3.2 抗性淀粉的理化性质和生理功能
3.2.1 理化性质
抗性淀粉耐热性高，在高温蒸煮后，几乎没有损失；持水能力低，仅为1.4～2.8g，是所有膳食纤维中最低的。
（1）抗性淀粉热焓特性
物质发生物理和晶型变化时常伴随热量的变化，差示扫描量热法（DSC）通过程序控温测定高聚物的晶体熔点、结晶度、物态转变的热效应等，可应用于淀粉的糊化、老化、相转变的定量分析以及淀粉颗粒内部晶体结构的定性分析。
研究发现，玉米抗性淀粉样品的DSC曲线图仅存在一个相变吸热峰，与原淀粉相比，抗性淀粉的峰值温度更高，吸热焓更大，说明压热产生的晶体结构热稳定性高，抗性淀粉的非晶化相变所需的热量较高。Eerlingen等将糊化后的蜡质玉米淀粉分别在不同的温度和时间下贮藏一段时间，采用DSC研究其热力学特性，结果显示随着糊化淀粉在低温下放置条件不同，其回生程度亦不一样，且温度越低、时间越长，回生程度越大，不同处理组回生后淀粉的热力学特性差别越大。研究发现，蜡质玉米抗性淀粉DSC峰值温度和热焓随抗性淀粉含量增加而增大。还有研究表明，淀粉DSC吸热曲线不同于抗性淀粉，天然淀粉在糊化过程中仅能发生一次吸热转变，起始温度约为79.79℃；而RS3会出现两次吸热转变，第一次约在42～72℃范围内，可能是支链淀粉熔融；随糊化温度升高，在约120～170℃内会出现第二次吸热转变，这是由于直链淀粉熔融。有研究者在对玉米抗性淀粉结构和性质研究中发现，玉米抗性淀粉DSC曲线只有一个明显相变转折点，转变温度为105.18～135.09℃。可见，抗性淀粉熔融温度与淀粉链重组和新结构形成有关，经脱支酶处理会增加直链淀粉含量，使之在老化过程中重组形成结构紧密结晶体，从而提高抗性淀粉热稳定性，这将更有利于食品加工生产。
（2）抗性淀粉黏度特性
黏度特性可用于评估抗性淀粉潜在应用价值。在高温处理下，抗性淀粉不会像淀粉颗粒那样，发生吸水溶胀及崩解，使直链淀粉分子逸出，而能呈现不同于淀粉的黏度特性。研究发现，大米抗性淀粉黏度性质与大米淀粉有明显差异，抗性淀粉黏度基本消失。不同来源的抗性淀粉，黏度特性不同。有研究表明，与玉米抗性淀粉、小麦抗性淀粉相比，马铃薯抗性淀粉表现出较高黏度。抗性淀粉黏度会随其含量增加而降低，而含量与直链淀粉成正相关。直链淀粉含量对黏度特性影响，目前仍存在不同观点。有学者研究指出，直链淀粉含量与峰值黏度成正相关；但有研究者认为，最大黏度值和破损值与抗性淀粉含量呈负相关；同时也有研究者认为，峰值黏度与直链淀粉含量相关性并不很明显。因此，抗性淀粉黏性与直链淀粉关系还有待于深入研究。在烹饪处理过程中，抗性淀粉糊化和黏度不会发生改变，抗性淀粉不仅能抵抗酶水解，且在大多数食品高温加工处理时，仍可保持原有营养功能。
（3）抗性淀粉溶胀特性
淀粉的溶解度是指直链淀粉分子从有序态到扩散至溶液中转变为无序态的过程，是结晶结构和无定形结构含量比率、直链分子间氢键结合程度的反映。淀粉的膨胀度反映了无定型区和结晶区淀粉链的结合程度，体现支链淀粉的糊化能力。淀粉溶解度和膨胀度可以直观反映淀粉颗粒化程度以及直链淀粉与支链淀粉的组成情况，进而分析淀粉结构的变化。有学者研究发现，淀粉的溶解度与其亲水性和直链淀粉含量密切相关，当温度到达临界点温度以上时，淀粉分子开始吸水发生膨胀。淀粉的颗粒紧密度和结晶结构决定其溶解度大小，当淀粉分子排列有序时其溶解度和膨胀度较低，而当淀粉颗粒结构松散，分子排列无序时其溶解度和膨胀度较高。
（4）抗性淀粉碘吸收特性
淀粉碘复合物吸光度法是利用直链淀粉分子与碘形成有色复合物的特性来探究并了解直链淀粉的链长或其分子的大小。直链淀粉与碘溶液形成深蓝色的直链淀粉-碘复合物，在600～640nm波长处会呈现最大吸收峰，而支链淀粉与碘溶液反应会形成紫红色复合物，并在520～560nm波长处出现最大吸收峰。通过分析淀粉的碘吸收曲线可以分析抗性淀粉中直链淀粉、支链淀粉、聚合度等情况。基于淀粉易于吸收游离碘的原理，采用碘吸收法测定淀粉损伤，发现在游离碘溶液中，被损伤淀粉所吸收的碘越多，残留的游离碘越少，以此分析淀粉损伤程度。
3.2.2 生理功能
大量研究表明，糖尿病、动脉粥样硬化、冠心病等慢性疾病与个人饮食习惯密切相关。抗性淀粉作为新型膳食纤维，不仅口感、色泽优于一般膳食纤维，在维护肠道健康、控制体重、稳定餐后血糖和胰岛素应答水平等方面同样发挥重要作用。
（1）抗性淀粉的能值
抗性淀粉在小肠中抗消化，但可在结肠中被细菌发酵，产生的短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）经过结肠壁吸收进入血液后，可提供能量。有学者研究发现，每克抗性淀粉平均提供8.4kJ的能量。含高抗性淀粉的食物，大约能量的12%是由结肠发酵产生的短链脂肪酸提供的。有研究发现抗性淀粉还可降低食物的热效应。
（2）调节血糖水平
基于碳水化合物对餐后血糖影响的研究，血糖指数（glycemic index，GI）表示含有50g有价值的碳水化合物的食物与相当量的葡萄糖相比，在一定时间内（一般为餐后2h）引起体内血糖应答水平的百分比值。不同食物血糖指数差异主要是由碳水化合物的消化或吸收速率造成的。淀粉类食物的生糖指数与淀粉颗粒的来源、水分含量、糊化温度以及加工条件等因素密切相关，而这些因素与抗性淀粉的形成也有很大关系。富含抗性淀粉的食物作为典型的低GI食物，不易被消化，能够调节血糖水平、降低胰岛素反应和利用储存的脂肪，因此在糖尿病人的饮食中增加抗性淀粉的含量将有助于糖尿病的控制。抗性淀粉在摄入5～7h后发生代谢，既增加了饱腹感，也有效降低了餐后血糖和胰岛素浓度。抗性淀粉的种类和含量不同，对生糖指数和胰岛素反应的影响也不同。RS2（绿香蕉）能够有效降低Ⅱ型糖尿病人的体重、空腹胰岛素浓度和胰岛素抗性。RS3淀粉制剂（RS3占总淀粉含量的14%及以上）可以有效降低血清葡萄糖和胰岛素水平，减少Ⅱ型糖尿病大鼠空肠和回肠中葡萄糖依赖性促胰岛素多肽的释放，进而改善Ⅱ型糖尿病的代谢调控。当人体分别摄入含1%～2%乙酰化的马铃薯淀粉（RS4）和含2%～3%β-环糊精的马铃薯淀粉之后，后者体内的血糖水平更低，这可能因为β-环糊精更多地被小肠末端吸收，延长了胃排空的时间。在人体试验中，给体重指数为21.0～42.8的成人食用含60%RS5（直链淀粉与棕榈酸复合物）的面包，对照组为含小麦面粉的白面包，餐后血浆葡萄糖浓度和胰岛素反应显著降低。因此，在食品中添加抗性淀粉可以降低食品中葡萄糖含量，能够满足糖尿病人的饮食需求，从而备受生产商的青睐。
（3）降低胆固醇含量
抗性淀粉能够有效降低脂蛋白胆固醇和血浆胆固醇的水平，增加结肠中短链脂肪酸尤其是丁酸的浓度，并提高排泄物中胆固醇的含量。正常情况下，人体肝脏中的胆固醇转换为小肠中的胆酸，胆酸完成脂类消化后再转化为胆固醇回归肝脏，完成脂类代谢循环。但小肠中未降解抗性淀粉与胆酸的结合，参与脂类代谢的胆汁酸减少，为维持循环，肝脏只能从血液中吸收胆固醇来保证胆酸-胆固醇循环。用含9.9%燕麦纤维和9.7%抗性淀粉的木薯淀粉喂养仓鼠，结果表明将两者添加到食品中都能够降低仓鼠血浆中胆固醇的含量，从而改善仓鼠的小血管健康。含抗性淀粉的食物（生马铃薯）能显著增加大鼠盲肠中短链脂肪酸的含量和吸收率，降低甘油三酯的含量和血浆胆固醇的水平，当具有代谢综合征的病人连续12周食用含抗性淀粉的食物（全谷物），病人体内血浆中甘油三酯的水平降低了43%。研究表明抗性淀粉可通过增加HMG-CoA（胆固醇合成的速率限制酶）的活性，减少FAS（脂肪酸合成酶）和GLUT4（葡萄糖转运蛋白4）的表达，来降低血清胆固醇。这可能是由于膳食摄入的抗性淀粉改变了体内食物燃烧的次序，通常碳水化合物首先被使用，但抗消化的抗性淀粉代替了碳水化合物，使脂肪成为机体获得能量的主要来源，潜在增加机体对脂肪的消耗，间接证明抗性淀粉对体重与脂质代谢具有积极作用。
（4）控制体重
肥胖主要是由能量过度摄入引起的，因此通过减少能量的摄入可以达到减少体重的目的。研究表明增加饮食中膳食纤维的含量可以增加饱腹感，从而减少能量摄入和降低体重指数。抗性淀粉也能够增加饱腹感、降低食欲、减少热量的摄入，可以减少脂肪组织中CD11的表达从而降低脂肪组织的质量，并且可提高胰岛素抗性从而达到控制体重的目的。此外有研究发现含5.4%抗性淀粉的食物能够明显增加餐后脂肪的氧化，长期食用可以减少脂肪的积累。
对啮齿动物的大量研究表明抗性淀粉取代快消化淀粉可以减少脂肪和体重。对于饮食诱导的肥胖大鼠，膳食中富含抗性淀粉（23.4%）可减少40%的体重，但是抗性淀粉高达23.4%的食物在人类饮食中不可能达到。有研究将含4%、8%、16%的抗性淀粉喂养大鼠，结果发现抗性淀粉含量大于8%的饮食比不含抗性淀粉的饮食明显降低了大鼠的体重，而且抗性淀粉的含量每增加4%，能量的摄入就减少9.8kJ/d。
目前有关抗性淀粉对体重影响的相关研究主要以肥胖大鼠为研究对象，对人体体重的影响并没有得到证实，因此有待进一步研究。但是抗性淀粉能够帮助控制人体体重的可能原因包括以下几个方面。①用抗性淀粉取代快消化淀粉可以减少饮食能量密度，降低热量的摄入。②在啮齿动物的饮食中添加抗性淀粉可以增加饱腹感激素胰高血糖素样肽1（glucagon like peptide 1，GLP 1）和肽YY（peptide YY，PYY）的分泌，从而增加饱腹感，减少食物的摄入，达到减轻体重的目的。给被试者分别提供低纤维含量的饼干和添加了抗性淀粉的饼干作为早餐，结果发现，含有抗性淀粉的饼干可以增强饱腹感。在成年男性的饮食中添加48g抗性淀粉，1天之内能量的摄入减少了1300kJ，但对主观食欲却没有影响。最近，有研究表明在被试者的早餐中添加25g抗性淀粉，发现被试者1天中食物的摄入量和主观食欲并没有受到影响。③用抗性淀粉取代快消化淀粉会减少胰岛素分泌从而促进脂肪的分解利用。
（5）预防结肠癌
研究表明，人类或动物日常摄入的膳食纤维大多无法被机体直接吸收利用，只有小部分（如抗性淀粉、低聚果糖、非淀粉多糖）被结肠益生菌发酵分解后，可参与机体循环。产物主要是一些气体和短链脂肪酸。气体能使粪便变得疏松，增加其体积，这对于预防便秘、盲肠炎、痔疮、肠憩室病、肛门-直肠机能失调等肠道疾病具有重要意义。
人体大肠和盲肠中有大量的微生物，抗性淀粉在小肠中不能被发酵，进入大肠后被厌氧微生物发酵产生大量的丁酸和丁酸盐，主要有甲酸、乙酸和丁酸，丁酸是大肠上皮细胞的主要能量底物之一，通过抑制细胞周期阶段阻碍肿瘤细胞的生长和增殖，抑制其恶变从而预防结肠癌。
将抗性淀粉制剂喂养大鼠，结果发现大鼠排泄物体积增大，pH值降低，产生了更多的短链脂肪酸，降低了结肠癌的发病率；当大鼠结肠中间和末端发生促进期产生遗传毒性致癌物时，抗性淀粉可以抑制结肠隐窝异常病灶的形成，这表明抗性淀粉可以阻碍结肠肿瘤病变的形成和生长。目前有研究证实RS5能够有效抑制偶氮甲烷诱导的大鼠结肠的癌前病变，表明RS5能够抑制结肠癌。喂养大鼠含RS5（直链淀粉-硬脂酸复合物）的食物，硬脂酸不能被大鼠吸收，而是通过粪便排出体外，这是由于RS5有助于增加大鼠粪便体积和疏水性，使得大量有毒化学物质从消化道排出体外，从而可以降低消化道中结肠病变细胞中有毒物质的含量。日常生活中，人体内膳食纤维的平均摄入量较低，若使饮食中膳食纤维的含量加倍，结肠癌的发病率最高可降低40%。当饮食中同时添加抗性淀粉和可溶性膳食纤维时，两者结合使得抗性淀粉发酵位点能够到达结肠的末端，从而更加有效地预防癌症的发生，并且肠道内可以产生更多的短链脂肪酸。
（6）作为益生元
益生元是指食品中不易被消化的成分，它是能够选择性地刺激细菌的生长活性，从而改善寄主健康的物质。典型的益生元有低聚果糖和菊粉两种，主要存在于新鲜的蔬菜和水果中。抗性淀粉能促进肠道有益菌丛的生长、繁殖，是双歧杆菌、乳酸菌等益生菌的增殖因子。抗性淀粉在肠道发酵过程中涉及多个细菌群，有分解淀粉的肠道细菌（如厚壁菌、拟杆菌和放线菌）、丁酸生成菌、双歧杆菌等，菌群组成对分解产物类型有一定影响。抗性淀粉作为益生元在结肠内发酵可以产生对宿主有益的产物，如丁酸等短链脂肪酸。RS3可以促进双歧杆菌在胃肠道中的生长和繁殖，此外高直链玉米淀粉可以提高双歧杆菌在酸性条件下的存活率。由于抗性淀粉可以完全通过小肠，因此可以将其作为益生菌的生长基质促进有益细菌（如双歧杆菌）的生长，由此可见抗性淀粉可作为益生元。
杨玥熹等通过模拟小鼠结肠环境，发现玉米抗性淀粉体外发酵产酸与外源肠道菌种有关，如嗜酸乳杆菌能够促进发酵产生乙酸，青春双歧杆菌和粪肠球菌则可促进发酵产生丙酸和丁酸，而大肠埃希氏菌会抑制产生丙酸和丁酸。在中国，抗性淀粉摄入量较高的地区其结肠癌发病率显著低于抗性淀粉摄入量较低的地区。抗性淀粉在结肠内发酵创造的酸性环境，不仅会加速胺类等毒素的排出，还可以改善因不良饮食引起的锌代谢紊乱。李敏等用大鼠实验验证了长期喂食富含抗性淀粉饲料大鼠的盲肠、结肠和粪便的pH值有明显下降。Schulz等的研究发现RS2型淀粉在回肠中发酵分解，pH值降低，肠道内溶解的镁、钙、锌等矿物质极易通过上皮细胞被人体吸收。而有研究者通过临床试验表明摄入富含膳食纤维的黑麦核面包可增加结肠发酵活性。大量研究表明，摄入适量抗性淀粉可改善肠道环境，促进肠道内有益菌生长，降低结肠癌的发病率。
抗性淀粉作为益生元被添加到功能食品中，主要有以下三种应用：①作为乳酸菌和双歧杆菌的发酵底物来提供能量；②作为膳食纤维的成分对寄主产生有益的生理作用；③作为微胶囊材料提高食品的稳定性。
（7）降低胆结石的形成
快消化淀粉被人体消化吸收后能够促进胰岛素大量分泌，而胰岛素的分泌又会促进胆固醇的合成，从而诱导胆结石的发生。抗性淀粉可以通过降低胆结石的发生，从而减少胆结石的发病率。在中国和印度，膳食纤维中抗性淀粉的摄入量是美国、澳大利亚的2～4倍，研究表明这4个国家胆结石的发病率有明显差异。
（8）促进矿物元素吸收
现代研究发现，膳食纤维对食品中的矿物质、维生素的吸收有阻碍作用，主要是因为膳食纤维含量高的饮食，其植酸含量也较高，而抗性淀粉不含植酸，避免了膳食纤维的上述弊端。抗性淀粉增强大鼠和人类多种矿物质在回肠的吸收水平，在用富含抗性淀粉的食物饲喂大鼠后，在结肠中的发酵产物短链脂肪酸，使肠道pH降低，促进上皮细胞增殖，促进了Ca2+、Mg2+等离子的吸收率，与普通食物比较，添加16.4%抗性淀粉的饮食对人干预后，肠道吸收Ca2+、Fe2+水平提升。
总之糖、脂代谢紊乱和胰岛素抵抗是代谢综合征产生的主要诱因，抗性淀粉是最新公认的健康食品，抗性淀粉通过高比例直链淀粉含量发挥其潜在的生理学特性，能促进肠道微生物种群多样性提高，激发抗炎、抗糖尿病与抗肥胖相关细胞信号通路，有效地改善糖脂代谢，减轻体重，增强胰岛素的敏感性，达到预防代谢综合征和慢性病的目的。