稻米功能性淀粉---抗性淀粉rs.doc

第四章 稻米功能性淀粉-抗性淀粉随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们的生活方式与饮食习惯也正经历着前所未有的变革。我国居民传统上历来以谷物为主食，但现在谷类的消费量不断下降，肉和蛋等高脂肪和高蛋白类食物的摄入量不断上升。生活方式和饮食习惯的日益西化和人口的老龄化，已对国民的身体素质产生了严重影响，并导致人类疾病谱发生了重大转变。糖尿病、心血管病、肥胖症、高血脂症、高血压等慢性疾病比例不断上升，已成为全球性重大的公共卫生问题。有人预言，到2015年，生活方式疾病将成为人类的头号杀手。在这些疾病中，尤以糖尿病的发病率增长显著。据估计，目前我国约有3000万糖尿病患者，4000万糖耐量降低者，其中II型糖尿病（非胰岛素依赖型）约占发病的95%。尤其值得注意的是，糖尿病患者对疾病的知晓率低于40%，能合理控制血糖者更是低于60%，每年有数十万患者死于糖尿病及其并发症。这样严重危害人类健康与生命的疾病目前正以每年1%的惊人速度增长，专家预测，到2025年全球糖尿病患者将高达2.99亿人。由于对病因和发病机制尚未充分了解，到目前为止还没有一种方法可以根治糖尿病。但是，已有的证据充分表明：通过综合治疗方法成功可控制血糖，预防和减少糖尿病微血管并发症和其它并发症的发生。我国学者结合国内外的实际经验，提出了糖尿病“五驾马车”的综合治疗原则，即“饮食治疗”、“运动治疗”、“心理治疗”、“血糖监测”和“药物治疗”相结合，其中“饮食治疗”是国内外学者公认的“驾辕之马”，是糖尿病的主要防治手段，亦即科学合理的膳食结构，是预防该类疾病发生的关键。糖尿病的发病和治疗均与饮食密切相关。饮食中的碳水化合物，尤其是淀粉，是自然界来源丰富、分布广泛、产量大、消费多的主要能源物质，与血糖稳定和脂肪代谢密切相关。研究碳水化合物与糖尿病发生、发展之间的关系，对于指导人们合理饮食极其重要。但长久以来，人们对淀粉认识很少，认为它除了能够提供能量之外，没有其它特殊功效，而且所有淀粉在机体内都是以同一速度消化吸收，对血糖应答的影响也无区别。在这一观点的误导下，很长一段时间内对糖尿病的膳食指导中将淀粉的摄入进行限制。近年来，随着分析手段和研究方法的进步，人们对碳水化合物的认识逐渐加深。淀粉是人类最重要的碳水化合物来源和首要的能量来源，约占人类所消耗食品组成的30%和能源的60%70%，在人们的日常生活中发挥着不可替代的作用。抗性淀粉概念的出现，不仅丰富了淀粉的分类，而且使淀粉在人体内被完全消化和吸收的传统观念受到了挑战。在营养概念发生巨变的今天，人们注重的不仅仅是解决生存和温饱的问题，更关心的是自身健康和减少疾病的威胁，兼顾功能与营养的抗性淀粉自然引起了食品、医药和农业等领域的极大兴趣，成为功能食品研究和开发的热点。本章节在简述抗性淀粉的概念定义、分类检测、理化特性、健康功能及其形成因素的基础上，分析了高抗性淀粉食品开发的重要背景及其主要途径，重点介绍了高抗性淀粉稻米遗传育种和特征特性的研究进展。4.1抗性淀粉的定义、分类和检测4.1.1 抗性淀粉的定义从抗性淀粉的名称来看，它属于淀粉中的一类。长期以来，淀粉一直被认为可被人体完全消化吸收，因为人体的排泄物中未曾检测到淀粉成分的残留。1982年，研究人员对膳食纤维进行定量分析时，在不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber, IDF)中发现了淀粉成分，这与原来的设想不同，并非所有的淀粉都被酶消化，而是有一部分淀粉不能被酶水解，被包埋在不溶性膳食纤维之中。英国生理学家Englyst等首次将这类淀粉命名为酶抗淀粉，即抗性淀粉(Resistant starch, RS)。淀粉是人类膳食中主要的碳水化合物，根据最新营养学分类，淀粉可分为快速消化淀粉(Rapid digested starch, RDS)、缓慢消化淀粉(Slowly digested starch, SDS)和抗性淀粉(Resistant starch，RS)，见图4-1。图4-1淀粉快慢消化模式图快速消化淀粉能迅速在小肠中消化吸收，血糖应答高；缓慢消化淀粉在小肠中缓慢消化，血糖应答低；抗性淀粉不能被小肠中的淀粉酶水解，不引起血糖应答。可消化淀粉（淀粉颗粒）逐步消化成葡萄糖残基的示意见图4-2，淀粉酶解产物及转化为葡萄糖代谢的示意见图4-3。图4-2淀粉消化成葡萄糖残基的过程示意图（引自Dinges博士论文，2001）图4-3淀粉酶解产物及转化为葡萄糖代谢的过程示意图关于抗性淀粉的定义，目前被普遍接受的是1992年FAO根据Englyst和欧洲抗性淀粉研究协会(European Flair Concerted Action on Resistant Starch, EURESTA)研究得出的-即在健康者小肠中不吸收的淀粉及其降解产物。抗性淀粉是一种新型的膳食纤维。由于抗性淀粉在预防II型糖尿病、结（直）肠癌和一些饮食相关的慢性病方面作用比膳食纤维强，且可有效克服强化纤维食品呈不良气味、结构粗糙、口感干、缺乏吸引力等弊端，所以抗性淀粉引起了人们的极大兴趣，其理化性质（如分子量、聚合度、空间结构等）、体内外消化情况、生理效果、制备方法、测定方法、以及在食品中的应用等，已成为研究热点，是国际上新兴的功能食品研究的重要领域。4.1.2抗性淀粉的分类目前，尚无抗性淀粉化学上的精确分类，Englyst等(1992)、Niba(2002)、Thompson(2000)等学者根据淀粉的来源和抗酶解特性的不同，将抗性淀粉分成四类：RSl、RS2、RS3和RS4。RS1：物理难接近淀粉(Physically inaccessible starch)，是淀粉颗粒因细胞壁的屏障作用、蛋白质的隔离作用或机械加工的包埋而使淀粉酶无法接近的淀粉。加工时的粉碎、碾磨及饮食时的咀嚼等物理动作可改变其含量，常见于轻度碾磨的谷类、豆类等籽粒或种子中。RS1具有酶抗作用是由于酶分子很难与淀粉颗粒接近，并不是由于淀粉本身具有酶抗性能。RS2：抗性淀粉颗粒(Resistant granules)，是天然具有抗消化性的淀粉，它因其物质结构（如结晶结构、密度大等）而产生抗消化性。这类淀粉通常存在于一些生的未经糊化的淀粉，如生的薯类、香蕉、生米和面中。Englyst等(1992)研究发现，RS2具有酶抗性是因为淀粉粒没有糊化时，颗粒的致密结构以及晶体结构不能被淀粉酶所作用，亦即RS2具有特殊构象或结晶结构，对酶表现高度抗性。RSl和RS2经过适当的加工方法处理后仍可被淀粉酶消化吸收。RS3：回生淀粉(Retrograded starch)或老化淀粉，是凝沉的淀粉聚合物，主要由糊化的淀粉冷却后形成。此类淀粉包括RS3a和RS3b两种，其中RS3a为凝沉的支链淀粉，RS3b为凝沉的直链淀粉。RS3b的抗性更强，而RS3a经再加热后可被淀粉酶降解。目前，对于RS3抗酶解的机理存在以下两种不同的解释：一种认为直链淀粉晶体的形成阻止了淀粉酶靠近结晶区域的葡萄糖苷键，并阻碍淀粉酶活性基团中的结合部位与淀粉分子相结合，因而使得RS3产生抗酶解性；另一种则认为RS3之所以能抵抗酶的水解，是因为形成直链淀粉晶体的双螺旋之间存在较强的氢键及范德华力，使得RS3的分子结构非常牢固，热稳定性强，因而在人体的胃肠道内不能被消化吸收。RS3溶解于2mol/L KOH溶液或二甲亚砜后，能被淀粉酶水解，说明RS3是一种物理变性淀粉。RS4：化学修饰淀粉(Chemically modified starch)，是由基因改造或化学改性引起淀粉分子结构发生变化以及由于酶抑制剂或抗营养因子的存在从而产生酶抗性能的一类抗性淀粉，主要为醚化、脂化或交连的淀粉，如乙酰基淀粉、羟丙基淀粉以及磷酸化淀粉等。Thompson(2000)通过淀粉分子间磷酸二脂键的交联，可使抗性淀粉提高到40%98%。不同的改性方法对淀粉分子结构有不同的影响，但实验显示，同时采用多种改性方法比单一改性更能提高抗性淀粉的产量。化学改性能够使取代的片段产生抗酶解性，而不被淀粉酶水解。上述各类型中，RS3最具市场应用前景，是最主要的抗性淀粉，也是国内外研究的重点。4.1.3抗性淀粉的检测抗性淀粉含量的测定方法，按操作在体内与体外的不同，可分为体外法和体内法；按测定原理的不同，可分为直接法和间接法。同时，根据使用的-淀粉酶的种类不同，可分为使用胰腺-淀粉酶的PPA法和使用耐高温-淀粉酶的TSA法两类。直接法最早由Englyst等(1992)提出的，是先通过-淀粉酶水解淀粉将食物中的可消化淀粉除去，测定残留部分所含的淀粉。间接法是由Bjrck等(1987)提出，是通过测定食物中的总淀粉和可消化淀粉，以二者之差表示。尽管抗性淀粉的测定方法很多，但基本原理是一致的，都是利用抗性淀粉的抗酶解性和抗性淀粉能溶解于KOH或二甲亚砜溶液而能重新被淀粉酶作用的性质。但是，这些方法均存在明显的不足，因为抗性淀粉的定义是以活体为背景的，而现有方法只是在体外条件下模拟测定了抗酶解的部分。严格来说，现有方法只是测定了抗酶解的部分，所测结果只能被称为抗酶解淀粉的含量。因此，现有方法都未成为法定的抗性淀粉含量测定方法。与此同时，由于抗性淀粉的抗性一词是针对人体消化系统而言的，所以即便要在体外条件下准确测定抗性淀粉含量，也必须尽可能地模拟健康成年人消化系统的环境条件。测定抗性淀粉含量的方法很多，结果差异较大，重现性差。目前，普遍接受和常用的方法是经Gni等(1996)改进后的直接法。该方法的基本步骤包括：除去蛋白质，消化可溶性淀粉，酶水解及测定抗性淀粉（以0.9倍葡萄糖mg数表示）。这种方法不仅适合于测定抗性淀粉含量高的食品，也适用于测定抗性淀粉含量低于1%的样品。与间接法比较，该方法模拟了肠胃的条件，具有速度快、成本低、重现性好的优点，获得的抗性淀粉也便于其它实验应用。最新的抗性淀粉体外分析方法是McCleay实验室在对多种方法步骤的细节进行研究后，综合得出的测定方法，已获得AOAC(Association of Official Analytical Chemists)批准为“首选方法”(AOAC方法 2002.02)及获得AACC(American Association of Cereal Chemists)的承认(AACC method 32-40)。“AOAC 2002.02”可以测定样品中总淀粉、非抗性淀粉和抗性淀粉，其原理和主要操作步骤如下：（1）样品经胰淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶在37下作用16h；（2）将非抗性淀粉组分水解成葡萄糖；（3）用甲基化乙醇或乙醇终止反应，离心去上清液得到抗性淀粉残渣；（4）用乙醇反复冲洗残渣后，再用2mol/L KOH将残渣中的抗性淀粉溶解，用乙酸缓冲液调至中性；（5）用淀粉葡萄糖苷酶将其水解成葡萄糖，计算得到抗性淀粉的量。（6）收集前面各次离心后的上清液，测定其中的葡萄糖含量，即可求得非抗性淀粉的含量。抗性淀粉与非抗性淀粉的含量之和，即为总淀粉量。4.2抗性淀粉的生理生化特性4.2.1抗性淀粉的化学特性和晶体结构前面章节已经提到，淀粉是一种天然结晶高聚物，淀粉颗粒晶体是由不同长度的直链淀粉和支链淀粉组成，其晶体模型分为3部分：不定形区、结晶区和半结晶生长环区，见图4-4。图4-4淀粉颗粒晶体结构示意图直链淀粉存在于不定形区，而支链淀粉构成了结晶区。支链淀粉具有高度的结构有序性，无随机卷曲的直链淀粉以及分支链都成簇排列，高分支的部分和无分支的部分交替，使得结晶区相邻的长直链分子间形成平行排列的双螺旋结构，晶体结构更加致密。Tang等(2002)和Jenkins和Monald(1995)研究发现，不定形区往往是-淀粉酶开始结合并水解的部位，这就是所谓淀粉晶体结构的缺陷，直链淀粉具有破坏淀粉晶体结构致密性的作用，使不定形区和结晶区改变。抗性淀粉的酶抗性源于直链淀粉晶体。在加热、冷却和储藏过程中，部分直链淀粉分子相互接近，分子间通过氢键形成双螺旋，双螺旋相互叠加形成直链淀粉晶体。抗性淀粉的分子特点：（1）分子结构较小，长度为2025个葡萄糖残基，以氢键连接的多分散线性聚糖；（2）抗性淀粉之所以能抵抗酶的水解，是由于聚糖的葡萄糖残基链之间存在较强的氢键，该氢键在155160时具有40J/G的焓，或是由于这种聚糖具有B型晶体，B型晶体结构对淀粉酶有高度抗性。酶法制备抗性淀粉主要是利用各种物理方法和加入淀粉酶来改变淀粉分子的原有结构，然后通过淀粉糊中的直链淀粉重新聚合形成新的晶体。因此，对于各种不同抗性淀粉含量的样品，将其结晶性质与原淀粉结晶性质进行对比研究是非常重要的，有助于进一步弄清抗性淀粉的结构特性及其形成规律。骞华丽等(2003)采用X-射线衍射分析法确认了各种抗性淀粉中晶体的存在，研究表明，样品重新结晶效果好，结晶度比原淀粉有所提高，总结晶度及不同类型微晶含量与抗性淀粉含量呈现一定规律性，即处理条件相差不大的样品，其结晶度越大，抗性淀粉含量越高，且它们的高级微晶含量也呈现同样的规律性，而经完全不同条件处理的样品则不符合此规律。根据晶体粒度大小，可划分为高级微晶和初级微晶，但并非高级微晶的牢固紧密程度一定大于初级微晶。张守文等(2006)对玉米抗性淀粉的晶体结构和性质进行了研究，结果表明，抗性淀粉颗粒形态不规则，结晶结构为B型和V型的结合，晶体相转变温度介于105.18135.09之间。4.2.2抗性淀粉的生理学特性抗性淀粉与不消化的低聚糖和非淀粉多糖(Non-starch polysaccharides, NSP)具有许多相似之处。在最新的世界粮农组织(FAO)出版物中，FAO已将抗性淀粉列为新型的膳食纤维(Dietary fiber, DF)。抗性淀粉既具有传统膳食纤维的大部分生理功能，又与传统膳食纤维有所不同，两者的比较见表4-1。尽管抗性淀粉属于多糖类物质，但不能被小肠消化吸收和提供葡萄糖，它与膳食纤维显著的不同之处在于：在结肠内抗性淀粉可100%被在结肠中的生理性细菌发酵和重吸收，产生短链脂肪酸(Short chain fatty acid, SCFA)和气体。表4-1抗性淀粉与膳食纤维的比较特性膳食纤维抗性淀粉组成结构非淀粉多糖，主要为纤维素、木质素、果胶质等细胞壁组织。根据溶解性分为水溶性和水不溶性2类淀粉类多糖，B或V型晶体颗粒，有RS1、RS2、RS3、RS4四种形式。 消化性不被内源酶消化 很少被消化，抗胰腺-淀粉酶解生理功能1. 保持肠道通畅，加快残渣转运速度，增加排便体积2. 被大肠微生物群发酵产生SCFA2 促进矿质元素吸收和结合诱变剂3 预防肠道疾病尤其肠道癌4 维持肠道菌落平衡5 调节血糖和血脂，预防糖尿病，心脏病和肥胖等代谢综合症1. 被大肠微生物群发酵产生SCFA2. 酸化肠道内环境,激活免疫系统3. 预防肠道癌,通过诱导肿瘤细胞的生理凋亡以及激活预防癌变的某些酶的活性4. 增加胆液分泌5. 影响肠道粘膜细胞的代谢6. 保持肠道通畅，增加排便体积7. 调节血糖和血脂，预防糖尿病，心脏病和肥胖等代谢综合症8. 维持肠道菌落平衡9. 促进矿质元素吸收高含量食物1. 燕麦、小麦、大麦、水稻、黑麦、高梁、玉米、粟等禾谷物类全籽粒食物2. 豆类作物、纤维类、植物类食物和草类食物1. 高直链淀粉谷物类、未成熟香蕉、煮过或冷却后的红薯、豌豆2. 豆类作物3. 回生食物4.2.2.1能量值抗性淀粉含量高的食物在小肠中只部分被消化吸收，其葡萄糖利用率较低，血糖生成指数低；不消化的抗性淀粉到达结肠，在结肠细菌的作用下发酵，产生较多挥发性的乙酸、丙酸、丁酸等有益的短链脂肪酸，可经过直肠壁吸收进入血液，继续给机体提供能量。Behall和Howe(1996)研究认为，每g抗性淀粉平均提供10.5KJ的能量。含高抗性淀粉的食物，大约能量的12%是由结肠发酵的短链脂肪酸提供的，并且证明抗性淀粉是以缓慢且完全的方式吸收的。Tomlin(1990)的研究结果显示，当分别给予自愿者10.3g和0.86g抗性淀粉连续1周，由于抗性淀粉在结肠中发酵能力高，2组能量值基本一致，由此表明抗性淀粉具有缓慢且完全的吸收方式。另据陈光等(2005)研究报道，抗性淀粉在体内所产生的热量不及淀粉的1/10，所以认为抗性淀粉在体内为低能量甚至不产生能量，是一种很有前途的减肥食品原料。4.2.2.2发酵在结肠可以发酵的食物成分主要有不消化的碳水化合物（非淀粉多糖、抗性淀粉、低聚果糖等）和蛋白质，其中抗性淀粉占全部发酵物总量的5%35%。与膳食纤维一样，抗性淀粉在结肠的发酵产物主要有气体(CO2, H2, CH4)、乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸和水。短链脂肪酸是结肠黏膜尤其是末端结肠黏膜的主要能源物质，对结肠黏膜有重要的营养作用。短链脂肪酸还能降低结肠内pH值，从而影响肠道菌群的平衡，降低肠腔内蛋白质发酵产物氨的吸收，降低一些细菌代谢酶的活性。Gerhard等(2002)通过动物实验证实，抗性淀粉能促进肠道有益菌丛的生长、繁殖，是一种双歧杆菌增殖因子，大肠杆菌和类杆菌的数量实验组低于对照组，而乳酸杆菌的数量却明显高于对照组。Brown等(1997)发现喂饲高直链淀粉玉米组和普通淀粉组的小猪，在停止给予双歧杆菌制剂后，前者粪便中双歧杆菌数量下降的速率比后者慢，说明抗性淀粉在结肠发酵后形成的内环境有利于双歧杆菌生长。Bird等(2007)研究也发现喂饲高直链玉米淀粉组的小猪，其乳酸杆菌和双岐杆菌数量都较对照要多。我国学者何梅等(2005)研究了抗性淀粉及其不同类型的摄入对大鼠肠道5种常见菌群（大肠杆菌、拟杆菌、肠球菌、双歧杆菌、乳杆菌）的影响，结果表明：RS2和RS3均可明显增加大鼠粪便中双歧杆菌菌落数，显著减少肠球菌落数；盲肠内容物的短链脂肪酸随RS2摄入量的增加而增加，说明抗性淀粉可明显改善机体的肠道菌群，并增加其酵解产物，降低肠道pH值，从而发挥对机体的健康作用。4.3抗性淀粉对健康的功能作用从功能性来看，抗性淀粉被视为膳食纤维，但与膳食纤维仍有所不同，它对人体健康具有更加广泛的功能作用。基于一系列的研究结果，抗性淀粉对健康的功能作用主要表现以下几个方面：4.3.1降低餐后血糖和胰岛素应答，提高机体对胰岛素的敏感性抗性淀粉在人体内缓慢完全吸收的特性使人们更关注其对慢性病，如糖尿病、冠心病等的作用。食用高抗性淀粉的食品后，血糖的升高和血糖总量均显著低于食用其它碳水化合物，这对改善II型糖尿病的代谢控制具有良好的作用。国内外许多学者开展了抗性淀粉对血糖值和胰岛素水平的影响方面大量研究，一致认为抗性淀粉可延缓饭后血糖浓度的升高和降低胰岛素的分泌，同时可改善脂质的构成，从而有助于体重的控制和糖尿病的预防。Jenkins(1982)和King(1988)等研究指出，抗性淀粉可引起低血糖反应。Brynes等(2000)采用抗性淀粉含量大于20%的高直链淀粉日粮和低直链淀粉日粮分别饲喂老鼠，发现饲喂高抗性淀粉日粮的老鼠的胰岛素分泌要少于饲喂低抗性淀粉日粮的老鼠。Muri等(2000)在实验中采用缓慢吸收的含淀粉食物或用阿卡波糖抑制葡萄糖苷酶活性，结果显示抗性淀粉能降低餐后血糖和胰岛素分泌，并改善血浆中脂类物质的分布，因而对II型糖尿病有益。Diane等(2002)给II型糖尿病患者分别用等量的抗性淀粉、完全消化淀粉及天然淀粉三种供能食品，结果发现：抗性淀粉组餐后60min的平均血糖高峰水平明显低于其它两组；抗性淀粉组餐后90min时胰岛素水平也明显低于天然淀粉组。我国学者王竹等(2003)研究表明，抗性淀粉具有较低的血糖生成指数，从而可降低人体餐后的血糖值，有利于糖尿病患者的病请控制。抗性淀粉可部分阻止高蔗糖饲料诱发的大鼠葡萄糖耐量异常的发生，他们利用天然稳定同位素技术研究表明，与葡萄糖和可消化淀粉相比，抗性淀粉具有维持餐后血糖稳态，降低胰岛素分泌，提高机体胰岛素敏感性的作用。血糖生成指数(Glycemic-index, GI)反映了食物最初消化和葡萄糖吸收的应答关系。食物中的血糖生成指数受食物的物理特性、温度、加工工艺及烹调方式等诸多因素的影响。据陈光等(2005)研究报道，同一来源、不同制作方法的同一食物中GI值不同。如熟薯类的GI为7098，抗性淀粉的含量为7%；而生薯类GI为4060，抗性淀粉的含量为50%60%。4.3.2预防便秘和结（直）肠癌的发生抗性淀粉能增加大鼠的粪便体积，这对于预防便秘和肛门-直肠机能失调很重要。此外，抗性淀粉可作为微生物的碳源，有利于合成微生物蛋白质，从而减少不消化蛋白质腐败产生酚、胺类和吲哚等有毒物质，同时短链脂肪酸还能有效降低肠道pH值，发挥酸化消毒作用。Ranhostra等(1991)观察到与天然淀粉相比，抗性淀粉使大鼠粪便的湿重和干重增加了6倍；当在饮水中添加抗生素，促进肠道正常菌群繁殖后，粪重增加了18倍。同时，粪便的体积也随着重量的增加而增加。Roediger等(2001)利用抗性淀粉持水力差，将其作为基质加入到“经口再生碳水化合物溶液(ORS)，借以降低ORS的渗透压，从而提高“经口再生碳水化合物疗法”对婴幼儿腹泻的治疗效果。关于结肠癌控制方面， Munster (1994)报道在食品中添加高直链玉米淀粉可以减少人结肠细胞的增殖，提高粪便中的短链脂肪酸含量和降低次级胆汁酸的含量。他还发现食用含高抗性淀粉的膳食后，人体中的细胞毒素次级胆汁酸，特别是脱氧胆酸减少了。最近的报道指出，抗性淀粉产生的短链脂肪酸中丁酸含量很高，丁酸通过抑制肿瘤细胞分化并诱导其凋亡、抑制癌变的结肠粘膜细胞增殖、抗发炎、抑制诱变物（如亚硝胺，氢过氧化物等）的潜在毒性而发挥抗癌作用。Phillips等(1995)研究报道，健康人摄食高抗性淀粉食物后，与低抗性淀粉组相比，粪便的湿重和干重均显著增加，pH值下降了0.6，短链脂肪酸中的乙酸和丁酸显著升高，其中丁酸的含量更高。Cassiody等(1994)研究报道，抗性淀粉到达大肠后丁酸盐的增加与结肠癌发病率降低相关。而与其它膳食纤维相比，抗性淀粉产生的丁酸盐居于首位。徐贵发等(2006)采用流行病学的方法对抗性淀粉是否为大肠癌的保护因素进行了有益的探索。他们对山东省150例的大肠癌患者及300名的社区健康对照者进行一般情况、疾病史、营养“K-A-P”模式及膳食频率调查，利用统计软件SPSS 12.0对资料进行单因素分析、多因素非条件Logistic回归分析，结果发现有10个因素进入了最终的模型，其中抗性淀粉偏回归系数 i=-1.570是大肠癌的保护因素；以04g/d为参照进行2趋势检验，其余各级的OR值分别为0.95、0.71、0.56和0.27，随着抗性淀粉摄入量的增加而递减，呈明显的剂量反应关系。由此表明日常膳食中抗性淀粉含量高的薯类、谷类及高膳食纤维的蔬菜水果对大肠癌具有一定的预防作用。Baghurst等(1996)进行的一项大型流行病学的调查表明：淀粉摄入量与结肠癌发病率呈显著负相关(r=-0.76)，尽管研究发现非淀粉多糖与抗性淀粉结合起来考虑时仍呈明显负相关(r=-0.60 )，但与非淀粉多糖的摄入量无明显相关。在调整了脂肪、蛋白质摄入量之后，抗性淀粉、非淀粉多糖与结肠癌的发生率在统计学上呈显著负相关。另一项流行病学研究表明：虽然食物中的胺类等毒素在结肠中积聚可能是诱发结肠癌的一个原因，但在胺类等摄入无差异的情况下，淀粉消费率高(350g/d)的地区，结肠癌发生率显著低于淀粉消费率低( 350g/d)的地区。据杨月欣(2000)的初步推测，不消化的抗性淀粉摄入量的增多是一个重要因素。抗性淀粉在结肠中发酵，其代谢产物一方面维持肠道酸性环境，另一方面促进了毒素的分解和排出，缩短了口-肛的转运时间，从而预防结肠癌的发生。虽然抗性淀粉增加粪便容积的作用小于传统膳食纤维，但流行病学调查表明，抗性淀粉对结肠癌的预防作用却大于传统膳食纤维，其机理尚不清楚，可能与丁酸的代谢有关。4.3.3降低血清中胆固醇和甘油三酯抗性淀粉与胆固醇、甘油三酯的确切关系和作用机制目前尚不清楚，但已有大量研究证明抗性淀粉可降低血清中胆固醇和甘油三酯含量。Deckere等(1993)观察到用含有40%抗性淀粉的饲料喂养小鼠，小鼠的血浆胆固醇、甘油三酯的含量可调整到正常水平。Deckere等(1995)和Younes等(1995)研究表明，用抗性淀粉代替可消化淀粉喂食正常或高胆固醇血症大鼠，能降低其血清胆固醇水平。他们还以含不同量(0.89.6g/ml)抗性淀粉食物进行动物试验，结果发现抗性淀粉含量高的食物可降低血清中总胆固醇值和甘油三酯含量。Cheng和Lai(2000)研究了含不同比例抗性淀粉的稻米淀粉和玉米淀粉对喂饲高胆固醇大鼠血脂代谢的影响，结果显示：喂饲含抗性淀粉45g/100g和63g/100g稻米淀粉的实验组血清总胆固醇浓度明显低于其它各组；血清丙酸浓度在含抗性淀粉63g/100g稻米淀粉实验组明显高于其它各组，而肝中的甘油三酯和总胆固醇明显低于其它各组。研究者认为，稻米发酵产生的丙酸可能降低了血清和肝中的胆固醇水平。Kim等(2003)研究表明，与低链玉米淀粉相比，高直链淀粉玉米能使血清胆固醇浓度降低30%36%。之后又有学者研究指出，抗性淀粉使血清胆固醇降低的范围是8%23%，而甘油三酸酯浓度下降的范围更大，为0%42%。Kim等(2003)报道了抗性淀粉对链脲霉素诱导产生的糖尿病大鼠血脂浓度的影响，结果显示：与对照组相比，来自玉米和稻米的抗性淀粉均可明显降低糖尿病大鼠的血清甘油三酯和胆固醇浓度，并且玉米抗性淀粉实验组大鼠肝脏中胆固醇水平下降。此外，Han等(2003)观察了大豆中的抗性淀粉对大鼠血清胆固醇的影响，并用RT-PCR法检测了肝中SR-B1 mRNA，LDLR mRNA及CYP7A1 mRNA的表达水平。结果显示：抗性淀粉实验组大鼠血清总胆固醇、VLDL、IDL、LDL、HDL胆固醇含量明显低于对照组，而肝CYP7A1mRNA, LDLR mRNA, SR-B1 mRNA水平明显高于对照组，因此认为大豆抗性淀粉通过增加肝脏中与胆固醇代谢有关的基因表达水平来降低血清胆固醇水平。4.3.4降低和控制体重人对膳食的饱腹感在降低和控制体重中起关键作用。研究表明富含膳食纤维的食物可通过延缓肠道碳水化合物吸收、增加肠激素分泌及发酵产生短链脂肪酸等作用增加其饱腹感。抗性淀粉具有上述膳食纤维一样的作用，可增加饱腹感，有利于减轻体重。此外，抗性淀粉对体重的控制还表现在两个方面：一是促进脂肪氧化，防止脂肪在组织中聚积；二是增加脂肪排出，减少能量摄入。Livesey等(1994)对回肠造口术病人的试验表明，高抗性淀粉含量的谷物食品可以通过某种与增加脂肪排泄有关的机制对能量平衡产生影响。4.3.5促进矿物质的吸收尽管抗性淀粉与膳食纤维的功能类似，但其不含典型的抗营养因子-植酸，因此抗性淀粉可促进食物中钙、铁、镁等矿物质的消化和吸收。同时，Lopez等(2000)和Yonekura等(2004)研究表明，抗性淀粉在大肠内的发酵，降低了pH值，也可从内在的环境条件方面提高矿物质的吸收。张文青等(2005)研究报道，膳食纤维摄入量过多往往伴随植酸的摄入量也相应较高，会降低食物中维生素、矿物质的吸收，但抗性淀粉对此无不良影响，并且抗性淀粉被看作肠道益生元，对保持矿物质生物活性还具有积极作用。Hubert等(2001)研究表明，抗性淀粉可促进大鼠盲肠对钙、镁的吸收，其中促进镁、钙的吸收能力要比一般淀粉高35倍。他们还比较生土豆淀粉和高直链淀粉对喂饲半纯化饲料大鼠肠道矿物质利用的影响，与对照组相比，饲喂两种抗性淀粉实验大鼠对钙、镁、锌、铜和铁的表观吸收率均有所增加。王竹等(2002)研究了抗性淀粉对正常大鼠锌代谢和高糖(50%)饮食大鼠锌营养状况的影响，结果表明：（1）正常大鼠锌的表观吸收率分别为：对照组56.59%，13%抗性淀粉组50.11%以及26%抗性淀粉组54%；（2）高糖饲料组大鼠餐后血糖和糖化血红蛋白升高，空腹胰岛素水平降低，血锌和胰脏锌显著低于对照组；高糖抗性淀粉饲料组血糖状态正常，尿锌排出低于高糖饲料组，红细胞锌高于高糖饲料组，且肾锌增高，说明抗性淀粉不影响正常大鼠锌的表观吸收率，却可通过调节血糖维持高糖饮食大鼠锌的营养状况。杨参(2003)以甘薯淀粉为原料，系统研究了甘薯抗性淀粉对Wistar大鼠矿物质元素吸收的影响，结果表明：当饲喂给大鼠含甘薯抗性淀粉6.1%的饲料时，可显著增加大鼠对钙、镁的表观吸收率，同时血清镁的水平也显著高于对照组；当饲喂给大鼠含甘薯抗性淀粉10.8%的饲料时，可显著增加大鼠对铁、锌的表观吸收率，同时血清锌的水平也显著高于对照组。由于抗性淀粉具有上述重要的生理功能，所以联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)在1998年联合国出版的人类营养中碳水化合物专家论坛一书中专门指出：“抗性淀粉的发现及其研究进展，是近年来碳水化合物与健康关系的研究中一项最重要的成果”，高度评价了抗性淀粉对人类健康的重要意义。4.4影响抗性淀粉形成的因素影响食物中抗性淀粉的形成因素很多，按性质可将其分为内因和外因两大类。内因是作物其它主成分的结构与特性，外因则指理化修饰、蒸煮方式、加工条件和食物形态等。4.4.1抗性淀粉形成的内因每种食物都是由多种成分组成的一个非常复杂的体系，其组成包括淀粉、蛋白质、脂肪、小分子糖、无机矿物质等，这些成分的存在均对抗性淀粉的形成产生影响，但研究多集中在淀粉、蛋白质和脂肪等主要成分对抗性淀粉形成的影响。4.4.1.1淀粉淀粉中的直链淀粉与支链淀粉比例的比例及其链长分布、淀粉颗粒大小及晶体结构等都会影响抗性淀粉的形成。4.4.1.1.1直链淀粉与支链淀粉的比例直链淀粉易回生，抗性淀粉主要是由小部分的糊精和大部分的直链淀粉回生后聚合而成，其中RS3基本上是由直链淀粉的回生形成。淀粉的晶体结构在糊化时遭到破坏，直链淀粉溢出呈不规则卷曲，冷却后形成双螺旋，每圈含6个葡萄糖残基，氢键对其起稳定作用，双螺旋进一步排列形成致密的六面体结构，X-射线衍射图谱呈B型或V型或混合型的晶体结构。有关谷类作物中直链淀粉与支链淀粉的比例对抗性淀粉含量的影响已有大量的研究。Granfeldt等(1995)发现，直链淀粉含量为70%的谷类食品100g干物质约含20g的抗性淀粉，而直链淀粉含量为25%的普通食品，100g干物质只含有约3g的抗性淀粉。Escarpa等(1995)人工配制了不同直链淀粉与支链淀粉比例的淀粉，发现抗性淀粉随直链淀粉与支链淀粉比例的增加而升高。kerberg等(1998)在大麦面包中报道了类似的研究结果。目前市场上的抗性淀粉均是利用高直链淀粉生产的。已有一些报道通过提高作物直链淀粉含量来提高抗性淀粉含量。如Bird等(2004)获得了一个SSIIa基因突变的大麦突变体，直链淀粉含量增加，但总淀粉减少，抗性淀粉含量却显著提高。Regina等(2006)利用RNAi技术获得了直链淀粉含量高达70%的小麦突变体，其抗性淀粉含量也明显增加。然而，Frei等(2003)研究发现，直链淀粉含量相似的品种，其抗性淀粉含量和淀粉的消化特性不同。蹇华丽等(2002)研究也认为，抗性淀粉含量与直链淀粉含量并非正相关，除了与直链淀粉含量有关之外，直链淀粉的分子量大小也是影响抗性淀粉含量的决定因素之一，但是直链淀粉含量较低的样品，其抗性淀粉含量肯定较低。因此，直链淀粉含量并不是影响抗性淀粉含量的绝对因素。支链淀粉的分支部分也可以形成双螺旋并进一步形成有序的三维结构，但这些支链的聚合度(DP)只有1418，抗性淀粉长度受到限制，且回生的支链淀粉熔化温度较低，很难形成高抗性淀粉。Leemana等(2006)研究发现，支链淀粉的回生虽然对抗性淀粉含量影响不大，但可以显著降低淀粉的消化率。4.4.1.1.2直链淀粉和支链淀粉的链长抗性淀粉的形成主要是因为淀粉糊化后，被打乱的分子链在冷却过程中重新聚合、卷曲、折叠，形成新的晶体。相对于支链淀粉，直链分子凝聚快，形成的晶体也更牢固。但由于在凝聚时，分子链处于不断运动之中，运动速度受分子量大小的影响，分子量大的直链分子运动速度相对较慢，链分子间的斥力增大，难以聚集；分子量小的则运动很快，速度太快导致碰撞在一起的几率及稳定的几率减小，所以淀粉的链长对抗性淀粉的形成也有一定影响。Eerlingen等(1993)研究发现，直链淀粉含量相同的材料，聚合度(DP)为100610之间，抗性淀粉得率随DP增加而增加，在DP为260时抗性淀粉得率最大，DP小于100时，随DP的增加抗性淀粉得率也相应地增加，只有中等长度（40DP610）的直链淀粉才最易聚集形成抗性淀粉。Mangala等(1995)研究也发现直链淀粉的链长和结构显著影响抗性淀粉的含量。Shu等(2007)对同一遗传背景的6个水稻突变体的支链淀粉链长分布状况进行研究，发现高抗性淀粉突变体的支链淀粉短链（8DP12）增加，中长链（DP24）减少。而Jia等(2007)发现高抗性淀粉小麦突变体的短链（17DP）减少，中长链（DP18）增加。粮食作物中，直链淀粉含量过高，势必影响其食味品质。因此，在保证直链淀粉含量适中的前提下，改良直链淀粉与支链淀粉的链长分布可能是提高抗性淀粉含量的一种有效育种手段。5.4.1.1.3淀粉颗粒大小 淀粉颗粒越大，消化速率越慢。马铃薯淀粉颗粒平均直径较大，而豌豆、小麦和玉米等谷类作物的淀粉颗粒较小，前者与后者的表面积相差约20倍。假设淀粉酶的作用发生于淀粉颗粒的表面，这必然导致在相同条件下马铃薯淀粉水解速率低于其它淀粉。4.4.1.1.4淀粉晶体结构抗性淀粉的一个重要来源是包埋于植物细胞和组织中的天然B型晶体淀粉及高直链淀粉含量的淀粉。采用X-射线衍射仪和差量扫描热量仪分析证实，B型晶体结构包埋的片段扩大了淀粉晶格结构，有利于抗性淀粉的形成。任何破坏淀粉晶体结构（如凝胶）或细胞及组织完整性（粉碎）的加工方式都会提高淀粉酶的作用效能从而降低抗性淀粉含量，而利用重结晶和化学修饰法改变淀粉的晶体结构，可增强淀粉的抗酶解性而提高抗性淀粉含量。4.4.1.2蛋白质蛋白质也是影响抗性淀粉形成的一个重要因素。Chandrashekar等(1998)研究发现，蛋白质对淀粉颗粒起着包埋作用，只有将这些蛋白质除去后，淀粉颗粒才会发生回生。Holin等(1985)发现小麦制品中有相当数量的淀粉被蛋白质所包裹。Escarpa等(1997)研究发现，外源蛋白质也能与直链淀粉分子形成氢键而致使淀粉分子被束缚，从而抑制直链淀粉的回生，降低食物中抗性淀粉的含量。由此可见，蛋白质对抗性淀粉的影响主要有两个方面：一是对淀粉具有包埋与束缚作用，使酶难以接触淀粉而形成抗性，即增加RS1含量，这种抗性淀粉通过一定的加工如糊化后可被消化吸收；二是对淀粉的包埋防止了淀粉回生，即减少了RS3含量。正是该原因，在测定抗性淀粉含量之前，常用胃蛋白酶去除蛋白。但Mangala等(1999)却认为，蛋白的存在对抗性淀粉形成没有显著影响。4.4.1.3脂质在食物加热后的冷却过程中，脂肪会与直链淀粉形成直链淀粉-脂肪复合体，降低淀粉的消化性，同时也降低直链淀粉的回生。X-射线衍射分析发现，直链淀粉-脂肪复合体呈V型或混合型的晶体类型。Mangala等(1999)研究发现，脱脂处理可使稻米抗性淀粉含量提高2-3倍。杨光等(2002)研究表明，内源脂类显著影响RS3的形成，少量的脂类可提高抗性淀粉含量，过量则降低抗性淀粉含量，故对淀粉适当脱脂有利于抗性淀粉的形成。罗志刚等(2006)研究也表明，淀粉脱脂有利于湿热处理过程中颗粒态抗性淀粉的形成，添加单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯都不利于抗性淀粉的形成。4.4.1.4膳食纤维Escarpa等(1997)研究发现，非水溶性膳食纤维（如纤维素、木质素）对抗性淀粉形成影响较小。Torre等(1992)研究也认为，水溶性膳食纤维和非水溶性膳食纤维都会降低抗性淀粉的含量，但下降幅度很小。影响抗性淀粉形成的内因归根结底都是作物的不同品质性状。因此，将影响抗性淀粉含量的不同品质性状进行优势聚合，将会是一个选育高抗性淀粉作物的高效育种手段。4.4.2抗性淀粉形成的外因影响抗性淀粉形成的外因可分为物理因素和化学因素，主要包括理化修饰、蒸煮方式、加工条件和食物形态等因素。4.4.2.1物理因素4.4.2.1.1温度和水分水分和温度是影响抗性淀粉形成的重要因素。反复的水热处理可降低淀粉的水解性，增加抗性淀粉的含量。Wu等(1978)研究表明，高温少水会促进A型晶体的形成，低温多水可促进B型晶体的形成，而B型晶体的淀粉一般抗性淀粉含量较高。Lu等(1997)认为，回生直链淀粉的链长受温度影响，回生温度高，回生淀粉链长短，熔晶温度较高。水是常用的增塑剂，它的玻璃态转化温度为-135。姚惠源等(2004)研究糊化温度对抗性淀粉形成的影响，结果发现籼米淀粉在100糊化条件下，在淀粉浓度为10%时得到的抗性淀粉含量为15.2%，而在121压热处理条件下含量接近30%。徐丹鸿和徐红华(2006)报道，玉米淀粉经20次冷热循环后，抗性淀粉含量可由21.3%增至40%左右，其原因是加热与冷却处理有助于淀粉分子的有序化和凝沉作用。水的存在会大大降低淀粉的玻璃态转化温度，导致不同浓度的淀粉液具有不同的玻璃态转化温度，淀粉必须在玻璃态转化温度和晶体熔解温度之间保持一段时间，才能在溶液中形成结晶。因此，淀粉回生温度的选择与浓度密切相关，淀粉浓度低回生温度就低，浓度高则回生温度高。鉴于晶核形成的温度比玻璃态转化温度略高，如果能在淀粉回生前测出其玻璃态转化温度，就能控制回生温度而提高抗性淀粉含量。4.4.2.1.2辐照处理淀粉辐照后，淀粉颗粒晶体结构破坏，结晶度下降，部分化学键解离，大分子被剪切成小分子，导致淀粉的粘滞性、膨胀性、可溶性以及胶稠度和糊化温度等特性改变。在淀粉颗粒晶体模型中，支链淀粉构成晶体的骨架，直链淀粉位于不定形区。低直链淀粉品种中支链淀粉极易成为辐照的“靶点”，外侧的长链断裂，导致直链淀粉含量降低；高直链淀粉品种中由于少量长直链被剪切成几条较长的链或直链淀粉-脂肪复合体的解离，导致直链淀粉含量略微升高。Marconi等(2000)研究发现，辐照处理后，可消化淀粉显著增加，抗性淀粉含量下降。但杨朝柱等(2006)研究发现，采用100Gy的射线辐照高直链淀粉水稻RS111，在总淀粉增加的同时，抗性淀粉和可消化淀粉也相应增加，且抗性淀粉增加较多。4.4.2.1.3加工方式加工对抗性淀粉的影响主要表现为两个方面：一是加工有利于淀粉颗粒晶体溶解和直链淀粉与部分支链淀粉的回生，从而增加RS3含量；二是加工中发生许多化学反应，如淀粉与脂肪复合体的形成可降低淀粉对-淀粉酶的敏感性而提高抗性淀粉含量。蒸气蒸煮：Tovar等(1996)研究发现，直接从生的豆类中分离的淀粉抗性淀粉含量很低，而蒸煮后其含量可增加35倍，从中分离的淀粉中抗性淀粉含量由19%上升为31%。Tsuyoshi等(1999)用高直链谷物淀粉(HAS)和热蒸汽处理的高直链谷物淀粉(HMT-HAS)饲喂小鼠，结果发现HMT-HAS中抗性淀粉含量高达65%，远远高于HAS(30%)。而且一部分HMT-HAS不能被微生物利用而增加了大便体积。高压蒸煮：Siljestrom和Asp等(1985)研究发现，高压蒸煮可使小麦淀粉中抗性淀粉含量达9%，而生样品中抗性淀粉含量不到1%。Parchure等(1997)比较了常压蒸煮、高压蒸煮、焙烤、挤压、煎炸和干燥等方式对玉米和蜡质籽粒苋淀粉抗性淀粉含量的影响，发现常压蒸煮和高压蒸煮后的抗性淀粉含量比其它方式处理后的要高。Ranhotra等(1991)和Szczodrak等(1991)的研究发现多次高压-冷却循环处理可显著增加抗性淀粉含量。Emine等(1998)研究指出，高压处理使淀粉充分糊化，消化性增强而抗性淀粉含量又降低。另外，抗性淀粉的产量会随积压镙杆转速的增加而降低，但在原料中添加柠檬酸，抗性淀粉的产量又会增加，这可能与淀粉的酸水解有关。Alejandra等(1999)对抗性淀粉形成过程中的糊化及老化条件进行了较系统的研究。结果发现：淀粉糊化时采用高压处理与沸水浴处理制得的抗性淀粉含量差异不显著；糊化时的pH值控制在3.510.5之间，抗性淀粉得率不受pH值的影响；当pH13时，淀粉易发生水解或溶解。老化时采用缓慢的降温方式，先在室温下冷却，然后置于低温下老化将有利于提高抗性淀粉的含量。杨光等(2001)以普通玉米淀粉为材料研究压热处理对抗性淀粉形成的影响，发现压热温度、时间和水分对抗性淀粉形成都有重要影响，70%水分、150维持60min的压热条件最适于制备抗性淀粉。烤焙：Westerlund等(1989)研究了烤焙面包和生面团中的抗性淀粉含量，将烤焙好的面包按烤焙程度分成三部分：面包心、中层和最外层，发现抗性淀粉含量由高到低依次为：最外层、中层、面包心；同时发现生面团的抗性淀粉含量明显低于烤焙35min后的面包。Liljeberg等(1996)和kerberg等(1998)的研究发现，长时间低温烤焙可显著提高抗性淀粉含量。但Tharanathan等(2001)的研究认为，抗性淀粉增加的前提是直链淀粉含量较高，从烤焙的面包中分离的抗性淀粉基本是1,4-糖苷键连接的线性结构。挤压蒸煮：Faraj等(2004)发现大麦面粉在不同蒸煮温度、水分和螺杆转速条件下进行挤压蒸煮后，抗性淀粉含量均略有下降，在干燥前将挤压蒸煮过的样品于4下放置24h却可显著增加抗性淀粉含量。珍珠麦是挤压蒸煮制备高抗性淀粉产品较理想的材料，Gebhardt等(2001)研究发现，在150、17.5%22.5%的水分下挤压蒸煮后贮藏于-18，抗性淀粉含量最高。Kim等(2006)比较了不同水分和蒸煮温度下挤压蒸煮和普通蒸煮对小麦面粉抗性淀粉形成的影响，发现挤压蒸煮可显著提高抗性淀粉含量，且水分与抗性淀粉含量呈显著正相关。当然，抗性淀粉的形成与产量受上述各种因素综合作用的影响。如杨参(2003)以甘薯淀粉为原料，研究了用老化法生产抗性淀粉的最佳工艺条件，结果发现老化法生产抗性淀粉过程中，影响抗性淀粉生成的因素主次为：淀粉糊浓度糊化温度pH值老化时间老化温度。当30%的甘薯淀粉糊，调节pH至6.0，120下糊化60min，4下老化96h 可得较高抗性淀粉产率，抗性淀粉含量达23.4%。4.4.2.1.4碾磨和发芽未被碾磨