抗性淀粉结构特性和肠道菌群调节功能的研究进展

抗性淀粉是一种新型的膳食纤维，被定义为“不被健康个体小肠所吸收的淀粉及其降解物的总称”。根据植物来源、品种、生长阶段、部位以及处理方式的不同，可将抗性淀粉分为物理性包埋淀粉（RS1）、天然抗性淀粉颗粒（RS2）、回生淀粉（RS3）、化学改性淀粉（RS4）、直链淀粉-脂肪复合淀粉（RS5）5类。

国内外研究者对不同来源抗性淀粉结构特征与肠道菌群调节功能之间的关系进行了探究，发现抗性淀粉与肠道菌群两者共存可产生积极效应。其原因是肠道中有益微生物对抗性淀粉的发酵作用与肠道有益微生物代谢碳水化合物产生的短链脂肪酸（SCFAs）共同促进机体健康。此外，抗性淀粉对炎性肠病、肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、慢性肾病、短肠综合症、癌症（胰肠癌、结肠癌）等疾病的发生有重要的预防及调控作用，并可进一步影响骨密度和炎症以及紧密连接蛋白基因的表达。

福建农林大学食品科学学院的林炎、王培鑫和曾红亮*等人综述了国内外抗性淀粉结构特性和肠道菌群调节功能的研究进展，比较了不同抗性淀粉的表观结构、晶体结构和分子结构等结构特性，介绍了抗性淀粉的益生作用及肠道菌群调节功能，在此基础上，分析和探讨了抗性淀粉结构特性对肠道菌群调节功能的影响。研究结果为开发具有肠道菌群调节功能的特异性结构抗性淀粉提供了一定的理论依据和科学指导。

1. 抗性淀粉的定义及分类

2. 抗性淀粉的制备和测定

不同植物来源的淀粉在加工过程中通过施以不同时间、不同温度、不同方式而达到提高抗性淀粉含量的目的，其中物理处理法、化学改性法、脂质复合法以及生物改进法已形成一定的理论体系（图1）。

目前，国际上常用的抗性淀粉含量测定方法分为体内直接法（测定体内未被小肠吸收的淀粉及其降解物）和体外间接法（不被淀粉酶水解的淀粉含量）。体内直接法包括测定人体肺部呼吸释放的氢气含量、回肠造口术法以及插管法；体外间接法是利用消化前后淀粉质量的差值而进行的研究，主要方法包括Bjrck方法、Berry方法、Englyst方法、Champ方法、Goi方法、Akerberg方法、McCleary方法、AOAC方法、AACC推荐方法、直接法（基于Englyst和Champ方法）、猪胰α-淀粉酶法、耐高温α-淀粉酶法。目前，以AOAC方法以及AACC方法为基础的Megazyme试剂盒因其适用范围广、使用方便及准确率高的特点在分析实验室中得到广泛的推广及应用。

3. 抗性淀粉的表观结构特性

抗性淀粉的表观结构在扫描电子显微镜或透射电子显微镜的观察下呈现块状、层状，其中根据块状颗粒表面形态分为沟壑块状、孔洞块状或网络块状/蜂窝块状以及复合状（图2）。例如，在糊化过程中持续加热或是酶处理的马铃薯淀粉（图2a）颗粒易发生溶胀以及熔化，向无定形状态转变，并与周边的淀粉偶联形成海绵状结构，促进老化阶段内部双螺旋结构生成，形成更为致密的晶体结构，易产生凹陷孔洞以及蜂窝状结构及复合状，但并非所有经过酶处理的抗性淀粉都以块状为主，有研究发现经过α-淀粉酶处理后的苦荞抗性淀粉呈现片状结构（图2g）；对薏仁抗性淀粉（图2b）进行微波处理后发现，其表面粗糙程度较大并形成密集的条纹状沟壑，而在超声辅酶压热法的研究中发现其呈现出孔洞状结构特征（图2d）；常见的淀粉处理以高压均质、高速剪切以及超声波等外界辅助压力与交联技术相互结合的处理方式进行，主要原因是淀粉在交联过程中分子链之间的相互作用增强，易发生团聚现象，多呈现出沟槽层状结构乃至于出现单颗粒上的立体网状结构，例如经过高压均质-反相乳化交联法制得的RS4基纳米抗性淀粉（图2e），但值得注意的是团聚现象的发生与交联化、酰化程度有一定的联系，例如，当乙酰化的取代度较低时，抗性淀粉的表征形貌无法出现融合、皱缩、孔洞甚至于网状结构。因此，抗性淀粉的形貌特征不仅与淀粉来源有关，还与抗性淀粉形成前后的处理方式密切相关。当抗性淀粉属于同一来源时，处理方式的差异会导致表观结构可能存在不同。

4. 抗性淀粉的晶体结构特性

抗性淀粉存在4 种不同的晶体结构类型，分别是A型、B型、C型、V型晶体结构。A型结构（衍射角2θ为15°、17°、18°、23°的单斜晶胞）大多数存在于谷类淀粉中，B型结构（衍射角为2θ为5.6°、17°、22°、24°的六方晶胞）的抗性淀粉主要是由链长为30～44 个葡萄糖分子的支链淀粉与直链淀粉交错缠绕组成，当其经过压热-酶解处理，芸豆淀粉、鹰嘴豆淀粉、红豆淀粉等均呈现B型晶体结构。有研究表明，压热法处理通常会使得抗性淀粉从A型结晶向B型结晶转化。C型晶体结构（衍射角2θ为5.7°、15.3°、17.2°、18.3°、23.5°）是A型与B型晶体结构的混合物，主要有芋头、甘薯等块根淀粉以及某些豆类淀粉，其中C型又被分为Ca、Cb、Cc、Ca型接近于A型，Cb型倾向于B型，有研究表明，经过微波双酶法、湿热酶法、微波湿热法制得的马铃薯抗性淀粉更接近于Cb型，结晶度为29.12%～30.52%，而2次循环湿热法制得的马铃薯抗性淀粉更接近于Ca型，结晶度为28.65%。V型晶体结构（衍射角2θ为7.4°、13°、19.8°）主要存在直链淀粉和磷酸单酯、脂肪酸等复合物以及糊化后的淀粉（即RS5型抗性淀粉）之中，又被分为V6I、V6II、V6III、V8。有研究表明不同晶型复合物主要区别在于脂质进入直链淀粉螺旋腔内的程度。普通玉米淀粉经过复合酶的处理，抗性淀粉的晶型由B＋V型向V型发生转变，正是因为晶体结构的改变导致了RS3抗酶性能的增加。

5. 抗性淀粉的分子结构特性

有研究结果表明，FT-IR图所呈现的特征吸收频率对应不同的基团类型，通常情况下RS3型淀粉可通过995 cm-1和1 047 cm-1处的吸收峰变化判断晶体结构的改变，1 047 cm-1和995 cm-1处的吸收峰分别与抗性淀粉的有序结构和水合结晶有关，1 022 cm-1处的峰与无定形结构有关，利用1 047/1 022 cm-1和995/1 022 cm-1峰值比来表示淀粉颗粒外部区域的有序程度或是双螺旋的内部变化。RS4型抗性淀粉是淀粉经过醚化、酰化或是交联作用后得到的改性淀粉，研究表明RS4荞麦抗性淀粉在990～1 050 cm-1处出现吸收峰，这个波段是P—O—C基团的吸收峰，证明了RS4荞麦抗性淀粉中有淀粉磷酸酯的生成；乙酰化处理的马铃薯淀粉在1 730 cm-1处出现强吸收峰，可以判定该反应过程中产生了乙酰化基团，这与酯化反应过程中产生的1 746 cm-1处的新峰所代表的酯羰基基团极为相似。

此外，还可通过紫外分光光度计、高效分子排阻色谱和激光衍射法粒度分析仪等仪器测量抗性淀粉的直链淀粉含量、聚合度、分子质量分布等分子结构特征。研究表明抗性淀粉的分子结构特征会因为植物来源以及处理方式的不同而呈现出的差异性。而同一来源马铃薯淀粉经过微波、双酶、湿热法等不同方式处理后，它们的分子质量分布也呈现较大的差异。但值得关注的是，木薯淀粉原料以及蜡质玉米淀粉经过颗粒淀粉高支化修饰后形成的抗性淀粉含量与直链淀粉含量均有较大差异。

6. 抗性淀粉的肠道菌群调节功能

6.1 抗性淀粉对益生菌的影响

益生元与益生菌存在共生关系，由于抗性淀粉可作为底物被结肠微生物发酵并利用，因此具有促进益生菌生长及增强其活性的作用，并且能够与其他益生元膳食纤维相互作用发挥其益生元效应。

6.2 抗性淀粉对肠道菌群的影响

机体健康和肠道中微生物群落有着密不可分的联系，人体肠道细菌的种类超过1 000种，细菌的细胞总数高达4×1013 个左右，成年人的肠道细菌与自身细胞数之比约为1∶1。肠道微生物生态系统处于动态变化之中，受基因、肠道位置、健康状况、年龄、药物、补充剂和饮食等诸多因素的影响。饮食是塑造肠道微生物群组成和影响肠道群落功能的关键因素。

6.3 抗性淀粉调节肠道菌群产生SCFAs的微生物机制

肠道微生物通过部分或完全发酵饮食中无法完全被酶水解的抗性淀粉，代谢产生SCFAs（其中乙酸盐相对含量高于60%、丁酸相对含量69.5%、丙酸相对含量50.2%、戊酸相对含量44.1%、异戊酸相对含量20.3%、己酸相对含量19.2%）、乳酸和其他产物。结肠是人体内SCFAs的主要产生部位，这些SCFAs多是由未消化的底物在结肠内被厌氧菌酵解产生的乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等组成。由于机体内肠道环境各异、肠道发酵位置、发酵底物以及肠道内发酵菌的种类（淀粉利用菌、丁酸产生菌）不同，对应产生的SCFAs的种类、数量以及对肠道功能及机体健康所发挥的作用也不相同。

7. 抗性淀粉结构对肠道菌群调节功能的影响

抗性淀粉的表观结构特征影响肠道菌群调节功能，这可能是肠道微生物对淀粉底物结构特征的敏感性所造成的，而这类调控机理可能是受淀粉颗粒的表面形态及颗粒内部精细结构所影响。目前，关于抗性淀粉结构对肠道菌群相关性影响的研究内容相对较少，尤其是不同晶体结构以及分子结构对肠道菌群的调节功能等方面的影响，仍需进一步的研究。

8. 抗性淀粉的开发与利用趋势

抗性淀粉的加工特性及益生作用使其具有较为广泛的可利用空间。抗性淀粉添加于面包类食品中以改善色泽、口感，因此可以达到优化加工工艺、提高感官评价的效果；添加于油炸食品中以提升表面的脆度和硬度，加深油炸食品表面的金黄色达到增加食欲的效果；添加于面条制品中可以降低含油量，加深色泽，同时提高面制品的营养价值。除此之外，抗性淀粉还可作为益生元被添加到食品中，主要的作用有：1）作为发酵底物为有益菌的生长提供能量；2）作为新型的可溶性膳食纤维为机体提供益生作用；3）作为包埋性微胶囊材料提高食品的稳定性。目前，行业内有关抗性淀粉的应用主要集中在药物载体方面，特别是口服结肠定位给药系统（需具备阻止胃液和肠液降解的能力）的理想药物载体。

结 语

随着生活水平的提高，人们对于食品营养与身体健康之间关系的关注度逐渐提升，近年来抗性淀粉因其肠道菌群调节功能的特殊性质而进入大众的视野。抗性淀粉来源广、涉及类别较多，可通过物理、化学、生物酶促法等方法进行制备。本文从不同类别抗性淀粉的表观结构、分子结构、晶体结构3方面介绍抗性淀粉结构特性对其肠道菌群调节功能影响，未来研究方向可从以下4个方面进行探究：1）建立加工条件与抗性淀粉原子和分子等多次度结构之间关系；2）通过Pearson（皮尔逊）、Kendall（肯德尔）和Spearman（斯皮尔曼）等相关性指数建立结构与肠道菌群调节功能的关系；3）进一步研究结构特性对肠道菌群调节功能的分子机制；4）通过多组学研究这种肠道菌群的调节与机体健康的关系等。

除此之外，抗性淀粉精细结构与肠道菌群调节功能的关系也是近年来所研究的热点问题。但就目前的情况而言，关于抗性淀粉结构特性对肠道菌群调节功能的作用机制尚未明确。因此，需建立抗性淀粉结构特性与体外/体内定量的研究方法，为后期抗性淀粉应用于药物载体、结肠系统定点治疗提供有力的理论基础。

本文《抗性淀粉结构特性和肠道菌群调节功能的研究进展》来源于《食品科学》2020年41卷11期222-232页，作者：林炎，王培鑫，吕芳澜，张怡，郑宝东，曾红亮。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190611-113。

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在成功召开“2019年动物源食品科学与人类健康国际研讨会（宁波）”的基础上，将与青海大学农牧学院于2020年10月22-23日在西宁共同举办“2020年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。研讨会将就肉、水产、禽蛋、乳制品等动物源食品科学基础研究、现代化加工技术，贮藏、保鲜及运输，质量安全与检测技术，营养及风味成分分析，副产物综合利用，法律、法规及发展政策等方面的重大理论研究展开深入探讨，交流和借鉴国外经验，为广大食品科研工作者和生产者提供新的思路，指明发展方向。

在此，我们诚挚的邀请您出席本次国际研讨会，共聚人脉、共享资源、共谋发展！

修改/编辑：袁月；责任编辑：张睿梅

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