淀粉營養研究進展

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

　　淀粉營養研究進展

　　汪麗華王統石石滿倉

　　能量是維持動物機體生命和生產、活動所必需的營養物質。能量的來源主要包括淀粉和油脂。本文著重對淀粉的特性及研究進展進行簡單的介紹。
　　一、淀粉的種類
　　1、按照淀粉分子結構：直鏈淀粉與支鏈淀粉
　　從分子結構上可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉是以α-1，4鍵結合，支鏈淀粉除α-1，4鍵外，還有α-1，6鍵。直鏈淀粉較支鏈淀粉分子小、連接葡萄糖鏈的氫鍵較強，且易與油脂(脂肪酸)等形成復合物。直鏈淀粉遇碘變藍，而支鏈淀粉遇碘變紫至紫紅色。普通玉米中支鏈淀粉占淀粉總量的73%，直鏈淀粉占27%;糯玉米胚乳中的淀粉100%為支鏈淀粉。直鏈淀粉又稱可溶性淀粉，溶于熱水后成膠體溶液，容易被消化吸收。支鏈淀粉是一種具有支鏈結構的多糖，它不溶于熱水中。
　　2、按照消化降解速度：快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)
　　表1 淀粉體外消化的分類(Egnlyst et al., 1992)

淀粉類型	舉例	小腸消化情況
快速消化淀粉(RDS)	新鮮煮熟的淀粉食品	快速消化
慢速消化淀粉(SDS)	大多數生的禾谷類原料	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實、豆類	物理包被淀粉
生淀粉顆粒	生馬鈴薯和香蕉，高直鏈玉米淀粉	生淀粉顆粒
老化淀粉	煮熟后冷卻的土豆、面包和玉米片	老化淀粉
化學改性淀粉	磷酸化淀粉等	化學改性淀粉

　　按照消化速度，淀粉可分為快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。而根據淀粉來源和抗酶解性的不同，又可將抗性淀粉(RS)分為4類：RSl、RS2、RS3、RS4。見表1。
　　RSl指的是由于機械加工而使淀粉顆粒發生物理屏蔽作用，被鎖在植物細胞壁上使其不能為淀粉酶所作用的部分。常見于輕度碾磨的谷類、豆類中，也稱為物理包埋淀粉。這類RS易受咀嚼或加工方式影響。
　　RS2主要見于未加工的或未蒸煮的馬鈴薯、香蕉(特別是綠色時)和高直鏈淀粉。因其物質結構如結晶結構、密度大等特點而產生抗消化性。RSl和RS2經過適當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。淀粉經糊化后冷卻形成老化淀粉，分為RS3a和RS3b兩部分，其中RS3a為凝沉的支鏈淀粉，RS3b為凝沉的直鏈淀粉。RS3b的抗酶解性最強，而RS3a可經過再加熱而被淀粉酶降解。
　　RS4包括化學改性、商業用的變性淀粉。主要由基因改造或化學方法引起的分子結構變化等所產生，如乙酰基、羥丙基淀粉，熱變性淀粉以及磷酸化淀粉等。見表2。
　　表2 一些碳水化合物的體外消化率 (g/100g 干物質) (Englyst et al. 1992)

舉例	快速消化淀粉	慢速消化淀粉	抗性淀粉	總淀粉	淀粉消化指數	快速可利用葡萄糖
面粉	40	39	2	81	49	40
玉米	73	2	3	78	94	81
燕麥	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、淀粉的糊化與老化
　　1.淀粉糊化
　　淀粉糊化過程是在一定溫度、水分條件下進行的，完全糊化需要淀粉與水分和熱的充分接觸。糊化反應可分為三步：第一步：淀粉的非結晶區開始發生水合作用，水分子介入其間，破壞原有的氫鍵，所以此時淀粉粒體積及粘度開始增大;第二步：不定形、非結晶區的水合作用達到某一極限;第三步：水分子進入結晶區域，完全破壞淀粉的固有物性。在淀粉糊化的過程中，淀粉糊粘度先升高達到高峰后開始下降。
　　淀粉的糊化溫度在不同品種間存在差別，同一種淀粉在大小不同顆粒間也存在差別。大顆粒易糊化，糊化溫度低;小顆粒難糊化，糊化溫度高。所以糊化溫度是一個范圍，相差約10℃。低溫為糊化開始溫度，高溫為糊化完成溫度。見表3。
　　表3 幾種淀粉糊化溫度

淀粉	糊化溫度
普通玉米	62-72
糯玉米	65-75
小麥	58-64
大米	68-78
高粱	68-78
馬鈴薯	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過程，此類淀粉屬于RS3類。完全糊化后的淀粉，若讓其自然冷卻，就會發生氫鍵再度結合，使淀粉膠體內水分逐漸脫離，即發生離水作用，最終形成難以復水的結晶物，這就是老化的淀粉。其實質為直鏈淀粉分子相互靠近，通過分子間氫鍵形成雙螺旋，許多雙螺旋相互疊加形成許多微小的晶核，晶核不斷生長、成熟，成為更大的直鏈淀粉結晶(RS3b)。直鏈淀粉結晶區的出現會阻止淀粉酶靠近淀粉結晶區域的α—1，4葡萄糖苷鍵，并阻止淀粉酶活性中心的結合部位與淀粉分子結合，從而賦予了直鏈淀粉結晶抗淀粉酶的消化能力。直鏈淀粉分子結晶后，支鏈淀粉分子的一些側鏈也通過氫鍵連接開始緩慢結晶，但這種由支鏈淀粉形成的結晶可以緩慢的被消化(RS3a)。糊化的淀粉在2～4℃時最易老化。 Mee Ra Kweon等(1997)研究發現，經糊化再冷卻處理后的淀粉所產生的抗性淀粉會隨著淀粉分子中直鏈淀粉含量的增加而增加，直鏈淀粉含量與抗性淀粉的得率成正比。
　　三、提高淀粉消化率的方法
　　1、化學方法
　　1.1 酶制劑
　　主要用于飼料工業的淀粉酶有α—淀粉酶、支鏈淀粉酶和葡萄糖淀粉酶。支鏈淀粉酶的特點是，能專一性的切開支鏈淀粉和糖原等分支點的α—1，6糖苷鍵，形成直鏈淀粉。Siversides等(1999)，Summers(2001)等報道了在肉雞玉米-豆粕型日糧中使用復合酶制劑(淀粉酶，蛋白酶和木聚糖酶)后，提高了飼料的代謝能值和蛋白質消化率。
　　1.2 化合物
　　化合物影響淀粉的糊化難易。氫氧化鈉、尿素、二甲基亞砜、水楊酸鹽、硫氰酸鹽、碘
　　化物等促進糊化，糊化溫度降低;硫酸鈉、氯化鈉、碳酸鈉、蔗糖等則相反。見表4。
　　2、物理方法：促進淀粉糊化，減緩糊化淀粉的老化
　　糊化處理使淀粉分子本身的結構發生變化，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。小規模養殖，可以使用煮、蒸和炸的方法。但在日趨集約化的今天，機器的使用則提高了淀粉糊化的效率，包括熱滾法、噴霧法、擠壓膨化、脈沖噴汽和微波法。熱滾法是利用滾筒干燥機，分為配漿、糊化、稠化和干燥四步;噴霧法是在連續的噴射蒸煮器中，用高壓蒸汽同淀粉乳混合糊化，然后快速干燥;脈沖噴氣法是用頻率為250/S的脈沖噴氣燃氣機將含水35%的淀粉霧化、糊化和干燥;微波法是用微波將淀粉糊化，干燥，然后經過粉碎得產品。擠壓膨化法最為常見，下面重點介紹。見表5。
　　表4 化合物對淀粉糊化溫度的影響

化合物（%）	糊化溫度（℃）
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 擠壓膨化法
　　擠壓膨化法是利用螺旋擠壓機使淀粉糊化，再由小孔以爆發式噴出，干燥得產品。淀粉經過膨化后，其淀粉結構發生變化，表現在支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例發生了變化，其總淀粉含量降低(淀粉糊精化)，同時其支鏈淀粉含量也降低，而直鏈淀粉含量卻增加。最常見的就是玉米的擠壓膨化。
　　當玉米粉與蒸汽和水混合時，淀粉顆粒開始吸水膨脹，通過膨化腔時，迅速升高的溫度及螺旋葉片的揉搓使淀粉顆粒加速吸水，晶體結構開始解體，氫鍵斷裂，膨脹的淀粉粒開始破裂，變成一種粘稠的熔融體，在膨化機出口處由于瞬間的壓力驟降，蒸汽(水分)瞬間散失使大量的膨脹淀粉粒崩解，淀粉糊化。高溫、高壓及機械剪切使擠壓膨化比其它加工方式產生的淀粉糊化更徹底，一般糊化度可達80%～100%，與常規的煮熟工藝相比，能使植物細胞壁破裂，淀粉鏈更短，從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℃高溫下迅速脫水干燥，則可以防止其分子長鏈間有太多機會產生新的氫鍵結合，防止糊化的淀粉老化。但是完全糊化的淀粉還是會有小部分發生老化現象。例如饅頭和面包中分別含有約1%和2%的老化淀粉。
　　影響玉米膨化的因素比較多，主要是水分、膨化溫度、膨化壓差及腔內機械剪切力，這也是目前膨化生產中可以控制的幾個因素。玉米擠壓膨化分為干法和濕法兩種。所謂濕法是指蒸汽預調質后再膨化，干法是沒有蒸汽預調質，直接膨化。一般地，濕法生產比干法生產效率高，但需要蒸汽鍋爐，投資要比干法大一些。
　　表5 生玉米與不同加工方式對淀粉糊化度(%)的影響

項目	生玉米	烘烤	爆裂	蒸汽壓片	擠壓膨化	制粒	膨脹
糊化度	28.57	30.6	46.1	60-70	80-100	25-40	40-70

　　2.2 蒸汽壓片
　　蒸汽壓片一般是將谷物100―110℃蒸汽調質30―60分鐘，使谷物水分含量達到16%―20%，然后用預熱后的壓輥碾壓成特定密度的谷物片。干法壓扁是使干谷物通過直徑較大的壓輥(>45.7cm)壓成一些小塊(類似于粗粉碎)，堆積密度約為0.52―0.64kg/l。
　　2.3 減緩糊化淀粉的老化
　　對已經糊化的淀粉采取措施防止或延緩老化，間接提高淀粉的消化率。一般可采取低水分含量，進行瞬時脫水干燥，以及添加油脂、蔗糖、乳化劑等方法來控制淀粉的老化速度。單苷酯可與直鏈淀粉形成復合物減少抗性淀粉RS3的含量，磷脂、油酸和大豆油等都會使抗性淀粉RS3含量降低，馬鈴薯直鏈淀粉與油酸的復合物抗消化性非常高，但在馬鈴薯直鏈淀粉中同時加入油酸和十二烷基磺酸鈉，則又會使抗性淀粉RS3的含量降低。
　　四、淀粉的消化吸收
　　1、豬
　　小豬剛出生時，α-淀粉酶活性很低，4周齡后則增長很快。相比較，唾液α-淀粉酶活性在新生豬和成年豬中都很低。而且唾液α-淀粉酶在酸性條件下不穩定，在胃中可被快速降解。所以唾液α-淀粉酶對淀粉的降解作用并不顯著。安裝豬回腸瘺管的絕大多數研究表明當食糜到達小腸末段時大多數淀粉已經被吸收。
　　2、雞和鴨
　　雞唾液和胃內含較少淀粉酶，淀粉到達小腸之前是沒有發生酶解的。嗉囊黏液的軟化、腺胃的混合、肌胃的磨碎，使得淀粉進入小腸后能與淀粉酶更好地接觸而被消化，抗性淀粉則進入大腸發酵。小腸是淀粉進行消化和吸收的主要場所。小腸明顯的逆蠕動常使食糜往返于腸段之間，甚至逆流入肌胃。在α- 淀粉酶(空腸處活性最強)的作用下，直鏈淀粉被逐漸降解為麥芽糖、麥芽三糖;支鏈淀粉被逐漸降解為麥芽糖、麥芽三糖和α-糊精。小腸表面刷狀緣釋放的異麥芽糖酶進一步降解α-糊精中的α-1,6糖苷鍵。這些二糖然后經寡糖酶徹底分解為單糖，最終轉化為葡萄糖，由腸壁吸收進入血液而參與體內中間代謝。
　　鴨與雞類似。
　　3、反芻動物
　　淀粉在反芻動物中的應用研究較多。淀粉在瘤胃內大部分被微生物發酵為揮發性脂肪酸(VFA)，一部分VFA作為碳架，被整合為微生物蛋白;另一部分VFA經瘤胃吸收進入血液參與代謝。未被瘤胃降解的淀粉直接進入皺胃和小腸(過瘤胃淀粉)，在消化酶的作用下分解為葡萄糖后被吸收利用。小腸中未被消化吸收的淀粉和葡萄糖，在進入到大腸后又被微生物發酵,部分吸收后，排出體外。
　　關于處理后淀粉消化降解的研究，結果不盡一致。Goelema(1999)認為：膨化處理時的剪切力造成顆粒變小，而顆粒大小與淀粉凝膠化、瘤胃內蛋白質和淀粉的降解率呈負相關。Peisker(1993)報道，給奶牛飼喂膨化飼料比飼喂未膨化飼料產奶量提高。但有相反的結論，Arieli等(1995)研究認為膨化處理導致淀粉在瘤胃的降解率減少。也有人發現，用蒸汽壓片處理玉米時，提高淀粉消化率的效果要比細粉碎處理好，但出現了瘤胃pH值和纖維素消化率降低的現象，盡管提高了產奶量，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)，趙凱等(2002)和王萍(1999)報道抗性淀粉對糖尿病患者具有較少的胰島素反應，能降低糖尿病患者飯后的血糖值，尤其對于非胰島素依賴型病人，經攝食抗性淀粉，可延緩餐后血糖上升，將有效控制糖尿病病情。Baghurst(1996)認為抗性淀粉還可以增加糞便體積，對于便秘、肛門直腸疾病等癥狀有良好的預防效果。此外隨糞便體積增加，還可將腸道中有毒物質稀釋以防癌癥疾病的發生。Marlett等(1996)研究發現抗性淀粉在人體腸道內微生物作用下，還可產生短鏈脂肪酸代謝物，降低結腸pH值，減少腸道運送排泄物的時間，增加排便量等。此外抗性淀粉也被推薦為減肥食品。抗性淀粉對體重的控制來自兩方面：Ranhotra (1996)認為是增加脂肪排除，減少能量攝入，減少肥胖的發生;De Deckere(1993)認為是抗性淀粉本身所含熱量遠低于淀粉的能量值。
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