|
2022-10-28 抗性淀粉（RS）是指不能被健康人體小腸消化吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物的總稱,。如圖1所示,，一般可將RS分為5 類。物理包埋淀粉（RS1）是指由于細胞壁的包埋或蛋白質成分的阻隔作用而難以被淀粉酶接觸的淀粉顆粒,，主要存在于完整的或部分研磨的谷物,、種子及豆類中；天然淀粉顆粒（RS2）是指由于緊湊的構象或結構而不被淀粉酶水解的淀粉顆粒,，主要存在于生馬鈴薯和綠香蕉中,；老化淀粉（RS3）是指淀粉經(jīng)過加熱糊化、冷卻回生重新聚合而形成的重結晶組分,，主要存在于即食早餐谷物,、面包、煮熟后冷卻的馬鈴薯中,；化學改性淀粉（RS4）主要是指通過醚化,、酯化及交聯(lián)等化學方法引入新的化學官能團至淀粉分子內部，使分子結構發(fā)生改變而產(chǎn)生酶抗性的一類淀粉,；直鏈淀粉-脂質復合物（RS5）是近幾年新發(fā)現(xiàn)的一類抗性淀粉,，在外加條件的作用下，直鏈淀粉形成左手螺旋空腔結構,，脂質進入直鏈淀粉的螺旋空腔發(fā)生不同程度的復合,。 
抗性淀粉作為一種新型膳食纖維,，能夠調節(jié)腸道菌群組成，促進有益菌增殖和抑制致病菌增殖,，并生成乙酸,、丙酸,、丁酸等短鏈脂肪酸（SCFAs）,，對保護腸道屏障、降低腸道通透性等具有重要的作用,。此外,，抗性淀粉還參與調節(jié)糖脂代謝，在控制體質量,、降脂,、預防糖尿病等方面發(fā)揮有益作用。陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院的張金秀,、胡新中,、馬 蓁*介紹不同類型抗性淀粉的表觀形貌結構與多尺度結構特征，比較不同類型抗性淀粉對腸道菌群,、SCFAs生成情況,、腸道健康以及糖脂代謝的影響，并對抗性淀粉類型與腸道菌群調節(jié)功能之間的潛在關聯(lián)進行分析和探討,。
抗性淀粉的表觀形貌結構一般可通過掃描電子顯微鏡（SEM）、環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）,、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）和原子力顯微鏡（AFM）等設備進行觀察分析,。RS1和RS2是天然存在的抗性淀粉，天然淀粉顆粒通常表現(xiàn)為表面光滑的不規(guī)則球形或橢球形,。據(jù)報道,，高直鏈玉米淀粉呈光滑的球形和細長棒狀顆粒狀。RS3一般表現(xiàn)為不規(guī)則的片狀聚合結構,。例如,，采用高溫高壓處理和普魯蘭酶脫支的高直鏈玉米淀粉，冷卻回生后可得到抗性淀粉（RS3）,，結果顯示,，未處理的高直鏈玉米淀粉為圓形顆粒和多角顆粒的混合物，而抗性淀粉表觀結構變得松散,、粗糙,、破碎，雙折射交叉現(xiàn)象消失,。超聲波高壓蒸煮法制備的薏苡仁RS3淀粉顆粒呈現(xiàn)孔洞狀結構,，這可能是由于超聲波的空化作用,；高壓蒸煮法和酶高壓處理法制備的RS3表面具有淺層條帶；微波處理法制備的RS3表面具有深層條帶,，形成密集的條紋狀溝壑,，這可能是微波的快速導熱機制導致其表面更加粗糙。通過雜豆原料所制得的RS3呈現(xiàn)出不規(guī)則,、緊密的塊狀堆積形態(tài),，表面粗糙且有分層，這可能是壓熱處理過程中,，淀粉顆粒溶脹及其部分成分溢出,，從而導致出現(xiàn)抗性淀粉回生重結晶時重排的分子鏈和新的結晶結構組成的連續(xù)基質。 X射線衍射（XRD）可用來表征抗性淀粉的晶型并量化其相對結晶度,，但存在一定的局限性,，通常與高分辨率13C固體核磁共振（13C NMR）和小角X射線散射（SAXS）等技術結合使用。XRD能夠反映淀粉顆粒的長程有序結構（即雙螺旋的堆積）,，通過XRD圖譜中的衍射峰可分析淀粉顆粒晶型,，衍射峰的面積與總面積的比通常被用來表征抗性淀粉的相對結晶度。一般利用高分辨率13C NMR技術分析淀粉短程有序結構（即亞晶區(qū),、非晶區(qū)的短鏈有序結構和重疊的晶體,，以及在無定形區(qū)的雙螺旋結構），通過13C NMR圖譜不僅可獲得淀粉的晶型結構特征,，還可以進一步擬合計算出淀粉相對結晶度,、非晶相比例以及單/雙螺旋含量。傅里葉變換紅外光譜主要反映淀粉分子內部原子間伸縮振動,、分子間轉動和短程有序結構等相關信息,，通過分析計算峰強度比995/1 022 cm-1和1 047/1 022 cm-1，可以進一步確定淀粉顆粒有序度和雙螺旋度的變化,。高效分子篩排阻色譜儀,、凝膠滲透色譜儀、高效陰離子交換色譜和熒光團輔助碳水化合物電泳可用于測定抗性淀粉的分子質量分布和鏈長分布等,。綜合利用這些技術,，可以全面分析抗性淀粉的結構特征。根據(jù)XRD圖譜可將抗性淀粉的晶體類型分為4 類,，即A,、B、C型和V型,。A型晶體由平行的左手雙螺旋鏈組成,，具有排列緊密的單斜晶胞；B型晶體由平行的左手雙螺旋鏈組成,，具有六角形晶胞,，其結構中包含更多的水分子,；V型晶體與A型和B型晶體不同的是，它是由許多復雜片段的單個直鏈淀粉螺旋與內源性脂質復合而成的,；而A型和B型晶體的復合物則使XRD圖譜呈現(xiàn)出C型晶體,。抗性淀粉顆粒的晶型通常與其來源以及加工方式等有關,。2,、不同類型及不同結構抗性淀粉對腸道菌群的調節(jié)功能
布氏瘤胃球菌（Ruminococcus bromii）和青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolensentis）是被廣泛認可的抗性淀粉主要降解菌。布氏瘤胃球菌是人體腸道菌群的主要成員,，具有獨特的淀粉酶結構,，可以形成多酶復合物附著在細胞表面，對抗性淀粉具有特殊的活性,，是降解抗性淀粉的關鍵菌種。布氏瘤胃球菌降解抗性淀粉釋放的糖和乙酸可作為其他不具備降解抗性淀粉能力腸道微生物的底物,，從而使抗性淀粉發(fā)揮有益作用,。青春雙歧桿菌與布氏瘤胃球菌具有相似的作用，能夠降解抗性淀粉生成乳酸和糖,?？剐缘矸劢到饩旧頍o法產(chǎn)生丁酸，抗性淀粉的產(chǎn)丁酸特性要通過其他腸道微生物才得以產(chǎn)生,。 抗性淀粉在腸道中發(fā)酵可選擇性調節(jié)特定腸道菌群的水平,，不同類型的抗性淀粉對腸道菌群結構和動態(tài)的影響存在差異。研究發(fā)現(xiàn),，分別從天然,、普魯蘭酶脫支及酸水解豌豆淀粉中分離得到的抗性淀粉體外發(fā)酵24 h后，酶解處理抗性淀粉（RS3）組厚壁菌門相對豐度明顯增加,、變形菌門相對豐度最低,；各處理組放線菌相對豐度都顯著增加，其中天然豌豆抗性淀粉（RS2）最為明顯,。Liang Dan等以RS1,、RS2、RS3和RS4為研究對象,，經(jīng)體外發(fā)酵24 h后,，所有抗性淀粉組腸道菌群組成發(fā)生顯著變化，厚壁菌門/擬桿菌門比值均顯著降低（P＜0.05）,，其中RS2組最低,。此外，RS4組雙歧桿菌屬的相對豐度顯著增加,，而RS2組則促進了巨單胞菌屬和普雷沃氏菌屬的增殖,。 
如表1所示,，研究者們對抗性淀粉進行了大量體內研究。Kieffer等以高直鏈玉米淀粉RS2喂養(yǎng)慢性腎病模型的大鼠,，結果顯示腸道內放線菌門和變形菌門的相對豐度顯著增加,，厚壁菌門的相對豐度顯著降低，擬桿菌門與厚壁菌門比值增加,。另一項研究表明,，喂食RS3的小鼠腸道細菌多樣性水平低于正常組以及高直鏈玉米淀粉組，且小鼠的腸道中乳酸菌屬,、雙歧桿菌屬,、毛螺菌科、瘤胃菌科等淀粉利用菌的數(shù)量增加,，而理研菌科和紫單胞菌科數(shù)量則降低,。Kawakami等研究發(fā)現(xiàn)，以飼料補充劑RS2飼養(yǎng)的大鼠盲腸內容物的厭氧菌水平高于以飼料補充劑RS3飼養(yǎng)的大鼠,。 Lehmann等發(fā)現(xiàn)以RS2為底物時,，體外發(fā)酵后SCFAs含量為370～1 800 μmol/g，以RS3作為底物時,，體外發(fā)酵后SCFAs含量為890～2 100 μmol/g,，且RS3發(fā)酵產(chǎn)生更多的丁酸。有研究指出,，RS3會影響小鼠糞便中的總SCFAs和乳酸的生成量,，并可通過腸道菌群將乳酸發(fā)酵為丁酸。Liang Dan等對不同類型的抗性淀粉（RS1～RS4）進行體外發(fā)酵,，在整個發(fā)酵過程中,，所有抗性淀粉組的pH值都呈現(xiàn)出相似的下降趨勢，各組乙酸,、丙酸和丁酸含量均顯著升高,，其中RS4組乙酸含量高于其他各組，RS2和菊粉組產(chǎn)丁酸量高于其他組,，RS2組和RS3組丙酸含量高于其他組,。Sorndech等指出，與RS2和RS4相比,，RS3發(fā)酵24 h后利用率最高,，pH值較低，產(chǎn)生大量的SCFAs（尤其是丁酸）,，而RS2的底物利用率最低,，這可能是由于RS2的顆粒結構更加緊湊，限制了糞便中細菌的降解活性。另一項對RS2,、RS3和RS5進行體外發(fā)酵的研究表明,，RS2、RS3和RS5組的pH值逐漸降低,，但RS3和RS5較RS2更大程度上降低了發(fā)酵培養(yǎng)物的pH值,，說明RS3和RS5可被腸道菌群更有效地發(fā)酵；此外,，與RS2和RS5相比,，RS3的相對結晶度較高，產(chǎn)生的乳酸也最多,，而RS5組的丁酸含量最高,。同類型抗性淀粉來源不同、細微結構差異等也會導致發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs含量的不同,。體外發(fā)酵實驗表明,，RS1發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸濃度隨著細胞壁完整性的減弱而增強。據(jù)報道,，馬鈴薯RS2和玉米RS2發(fā)酵后SCFAs的含量存在差異,，前者發(fā)酵后丁酸及總SCFAs含量顯著增加，而后者丁酸含量沒有明顯變化,。對普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉進行熱處理制備抗性淀粉（RS3），熱處理能夠降低普通玉米淀粉分子原有的有序性結構,，生成的抗性淀粉屬于快速發(fā)酵型底物,，發(fā)酵后會產(chǎn)生大量的乳酸和乙酸，且丁酸的合成會受到抑制,；而對于高直鏈玉米淀粉,，熱處理對淀粉結構影響不明顯，抗性淀粉仍保留較高的分子結構有序性,，其發(fā)酵模式屬于緩速發(fā)酵型,，這樣的模式有利于生產(chǎn)高濃度的丁酸。腸道菌群（瘤胃球菌和雙歧桿菌等）利用抗性淀粉發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs,，可降低腸道環(huán)境pH值,，從而抑制腸道中耐酸性較差的致病菌的生長繁殖，同時抗性淀粉降解產(chǎn)生的氣體還能夠使糞便體積蓬松增大,，促進腸道蠕動,，維護腸道健康，降低結腸癌的發(fā)病率,。飲食補充抗性淀粉對改善機體腸道功能,、預防或治療結腸炎、降低結腸癌等腸道疾病的發(fā)病率具有重要作用。不同類型的抗性淀粉在腸道中有著不同的發(fā)酵模式,，因此對腸道環(huán)境產(chǎn)生的影響也不完全相同,。將抗性淀粉應用于動物模型，研究不同類型抗性淀粉對腸道健康的影響,。在小鼠飼料中分別添加15%的抗性淀粉（RS2,、RS3和RS4），3 種抗性淀粉組的盲腸總質量,、盲腸壁質量和盲腸內容物濕質量都明顯增加,，其中RS3組測得以上指標水平最高，抗性淀粉可改變小腸和盲腸的生理結構,，如使盲腸的絨毛高度和黏膜厚度顯著降低,，盲腸的肌肉厚度顯著增加等，但與對照組小鼠相比,，并沒有引起小腸和盲腸可檢測到的病理變化,。另一項針對RS2、RS3和RS4的研究表明,，在控制體質量方面,，RS4組大鼠體質量增加量最小,；在調節(jié)大鼠腸道代謝產(chǎn)物方面,，RS3效果最優(yōu)；在調節(jié)血脂方面,，RS3對血清甘油三酯的降低效果最顯著,，平均降低水平可達30%左右，而RS4對血清膽固醇的調節(jié)效果最優(yōu),。近幾十年來,，隨著人們生活水平的提高與生活方式的改變，腸道健康問題不僅給臨床醫(yī)學帶來嚴峻考驗,，2型糖尿?。═2DM）發(fā)病率也急劇上升，成為全球人類健康的一大威脅,。據(jù)估計,，到2030年，全球2型糖尿病患者將達到4.39億,。肥胖癥作為一種健康問題和慢性疾?。ㄈ?型糖尿病、心血管疾病和癌癥）的誘發(fā)因素,，近年來在全球范圍內也呈上升趨勢,。除了藥物治療外，飲食攝入高含量抗性淀粉可以修復胰腺損傷、提高肝糖原合成能力,，進而控制血糖水平,，對預防肥胖和2型糖尿病等多種代謝疾病具有重要意義。此外,，腸道菌群與肥胖,、糖尿病之間的關系已引起越來越多的關注，報道稱,，抗性淀粉調節(jié)糖脂代謝可能是由微生物介導的,。Si Xu等將抗性淀粉用于高脂飲食誘導的肥胖大鼠模型，研究高直鏈淀粉（RS2）和酯化高直鏈淀粉（RS4）的抗肥胖作用,。與對照組相比,，RS2和RS4處理組小鼠血糖水平和胰島素水平顯著降低，血清甘油三酯,、總膽固醇和丙二醛濃度均顯著降低,，提高了總抗氧化能力、超氧化物歧化酶水平和谷胱甘肽過氧化物酶活力,，且RS4在降低血糖,、降低血脂水平和增強肝臟功能等方面優(yōu)于RS2。Shimotoyodome等也進行了類似的研究,，RS4組小鼠比RS2組具有更低的體質量,、內臟脂肪和胰島素水平，并提高了肝脂肪酸氧化能力,，說明RS4在調節(jié)血脂水平和改善大鼠肝臟脂質代謝方面的效果更顯著,。據(jù)報道，飼喂玉米RS3的小鼠血糖值下降了14.70%,，說明玉米RS3也能夠有效降低2型糖尿病小鼠的血糖值。Wang Qi等也得到了類似的研究結果,。有研究表明,，RS4可以改善高脂飲食引起的腸道菌群紊亂，緩解高脂飲食引起的肥胖,，提高肥胖小鼠血糖調節(jié)能力,，從而改善血脂紊亂。不同類型或結構的抗性淀粉有利于不同類型的微生物群增殖,，并可作為獨特的腸道微生物群基質,，調節(jié)腸道菌群組成，從而影響SCFAs的生成,。此外,，對人類微生物群的研究表明，即使在健康人群中，腸道菌群多樣性和豐度也存在很大差異,。因此,，個體初始微生物群組成對抗性淀粉改善腸道菌群結構及代謝物水平具有至關重要的作用，未來研究仍需特別關注個體差異,。即使同類型的抗性淀粉也可能導致腸道菌群組成和SCFAs等發(fā)生明顯改變,，未來可根據(jù)腸道菌群調節(jié)功能和健康效應重新構建抗性淀粉分類系統(tǒng)。此外,，為了更好地理解抗性淀粉調節(jié)腸道菌群的潛在機制,，還需要對抗性淀粉的結構特征與腸道菌群調節(jié)功能之間的關聯(lián)進行全面研究，通過改變抗性淀粉的結構,，進行針對性,、個性化設計，精準調控腸道菌群,，以提高其營養(yǎng)價值或健康效益,。
馬蓁 副教授，陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院,。加拿大麥吉爾大學工學博士,，加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部博士后。研究方向為復雜碳水化合物的結構與功能研究,。以第一或通信作者在Journal of Agricultural and Food Chemistry,、Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Food & Function,、Food Hydrocolloids等食品學科期刊發(fā)表SCI論文近30 篇,，含封面文章2 篇，ESI前1%高被引論文2 篇,。出版與參編由Elsevier Academic Press, Wiley和科學出版社等出版的中英文專著5 部,。先后主持完成國家自然科學基金、陜西省科技計劃重點研發(fā)計劃,、陜西省自然科學基金,、教育部留學回國人員科研啟動基金等國家和省部級項目課題，獲2016年度“陜西省高?？茀f(xié)青年托舉人才計劃”,、2019年度“陜西師范大學優(yōu)秀學術骨干”和2020年度陜西省高等學校科學技術獎一等獎,。擔任Frontiers in Nutrition及Legume Science編委,，及20余種國際主流期刊審稿人。
本文《不同類型抗性淀粉的多尺度結構特征與腸道菌群調節(jié)功能研究進展》來源于《食品科學》2022年43卷17期24-35頁,，作者：張金秀,，胡新中,，馬蓁。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220401-007,。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息,。 《食品科學》腸道菌群專欄：江南大學孫嘉教授等：表達鼠源β-防御素14的植物乳植桿菌減輕小鼠急性結腸炎
《食品科學》腸道菌群專欄：福建農(nóng)林大學曾紅亮副教授等：蓮子抗性淀粉與乳酸鈉協(xié)同作用對大鼠小腸菌群及代謝產(chǎn)物的影響 《食品科學》：東南大學王少康教授等：連翹苷對食管上皮惡性轉變細胞和食管癌Eca-109細胞的抑制作用及機制
《食品科學》：西華大學唐勇副教授等：不同解凍方式對生食魚片解凍品質的影響
《食品科學》：西北大學黃琳娟教授等：魔芋葡甘露聚糖對高熱能膳食誘導小鼠認知功能障礙及腦部氧化應激狀態(tài)的影響
《食品科學》：廣西大學封碧紅講師等：不同預冷方式對甜玉米儲藏品質的影響
《食品科學》：黑龍江大學金濤教授等：紫蘇籽多糖分離純化及抗腫瘤活性
《食品科學》：中國農(nóng)業(yè)科學院侯成立副研究員等：包裝方式和宰后不同時間包裝對羊肉品質的影響
《食品科學》：大連醫(yī)科大學李華軍副教授等：低聚果糖對C57BL/6小鼠肥胖預防及其腸道菌群的調節(jié)作用
《食品科學》：北京工商大學趙磊教授等：矢車菊-3-O-葡萄糖苷及其代謝物原兒茶酸對雜環(huán)胺誘導細胞損傷的修復機制
《食品科學》：寧夏大學羅瑞明教授等：冷藏期間灘羊肉保水性變化的機制
《食品科學》：南京農(nóng)業(yè)大學胡秋輝教授等：杏鮑菇富硒蛋白的營養(yǎng)結構特性及對鉛毒性的緩解作用
《食品科學》：北京工商大學張敏教授等：LED藍光處理對小麥粉的減菌效果及其品質的影響
碳水化合物親水膠體主要指在水中分散后能形成膠體體系的碳水化合物聚合物和低聚物,，被廣泛應用于食品和營養(yǎng)配方中，以提高食品的質量,、安全性和營養(yǎng)特性,。為了更好地利用、配制和加工碳水化合物親水膠體,，改善食品質量,，促進人體健康，需要對碳水化合物親水膠體有更深入的了解,。北京食品科學研究院和中國食品雜志社組織召開此次論壇,，特邀在《Food Science and Human Wellness》“食物系統(tǒng)中的碳水化合物親水膠體：從結構到人體健康”專輯和《食品科學》相關專欄發(fā)表高水平論文的專家做報告，也歡迎相關研究領域科研人員和企業(yè)技術人員積極參與研討,，交流最新研究進展及成果,，為行業(yè)發(fā)展貢獻智慧和力量。網(wǎng)絡直播入口：請于11月4日微信掃描下方二維碼直接進入會議室進行觀看,，可提前掃描下方二維碼進行直播預約,。
|
