淀粉营养研究进展

apple12151007 · 发表于 2010-8-18 13:58:42

　　淀粉营养研究进展

　　汪丽华王统石石满仓

　　能量是维持动物机体生命和生产、活动所必需的营养物质。能量的来源主要包括淀粉和油脂。本文着重对淀粉的特性及研究进展进行简单的介绍。
　　一、淀粉的种类
　　1、按照淀粉分子结构：直链淀粉与支链淀粉
　　从分子结构上可分为直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉是以α-1，4键结合，支链淀粉除α-1，4键外，还有α-1，6键。直链淀粉较支链淀粉分子小、连接葡萄糖链的氢键较强，且易与油脂(脂肪酸)等形成复合物。直链淀粉遇碘变蓝，而支链淀粉遇碘变紫至紫红色。普通玉米中支链淀粉占淀粉总量的73%，直链淀粉占27%;糯玉米胚乳中的淀粉100%为支链淀粉。直链淀粉又称可溶性淀粉，溶于热水后成胶体溶液，容易被消化吸收。支链淀粉是一种具有支链结构的多糖，它不溶于热水中。
　　2、按照消化降解速度：快速消化淀粉(RDS)、缓慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)
　　表1 淀粉体外消化的分类(Egnlyst et al., 1992)

淀粉类型	举例	小肠消化情况
快速消化淀粉(RDS)	新鲜煮熟的淀粉食品	快速消化
慢速消化淀粉(SDS)	大多数生的禾谷类原料	慢但是消化完全
抗性淀粉(RS)		抗性淀粉(RS)
物理包被淀粉	部分研磨的谷物及籽实、豆类	物理包被淀粉
生淀粉颗粒	生马铃薯和香蕉，高直链玉米淀粉	生淀粉颗粒
老化淀粉	煮熟后冷却的土豆、面包和玉米片	老化淀粉
化学改性淀粉	磷酸化淀粉等	化学改性淀粉

　　按照消化速度，淀粉可分为快速消化淀粉(RDS)、缓慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。而根据淀粉来源和抗酶解性的不同，又可将抗性淀粉(RS)分为4类：RSl、RS2、RS3、RS4。见表1。
　　RSl指的是由于机械加工而使淀粉颗粒发生物理屏蔽作用，被锁在植物细胞壁上使其不能为淀粉酶所作用的部分。常见于轻度碾磨的谷类、豆类中，也称为物理包埋淀粉。这类RS易受咀嚼或加工方式影响。
　　RS2主要见于未加工的或未蒸煮的马铃薯、香蕉(特别是绿色时)和高直链淀粉。因其物质结构如结晶结构、密度大等特点而产生抗消化性。RSl和RS2经过适当加工后仍可被淀粉酶消化吸收。
　　RS3(老化淀粉)是最重要也是最主要的抗性淀粉，是凝沉的淀粉聚合物。淀粉经糊化后冷却形成老化淀粉，分为RS3a和RS3b两部分，其中RS3a为凝沉的支链淀粉，RS3b为凝沉的直链淀粉。RS3b的抗酶解性最强，而RS3a可经过再加热而被淀粉酶降解。
　　RS4包括化学改性、商业用的变性淀粉。主要由基因改造或化学方法引起的分子结构变化等所产生，如乙酰基、羟丙基淀粉，热变性淀粉以及磷酸化淀粉等。见表2。
　　表2 一些碳水化合物的体外消化率 (g/100g 干物质) (Englyst et al. 1992)

举例	快速消化淀粉	慢速消化淀粉	抗性淀粉	总淀粉	淀粉消化指数	快速可利用葡萄糖
面粉	40	39	2	81	49	40
玉米	73	2	3	78	94	81
燕麦	57	6	2	65	88	49
生大米	60	12	6	78	93	81
煮熟大米	78	1	<1	79	98	86
土豆淀粉（生）	6	19	75	99	6	5
香蕉粉	3	15	57	75	4	6
Faba豆	27	16	6	49	55	8
豌豆	12	2	5	20	60	9
葡萄糖	100			100	100	100

　　二、淀粉的糊化与老化
　　1.淀粉糊化
　　淀粉糊化过程是在一定温度、水分条件下进行的，完全糊化需要淀粉与水分和热的充分接触。糊化反应可分为三步：第一步：淀粉的非结晶区开始发生水合作用，水分子介入其间，破坏原有的氢键，所以此时淀粉粒体积及粘度开始增大;第二步：不定形、非结晶区的水合作用达到某一极限;第三步：水分子进入结晶区域，完全破坏淀粉的固有物性。在淀粉糊化的过程中，淀粉糊粘度先升高达到高峰后开始下降。
　　淀粉的糊化温度在不同品种间存在差别，同一种淀粉在大小不同颗粒间也存在差别。大颗粒易糊化，糊化温度低;小颗粒难糊化，糊化温度高。所以糊化温度是一个范围，相差约10℃。低温为糊化开始温度，高温为糊化完成温度。见表3。
　　表3 几种淀粉糊化温度

淀粉	糊化温度
普通玉米	62-72
糯玉米	65-75
小麦	58-64
大米	68-78
高粱	68-78
马铃薯	56-68
木薯	52-64
甘薯	58-74

　　2、淀粉老化(回生)
　　淀粉老化是淀粉糊化的逆过程，此类淀粉属于RS3类。完全糊化后的淀粉，若让其自然冷却，就会发生氢键再度结合，使淀粉胶体内水分逐渐脱离，即发生离水作用，最终形成难以复水的结晶物，这就是老化的淀粉。其实质为直链淀粉分子相互靠近，通过分子间氢键形成双螺旋，许多双螺旋相互叠加形成许多微小的晶核，晶核不断生长、成熟，成为更大的直链淀粉结晶(RS3b)。直链淀粉结晶区的出现会阻止淀粉酶靠近淀粉结晶区域的α—1，4葡萄糖苷键，并阻止淀粉酶活性中心的结合部位与淀粉分子结合，从而赋予了直链淀粉结晶抗淀粉酶的消化能力。直链淀粉分子结晶后，支链淀粉分子的一些侧链也通过氢键连接开始缓慢结晶，但这种由支链淀粉形成的结晶可以缓慢的被消化(RS3a)。糊化的淀粉在2～4℃时最易老化。 Mee Ra Kweon等(1997)研究发现，经糊化再冷却处理后的淀粉所产生的抗性淀粉会随着淀粉分子中直链淀粉含量的增加而增加，直链淀粉含量与抗性淀粉的得率成正比。
　　三、提高淀粉消化率的方法
　　1、化学方法
　　1.1 酶制剂
　　主要用于饲料工业的淀粉酶有α—淀粉酶、支链淀粉酶和葡萄糖淀粉酶。支链淀粉酶的特点是，能专一性的切开支链淀粉和糖原等分支点的α—1，6糖苷键，形成直链淀粉。Siversides等(1999)，Summers(2001)等报道了在肉鸡玉米-豆粕型日粮中使用复合酶制剂(淀粉酶，蛋白酶和木聚糖酶)后，提高了饲料的代谢能值和蛋白质消化率。
　　1.2 化合物
　　化合物影响淀粉的糊化难易。氢氧化钠、尿素、二甲基亚砜、水杨酸盐、硫氰酸盐、碘
　　化物等促进糊化，糊化温度降低;硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、蔗糖等则相反。见表4。
　　2、物理方法：促进淀粉糊化，减缓糊化淀粉的老化
　　糊化处理使淀粉分子本身的结构发生变化，容易接受酶的作用，消化率增加。使淀粉糊化的最常用方法有蒸、煮、炸等。小规模养殖，可以使用煮、蒸和炸的方法。但在日趋集约化的今天，机器的使用则提高了淀粉糊化的效率，包括热滚法、喷雾法、挤压膨化、脉冲喷汽和微波法。热滚法是利用滚筒干燥机，分为配浆、糊化、稠化和干燥四步;喷雾法是在连续的喷射蒸煮器中，用高压蒸汽同淀粉乳混合糊化，然后快速干燥;脉冲喷气法是用频率为250/S的脉冲喷气燃气机将含水35%的淀粉雾化、糊化和干燥;微波法是用微波将淀粉糊化，干燥，然后经过粉碎得产品。挤压膨化法最为常见，下面重点介绍。见表5。
　　表4 化合物对淀粉糊化温度的影响

化合物（%）	糊化温度（℃）
NaOH 0.2	56-60
0.3	49-65
NaCL 1.5	68-73
3.0	70-79
6.0	75-83
Na2CO3 5.0	64-75
10.0	67-76
20.0	78-87
30.0	92-103
蔗糖 5.0	61-72
10.0	60-74
20.0	65-78
30.0	70-81
40.0	72-85
50.0	76-91
60.0	84-97

　　2.1 挤压膨化法
　　挤压膨化法是利用螺旋挤压机使淀粉糊化，再由小孔以爆发式喷出，干燥得产品。淀粉经过膨化后，其淀粉结构发生变化，表现在支链淀粉和直链淀粉的比例发生了变化，其总淀粉含量降低(淀粉糊精化)，同时其支链淀粉含量也降低，而直链淀粉含量却增加。最常见的就是玉米的挤压膨化。
　　当玉米粉与蒸汽和水混合时，淀粉颗粒开始吸水膨胀，通过膨化腔时，迅速升高的温度及螺旋叶片的揉搓使淀粉颗粒加速吸水，晶体结构开始解体，氢键断裂，膨胀的淀粉粒开始破裂，变成一种粘稠的熔融体，在膨化机出口处由于瞬间的压力骤降，蒸汽(水分)瞬间散失使大量的膨胀淀粉粒崩解，淀粉糊化。高温、高压及机械剪切使挤压膨化比其它加工方式产生的淀粉糊化更彻底，一般糊化度可达80%～100%，与常规的煮熟工艺相比，能使植物细胞壁破裂，淀粉链更短，从而更有效地提高消化率。但是值得注意的是：完全糊化后的淀粉，若在80～120℃高温下迅速脱水干燥，则可以防止其分子长链间有太多机会产生新的氢键结合，防止糊化的淀粉老化。但是完全糊化的淀粉还是会有小部分发生老化现象。例如馒头和面包中分别含有约1%和2%的老化淀粉。
　　影响玉米膨化的因素比较多，主要是水分、膨化温度、膨化压差及腔内机械剪切力，这也是目前膨化生产中可以控制的几个因素。玉米挤压膨化分为干法和湿法两种。所谓湿法是指蒸汽预调质后再膨化，干法是没有蒸汽预调质，直接膨化。一般地，湿法生产比干法生产效率高，但需要蒸汽锅炉，投资要比干法大一些。
　　表5 生玉米与不同加工方式对淀粉糊化度(%)的影响

项目	生玉米	烘烤	爆裂	蒸汽压片	挤压膨化	制粒	膨胀
糊化度	28.57	30.6	46.1	60-70	80-100	25-40	40-70

　　2.2 蒸汽压片
　　蒸汽压片一般是将谷物100―110℃蒸汽调质30―60分钟，使谷物水分含量达到16%―20%，然后用预热后的压辊碾压成特定密度的谷物片。干法压扁是使干谷物通过直径较大的压辊(>45.7cm)压成一些小块(类似于粗粉碎)，堆积密度约为0.52―0.64kg/l。
　　2.3 减缓糊化淀粉的老化
　　对已经糊化的淀粉采取措施防止或延缓老化，间接提高淀粉的消化率。一般可采取低水分含量，进行瞬时脱水干燥，以及添加油脂、蔗糖、乳化剂等方法来控制淀粉的老化速度。单苷酯可与直链淀粉形成复合物减少抗性淀粉RS3的含量，磷脂、油酸和大豆油等都会使抗性淀粉RS3含量降低，马铃薯直链淀粉与油酸的复合物抗消化性非常高，但在马铃薯直链淀粉中同时加入油酸和十二烷基磺酸钠，则又会使抗性淀粉RS3的含量降低。
　　四、淀粉的消化吸收
　　1、猪
　　小猪刚出生时，α-淀粉酶活性很低，4周龄后则增长很快。相比较，唾液α-淀粉酶活性在新生猪和成年猪中都很低。而且唾液α-淀粉酶在酸性条件下不稳定，在胃中可被快速降解。所以唾液α-淀粉酶对淀粉的降解作用并不显著。安装猪回肠瘘管的绝大多数研究表明当食糜到达小肠末段时大多数淀粉已经被吸收。
　　2、鸡和鸭
　　鸡唾液和胃内含较少淀粉酶，淀粉到达小肠之前是没有发生酶解的。嗉囊黏液的软化、腺胃的混合、肌胃的磨碎，使得淀粉进入小肠后能与淀粉酶更好地接触而被消化，抗性淀粉则进入大肠发酵。小肠是淀粉进行消化和吸收的主要场所。小肠明显的逆蠕动常使食糜往返于肠段之间，甚至逆流入肌胃。在α- 淀粉酶(空肠处活性最强)的作用下，直链淀粉被逐渐降解为麦芽糖、麦芽三糖;支链淀粉被逐渐降解为麦芽糖、麦芽三糖和α-糊精。小肠表面刷状缘释放的异麦芽糖酶进一步降解α-糊精中的α-1,6糖苷键。这些二糖然后经寡糖酶彻底分解为单糖，最终转化为葡萄糖，由肠壁吸收进入血液而参与体内中间代谢。
　　鸭与鸡类似。
　　3、反刍动物
　　淀粉在反刍动物中的应用研究较多。淀粉在瘤胃内大部分被微生物发酵为挥发性脂肪酸(VFA)，一部分VFA作为碳架，被整合为微生物蛋白;另一部分VFA经瘤胃吸收进入血液参与代谢。未被瘤胃降解的淀粉直接进入皱胃和小肠(过瘤胃淀粉)，在消化酶的作用下分解为葡萄糖后被吸收利用。小肠中未被消化吸收的淀粉和葡萄糖，在进入到大肠后又被微生物发酵,部分吸收后，排出体外。
　　关于处理后淀粉消化降解的研究，结果不尽一致。Goelema(1999)认为：膨化处理时的剪切力造成颗粒变小，而颗粒大小与淀粉凝胶化、瘤胃内蛋白质和淀粉的降解率呈负相关。Peisker(1993)报道，给奶牛饲喂膨化饲料比饲喂未膨化饲料产奶量提高。但有相反的结论，Arieli等(1995)研究认为膨化处理导致淀粉在瘤胃的降解率减少。也有人发现，用蒸汽压片处理玉米时，提高淀粉消化率的效果要比细粉碎处理好，但出现了瘤胃pH值和纤维素消化率降低的现象，尽管提高了产奶量，但乳脂率有所下降。
　　4、人
　　人的淀粉消化吸收的研究，目前主要集中于抗性淀粉。Cairns P(1998)，赵凯等(2002)和王萍(1999)报道抗性淀粉对糖尿病患者具有较少的胰岛素反应，能降低糖尿病患者饭后的血糖值，尤其对于非胰岛素依赖型病人，经摄食抗性淀粉，可延缓餐后血糖上升，将有效控制糖尿病病情。Baghurst(1996)认为抗性淀粉还可以增加粪便体积，对于便秘、肛门直肠疾病等症状有良好的预防效果。此外随粪便体积增加，还可将肠道中有毒物质稀释以防癌症疾病的发生。Marlett等(1996)研究发现抗性淀粉在人体肠道内微生物作用下，还可产生短链脂肪酸代谢物，降低结肠pH值，减少肠道运送排泄物的时间，增加排便量等。此外抗性淀粉也被推荐为减肥食品。抗性淀粉对体重的控制来自两方面：Ranhotra (1996)认为是增加脂肪排除，减少能量摄入，减少肥胖的发生;De Deckere(1993)认为是抗性淀粉本身所含热量远低于淀粉的能量值。
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