抗性淀粉在食品中的应用及功效研究进展.pdf
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1、核 农 学 报2 0 1 5,2 9(2):0 3 2 7 0 3 3 6 J o u r n a l o f N u c l e a r A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s 文章编号:1 0 0 0 8 5 5 1(2 0 1 5)0 2 3 2 7 1 0 抗性淀粉在食品中的应用及功效研究进展 朱 平 孔祥礼 包 劲松(浙江大学原子核农业科学研究所,浙江 杭州3 1 0 0 2 9)摘要:淀粉是人类从饮食 中获取能量的主要来源,对维持人体正常生命 活动有着重要意义。抗性淀粉 是指在 小肠 中不能被消化吸收,但 2 h后可到达结肠并被结肠 中的微生
2、物菌群发酵,继而发挥有益的生 理 作 用的 淀粉。因此,抗 性淀粉 被 看作是 膳食 纤 维 的组成 成 分之 一。长期 以来研 究 学 者将 抗性 淀 粉 分 为 4种,即 R S 1 4,现 在认 为还 存在 第 5种 类型,即 R S 5。当淀粉 与脂 类之 间发 生相 互作 用 时,直 链 淀 粉 和 支链 淀 粉 的长链 部分 与脂 肪 醇或脂 肪酸 结合 形成 的复合 物称 为 R S 5。抗性 淀粉 已广泛 地 应 用在 面 条、面包及油炸食品中。抗性淀粉具有预防结肠癌、降低血液胆固醇含量、减 少肥胖和结石的发病率、增 加矿物质吸收、控制糖尿病等生理功能。本文主要对抗性淀粉的 5
3、种类型、抗性淀粉在食品 中的应用以 及 对人体 健 康 的影响进 行 综述,旨在 为 富含 抗性 淀粉 产 品 的 开发及 其 对人 体 健 康 状 况的 改善 提供 理 论 依 据。关键词:抗性淀粉;功能特性;人体健康;应用 DOI:1 0 1 1 8 6 9 j i s s n 1 0 0 8 5 5 1 2 01 5 0 2 0 3 2 7 淀粉是人体主要的膳食能量来源,是植物体中最 丰富的贮存多糖,主要存在于植物的种子、果实和根茎 中。从食品加工应用 角度来说,淀粉 的来 源、组成 以及加工方式的不同使得淀粉类的食物具有不同的营 养特性,抗性淀粉的热量值(8 k J g )比快 消化淀
4、粉 的热量值(1 5 k J g )低很 多,而且添加抗性淀粉 对各种产品 的口味和质构无 副作 用。不 同类型 的 抗性淀粉可以应用到不 同水分含量的食 品中,如低水 分含量的面包、面条、饼干、蛋糕和谷物早餐;中等水分 含量的冰淇淋、乳酪;高水分含量的酸奶和发酵的乳酸 饮料。目前,人们 已 经从 结 构、形 成 机 理、测 定 方 法以及健康特性对抗性淀粉进行 了广泛 的研究,并越 来 越 多地 将它 作 为食 品添加 剂应 用 到食 品工业 中。在 13常 生 活 中,最 常 见 的 淀 粉 类 食 物 有 米 饭、面 条、面包等,它们都包含了大量的快速消化淀粉。快速 消化淀粉被人体摄入后
5、迅速消化并被分解成游离葡萄 糖,在小肠 内被吸收,使得 体内血糖水平迅速升高,引 起体内胰岛素大量分泌,而胰岛素的分泌又会迅速降 低体内血糖水平。这种高血糖和低血糖反应的循环导 3 2 7 致了胰岛素抗性和 型糖尿病的产 生,增加 了肥胖的 可能 性。抗性 淀 粉 在 结肠 内被 微 生 物 菌 群 发 酵 产 生了大量的短链脂肪酸,降低 了肠道 p H值,增强 了肠 道酸性环境,从而减少了肠道内病原体的数量,增加了 益生菌的数量,创造不易形成恶性肿瘤 的环境,减小 了结肠癌的发病率,系统调控营养大分子的代谢病,改 变了体内激素的分泌,从而改善人体健康 “。本文在前人研究 的基础上,主要从抗性
6、淀粉的类 型、应用、食物来源及功能特性等方面进行阐述。1 抗性淀粉 的定义与分类 淀粉以颗粒形式存在于植物组织和细胞 中,通 常 可 消化 淀粉 在小肠 内被 O t 一 淀粉 酶、葡 糖 淀粉 酶 和异 麦 芽糖酶 消化 分解 成 游 离葡 萄糖 在人 体 小肠 内被 吸 收 。然而,并不是所有种类的淀粉都能在小肠内被 消化吸收。根据淀粉能否在小肠内被完全消化分解生 成葡萄糖以及在小肠 内吸收的速率将淀粉分成 3种类 型:快消化淀粉(R D S)、慢消化淀粉(S D S)和抗性淀粉 收稿 日期:2 0 1 4-0 7-0 2 接受 日期:2 0 1 4 1 0-2 1 基金项 目:国家 自然
7、科学基金(3 1 1 0 1 2 2 5),浙 江省 自然科学基金(L Z 1 3 C 1 3 0 0 0 1)作者简介:朱平,女,主要从事食品生物物理学研究。E-ma i l:p i n g z h u z j u e d u c n 通讯作者:孔祥礼,男,讲师,主要从事食品生物物理学、谷 物科学 与淀粉化学研究。E m a i l:x l k o n g z j u e d u c n 核农学报 2 9卷(R S)。快 消化 淀粉,指 在小 肠 中 2 0 mi n内能够 被消化吸收的淀粉;慢消化淀粉,指在小肠 中 2 01 2 0 m i n内才 能够 被 完 全 消化 吸 收 的淀 粉
8、,如 天 然 玉 米淀 粉。抗性淀 粉,指不 能在小肠 中被消化 吸收,但 1 2 0 m i n后 可 到达 结 肠并 被 结 肠 中 的微 生 物 菌群 发 酵,继 而发挥有益的生理作用,因此被看作膳食纤维 的组成 成分之一 。抗性淀粉主要存在于种子、谷物和冷却 的淀粉类食 物 中-,生马铃薯 的抗性淀 粉含量最 高,占总淀粉含量 的 7 5 ,绿香蕉也是富含 抗性淀粉 的天然食品,抗性淀粉含量约 1 7 5 。抗性淀粉在 小肠 内不能被消化 吸收的原 因可能有以下 4个:1)天 然淀 粉颗粒 中致 密的分 子结 构使 消化 酶 无法 接 近。2)淀粉颗粒被细胞壁和蛋白质包裹,这种物理结构
9、阻 碍了消化酶 的分解。3)淀粉颗粒在大量水 中加热 膨胀最终崩解的过程被称为糊化,此时淀粉可 以充分 接触消化酶,但淀粉糊化后冷却 回生形成的淀粉结晶 却不 易与淀 粉酶结 合。4)某些 淀粉 被化 学修 饰,不 能够被 消化 酶分解。目前,抗 性 淀 粉 主要 被 分 成 5种 类 型。“,抗性淀粉的类型、在小肠 内消化速率、抗性减小的方法 以及 其食物 来源见 表 1。R S 1 淀 粉在 谷 物 和种 子 的胚 乳 中合 成,淀 粉 颗 粒 被 蛋 白质和 细胞壁 包 裹,这种 物 理 结 构 阻碍 了淀 粉 消 化从而降低了生糖反应 。当淀粉 以全谷物 的形式 进行蒸煮时,豆科植物种
10、子的细胞壁和谷物 的蛋 白质 阻碍水分渗入淀粉,淀粉无法得到充足的水分进行膨 胀和糊化,因此不易与淀粉酶结合发生水解作用。此 外,细胞壁和蛋白质作为一种物理屏障,也阻止消化酶 的靠 近和水 解,使 得部 分 淀 粉不 能 在 小肠 内被 消 化 吸 收而进入结肠,这类淀粉被称作 R S 1。R S 1主要存在 于全部 或部 分 碾 磨 的谷 物、种 子、根 茎 和 豆 类 中 。在正常蒸煮条件下,R S 1 具有热稳定性,因此可以将其 广泛应用到传统食品中 。R S 2主要存 在于水分含量较低 的天然淀粉 颗粒 中,如高直链玉米淀粉、生马铃薯和绿香蕉,它们都含 有 B型或 c型结晶包埋结构,紧
11、密排列的分子结构使 消化 酶无法 接 近 淀 粉从 而使 R S 2具 有 抗 性 。,因 此,蒸煮、粉碎等加工方式会提高消化酶的作用效能从 而使抗性淀粉的含量降低。经过蒸煮,大部分淀粉 经糊 化作 用会失 去 B型 和 C型结 晶结 构,成 为快 消 化 淀粉,如烤马铃薯和熟香蕉。然而,高直链淀粉能够产 生大量的直链淀粉和支链淀粉的长链,即使经过高温 蒸煮其结晶结构也不易被破坏。这种淀粉 的糊 化温度高于水的沸点,因此在蒸煮 的过程中,淀粉的晶 体结 构 不 发生 改 变,依 然 保持 抗 消 化 酶水 解 的特 性。R S 3是由食品加工过程中发生回生作用而形成 的 抗性淀粉,如冷却的马铃
12、薯和回生的高直链玉米 淀粉。淀粉类食物在冷冻条件下,淀粉会发生回生作 用,在回生过程中直链淀粉分子和支链淀粉的长链缠 绕在一起形成双螺旋结构,不易与淀粉酶结合,因此使 淀粉 具 有 抗 消 化 特 性。通 常食 品 加 工 过 程(如 挤 压、蒸煮等)都会破坏 R S 1 和 R S 2的结构,但水分含量 高时,直链淀粉分子内部氢键作用加强,更容易回生形 成 R S 3 。R S 3是 一 种 可 溶 的 膳 食 纤 维,不 仅 具 有热稳定性,还具有较高的持水 能力,使其在传统 食 品的加 工 中具 有更 加广泛 的应 用价值。R S 4是指使用化学方法对淀粉进行修饰,如醚化、表 1 抗性淀
13、粉的分类、在小肠 中的消化以及食物来源 Tab l e 1 Ty pe s o f r e s i s t a nt s t ar c h。t he i r di g e s t i bi l i t y i n t he s ma l l i nt e s t i ne a nd f o od r e s o ur c e s 2期 抗性淀粉在食品中的应用及功效研究进展 3 2 9 酯化 和交联 作用等,从 而获得具有 淀粉酶抗 性 的淀 粉 ,其中酯化作用和醚化作用改变 了淀粉的 结构,阻碍 了消化酶的水解,从而使淀粉具有抗消化特 性;交联作用使淀粉失去了膨胀能力,在蒸煮过程 中依 然保持
14、颗粒状态,不易被淀粉酶水解和微生物发酵,从 而 使淀 粉具 有抗 消化 特性。当淀粉 与脂 质之 间发 生 相 互作 用 时,直链 淀 粉 和 支链淀粉的长链部分与脂肪醇或脂肪酸结合形成的复 合物 被 称为 R S 5 3 7-3 8 。当线 性 的淀 粉 链 与 脂 质 复 合 物形成螺旋结构时,脂质存在于双螺旋 的大沟和小沟 中,使得直链淀粉的结构发生改变,由平面螺旋变成了 三维螺旋,这种复合物不溶于水,且具有热稳定特性,不易与淀粉酶的结合。淀粉 一脂质复合物具有消化酶 抗 性 主要 有 2个 原 因:1)淀粉 一脂类 复 合 物 的结 构 与 支链淀粉分子缠绕在一起,阻碍了淀粉颗粒 的膨
15、胀,淀 粉酶不能进入淀粉 颗粒 内部,不易将其 水解;2)淀粉 一脂质复合物比直链淀粉具有更强的消化酶抗性。其 中直 链 淀粉 一硬 脂 酸 复合 物 是 一 种 典 型 的 R S 5,研 究证实淀粉颗粒 中直链淀粉 一硬脂酸复合物 的形成限 制了淀粉的膨胀,并且硬脂 酸包裹在淀粉颗粒表面进 一步增强 了 R S 5的酶抗性。这种抗性淀粉糊化温 度更高,热稳定更强,也更容易发生 回生作用,而且在 9 51 0 0 条 件 下 酶 解 依 然 保 持 半 晶体 结 构。脱分支的高直链玉米淀粉和 自由脂肪酸形成的单螺旋 复合 物 来 制 备 R S 5,抗 性 淀 粉 的 含 量 最 高 可 达
16、 7 5 。F r o h b e r g等 将 R S 5定义为 由不溶 于水 的 线 性 聚 d 1、4 一 D 葡萄 糖 形成 的多 糖,这 种 多糖 不 能 被 O t 淀粉 酶 降解,并 且 聚 1、4 一 D葡 萄 糖 可 以促 进 结 肠 内短 链脂 肪 酸 的形 成。因此,R S 5可 以作 为预 防结 肠 癌 的营养 补 充 剂 。Me r me l s t e i n 将 R S 5定 义 为 具有抗性的麦芽糊精,在加工过程 中有 目的地对淀粉 分 子 进行 重排,使 麦芽 糊精 具有 水溶 性 和消化 酶抗 性。2 抗性淀粉在食 品中的应用 通常富含膳食纤维的食 物都 比
17、较粗糙,而含抗性 淀粉的食物不仅没有改变食物本身 的口味,还改变了 食物的品质特性,比如增加了食物的脆性,减少 了油炸 食物的含油量。抗性淀粉 与传 统意义 的膳食纤 维 相 比,具有 独特 的 品质特 性,如天 然来 源,颗 粒 大小、颜 色、口味、低持水能力和高结合水能力、高糊化温度,挤 压性能好等,使其被广泛添加到功能性食品中。抗 性淀粉可以作 为汤料 的增稠剂,添加 了交联 度为 1 的木薯淀粉 的汤具有最佳凝胶和抗剪切力特性,有效 改善了汤的感官品质。研磨、蒸煮以及膨化等加工 过程会使 R S 1和 R S 2失去抗性,尤其是挤压膨化使抗 性淀粉的含量降低最为显著,但 R S 3的含
18、量并不会降 低,甚 至会 随着 加工过 程 而增 加。R S 3具 有 热 稳定 性,能够增加油炸食物 的膳食纤维含量,同时 R S 3在 油炸 过 程 中 能 够 阻 止 脂 肪 的 吸 收 和 水 分 含 量 的 丢 失。R S 4能 够 阻碍 凝 胶 网络 的 形成 从 而 使 硬 度 减小,也能够降低淀粉的膨胀特性和水溶指数,可以作 为功能性成分添加到烘培食 品和零食 中。在抗性 淀粉中,低持水能力和高结合水能力能够降低食 品的 水活度从而延长货架期。与传统 富含 不溶 的膳食 纤维食品相 比,抗性淀粉改善 了某些产品的脆性、延展 性和口感,这种特性使得产品更容易被消费者接受食 用从而
19、增加了膳食纤维的摄入。2 1 面 条 面食是 日常饮食中的基本食品,具有很高 的营养 价值。与其他淀粉类 的食物相 比,意大利 面的生糖指 数较 低,这可 能是 因为 在 挤 压过 程 导 致 蛋 白质 网络 结 构被压缩,限制 了 一 淀粉酶 的接近,从 而降低 了淀粉 的消 化性。高 品 量 的 面条 不 仅 对 营 养 价值 有 较 高 的要求,对面条的最佳蒸煮时间、适 宜的质构、低吸水 能力等特性也有较高的要求。然而,超市里富含小麦 麸皮的面条因其质构和感官特性(如颜色、硬度、蒸 煮 损 失)不佳 而不 受 消费 者 青 睐,其 含 有 的 小 麦麸 皮减弱了面条中蛋白质网络结构从而使
20、得蒸煮损失增 加。另 外,某些 膳食纤 维,如菊 粉,也对 面条 的性质 产 生 了不利 影 响。在面粉 中 添 加 R S 2可 以 明显 改 善 面 条 的 质 量。添加 了 5 0 R S 2的 面条 亮 度 最 大,添加 了 2 O R S 2 的面团变得更软,同时面条消化性降低,这可能与抗性 淀粉具 有 高 的 持 水 能 力 有 关,但 并 没 有 改 变 硬 度、韧 度、咀 嚼 性、顺 滑 度 和 口感 等 感 官 特 性。当 添 加 1 0 R S 3时,面团 的硬度 增加 而蒸 煮 损失 没 有 明显 变 化。2 2 面 包 面包中常添加传统膳食纤维,如小麦麸皮 和大麦 粉,
21、但这会导致面包体积减小,颜色变暗,香味被掩盖,使得消费者的满意度下降。在面包 中添加 2 0 玉米 淀粉(含 R S 2)时,并没有改变面团的醒发时间、体积以 及面包 皮 的颜 色参数。而将 R S 2和 R S 3分 别 以 1 0 、2 0 和 3 0 的质量 比添加 到面包 中,结果 发 现 添 加 了抗 性 淀 粉 的面 包 能 够 吸 收 更 多 水,更 加 松 软。在 R S 3的含 量大于 1 0 以及 R S 2的含 量大 于 2 0 时,面包的体积减小,硬度增大;当添加 3 0 的 R S 2和 R S 3 3 3 0 核农学报 2 9卷 时,面包的颜色值降低。在面粉 中添加
22、不同含量的 改性豌豆淀粉(含大量 R S 1)来制作面包时,面粉的吸水 量以及面包皮的硬度和咀嚼性都随着豌豆淀粉含量的 增加而增加,这可能与抗性淀粉具有高水结合能力和适 宜的质构特性有关。当面团中添加 2 0 和 3 0 的改性 豌豆淀粉时,面包的粘合性、胶粘度和硬度都随之增加,但面 团中添加 3 0 的改性豌豆淀粉 时,由于硬 度太大而 不利于面团的处理。总体来说,添加 2 0 豌豆淀粉的面 包更容易被 消费者接受。2 3 油炸食品 R S 3比其他种类 的抗性淀粉 的热稳定性更强,用 2 0 R S 3(N o v e l o s e 3 3 0)替代小麦面粉可 以使油炸食 品中总膳食纤维
23、的含量提高 5 0 1 3 2。油炸食 品的最佳颜色是淡黄色,代表 了油炸的最佳时间。随 着 R S 3含量的增加,油炸食品的颜 色也逐 渐变深,硬 度 和脆性 也 随 之 增 加。尽 管 在 油 炸 食 品 中添 加 R S 2 更容 易被 消费者 接受,但 添加 R S 3比添加 R S 2更 能 改 善食品的颜色和营养价值。2 4微胶囊技术 微胶囊技术是一种将细小颗粒(固体、液体或气 体)封存在半透膜 内来保存封闭生物结构的技术。在食品工业中,微胶囊技术用来保护敏感物质,如颜色 和生物大分子(包括抗氧化剂、矿物质、维生素),对提 高益生菌活性的作用尤为 明显。微胶囊技术在 食品科学中 3
24、个主要的目标是延缓活性剂在人体内的 释放、提 高益生 菌 的活 性 和延 长 乳 制 品 的货 架 期。抗 性淀粉是众多微胶囊材料 中的一种,抗性淀粉 的 B型 结晶结构存在大量水通道,能够包埋这些敏感 的化学 物质,降低其消化率,从而作为一种稳定的运输工具帮 助解 决 了食 品工业 中控 制 生 物 活性 分 子 的释 放,延 长 敏感化合物的货架期等技术难题。藻酸钙被广泛应用于固定乳酸菌,可以降低成本,而且不影响人体健康。抗性淀粉与藻酸盐在胶凝过程 中具有协同作用,可 以强化 固定细菌细胞。在 4 C 条件 下贮 存 8周后,添加 2 R S 2与 藻 酸盐 混合 时 可 以显著提高乳酸菌
25、 的数量,而 4 R S 2与藻酸盐混合 时乳酸菌数量没有显著影响。贮存 8周之后,游离培 养基 中乳酸菌和双歧杆菌的数量 比添加了 R S 2后微 囊化培养基中下降的更加明显。微胶囊在食品运输以及贮存过程中为益生菌创造 一个抵抗恶劣条件的微环境,从而提高益生菌 的存活 率,使其在消化道 内合适 的位点释放继而发挥有益的 生理作用。如微胶囊技术可以保护乳制品中的益生菌 抵抗 胃肠道 内较 低 的 酸性 环 境。通 常 将 高 直链 玉 米淀粉与益生菌相结合封存到微胶囊材料里从而实现 益生元 一 益 生菌 的共生,在微 胶 囊化 之 前将 1 2 可溶性淀粉颗粒加入到益生菌 一胶体 的前体里,可
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