《食品科學》：廣東海洋大學鐘賽意教授等：不同糊化預處理對甘薯III型抗性淀粉結構和理化特性的影響

甘薯（Ipomoea batatas L.）屬旋花科、番薯屬，俗稱紅薯、番薯、地瓜等，是我國主要糧食作物之一。甘薯的根、莖、葉均可利用，其中甘薯根不僅可作為主糧，還可為食品加工、淀粉和乙醇制造工業提供重要原料。淀粉是甘薯根的主要成分，約占甘薯根干物質的50%～80%。然而天然甘薯淀粉具有易降解、熱穩定性低等特點，這限制了其在食品加工業中的發展。

此前有研究表明，抗性淀粉在人體內難以降解，具有降血糖、緩解脂肪肝、調節腸道菌群等功能特性，還具有持水能力低、熱穩定性高等加工特性，因此可以用于改善食品的加工工藝，在功能性食品研究與開發中具有較大的應用潛力。利用甘薯淀粉制備甘薯抗性淀粉，不僅可以克服天然甘薯淀粉自身的功能局限，提升甘薯淀粉的附加值，拓展其在高附加值功能性食品中的應用范圍，同時也可為甘薯淀粉的精深加工與產業升級提供新的技術路徑。

抗性淀粉又稱抗酶解淀粉或難消化淀粉，其在健康人體的小腸中不能被酶解，但能在人的胃腸道結腸中被腸道微生物發酵產生短鏈脂肪酸，相對普通膳食纖維具有更高的生理活性。抗性淀粉被分為五大類，其中III型抗性淀粉（RS3）指回生淀粉，是由糊化淀粉冷卻后重新結晶形成，安全性較高。因良好的功能和安全特性，RS3被廣泛用于食品工業，并已成為一個研究熱點。在RS3的制備過程中，糊化是淀粉冷卻回生形成RS3的前提條件。同一糊化度下糊化方式的不同會導致淀粉結構和理化性質不同。

廣東海洋大學食品科技學院的張國蕓、蔡海珠、鐘賽意*等以甘薯淀粉為原料，在同一糊化度下采用水熱、微波和壓熱3 種糊化預處理方式分別聯合超聲-酶法制備甘薯RS3，并對其微觀形態、結晶結構、短程有序結構、熱特性、直鏈淀粉含量和體外消化特性等相關指標進行分析。旨在闡明在同一糊化度下，不同糊化預處理引起甘薯RS3體外消化特性差異的機理，為開發抗消化能力強的甘薯RS3提供理論參考。

1 甘薯淀粉顆粒的微觀結構分析

淀粉屬于球晶體系，天然淀粉顆粒的雙折射性質可以使偏振光通過時形成以臍點為中心的偏光十字，即“馬耳他十字”。采用掃描電子顯微鏡和偏光顯微鏡觀察甘薯NS和抗性淀粉的形態特征，如圖1所示，可觀察到NS顆粒表面光滑結構完整，主要呈球形，少量為不規則形狀，部分顆粒表面有凹陷。NS顆粒具備完整淀粉顆粒的馬耳他十字，十字形中心位于顆粒臍點，分布均勻，這與謝雅曼等的研究結果一致。與甘薯NS不同，甘薯抗性淀粉顆粒表面粗糙，外觀均呈不規則形狀并出現團聚現象，馬耳他十字完全消失。這是因為淀粉分子在經過糊化、超聲及酶解處理后，水分子進入淀粉顆粒內部，導致顆粒膨脹破裂，淀粉原形態消失，直鏈淀粉分子溶出，糊化的淀粉顆粒互相黏連形成聚集塊狀。其中，水熱和壓熱預處理的甘薯抗性淀粉（HRS、ARS）表面出現網絡狀的孔洞結構，且ARS的孔洞結構比HRS分布更為廣泛。這可能是因為壓熱預處理對淀粉分子的破壞力比水熱預處理更強，從而促使淀粉分子鏈重排形成無序結構，在超聲作用下，這種相對松散的結構導致淀粉顆粒表面容易形成大量孔洞。與HRS和ARS相比，微波預處理的甘薯抗性淀粉（MRS）表面出現部分凹陷和鱗片狀結構，這可能與微波適當的輻射作用促進了短線性分子的有序遷移和重排，并在淀粉表面形成致密微晶有關。

2 甘薯淀粉粒徑及其分布

采用激光粒度分析儀測量甘薯淀粉的粒徑，如圖2所示，甘薯NS的粒徑呈現較矮的3 個峰，粒徑差異較大，峰值分別位于1.15、15.50 μm和45.23 μm處。制備成甘薯抗性淀粉后，與甘薯NS相比，HRS、MRS和ARS均呈現明顯的單峰曲線，峰形更尖銳，這可能與甘薯淀粉顆粒在加工過程中吸水膨脹、破裂及淀粉分子鏈重結晶有關。此外，HRS、ARS以及MRS的峰值分別位于52.66、52.71 μm和59.37 μm處，其粒徑分布曲線位置相近但曲線向右偏移，呈粒徑增大的趨勢。

如表1所示，相較于甘薯NS，甘薯抗性淀粉的體積平均粒徑顯著增大（P＜0.05），HRS為54.83 μm，ARS為50.83 μm，MRS為48.66 μm，其中HRS和ARS的體積平均粒徑相對較大，這可能與淀粉經過加工處理后，HRS和ARS顆粒表面形成的孔洞結構有關。相較于微波預處理，水熱及壓熱預處理使淀粉顆粒變得更加坍塌松散，在超聲波的空化作用下，淀粉表面出現顆粒膨脹破裂所形成的空腔，呈孔洞狀，因此使得淀粉顆粒粒徑增大。

3 甘薯淀粉結晶結構分析

淀粉顆粒結構由無定型區和半結晶區組成，通過X射線衍射圖譜可判斷出淀粉的結晶構型。如圖3所示，NS在15.2°、17.2°、18.0°和23.1°處顯示出明顯的衍射峰，為A型結晶結構。而HRS、MRS和ARS均只在17.0°處出現較強衍射峰，22.2°處有新的弱峰出現，說明經水熱、微波和壓熱預處理的甘薯抗性淀粉均為B型結晶結構。由此可知，3 種糊化預處理方式分別聯合超聲-酶法均會促使甘薯淀粉由A型結晶向更致密的B型結晶轉變。不同的淀粉晶型酶解性能不同，相較于A型結晶，B型結晶的抗消化性更強，這也說明了甘薯RS3具有更強的抗消化能力。

由圖3可知，甘薯NS、HRS、MRS和ARS的相對結晶度分別為19.52%、10.80%、11.58%和9.34%。不同糊化預處理的甘薯淀粉相對結晶度相較于甘薯NS均下降，這可能是糊化過程中的熱能增強了水分子與淀粉分子間的作用力，導致甘薯淀粉原本有序的晶體結構被破壞，組成結晶區的支鏈淀粉分子解螺旋，這也使得淀粉分子鏈在回生過程中通過鏈間的氫鍵重新排列形成B型結晶。不同糊化預處理的甘薯抗性淀粉其相對結晶度按大小排序為MRS＞HRS＞ARS，其中微波預處理的甘薯抗性淀粉相對結晶度相對較大，這可能是由于水熱及壓熱預處理對淀粉結構的破壞較大，而微波預處理對淀粉顆粒結構的破壞較小，適度的微波輻射作用導致MRS部分α-1,6糖苷鍵斷裂，使線性分子鏈增加，從而促進雙螺旋結構的形成，使其相對結晶度增大。

4 甘薯淀粉短程有序結構分析

采用傅里葉變換紅外光譜分析甘薯NS和甘薯抗性淀粉的短程有序結構。如圖4所示，所有樣品的光譜特征相似，特征峰分別在3 402、2 930 cm-1和1 647 cm-1處，分別歸屬于O—H鍵、C—H鍵和C＝O鍵的伸縮振動。在甘薯抗性淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖中，沒有新峰產生或峰缺失，表明在同一糊化度下，不同的糊化預處理方式分別聯合超聲-酶法未改變甘薯淀粉分子的化學官能團組成，但淀粉鏈通過氫鍵重新排列形成新的晶體結構。

淀粉在1 200～800 cm-1范圍內的傅里葉變換紅外光譜特征吸收峰與淀粉的短程有序度相關，1 047/1 022 cm-1和995/1 022 cm-1處的紅外光譜強度比率分別反映淀粉分子的有序度（DO值）和雙螺旋度（DD值）。如表2所示，甘薯NS的DO值和DD值分別為0.930和0.942，與甘薯NS相比，甘薯HRS、MRS和ARS的DO值均顯著下降，而DD值均顯著上升（P＜0.05），表明3 種糊化預處理方式分別聯合超聲-酶法均顯著降低了淀粉分子的有序度，而使雙螺旋度提升。這可能是由于糊化破壞了支鏈淀粉的有序晶體結構，從而使淀粉回生時直鏈淀粉以雙螺旋形式互相纏繞，提升了淀粉分子的雙螺旋度，這與郝世娟等的研究結果一致。在3 種不同糊化預處理的甘薯抗性淀粉中，MRS具有相對較高的DD值，為0.963，說明微波預處理的甘薯抗性淀粉在回生過程中形成了更高程度的雙螺旋結構，使其對消化酶的抗性上升。

5 甘薯淀粉的直鏈淀粉含量和支鏈淀粉含量分析

如表3所示，與甘薯NS相比，經加工處理后甘薯抗性淀粉的直鏈淀粉相對含量均顯著提高（P＜0.05），由15.54%提高至19.19%～23.54%；而支鏈淀粉相對含量均顯著下降（P＜0.05），由64.22%下降至53.69%～57.50%。這主要源于制備過程中支鏈淀粉分子的降解與直鏈淀粉組分的相對富集。即糊化過程破壞了淀粉顆粒的晶體結構，使支鏈淀粉的分支點充分暴露。隨后，在普魯蘭酶的作用下，支鏈淀粉分子分支點的α-1,6糖苷鍵被特異性水解。這一過程將高度分支化的支鏈淀粉大分子切割成多個較短的、線性程度更高的直鏈淀粉或中長鏈的線性片段。從分子水平看，這實質上是將一部分支鏈淀粉轉化為具有直鏈淀粉結構特征的線性分子。在后續的回生過程中，這些新生成的線性片段以及淀粉顆粒中固有的直鏈淀粉分子因其結構簡單、遷移能力強的特點，能夠通過氫鍵作用迅速重排，形成致密且抗酶解的雙螺旋晶體結構，這些作用共同導致了終產物中直鏈淀粉含量的提升。

近年來有研究表明，淀粉的抗消化性并非簡單地由支鏈淀粉/直鏈淀粉比值決定，而是更深層次地取決于回生過程中形成的晶體結構完整度與穩定性，而較低的支鏈淀粉/直鏈淀粉比值為形成此類結構提供了關鍵的組成基礎與潛力。MRS表現出最小的支鏈淀粉/直鏈淀粉比值，為2.28，這表明其擁有最豐富的線性分子組分，可用于構建抗性晶體結構。這可能是由于微波預處理通過其獨特的輻射效應，不僅促進了支鏈淀粉的適度解離，還可能優化了直鏈淀粉分子的構象，使其在后續冷卻回生過程中能更高效地排列成致密的結晶結構，從而對消化酶構成了強大的空間位阻，使MRS表現出相對最強的抗消化能力。

6 甘薯淀粉的溶解度和膨脹勢分析

淀粉的溶解度和膨脹勢是評價淀粉吸水性的重要指標之一。吸水性的大小代表淀粉分子與水分子間的作用力強弱，可以用來反映淀粉顆粒結構的緊密程度。如圖5所示，甘薯NS和抗性淀粉的溶解度和膨脹勢均隨溫度的升高整體呈現上升的趨勢，在40～60 ℃范圍內，抗性淀粉的溶解度和膨脹勢均高于NS；溫度大于60 ℃時，NS的溶解度和膨脹勢急劇上升，最終分別達到15.70%和18.77，均大于抗性淀粉的溶解度和膨脹勢。這可能是由于在較低的溫度范圍內，經加工制備形成的抗性淀粉其凝膠結構處于無定型狀態，在低溫時容易吸水溶解，且抗性淀粉晶體由大量直鏈淀粉分子纏繞締合而成，鎖水能力較強，因此低溫時其溶解度和膨脹勢較大；而NS由于未經加工處理，顆粒完整度較高，所以溶脹吸水能力有限。當溫度大于60 ℃時，隨著溫度的進一步上升，NS達到糊化溫度后其淀粉顆粒被破壞，微晶束結構松動，大量吸水，導致溶解度和膨脹勢迅速升高；然而升溫并沒有使抗性淀粉晶體達到熔融溫度，不能破壞其緊密結構。因此高溫時抗性淀粉的溶解度和膨脹勢受溫度的影響較小。

3 種糊化預處理的甘薯抗性淀粉在90 ℃條件下的溶解度和膨脹勢按大小排序均為ARS＞HRS＞MRS，其中MRS具有相對最低的溶解度和膨脹勢（P＜0.05），分別為7.15%和9.10，這可能與淀粉顆粒的表面結構和ΔH有關。與ARS和HRS相比，MRS較致密的顆粒表面結構和相對較高的ΔH使其熱穩定性提高，因此其溶解度和膨脹勢受溫度變化的影響相對較小。而ARS和HRS表面分布的孔洞結構使得水分子更容易滲透進淀粉顆粒內部從而破壞淀粉顆粒間的氫鍵，導致其溶解度和膨脹勢上升。因此相較于水熱及壓熱預處理，微波預處理的甘薯抗性淀粉在水中更不易受熱溶解，減少了淀粉的溶出，使其難以被消化分解。

7 甘薯淀粉的熱力學性質分析

如表4所示，甘薯NS的To、Tp、Tc分別為62.58、74.26 ℃和87.41 ℃。與甘薯NS相比，水熱、微波和壓熱預處理的甘薯抗性淀粉其糊化溫度（To、Tp、Tc）均顯著上升（P＜0.05），其中To范圍為89.41～98.65 ℃，Tp范圍為97.38～105.55 ℃，Tc范圍為102.76～109.90 ℃，說明不同糊化預處理分別聯合超聲-酶法制備甘薯抗性淀粉均使其表現出更高的熱穩定性。Falsafi等研究表明，ΔH表示糊化過程中淀粉雙螺旋解旋所需的能量，而非破壞晶體結構的能量需求。甘薯HRS、MRS和ARS的ΔH分別為20.76、24.69 J/g和13.14 J/g，顯著高于甘薯NS的ΔH（6.28 J/g）（P＜0.05），這與甘薯抗性淀粉具有更高程度的雙螺旋結構有關，因此熔化抗性淀粉無定形區和結晶區緊湊的雙螺旋結構需要更高的能量，表現為ΔH升高。這一結果與Tao Jiwen等在采用物理結合酶法制備蕎麥RS3研究中的結果一致。3 種不同糊化預處理的甘薯抗性淀粉ΔH按大小排序為MRS＞HRS＞ARS，ΔH的差異不僅與淀粉中的雙螺旋結構有關，還可能與淀粉顆粒表面的結構特征有關。有研究表明，淀粉顆粒表面出現的孔隙和裂縫會更容易導致水的滲入，進而滲透到淀粉的結晶區引起ΔH降低。由掃描電鏡結果（圖1）可看出，HRS和ARS顆粒表面都具有孔洞結構，且ARS表面的孔洞分布更廣泛，因此更容易導致水的擴散，這解釋了經水熱和壓熱預處理的甘薯抗性淀粉其ΔH相對較低。

8 甘薯淀粉的體外消化特性分析

根據淀粉在人體內的消化特性，可以將其分為RDS、SDS和抗性淀粉。如圖6所示，在0～20 min范圍內，甘薯NS和甘薯抗性淀粉的水解率均迅速上升，此部分屬于RDS。20～180 min時，甘薯NS和甘薯抗性淀粉的水解率上升速率變緩并在120 min后趨于平穩，這與郝世娟的報道結果一致。整體來看，甘薯抗性淀粉的水解率遠低于甘薯NS，說明3 種糊化預處理分別聯合超聲-酶法均提高了淀粉的抗消化能力。其中甘薯NS、ARS、HRS和MRS在180 min時的淀粉水解率分別為68.54%、47.75%、43.46%及39.81%，說明相較于壓熱及水熱預處理，微波預處理的甘薯抗性淀粉能夠更大程度降低淀粉水解率，使其不易被酶水解。

如圖7所示，相較于甘薯NS，甘薯抗性淀粉的RDS含量顯著下降，而抗性淀粉含量和SDS含量顯著上升（P＜0.05）。其中，MRS的抗性淀粉相對含量最高，為54.72%，顯著高于甘薯NS（21.69%）、HRS（48.89%）和ARS（46.25%），這可能與MRS的直鏈淀粉含量、顆粒結構、溶解度和膨脹勢以及ΔH有關。Govindaraju等研究表明，淀粉中直鏈淀粉含量的增加是導致淀粉酶酶解效率降低的關鍵因素。這是由于直鏈淀粉能夠通過氫鍵重新排列形成對抗酶解的致密晶體結構，因此MRS較高的直鏈淀粉含量使其對淀粉酶的抗性提升，表現為抗性淀粉含量增加。此外，MRS緊密的顆粒結構、相對較低的溶解度和膨脹勢以及相對較高的ΔH均導致其難以糊化，淀粉不易溶出，消化率降低。因此相較于水熱及壓熱預處理，微波預處理的甘薯抗性淀粉具有相對最強的抗消化能力，有助于減少餐后血糖水平的上升，為2型糖尿病人和肥胖患者等特殊膳食需要人群提供更多選擇。

結 論

本研究發現，水熱、微波和壓熱3 種糊化預處理方式分別聯合超聲-酶法制備的甘薯RS3具有不同的微觀結構和理化特性。與甘薯NS相比，經加工處理的甘薯RS3均失去原有形態，馬耳他十字消失，其中HRS及ARS表面出現孔洞結構，MRS表面出現部分凹陷和鱗片結構。3 種糊化預處理分別聯合超聲-酶法均使甘薯淀粉的粒徑增大，分子有序度和結晶度降低，而雙螺旋度提高。此外，相較于甘薯NS，甘薯RS3的直鏈淀粉含量和ΔH均顯著增加（P＜0.05），而溶解度和膨脹勢均顯著下降（P＜0.05），這導致了甘薯RS3具有相對更低的淀粉水解率和更高的抗性淀粉含量，提高了甘薯RS3的抗酶解性。在3 種不同糊化預處理的甘薯RS3中，MRS的直鏈淀粉相對含量和抗性淀粉相對含量最大，分別達到23.54%和54.72%，ΔH最高，達24.69 J/g，而淀粉水解率最低，水解180 min時僅達到39.81%。總地來說，通過對比水熱、微波和壓熱3 種糊化預處理方式對甘薯RS3結構和理化特性的影響，發現在同一糊化度下，微波預處理的甘薯RS3表現出最緊密的顆粒結構，最高的雙螺旋度、熱穩定性和直鏈淀粉含量，以及最低的溶解度和膨脹勢。這導致了微波預處理的甘薯RS3具有相對最大的抗性淀粉含量和相對最低的淀粉水解率，體現為相對最強的抗消化能力，適用于2型糖尿病人和肥胖人群食品的加工需求。本研究闡明了同一糊化度下，水熱、微波和壓熱3 種糊化預處理方式引起甘薯RS3體外消化特性差異的機理，為抗消化能力強的甘薯RS3的開發提供一定的參考依據。

引文格式：

張國蕓, 蔡海珠, 覃海麗, 等. 不同糊化預處理對甘薯III型抗性淀粉結構和理化特性的影響[J]. 食品科學, 2025, 46(24): 254-262. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250704-030.

ZHANG Guoyun, CAI Haizhu, QIN Haili, et al. Effects of different gelatinization pretreatments on the structure and physicochemical properties of resistant starch type III from sweet potato[J]. Food Science, 2025, 46(24)：254-262. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250704-030.

習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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