有關。玉米、小麥等為代表的谷類淀粉為A 型；以馬鈴薯等為代表的塊莖類淀粉為B 型；C 型可以看作是A 和B 的混合結晶類型；而V 型結晶很少在天然淀粉中發(fā)現，通常在直鏈淀粉與脂肪酸、碘、二甲基亞砜等形成的復合物中發(fā)現[18]。Zhou 等[19]研究表明在相同的遺傳背景下，大米淀粉結晶形態(tài)的不同使淀粉的消化性也不同。一般而言，A 型淀粉中存在的較短的雙螺旋結構使其容易受到酶影響，消化速率較高[20]；而與A 型相比，B 型結晶在非晶區(qū)有更多的分枝點，導致高密度的非晶區(qū)和穩(wěn)定晶態(tài)的形成，使B 型結晶結構能夠抵抗酶解，消化速率較低[21]。Man 等[22]研究表明，B 型大米淀粉的結晶衍射峰比A 型大米淀粉更加尖銳，形成的晶體更加完整，不容易受到酶的破壞，從而使B 型大米淀粉的抗消化能力高于A 型淀粉。此外，淀粉與脂肪酸、碘等形成的具有V 型結晶的復合物，也有顯著的抗消化能力[23]。Hung 等[24]研究發(fā)現，大米淀粉經濕熱處理后，淀粉中SDS 和RS 的含量增加，其中濕熱處理過程中淀粉-脂質復合物的出現（即V-型結晶出現）是淀粉抗消化能力提高的重要因素。

1.1.4 淀粉鏈結構 與直鏈淀粉相比，支鏈淀粉具有更大的分子表面積，這使得它更易受到淀粉酶的攻擊[25]。淀粉中直/支鏈淀粉的不同比例，對淀粉的消化性能有較大的影響。通常直鏈淀粉含量越多，淀粉的抗消化性能越好[26]。張習軍等[27]發(fā)現，含有10%的直鏈淀粉的粳米RS 含量僅為1%；當直鏈淀粉含量提高到30%時，RS 含量提高到3.5%。Liu 等[28]研究發(fā)現，高直鏈玉米淀粉的體外消化率低于普通玉米淀粉，這可能是因為高直鏈玉米淀粉不易糊化，并且直鏈淀粉含量越高，越易回生形成新的結晶結構，使淀粉對酶的抗性增加。此外，高直鏈淀粉的結晶結構更加穩(wěn)定，形成的淀粉-脂肪復合物也更多，從而使淀粉的結構不易受到破壞；同時，直鏈淀粉分子會互相纏繞形成三維凝膠網絡，隨著交聯纏繞的增多，淀粉體系中以雙螺旋形式形成的局部有序程度增加，對淀粉酶的抗性增大[29]。

雖然淀粉消化速率的快慢主要歸因于直鏈淀粉的含量[30]，但支鏈淀粉的精細結構也會對其有一定的影響。Srichuwong 等[31]研究表明，淀粉的抗消化性與支鏈淀粉的鏈長有關，支鏈淀粉的短鏈含量越高，淀粉顆粒越易被淀粉酶降解。王月慧等[29]發(fā)現大米淀粉凝膠在4 ℃貯藏3 h 后，大米淀粉中的SDS 含量逐漸增加，可能是由于支鏈淀粉的重結晶所引起的，且重新形成的支鏈淀粉重結晶屬B 型晶體，對淀粉酶水解的敏感程度比無定形狀的淀粉分子差，說明支鏈淀粉的重結晶使淀粉有一定的抗酶解性。

1.2 其它組分

食物中的蛋白質、脂肪、非淀粉類多糖及酚類物質等其它組分，對淀粉的消化性都有一定程度的影響。

1.2.1 蛋白質 食品中淀粉和蛋白質的相互作用對淀粉消化率有顯著影響。蛋白質通過以下幾種機制有效的降低淀粉的消化率。首先，蛋白質可以在淀粉顆粒周圍形成保護層，從而限制酶進入底物[32]。其次，表面蛋白可以阻止酶在淀粉顆粒表面的催化結合。張慧等[33]通過掃描電鏡圖發(fā)現，小麥、苦蕎和大米淀粉顆粒表面覆蓋著一層蛋白質膜狀物，經脫蛋白處理后，膜狀物消失，蛋白質對淀粉顆粒包埋作用減弱，使淀粉更易與淀粉酶接觸而發(fā)生降解。除此之外，α-淀粉酶可以部分結合蛋白質，從而降低酶的利用率。Yu 等[34]研究表明，大麥蛋白的存在，會阻礙淀粉顆粒的酶解，可能是因為酶的非催化結合即淀粉酶與蛋白質的結合，減少了淀粉酶與淀粉的接觸。此外，Zou 等[35]在探討意大利面中蛋白質與淀粉酶的相互作用中發(fā)現，可溶性蛋白質與α-淀粉酶通過氫鍵等部分結合，降低淀粉酶的活性，從而延緩淀粉的消化，當蛋白質被蛋白酶水解后，酶活性可以部分恢復。因此，蛋白質的存在使淀粉抗消化性增強。

1.2.2 脂質 直鏈淀粉的雙螺旋外表面存在葡萄糖殘基羥基，而內部為疏水內腔，脂質的疏水基團通過疏水相互作用進入淀粉顆粒的螺旋結構內部，形成淀粉-脂質復合物[35]。而支鏈淀粉與脂肪酸形成復合物的能力遠遠小于直鏈淀粉，主要是由于支鏈淀粉高度的分支結構引起的空間位阻效應所引起的[37]。在酶水解淀粉的過程中，淀粉的無定型區(qū)沒有結晶區(qū)穩(wěn)定，更容易被酶破壞，在直鏈淀粉-脂質復合物形成的過程中，脂質與淀粉的無定型區(qū)形成了較為穩(wěn)定的結構，降低了淀粉的消化性[38]，同時在淀粉與脂質共存的體系中，由于直鏈淀粉與脂質發(fā)生復合，抑制了淀粉顆粒的吸水膨脹作用，減少了淀粉與酶分子之間結合的位點，產生了酶的抵抗性[39]。Crowe 等[40]研究表明，游離脂肪酸使直鏈淀粉的消化率降低35%，而對支鏈淀粉的消化率無影響，這可能是因為直鏈淀粉的螺旋狀構象，可與游離脂肪酸迅速形成包合物，從而使淀粉不易被淀粉酶水解。有報道稱[38]，淀粉-脂質復合物產生了V 型結晶結構，使RS、SDS 含量升高，RDS 含量降低，且淀粉的抗消化性隨著脂肪酸碳鏈長度及不飽和度的增加而降低。此外，崔亞楠等[41]研究表明，脫脂后豆類淀粉顆粒之間粘連聚集減少，淀粉酶易滲入淀粉顆粒內部，使淀粉消化速率增加。因此，淀粉-脂質復合物的形成有利于淀粉抗消化性的提高。

1.2.3 β-葡聚糖 β-葡聚糖是一種具有降血糖、降血脂，抑制和預防糖尿病，增強機體免疫力，延緩皮膚衰老等多種功能的非淀粉多糖。研究表明[42]，β-葡聚糖能降低餅干、面包等食物在體外消化試驗中所產生的葡萄糖量。張宇[43]研究表明，燕麥β-葡聚糖能夠延緩淀粉的消化，且β-葡聚糖分子質量及濃度越大，延緩淀粉消化效果越好，即SDS 和RS 含量增加，血糖生成指數（GI 值）降低。陳忠秋等[44]同樣發(fā)現添加香菇β-葡聚糖的小麥和玉米淀粉消化速率降低，SDS 及RS 含量增加。這可能是因為香菇β-葡聚糖和淀粉之間相互纏繞，凝膠網絡結構增強，阻礙了淀粉酶與淀粉的接觸。鄧婧等[45]探究了青稞β-葡聚糖延緩淀粉體外消化性的內在原因，發(fā)現青稞β-葡聚糖形成凝膠覆蓋在淀粉顆粒表面，使淀粉酶不易吸附在淀粉顆粒表面，同時，青稞β-葡聚糖會形成高黏性溶液，對淀粉酶的構象也有一定的影響，抑制酶的活性。因此，添加β-葡聚糖可使淀粉抗消化性增強。

1.2.4 多酚 多種膳食多酚均可在一定程度上減緩淀粉消化速率，減少葡萄糖的釋放，預防各種疾病的發(fā)生[46]。例如向玉米淀粉中加入10%咖啡酸、槲皮素和表兒茶素，使RDS 比例由73.9%分別降低為70.3%，69.2%和63.2%[47]。目前，多酚對淀粉消化性影響的研究主要集中在多酚對淀粉酶的影響。He 等[48]研究了茶多酚對α-淀粉酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、脂肪酶4 種典型消化酶活性的影響。結果表明，茶多酚對4 種酶的活性都有一定的抑制作用，其中對α-淀粉酶活性的抑制作用最強。徐錦川[46]發(fā)現茶多酚可與淀粉酶的氨基酸殘基相結合形成強的氫鍵，造成淀粉酶分子結構的改變和活性的降低，從而使淀粉的消化率降低，且多酚對淀粉酶的抑制屬于非競爭性抑制。此外，綠原酸亦可通過抑制α-淀粉酶的活性來抑制馬鈴薯淀粉的消化[49]。Shen 等[50]研究發(fā)現，橙皮苷、柚皮苷、新橙皮苷和川陳皮素4 種柑橘黃酮均顯著抑制淀粉酶催化的淀粉消化，且部分黃酮與淀粉分子結合，增加肝糖酵解和肝糖原濃度，降低肝糖原異生，可預防餐后高血糖。因此，添加多酚可使淀粉抗消化性增強。

2 影響淀粉消化性的外在因素

如表2所示，淀粉在加工過程中，不同的加工處理方式會改變淀粉的鏈結構或聚集態(tài)結構，以及酶與淀粉的接觸性，從而使淀粉的消化性也隨之改變。國內外學者對利用物理、化學、生物方法改變淀粉原有的消化性，提高其營養(yǎng)價值方面做了大量的研究。

表2 影響淀粉消化的外在因素Table 2 Extrinsic factors affecting starch digestibility

2.1 物理因素

目前可用于改變淀粉消化特性的物理方法有濕熱、干熱、微波、超聲和超高壓等。目前關于微波對淀粉消化性能的影響還沒形成統(tǒng)一的結論[51]。羅志剛等[52]研究發(fā)現微波處理使馬鈴薯淀粉中RS 含量降低，SDS、RDS 含量相應增加。但牛黎莉等[53]在濕熱條件下，使用不同功率的微波對馬鈴薯淀粉進行不同時間的處理。結果表明，與原淀粉相比，隨著功率及處理時間的增加，微波處理后的馬鈴薯淀粉中RS 和直鏈淀粉含量均增加。究其原因，微波處理后的馬鈴薯淀粉顆粒表面變得粗糙，相互粘連，淀粉分子趨于有序化重新形成的晶體結構，從而使淀粉的抗消化性增強。大量研究表明，對淀粉進行熱處理也會使淀粉的消化性發(fā)生變化。張?zhí)鞂W[54]發(fā)現濕熱處理使青稞淀粉中SDS、RS 總量由3.81%提高到18%。因為在濕熱處理中，淀粉結晶區(qū)的氫鍵作用增強，且部分淀粉分子斷裂為短鏈分子，小分子間發(fā)生交聯作用；同時蛋白在濕熱處理過程中會發(fā)生聚集反應，這些蛋白聚集物會延展開來，黏附在淀粉的表面，阻止酶與淀粉的接近，使其對淀粉酶敏感性降低，進而使淀粉中的SDS、RS 含量增加[55]。閆巧珍等[56]發(fā)現濕熱處理使馬鈴薯淀粉中的RS 含量升高，且當處理溫度為100 ℃時，RS 淀粉含量達到最高。這可能是由于隨著溫度的升高，淀粉-脂肪、淀粉-蛋白質復合物形成，使淀粉不易被水解，因此RS 含量增加。胡月明[57]研究發(fā)現，用過熱蒸汽處理小麥面粉時，高的水分含量有助于SDS 和RS 的形成。因為水分的增加使得熱處理時淀粉分子移動性增強，從而促進了直鏈淀粉－直鏈淀粉、直鏈淀粉－支鏈淀粉的交聯。另外，淀粉-蛋白質、淀粉-脂質復合物的形成也被促進，使得淀粉更難以被淀粉酶所結合。除此之外，螺桿擠壓也會對淀粉的消化性帶來一定程度的影響。樊佳玫等[58]發(fā)現，螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中RS 含量增加了1.08%，且擠壓處理后的馬鈴薯淀粉在一定程度上可以降低小鼠的餐后血糖指數。周中凱等[59]研究表明，對高直鏈玉米淀粉進行超高壓處理，200～600 MPa 壓力處理后的淀粉消化率隨著壓力的增加不斷下降，800～1 000 MPa 壓力處理后的淀粉消化率不斷增加。

物理法改性淀粉主要利用熱、機械力、電場、磁場等物理場作用于淀粉，通過使淀粉顆粒的層狀結構重組，有序化、無序化結構改變，直鏈/支鏈比例、淀粉顆粒形貌改變來實現調控淀粉消化特性。物理改性方法不使用化學試劑，僅涉及到水和熱等純天然資源，安全性高于化學改性，減少對環(huán)境的污染，有較好的應用前景[60]。

2.2 化學因素

目前可用于改變淀粉消化速率的化學方法有羥丙基化、辛烯基琥珀?；约敖宦摵腿〈慕M合等[61]。Chung 等[62]認為，取代和氧化有助于增加RS 的含量，而交聯在很大程度上不影響淀粉的消化率。Juansang 等[63]研究表明乙?；⒘u丙基化、琥珀酸辛烯基化處理均使美人蕉淀粉中的RS 含量升高。李曉璽等[64]利用化學方法向玉米淀粉中引入乙?；鶊F，玉米淀粉經乙酰酯化處理后，其空間位阻阻礙了淀粉酶與淀粉顆粒的結合，使玉米淀粉的消化性降低，且當取代度大于2 時，淀粉中RS 含量達90%以上，結晶類型由A 型轉變?yōu)閂型。Chen 等[65]通過對預糊化玉米淀粉進行二次改性，與三氯氧磷交聯，制備了交聯預糊化玉米淀粉。淀粉中的RS 含量隨預糊化淀粉的交聯程度的提高而提高，當交聯度為0.030 時，交聯預糊化淀粉的RS 含量可達90%以上。Han 等[66]發(fā)現交聯-羥丙基化的組合處理方式比單獨交聯產生更多的SDS，而交聯-乙?；a生的RS 含量最高。

化學法改性淀粉就是在淀粉分子上引入一些新官能團，一般包括氧化、乙?；?、交聯和磷酸化等單一或者復合改性，降低酶分子與淀粉的結合位點來降低淀粉酶的水解作用，效率高，易實現工業(yè)化生產。但化學改性方法也存在一些問題，化學試劑的大批量使用，易造成環(huán)境污染；另外，經過化學改性的淀粉應用于食品工業(yè)中，需考慮到安全問題[67]。

2.3 生物因素

影響淀粉消化性的生物因素主要指酶，比如利用酶來對淀粉進行處理，降低支鏈淀粉的鏈長及含量，使直/支鏈淀粉比例增加，得到更多游離的直鏈淀粉分子，再通過雙螺旋相互締結，從而增加淀粉的抗消化性。其中應用較多的脫支酶為普魯蘭酶[67]，可專一性地切開支鏈淀粉分支處的α-1，6-糖苷鍵，切下整個分支結構，形成直鏈淀粉[69]。淀粉經脫支處理后，產生更多的短鏈線性分子，在氫鍵作用下大量短鏈分子聚集產生沉淀，形成致密的結晶結構；此外，經脫支處理后，體系中游離的直鏈淀粉的含量顯著升高，有利于淀粉-脂肪復合物的形成，使淀粉抗消化性增強[39]。張煥新[70]使用了α-淀粉酶及普魯蘭酶對玉米淀粉進行連續(xù)的處理，利用α-淀粉酶內切淀粉長鏈、普魯蘭酶脫支的特點，制備出含有高抗性的玉米淀粉。在最優(yōu)條件下，處理過后的玉米淀粉中RS 含量高達46.20%。蹇華麗[71]研究表明，在玉米淀粉糊化時加入耐熱α-淀粉酶，接著加入普魯蘭酶，使淀粉脫支，改變淀粉原有的結構，提高淀粉中RS 的含量，最終可得到RS 含量高達19.02%的玉米淀粉。Shin 等[72]發(fā)現通過使用α-淀粉酶控制糊化淀粉的水解程度，隨后進行重結晶，可以獲得不同含量的SDS 及RS 產品。

酶法改性淀粉一般是通過淀粉酶（α-淀粉酶，β-淀粉酶，糖化酶等）或脫支酶來修飾、重組淀粉的分子結構，從而增加淀粉顆粒的分支度和改變淀粉的結晶結構來提高淀粉的抗酶解能力[39]。利用酶法調節(jié)淀粉的消化性能較為簡便，快速且污染小。

3 結語

淀粉是主糧的主要組成部分，是人類主要的能量來源，其消化性與多種疾病密切相關，由此對淀粉消化性能的研究及調控越來越受到世界性的關注，成為淀粉領域的研究前沿和熱點。綜上所述，淀粉自身結構、食品中的其它組分及物理、化學、生物處理都會對淀粉的消化性能帶來一定的影響。淀粉消化性能的改變，使其營養(yǎng)價值也隨之而變。通過了解影響淀粉消化的因素，人們才能更好地探究使用不同處理方式來調控淀粉的消化性能。相信隨著時間的推移，人們能找到更多安全有效可靠的調控淀粉消化性能的方法，并運用于大規(guī)模生產中，賦予淀粉多樣化的營養(yǎng)功能，滿足不同人群的營養(yǎng)需求。