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抗性淀粉的結(jié)構性質(zhì)與功能關系研究進展

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月19日 08:39

1(福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建福州， 350002)2(中國-愛爾蘭國際合作食品物質(zhì)學與結(jié)構設計研究中心，福建福州， 350002)3(福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術重點實驗室，福建福州， 350002)4(愛爾蘭農(nóng)業(yè)部Teagasc食品研究中心，愛爾蘭科克, P61C996)

摘要抗性淀粉(resistant starch，RS)是一類無法被健康者小腸吸收利用，但可在結(jié)腸中被大腸菌群發(fā)酵或部分發(fā)酵的淀粉。具有維持腸道形態(tài)、促進腸道蠕動、增加糞便體積與含水率、抗腫瘤以及調(diào)節(jié)免疫等生理功能。該文綜述了RS的制備方法和形成機制，不同技術手段對RS的結(jié)晶性、結(jié)構順序、糖苷鍵種類、結(jié)構構象、結(jié)構順序、表面特性等結(jié)構特征的分析，以及這些結(jié)構在確定RS的生理特性益生元和降血糖中起的重要作用。目前關于RS的結(jié)構表征及其結(jié)構生理功能關系的相關性探討還比較缺乏。因此該文著眼于對抗性淀粉的結(jié)構及其功能的相關分析進行探討，旨在為抗性淀粉結(jié)構特性對腸道菌群調(diào)節(jié)功能的作用提供參考。

抗性淀粉(resistant starch，RS)是近年來興起的一類新型膳食纖維，又稱抗酶解淀粉[1]。是一種在健康人體小腸內(nèi)不能被消化吸收，但能在大腸中被細菌發(fā)酵或部分發(fā)酵代謝，產(chǎn)生短鏈脂肪酸、乳酸和少量氣體的淀粉。RS具有改變結(jié)腸微生物群落，促進腸道有益菌繁殖，改善炎癥反應等潛生理功能。此外，RS在改善胰島素敏感性，調(diào)節(jié)糖脂代謝基因的表達等方面也發(fā)揮重要作用。近年來，由于其特殊生理功能， RS受到食品科學和營養(yǎng)學界的廣泛關注。

1 抗性淀粉的分類及形成機理

1.1 抗性淀粉的來源和分類

RS存在于某些天然食品中，如馬鈴薯、玉米、蓮子、大米等。這種淀粉較其他淀粉難降解，在小腸中不能被消化吸收，吸收和進入血液都較緩慢；類似于溶解性纖維的性質(zhì)，具有一定的瘦身作用，而且可以預防多種疾病。根據(jù)其抗性機理的不同，一般可將RS分為5類：物理包埋淀粉(RS1)、抗性淀粉顆粒(RS2)、回生淀粉(RS3)、化學改性淀粉(RS4)及直鏈淀粉-脂肪復合淀粉(RS5)。

1.2 抗性淀粉的制備和形成機理

抗性淀粉RS1和RS2屬于天然抗性淀粉，而RS3、RS4和RS5一般為人為制備而得。如表1所示，RS3的制備方法主要包括脫支酶解法、熱液處理法、微波法、超聲波法等。RS4是淀粉分子結(jié)構的改變以及一些化學基團的引入而產(chǎn)生的抗酶解淀粉片段，主要有乙酰化RS、磷酸化交聯(lián)RS、羥丙基RS、酯化RS等。直鏈淀粉可以與脂質(zhì)發(fā)生作用，產(chǎn)生具有抗消化性的復合物RS5，RS5的形成方式多樣化，并可基于不同反應條件對所制復合物進行分析。

表1 抗性淀粉制備方法及形成機理
Table 1 Preparation methods and formation mechanism of resistant starch

制備方法處理步驟形成機理影響參考文獻RS3型抗性淀粉脫支酶解法α-淀粉酶和普魯蘭酶雙酶法1 U/g α-淀粉酶,95 ℃酶解20 min;10 U/g 普魯蘭酶,50 ℃酶解7 h對糖苷鍵酶解,使淀粉分子量減小規(guī)則的顆粒結(jié)構消失,變?yōu)楸砻娲植诙嗫椎钠瑺?粒徑增大[2]普魯蘭酶15%(質(zhì)量分數(shù))淀粉乳,普魯蘭酶15 U/g,酶處理時間24 h,老化時間24 h水解淀粉中支鏈淀粉糖苷鍵,增加直鏈淀粉分子的含量淀粉顆粒形貌呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀結(jié)構[3]熱液處理法壓熱法30%淀粉乳,壓熱時間30 min,老化時間16 h高溫和/或高壓下,淀粉分子之間通過氫鍵相互締合明顯的凹陷孔洞和蜂窩狀結(jié)構,直鏈淀粉含量增加[4]濕熱法當溫度為100 ℃,水分含量(質(zhì)量分數(shù))30%,濕熱處理3次[5]微波法微波法15%淀粉乳,微波時間120 s,微波功率640 W微波效應可促進淀粉的內(nèi)部氫鍵破壞,導致淀粉顆粒內(nèi)雙螺旋鏈減少[6]微波輻射法30%淀粉乳在18%的輸出功率下處理6.5 min,4 ℃回生24 h[7]超聲波法超聲波-濕熱法45%淀粉乳,超聲波功率300 W,時間55 min,壓熱時間15 min,壓熱溫度115 ℃高溫高壓下淀粉分子與溶劑分子間的摩擦,使直鏈淀粉、支鏈淀粉溶出,導致淀粉鏈破裂溶解性,膨潤力變小,峰值時間和糊化溫度均有升高,出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[6]RS4型抗性淀粉乙?；贜a2CO3溶液中浸泡12 h后,加入乙酸乙烯酯在120 r/min的水浴中振蕩淀粉分子發(fā)生醋酸酯化反應,產(chǎn)生抗消化性淀粉顆粒具有粗糙的表面和中空的結(jié)構,結(jié)晶度降低[8]磷酸化交聯(lián)將淀粉在含有Na2SO4的水中制成漿液(調(diào)至pH 11.5),逐滴添加POCl3至淀粉漿中,離心10 min淀粉醇離子在三偏磷酸鈉(sodium tri-metaphosphate,ST-MP)上進行開環(huán)攻擊,形成三聚磷酸酯中間體,淀粉在堿性條件下被磷酸化,得到高度交聯(lián)的淀粉具有與天然淀粉相同的形狀和光滑的表面,具有A型和B型多晶型[9]

續(xù)表1

制備方法處理步驟形成機理影響文獻羥丙基化將10%Na2SO4添加到20%淀粉漿料中并攪拌(調(diào)至pH 10.5),加入環(huán)氧丙烷至淀粉干重的10%,攪拌30 min后,用10%HCl調(diào)節(jié)至pH 5.5羥丙基能破壞分子間和分子內(nèi)的氫鍵,從而削弱淀粉的顆粒結(jié)構,增加非晶區(qū)淀粉鏈的自由度溶解度顯著增加,顆粒呈折疊結(jié)構,其外側(cè)向內(nèi)拉,呈甜甜圈狀[10]酯化40 ℃下干燥淀粉2 h,添加NaOH(10 mL,0.25 mol/L)至淀粉中,室溫下300 r/min攪拌,滴加脂肪酸到反應容器中10 min以長鏈脂肪酸為原料,在溫和反應條件下,用二環(huán)已基碳二亞胺(dicyclohexyl-carbodiimide,DCC)和4-二甲基吡啶(dimethyl aminopy-ridine,DMAP)對羥乙基淀粉進行酯化反應淀粉的顆粒結(jié)構被完全破壞,變性淀粉的顆粒在500～800 nm[11]RS5型抗性淀粉溶劑法HCl/KOH沉淀法加90 ℃硬脂酸溶液至直鏈淀粉溶液中,HCl調(diào)節(jié)體系酸度后離心(2 000 r/min 15 min),取沉淀洗滌,室溫下真空干燥由于分子內(nèi)氫鍵發(fā)生相互作用,使得直鏈淀粉的鏈狀結(jié)構發(fā)生旋轉(zhuǎn),形成了易與一些疏水基團發(fā)生內(nèi)絡合作用的左手螺旋空腔結(jié)構直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物的形成降低了淀粉的溶解性,阻礙了淀粉的吸水膨脹能力,抑制了淀粉的溶脹,增加了淀粉的硬度,降低了糊化能力抑制老化,影響了淀粉體系的黏度[12]二甲亞砜/水溶液法直鏈淀粉加入到90 ℃下預熱好的質(zhì)量濃度為20 mg/mL二甲亞砜中,加入共軛亞油酸,攪拌15 min,加入NaCl溶液,3 000 r/min離心20 min,真空干燥[13]堿液分散法A 液600 mg直鏈淀粉溶于40 mL濃度為0.1 mol/L的KOH,B液60 mg脂肪酸溶于60 mL濃度0.1 mol/L的KOH混合,調(diào)節(jié)至30、50和70 ℃下反應[14]蒸煮法蒸汽噴射蒸煮法向1 000 mL質(zhì)量濃度為12.5～100 g/L的淀粉懸浮液中加入10%(體積分數(shù))油酸,將分散液注入蒸汽噴射蒸機,冷卻脂質(zhì)分子的非極性部分進入直鏈淀粉的螺旋空腔,螺旋內(nèi)部和螺旋層之間產(chǎn)生了范德華力以及大量的氫鍵,穩(wěn)定復合物結(jié)構[15]擠壓蒸煮法用螺桿擠壓機對玉米淀粉與棕櫚酸的混合物在螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min,模孔直徑12 mm,擠壓溫度60 ℃下進行處理[16]高壓處理法超高壓處理法在靜水壓力為500 MPa,溫度為20 ℃和40 ℃的條件下與癸酸混合處理20 min極高的靜壓導致物料被液體介質(zhì)劇烈壓縮,使直鏈淀粉暴露出來并與脂質(zhì)反應形成復合物[17]高壓均質(zhì)法玉米淀粉與棕櫚酸混合,加熱至95 ℃保持30 min后冷卻70 ℃,之后將混合液置于高壓均質(zhì)機中(0～120 MPa)制得高壓液流產(chǎn)生的強烈的剪切撞擊和空穴作用使淀粉的顆粒結(jié)構被破壞,直鏈淀粉從淀粉顆粒中釋放出來并與脂質(zhì)形成復合物[18]

2 抗性淀粉的結(jié)構性質(zhì)及分析手段

2.1 抗性淀粉的結(jié)構性質(zhì)概述

不同食物來源和不同條件加工后的RS功能和營養(yǎng)價值，特別是其生理意義，都取決于其結(jié)構和構象特征。當前，針對RS的結(jié)構測定和分析已達到分子水平，其檢測手段涉及光譜學、色譜學及熱力學等多學科技術，并可通過這些技術進行各類RS結(jié)構表征的分析。RS1和RS2為天然淀粉, 其抗消化性因結(jié)晶結(jié)構、密度大等特點而產(chǎn)生；大顆粒淀粉的比表面積小，與酶接觸的機會相對較少，從而較難消化吸收；另外，淀粉顆粒表面有一層光滑的致密層，是阻礙酶與淀粉接觸、降低淀粉水解率的重要原因[19]。RS3為淀粉顆粒完全凝膠化后提取的隨機線圈狀直鏈淀粉，經(jīng)冷卻后高聚鏈重組形成由氫鍵連接的致密左旋雙螺旋結(jié)構。螺旋單鏈每圈20.8 ?重復內(nèi)包含6個葡萄糖單體，通過持續(xù)老化，雙螺旋形成六邊形晶胞[20]。RS4淀粉顆粒通常具有粗糙的表面和中空的結(jié)構，淀粉顆粒包括固體結(jié)晶區(qū)域和無定形區(qū)域。顆粒表面不如天然淀粉光滑，但是仍保持相對完整的顆粒結(jié)構，隨著化學基團增加，其分子間氫鍵被逐漸破壞[21]。RS5是淀粉在外加條件的作用下,由于分子內(nèi)氫鍵發(fā)生相互作用,使得直鏈淀粉的鏈狀結(jié)構發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成了具有一定熱力學穩(wěn)定結(jié)構的V-型晶體的左手螺旋結(jié)構。直鏈淀粉每包埋一個脂質(zhì)分子，就需要18～24個葡萄糖單元，這些葡萄糖單元構成了每個螺旋層含有6～8個葡萄糖殘基的螺旋體結(jié)構[22]。

2.2 抗性淀粉的結(jié)構性質(zhì)分析方法

2.2.1 X射線衍射技術測定抗性淀粉的結(jié)晶程度

X射線衍射技術(X-ray diffraction，XRD)是一種用于測定RS結(jié)晶度及晶相組成的技術，該技術能夠通過檢測螺旋而反映淀粉結(jié)晶程度[23]。但是，該技術對不規(guī)則堆積的結(jié)構，小鏈聚集體和單螺旋結(jié)構不敏感，因此，需要與其他技術結(jié)合使用，來測定RS的完整結(jié)構。任何淀粉顆粒的物態(tài)組成都可以看成是由亞微晶、微晶和非晶態(tài)三者中的1種、 2種或3種結(jié)構組合而成。這些結(jié)晶結(jié)構呈現(xiàn)出特定的XRD圖樣，即結(jié)晶型結(jié)構呈尖峰衍射峰特征，非晶型結(jié)構呈彌散衍射峰特征，亞結(jié)晶的彌散衍射與非晶的彌散衍射存在本質(zhì)上的差別，亞微晶形成的彌散衍射峰是由于晶體結(jié)晶不完全而形成的。淀粉的結(jié)晶結(jié)構呈現(xiàn)出特定的XRD圖譜，即結(jié)晶型結(jié)構呈尖峰衍射峰特征，非晶型結(jié)構呈彌散衍射峰特征。XRD圖譜由一系列離散衍射峰和幾個寬峰組成，離散峰越高代表樣品的結(jié)晶度越高[24]。淀粉顆粒一般表現(xiàn)出4類晶體結(jié)構(A、B、C和V型)，主要取決于淀粉中葡聚糖鏈雙螺旋的排列方式；通常使用Cu Kα輻射在2°～40°(2θ)內(nèi)掃描樣品，并通過分析演化模式及X射線衍射圖上2θ處出現(xiàn)的峰來確定每種晶型。

結(jié)晶度的變化受RS的晶體大小、結(jié)晶量、雙螺旋的取向以及雙螺旋之間的相互作用程度的影響[25]。根據(jù)RS形成的工藝條件，可以得到不同的晶體結(jié)構。當在較高的溫度和濃度下，存在水溶性醇和有機酸以及存在高性致溶性鹽的情況下，可以形成A型晶體；較短鏈長的直鏈淀粉也容易形成A型晶體；不同的重結(jié)晶條件也對RS的多晶型類型產(chǎn)生影響，當?shù)矸勰z在室溫或更低溫度下回生時，會形成B型晶體，而在70 ℃以上時淀粉凝膠會形成A型晶體結(jié)構。在通過脫支和不同重結(jié)晶方法制備RS3的過程中，發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)和熱濕處理有利于A型結(jié)晶形成；而由于較溫和的重結(jié)晶條件，回生樣品中B型晶體的含量明顯增加。同樣，在溫度循環(huán)和加熱濕氣處理的樣品中，發(fā)現(xiàn)V型結(jié)晶物質(zhì)明顯更高，這表明較高的溫度條件能夠使大量的單螺旋鏈變?yōu)槟軌蚴褂肵RD檢測到的物質(zhì)。但是，產(chǎn)生A型或B型多晶型物所需的確切的物質(zhì)濃度和結(jié)晶溫度取決于特定的原料。在30 ℃、50%熱水溶液中結(jié)晶得到的脫支糖原也可以得到A型多晶型物，而較低的濃度或較低的溫度會產(chǎn)生B型或C型多晶型物；與A型XRD圖譜相對應的A型多晶型物具有排列緊密的單斜晶胞，由平行的左手雙螺旋鏈組成。與B型XRD圖譜相對應的B型多晶型物具有六角形晶胞，由平行的左手雙螺旋鏈組成，其結(jié)構中包含更多的水；一些淀粉的XRD圖譜為C型多晶型物，如豌豆和綠色香蕉淀粉，是A型和B型多晶型物的復合物；而V型多晶型不同于A型和B型晶體結(jié)構的雙螺旋性質(zhì)，由許多復雜片段的單個直鏈淀粉螺旋與內(nèi)源性脂質(zhì)復合而成[26]。

2.2.2 紅外光譜技術測定抗性淀粉的分子順序

紅外光譜技術(infrared spectroscopy，IR)可用來測定鏈構象、螺旋度和雙螺旋的結(jié)構變化[27]，因此可用于測定淀粉短鏈分子的順序，比較常用的是經(jīng)過傅里葉變換的紅外光譜檢測技術(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)。在進行FT-IR測定時，通常在400～4 000 cm-1掃描RS樣品，并使用溶解了RS樣品的溶劑作為空白。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)將譜圖的吸光度與不同化學鍵的振動進行比對分析，峰值強度的變化說明由于鏈長、范圍順序和結(jié)晶度的改變而引起淀粉結(jié)構構象變化[28]。紅外光譜對淀粉構象和水合過程的變化敏感，尤其是在900～1 300 cm-1，這通常反映了C—C，C—OH和C—H的拉伸振動[29] 在995、1 047 cm-1處的能帶峰反映了淀粉分子順序和結(jié)晶度，其強度隨淀粉結(jié)晶度的增加而增加。另外，1 022 cm-1處帶強度的振動模式與無定形或無序相有關，1 022 cm-1處峰強度的降低表現(xiàn)為淀粉結(jié)晶度的降低。然而在大多數(shù)情況下，經(jīng)常用1 047/1 022的強度比來表征有序度，用995/10 22的強度比來描述雙螺旋結(jié)構的內(nèi)部變化。其中，1 047/1 022和995/1 022的值越高，說明淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)比例越高[30]。ZENG等[31]研究表明，蓮子RS在800～1 200 cm-1C—C，C—OH和C—H的拉伸振動弱于天然淀粉，表明蓮子RS構象發(fā)生變化；ZHOU等[32]發(fā)現(xiàn)，與消化前的淀粉相比，在1 047/1 022 cm-1強度比下，高直鏈淀粉中的RS含量更高。不論水分含量如何，熱處理淀粉的RS比未煮熟玉米淀粉的RS具有更大的結(jié)構組織，與在較低水分含量下處理的淀粉相比，在較高水分含量下處理的淀粉分子傾向于重組，然后形成更有組織的結(jié)構。從回生的玉米淀粉中分離出的RS中—OH基團帶比天然淀粉更明顯，這表明由于雙螺旋的形成，結(jié)晶區(qū)以更加復雜的雙螺旋順序增加在鏈的末端。

研究表明，從回生玉米中分離出的RS中比天然淀粉中的羥基含量更多，這表明，無論是在鏈的末端，在螺旋鏈中，在聚集物中，還是在脂質(zhì)復合物中，雙螺旋結(jié)構的形成使得RS中的晶體區(qū)域增大，且雙螺旋的螺旋數(shù)較高。與玉米淀粉的光譜相比，RS中的羧基帶的峰更多，這表明RS中羧基的面積增加。蓮子RS在1 367.22 cm-1處的吸收帶對應于—CH2OH的彎曲振動比天然淀粉的吸收帶窄，在3 100～3 700 cm-1的吸收帶中，蓮子RS的振幅也與天然淀粉的振幅不同，表明在RS形成過程中氫鍵組合發(fā)生了變化。對于化學修飾的RS4，在1 724 cm-1處發(fā)現(xiàn)乙?；矸跜O鍵的拉伸振動；在玉米淀粉與檸檬酸酯化制備的RS4中也發(fā)現(xiàn)了1 724 cm-1的吸收峰。溴乙酰化淀粉和辛酸淀粉中還發(fā)現(xiàn)在1 746 cm-1的吸收峰，這可能是酯羰基的特征峰。

2.2.3 氣相色譜-質(zhì)譜技術測定抗性淀粉的糖苷鍵

通過氣相色譜-質(zhì)譜技術(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)可以分析確定衍生自不同植物來源RS的糖苷鍵連接方式，但在應用GC-MS之前需要制備合適的衍生物[33]。GC-MS法可通過將糖轉(zhuǎn)化為鄰甲基化醛二醇醋酸酯來分析RS糖苷鍵的組成，2,3,6-三-O-甲基-D-葡萄糖的GC-MS譜峰的存在表明，RS存在一個1,4糖苷鍵連接的D-葡聚糖主鏈；2,3-二甲基-D-葡萄糖的圖譜表明，RS樣品中存在1,6糖苷鍵連接的分支，GC-MS譜圖表明，2,3,4,6-四甲基-d-葡萄糖的峰來自于RS的非還原性部分。過甲基化后的GC-MS分析結(jié)果表明，從豆科植物中分離出來的純化的RS具有1,4和1,6糖苷鍵分支；MAHADEVAMMA等[34]發(fā)現(xiàn)從加工過的鴨腳稗中純化得到的RS是線性的a-1,4-D葡聚糖，可能是從其淀粉的直鏈淀粉中提取的；MAMGALA等[35]發(fā)現(xiàn)2,3,6-三-O-甲基-D-葡萄糖的主峰和2,3,4,6-四-O-甲基-D-葡萄糖的次峰，它們來源于1,4鍵相連的主鏈葡萄糖殘基和非還原糖基。NUNES等[36]也報道了類似的結(jié)果，這些RS來源于高壓滅菌的大米和小麥，其結(jié)構大多由線性a-1,4-D-葡聚糖組成。通過甲基化和GC-MS分析，發(fā)現(xiàn)在干燥加熱后，通過甲基化分析檢測到的RS中1,4糖苷鍵連接的葡聚糖的減少可能對還原端1,6-脫水葡萄糖形成有益，并由此得出其體外消化抗性可能是由于形成了新的糖苷鍵，而非多糖α-1,4和α-1,6鍵的結(jié)論。

2.2.4 固態(tài)13C核磁共振技術測量抗性淀粉的結(jié)構構象

固態(tài)13C核磁共振技術(solid-state 13C nuclear magnetic resonance，solid-state 13C-NMR)是一種新興的技術，已被用于淀粉的結(jié)構分析。不同區(qū)域中的光譜信號反映了α-1,4-D-葡聚糖的碳核C1～C6的信息，C1碳化學位移為99～106 ppm；C2、C3和C5為70～79 ppm；C4的為80～84 ppm；C6的為59～62 ppm[37]。除了提供有關RS樣品中雙螺旋含量的信息外，固態(tài)13C-NMR還可以測定有關淀粉內(nèi)部無定形和有序成分的結(jié)構特征，糖苷鍵的2個碳核C1和C4對聚合物構象的變化最敏感，在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)材料之間通常顯示出較大的化學位移[38]；還可以根據(jù)晶體多晶型物的變化提供不同的信息，例如，在A型晶體多晶型物中，在100、101和102 ppm處分別存在一個峰；在B型多晶型物中，C1共振在100和101 ppm處顯示雙峰，這對應于直鏈淀粉和支鏈淀粉的不同糖殘基[39]。在A型RS晶體結(jié)構中存在雙重對稱性，因此相對于相鄰的雙螺旋，C1位點的3個不同位點與在NMR譜上觀察到的多重性是一致的；C2、C3和C5區(qū)主要顯示游離直鏈淀粉殘基產(chǎn)生的B型雙螺旋的信息，而C4區(qū)代表無定形結(jié)構域上的信息，C4在82 ppm處出現(xiàn)2個寬共振峰，可能是由于非晶態(tài)引起的。

研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)13C -NMR和XRD測得的結(jié)果存在一定差異，通過固態(tài)13C-NMR測得的天然淀粉中的雙螺旋含量明顯高于X射線衍射測定的結(jié)晶度的含量，這表明含有不參與晶體排列的雙螺旋分子存在于淀粉顆粒中。研究發(fā)現(xiàn)，通過13C -NMR得到的雙螺旋含量和X射線衍射得到的A型或B型結(jié)晶度的范圍，可以觀察到粒狀和擠壓的玉米淀粉之間的差異，表明大多數(shù)雙螺旋是微晶的一部分。經(jīng)過大量消化處理后，測得擠壓的樣品雙螺旋含量要比結(jié)晶度高，這表明許多雙螺旋結(jié)構一開始就具有抗性或在消化過程中形成非晶結(jié)構。在重結(jié)晶的木薯淀粉中，雙螺旋晶體的NMR值比XRD測得的結(jié)晶度高10%，表明某些雙螺旋的重復性較差或排列不整齊，因此無法在XRD下衍射。根據(jù)固態(tài)13C-NMR的結(jié)果，與天然淀粉相比，蓮子RS傾向于形成雙螺旋結(jié)構，并且相對結(jié)晶度更高，表明重結(jié)晶在RS形成過程中獲得穩(wěn)定結(jié)構發(fā)揮重要作用。早期研究發(fā)現(xiàn)，稻米抗性淀粉C1的峰值在99～102 ppm較高，而在93～99 ppm和102～106 ppm則較低，這可能是由于稻米RS中的雙螺旋含量較高。

2.2.5 掃描電子顯微鏡觀察RS的表面特性

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)通常用來觀察RS的顆粒形態(tài)。與天然淀粉在SEM下的形態(tài)不同，未純化的RS粉末往往具有不規(guī)則、粗糙、不均勻的形態(tài)，且結(jié)構相對松散；而通過不同處理制備的酶純化RS的SEM圖像則通常具有緊湊、致密的特點，這可能是由于糊化淀粉的再結(jié)晶所致，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子通過氫鍵緊密重排，增加了RS的結(jié)晶度[40]。研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過加熱、酸或酶水解等不同處理后，純化RS或高RS含量原淀粉中的顆粒狀態(tài)會隨非晶結(jié)構的消失而消失。FAN等[41]研究了香蕉果實成熟后RS的微觀結(jié)構變化，與成熟初期表面光滑的淀粉顆粒相比，由于酶的作用，在果實成熟過程中，RS表現(xiàn)為淀粉顆粒表面粗糙皺縮。蓮子RS的SEM圖像顯示，與天然淀粉顆粒的光滑表面相比，由于存在緊密的塊狀結(jié)構，原來的橢圓形消失了。在蓮子RS的表面上還觀察到分層條帶，與在酶解純化后的蓮子RS的粗糙的表面所觀察到的片狀和溝壑狀相比，其結(jié)構更為緊湊。

RS的制備和貯存條件對RS顆粒表面也有影響，由壓熱和脫支處理獲得的香蕉RS在4 ℃下貯存24 h時比在較高溫度下保存的樣品具有更致密的結(jié)構，這可能是由于高溫貯存的淀粉基質(zhì)中存在較多的空腔或通道。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓熱法及老化處理制備的RS3已經(jīng)消失了多孔結(jié)構，很可能是通過酶處理去除的[42]。在玉米改性RS殘留物中觀察到破碎，中空和半殼狀顆粒，很可能是球形顆粒外層的殘留物，因此發(fā)現(xiàn)RS更集中在球形淀粉顆粒的外層或纖維狀淀粉顆粒中。由于回生使顆粒結(jié)構消失，芋頭RS的結(jié)構顯示出連續(xù)網(wǎng)狀和不規(guī)則結(jié)構，并且晶體結(jié)構的增加大大提高了其對酶攻擊的抵抗力。通過化學修飾制備的RS也表現(xiàn)出不同的SEM圖像。POLESI等[42]發(fā)現(xiàn)檸檬酸等化學試劑可以通過通道和腔直接進入淀粉中心的松散組織區(qū)域，從而導致顆粒形態(tài)發(fā)生變化；他們的研究結(jié)果還表明，通過檸檬酸鹽替代產(chǎn)生RS4可以防止顆粒膨脹和糊化。

3 抗性淀粉的結(jié)構對其生理功能的影響

RS具有多種潛在的生理功能，其對人體健康的作用方式主要有2種：(1)在糖代謝方面的作用，防止糖尿病、肥胖等疾病。RS在人體內(nèi)的消化速度緩慢，血糖指數(shù)(glycemic index，GI)值明顯低于葡萄糖。研究發(fā)現(xiàn)，RS能有效提高糖尿病小鼠的葡萄糖耐量，通過干預糖尿病小鼠體內(nèi)的基因表達提高外周組織對胰島素的敏感性，以達到改善胰島素敏感性并調(diào)節(jié)糖脂代謝的目的[43]。(2)RS經(jīng)腸道菌群發(fā)酵后，產(chǎn)生丁酸、丙酸等短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFAs)，可參與細胞代謝，調(diào)控基因表達；同時參與腸道菌群的調(diào)節(jié)，通過對腸道微生物菌群的調(diào)控作用，促進益生菌的生長，保護腸道上皮細胞，進而預防腸道炎癥。

研究發(fā)現(xiàn)，RS結(jié)構對腸道菌群調(diào)節(jié)功能具有一定的影響。RS可以影響結(jié)腸微生物的發(fā)酵，通過益生菌代謝產(chǎn)生SCFAs，使腸道不易患惡性腫瘤，并有助于改善結(jié)腸健康[44]。RS的化學和物理結(jié)構可以極大地影響發(fā)酵的速率和程度及SCFAs生成量，A型結(jié)晶比例較高的RS3，發(fā)酵性能較差，降解速度較慢，細菌產(chǎn)生的SCFAs和丁酸鹽較少；而僅具有B型結(jié)晶的RS3具有較高的發(fā)酵能力，可以產(chǎn)生更高的SCFA和丁酸鹽含量。具體來說，To和Tp值>110 ℃，可使體外SCFA水平在2 000～2 500 mmol/g，丁酸鹽含量達30～60 mol/g；B型多晶型物也能使丁酸鹽產(chǎn)量增加到0.79 mmol/L。RS的分子結(jié)構是決定SCFAs生成的關鍵因素之一，具有支鏈淀粉組分的RS比不具支鏈淀粉組分的RS具有更大的丁酸鹽產(chǎn)量[45]。張巖[46]比較了RS2、干熱法RS和壓熱法RS3發(fā)現(xiàn)，干熱處理可提高SCFAs總濃度，并產(chǎn)生更多的丁酸，這可能是由于干熱法RS的顆粒表面光滑，具有酶解孔徑，該結(jié)構可能更利于微生物的利用與增殖。此外，研究者還發(fā)現(xiàn),薏苡仁RS可以促進雙歧桿菌的增殖，保護雙歧桿菌在模擬胃腸道逆環(huán)境下的耐受性等都與其結(jié)構特性有關。比較了高直鏈玉米淀粉和多種方法制備的薏苡仁RS后，發(fā)現(xiàn)微波法制備的薏苡仁抗性淀粉(MP-SRS3)具有更粗糙的顆粒表面結(jié)構，更有利于雙歧桿菌的黏附繁殖。結(jié)構和物性分析結(jié)果顯示，MP-SRS3分子鏈具有更高的有序程度和雙螺旋比例，有更穩(wěn)定、更完整的結(jié)晶結(jié)構，這些均為MP-SRS3具有更好益生元功效的原因[47]。說明RS的結(jié)構對其改善腸道菌群的生理功能具有重要影響。楊春豐等[48]研究了板栗RS及消化RS，板栗RS及抗消化RS對雙歧桿菌和乳酸桿菌都有顯著的增殖作用，對大腸桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌有強抑制作用，而對糞腸球菌、梭狀桿菌、兼性細菌無明顯影響，這可能與板栗抗性淀粉表面粗糙不平的疊層結(jié)構有關。

而RS對糖代謝的調(diào)節(jié)相關機制可能是通過增加丙酸鹽和醋酸鹽含量從而提高胰島素敏感性，并通過改變腸道微生物菌群提高機體抗氧化能力和減輕炎癥反應。HARAZAKI等[49]實驗發(fā)現(xiàn)，RS2能降低脂肪組織中菌脂多糖受體(CD11c)被補體受體4(CR4)的表達，CR4促進致炎因子的釋放導致機體發(fā)生胰島素抵抗從而影響餐后血糖水平和胰島素分泌。由此推斷RS的結(jié)構對糖代謝的調(diào)節(jié)機制可能存在一定影響，但是相關報道較少，仍需進一步研究。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了RS的分類、制備方法和形成機制，適合RS結(jié)構表征的幾種現(xiàn)代檢測技術的主要原理以及RS結(jié)構在腸道微生物菌群調(diào)節(jié)等生理功能方面的作用。通過RS的結(jié)構表征方法及進展的比較發(fā)現(xiàn)，截至目前，多數(shù)研究集中在RS結(jié)構對腸道微生物發(fā)酵及腸道微生物菌群等生理功能方面的研究，而對糖代謝機制的研究僅限于RS對糖代謝相關基因的調(diào)節(jié)，而對RS的結(jié)構對其調(diào)節(jié)的相關性探討還比較缺乏，這是研究者在未來更應關注的問題。

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網(wǎng)址: 抗性淀粉的結(jié)構性質(zhì)與功能關系研究進展 http://m.u1s5d6.cn/newsview642479.html