《食品科学》：广东海洋大学钟赛意教授等：不同糊化预处理对甘薯III型抗性淀粉结构和理化特性的影响

甘薯（Ipomoea batatas L.）属旋花科、番薯属，俗称红薯、番薯、地瓜等，是我国主要粮食作物之一。甘薯的根、茎、叶均可利用，其中甘薯根不仅可作为主粮，还可为食品加工、淀粉和乙醇制造工业提供重要原料。淀粉是甘薯根的主要成分，约占甘薯根干物质的50%～80%。然而天然甘薯淀粉具有易降解、热稳定性低等特点，这限制了其在食品加工业中的发展。

此前有研究表明，抗性淀粉在人体内难以降解，具有降血糖、缓解脂肪肝、调节肠道菌群等功能特性，还具有持水能力低、热稳定性高等加工特性，因此可以用于改善食品的加工工艺，在功能性食品研究与开发中具有较大的应用潜力。利用甘薯淀粉制备甘薯抗性淀粉，不仅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应用范围，同时也可为甘薯淀粉的精深加工与产业升级提供新的技术路径。

抗性淀粉又称抗酶解淀粉或难消化淀粉，其在健康人体的小肠中不能被酶解，但能在人的胃肠道结肠中被肠道微生物发酵产生短链脂肪酸，相对普通膳食纤维具有更高的生理活性。抗性淀粉被分为五大类，其中III型抗性淀粉（RS3）指回生淀粉，是由糊化淀粉冷却后重新结晶形成，安全性较高。因良好的功能和安全特性，RS3被广泛用于食品工业，并已成为一个研究热点。在RS3的制备过程中，糊化是淀粉冷却回生形成RS3的前提条件。同一糊化度下糊化方式的不同会导致淀粉结构和理化性质不同。

广东海洋大学食品科技学院的张国芸、蔡海珠、钟赛意*等以甘薯淀粉为原料，在同一糊化度下采用水热、微波和压热3 种糊化预处理方式分别联合超声-酶法制备甘薯RS3，并对其微观形态、结晶结构、短程有序结构、热特性、直链淀粉含量和体外消化特性等相关指标进行分析。旨在阐明在同一糊化度下，不同糊化预处理引起甘薯RS3体外消化特性差异的机理，为开发抗消化能力强的甘薯RS3提供理论参考。

1 甘薯淀粉颗粒的微观结构分析

淀粉属于球晶体系，天然淀粉颗粒的双折射性质可以使偏振光通过时形成以脐点为中心的偏光十字，即“马耳他十字”。采用扫描电子显微镜和偏光显微镜观察甘薯NS和抗性淀粉的形态特征，如图1所示，可观察到NS颗粒表面光滑结构完整，主要呈球形，少量为不规则形状，部分颗粒表面有凹陷。NS颗粒具备完整淀粉颗粒的马耳他十字，十字形中心位于颗粒脐点，分布均匀，这与谢雅曼等的研究结果一致。与甘薯NS不同，甘薯抗性淀粉颗粒表面粗糙，外观均呈不规则形状并出现团聚现象，马耳他十字完全消失。这是因为淀粉分子在经过糊化、超声及酶解处理后，水分子进入淀粉颗粒内部，导致颗粒膨胀破裂，淀粉原形态消失，直链淀粉分子溶出，糊化的淀粉颗粒互相黏连形成聚集块状。其中，水热和压热预处理的甘薯抗性淀粉（HRS、ARS）表面出现网络状的孔洞结构，且ARS的孔洞结构比HRS分布更为广泛。这可能是因为压热预处理对淀粉分子的破坏力比水热预处理更强，从而促使淀粉分子链重排形成无序结构，在超声作用下，这种相对松散的结构导致淀粉颗粒表面容易形成大量孔洞。与HRS和ARS相比，微波预处理的甘薯抗性淀粉（MRS）表面出现部分凹陷和鳞片状结构，这可能与微波适当的辐射作用促进了短线性分子的有序迁移和重排，并在淀粉表面形成致密微晶有关。

2 甘薯淀粉粒径及其分布

采用激光粒度分析仪测量甘薯淀粉的粒径，如图2所示，甘薯NS的粒径呈现较矮的3 个峰，粒径差异较大，峰值分别位于1.15、15.50 μm和45.23 μm处。制备成甘薯抗性淀粉后，与甘薯NS相比，HRS、MRS和ARS均呈现明显的单峰曲线，峰形更尖锐，这可能与甘薯淀粉颗粒在加工过程中吸水膨胀、破裂及淀粉分子链重结晶有关。此外，HRS、ARS以及MRS的峰值分别位于52.66、52.71 μm和59.37 μm处，其粒径分布曲线位置相近但曲线向右偏移，呈粒径增大的趋势。

如表1所示，相较于甘薯NS，甘薯抗性淀粉的体积平均粒径显著增大（P＜0.05），HRS为54.83 μm，ARS为50.83 μm，MRS为48.66 μm，其中HRS和ARS的体积平均粒径相对较大，这可能与淀粉经过加工处理后，HRS和ARS颗粒表面形成的孔洞结构有关。相较于微波预处理，水热及压热预处理使淀粉颗粒变得更加坍塌松散，在超声波的空化作用下，淀粉表面出现颗粒膨胀破裂所形成的空腔，呈孔洞状，因此使得淀粉颗粒粒径增大。

3 甘薯淀粉结晶结构分析

淀粉颗粒结构由无定型区和半结晶区组成，通过X射线衍射图谱可判断出淀粉的结晶构型。如图3所示，NS在15.2°、17.2°、18.0°和23.1°处显示出明显的衍射峰，为A型结晶结构。而HRS、MRS和ARS均只在17.0°处出现较强衍射峰，22.2°处有新的弱峰出现，说明经水热、微波和压热预处理的甘薯抗性淀粉均为B型结晶结构。由此可知，3 种糊化预处理方式分别联合超声-酶法均会促使甘薯淀粉由A型结晶向更致密的B型结晶转变。不同的淀粉晶型酶解性能不同，相较于A型结晶，B型结晶的抗消化性更强，这也说明了甘薯RS3具有更强的抗消化能力。

由图3可知，甘薯NS、HRS、MRS和ARS的相对结晶度分别为19.52%、10.80%、11.58%和9.34%。不同糊化预处理的甘薯淀粉相对结晶度相较于甘薯NS均下降，这可能是糊化过程中的热能增强了水分子与淀粉分子间的作用力，导致甘薯淀粉原本有序的晶体结构被破坏，组成结晶区的支链淀粉分子解螺旋，这也使得淀粉分子链在回生过程中通过链间的氢键重新排列形成B型结晶。不同糊化预处理的甘薯抗性淀粉其相对结晶度按大小排序为MRS＞HRS＞ARS，其中微波预处理的甘薯抗性淀粉相对结晶度相对较大，这可能是由于水热及压热预处理对淀粉结构的破坏较大，而微波预处理对淀粉颗粒结构的破坏较小，适度的微波辐射作用导致MRS部分α-1,6糖苷键断裂，使线性分子链增加，从而促进双螺旋结构的形成，使其相对结晶度增大。

4 甘薯淀粉短程有序结构分析

采用傅里叶变换红外光谱分析甘薯NS和甘薯抗性淀粉的短程有序结构。如图4所示，所有样品的光谱特征相似，特征峰分别在3 402、2 930 cm-1和1 647 cm-1处，分别归属于O—H键、C—H键和C＝O键的伸缩振动。在甘薯抗性淀粉的傅里叶变换红外光谱图中，没有新峰产生或峰缺失，表明在同一糊化度下，不同的糊化预处理方式分别联合超声-酶法未改变甘薯淀粉分子的化学官能团组成，但淀粉链通过氢键重新排列形成新的晶体结构。

淀粉在1 200～800 cm-1范围内的傅里叶变换红外光谱特征吸收峰与淀粉的短程有序度相关，1 047/1 022 cm-1和995/1 022 cm-1处的红外光谱强度比率分别反映淀粉分子的有序度（DO值）和双螺旋度（DD值）。如表2所示，甘薯NS的DO值和DD值分别为0.930和0.942，与甘薯NS相比，甘薯HRS、MRS和ARS的DO值均显著下降，而DD值均显著上升（P＜0.05），表明3 种糊化预处理方式分别联合超声-酶法均显著降低了淀粉分子的有序度，而使双螺旋度提升。这可能是由于糊化破坏了支链淀粉的有序晶体结构，从而使淀粉回生时直链淀粉以双螺旋形式互相缠绕，提升了淀粉分子的双螺旋度，这与郝世娟等的研究结果一致。在3 种不同糊化预处理的甘薯抗性淀粉中，MRS具有相对较高的DD值，为0.963，说明微波预处理的甘薯抗性淀粉在回生过程中形成了更高程度的双螺旋结构，使其对消化酶的抗性上升。

5 甘薯淀粉的直链淀粉含量和支链淀粉含量分析

如表3所示，与甘薯NS相比，经加工处理后甘薯抗性淀粉的直链淀粉相对含量均显著提高（P＜0.05），由15.54%提高至19.19%～23.54%；而支链淀粉相对含量均显著下降（P＜0.05），由64.22%下降至53.69%～57.50%。这主要源于制备过程中支链淀粉分子的降解与直链淀粉组分的相对富集。即糊化过程破坏了淀粉颗粒的晶体结构，使支链淀粉的分支点充分暴露。随后，在普鲁兰酶的作用下，支链淀粉分子分支点的α-1,6糖苷键被特异性水解。这一过程将高度分支化的支链淀粉大分子切割成多个较短的、线性程度更高的直链淀粉或中长链的线性片段。从分子水平看，这实质上是将一部分支链淀粉转化为具有直链淀粉结构特征的线性分子。在后续的回生过程中，这些新生成的线性片段以及淀粉颗粒中固有的直链淀粉分子因其结构简单、迁移能力强的特点，能够通过氢键作用迅速重排，形成致密且抗酶解的双螺旋晶体结构，这些作用共同导致了终产物中直链淀粉含量的提升。

近年来有研究表明，淀粉的抗消化性并非简单地由支链淀粉/直链淀粉比值决定，而是更深层次地取决于回生过程中形成的晶体结构完整度与稳定性，而较低的支链淀粉/直链淀粉比值为形成此类结构提供了关键的组成基础与潜力。MRS表现出最小的支链淀粉/直链淀粉比值，为2.28，这表明其拥有最丰富的线性分子组分，可用于构建抗性晶体结构。这可能是由于微波预处理通过其独特的辐射效应，不仅促进了支链淀粉的适度解离，还可能优化了直链淀粉分子的构象，使其在后续冷却回生过程中能更高效地排列成致密的结晶结构，从而对消化酶构成了强大的空间位阻，使MRS表现出相对最强的抗消化能力。

6 甘薯淀粉的溶解度和膨胀势分析

淀粉的溶解度和膨胀势是评价淀粉吸水性的重要指标之一。吸水性的大小代表淀粉分子与水分子间的作用力强弱，可以用来反映淀粉颗粒结构的紧密程度。如图5所示，甘薯NS和抗性淀粉的溶解度和膨胀势均随温度的升高整体呈现上升的趋势，在40～60 ℃范围内，抗性淀粉的溶解度和膨胀势均高于NS；温度大于60 ℃时，NS的溶解度和膨胀势急剧上升，最终分别达到15.70%和18.77，均大于抗性淀粉的溶解度和膨胀势。这可能是由于在较低的温度范围内，经加工制备形成的抗性淀粉其凝胶结构处于无定型状态，在低温时容易吸水溶解，且抗性淀粉晶体由大量直链淀粉分子缠绕缔合而成，锁水能力较强，因此低温时其溶解度和膨胀势较大；而NS由于未经加工处理，颗粒完整度较高，所以溶胀吸水能力有限。当温度大于60 ℃时，随着温度的进一步上升，NS达到糊化温度后其淀粉颗粒被破坏，微晶束结构松动，大量吸水，导致溶解度和膨胀势迅速升高；然而升温并没有使抗性淀粉晶体达到熔融温度，不能破坏其紧密结构。因此高温时抗性淀粉的溶解度和膨胀势受温度的影响较小。

3 种糊化预处理的甘薯抗性淀粉在90 ℃条件下的溶解度和膨胀势按大小排序均为ARS＞HRS＞MRS，其中MRS具有相对最低的溶解度和膨胀势（P＜0.05），分别为7.15%和9.10，这可能与淀粉颗粒的表面结构和ΔH有关。与ARS和HRS相比，MRS较致密的颗粒表面结构和相对较高的ΔH使其热稳定性提高，因此其溶解度和膨胀势受温度变化的影响相对较小。而ARS和HRS表面分布的孔洞结构使得水分子更容易渗透进淀粉颗粒内部从而破坏淀粉颗粒间的氢键，导致其溶解度和膨胀势上升。因此相较于水热及压热预处理，微波预处理的甘薯抗性淀粉在水中更不易受热溶解，减少了淀粉的溶出，使其难以被消化分解。

7 甘薯淀粉的热力学性质分析

如表4所示，甘薯NS的To、Tp、Tc分别为62.58、74.26 ℃和87.41 ℃。与甘薯NS相比，水热、微波和压热预处理的甘薯抗性淀粉其糊化温度（To、Tp、Tc）均显著上升（P＜0.05），其中To范围为89.41～98.65 ℃，Tp范围为97.38～105.55 ℃，Tc范围为102.76～109.90 ℃，说明不同糊化预处理分别联合超声-酶法制备甘薯抗性淀粉均使其表现出更高的热稳定性。Falsafi等研究表明，ΔH表示糊化过程中淀粉双螺旋解旋所需的能量，而非破坏晶体结构的能量需求。甘薯HRS、MRS和ARS的ΔH分别为20.76、24.69 J/g和13.14 J/g，显著高于甘薯NS的ΔH（6.28 J/g）（P＜0.05），这与甘薯抗性淀粉具有更高程度的双螺旋结构有关，因此熔化抗性淀粉无定形区和结晶区紧凑的双螺旋结构需要更高的能量，表现为ΔH升高。这一结果与Tao Jiwen等在采用物理结合酶法制备荞麦RS3研究中的结果一致。3 种不同糊化预处理的甘薯抗性淀粉ΔH按大小排序为MRS＞HRS＞ARS，ΔH的差异不仅与淀粉中的双螺旋结构有关，还可能与淀粉颗粒表面的结构特征有关。有研究表明，淀粉颗粒表面出现的孔隙和裂缝会更容易导致水的渗入，进而渗透到淀粉的结晶区引起ΔH降低。由扫描电镜结果（图1）可看出，HRS和ARS颗粒表面都具有孔洞结构，且ARS表面的孔洞分布更广泛，因此更容易导致水的扩散，这解释了经水热和压热预处理的甘薯抗性淀粉其ΔH相对较低。

8 甘薯淀粉的体外消化特性分析

根据淀粉在人体内的消化特性，可以将其分为RDS、SDS和抗性淀粉。如图6所示，在0～20 min范围内，甘薯NS和甘薯抗性淀粉的水解率均迅速上升，此部分属于RDS。20～180 min时，甘薯NS和甘薯抗性淀粉的水解率上升速率变缓并在120 min后趋于平稳，这与郝世娟的报道结果一致。整体来看，甘薯抗性淀粉的水解率远低于甘薯NS，说明3 种糊化预处理分别联合超声-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时的淀粉水解率分别为68.54%、47.75%、43.46%及39.81%，说明相较于压热及水热预处理，微波预处理的甘薯抗性淀粉能够更大程度降低淀粉水解率，使其不易被酶水解。

如图7所示，相较于甘薯NS，甘薯抗性淀粉的RDS含量显著下降，而抗性淀粉含量和SDS含量显著上升（P＜0.05）。其中，MRS的抗性淀粉相对含量最高，为54.72%，显著高于甘薯NS（21.69%）、HRS（48.89%）和ARS（46.25%），这可能与MRS的直链淀粉含量、颗粒结构、溶解度和膨胀势以及ΔH有关。Govindaraju等研究表明，淀粉中直链淀粉含量的增加是导致淀粉酶酶解效率降低的关键因素。这是由于直链淀粉能够通过氢键重新排列形成对抗酶解的致密晶体结构，因此MRS较高的直链淀粉含量使其对淀粉酶的抗性提升，表现为抗性淀粉含量增加。此外，MRS紧密的颗粒结构、相对较低的溶解度和膨胀势以及相对较高的ΔH均导致其难以糊化，淀粉不易溶出，消化率降低。因此相较于水热及压热预处理，微波预处理的甘薯抗性淀粉具有相对最强的抗消化能力，有助于减少餐后血糖水平的上升，为2型糖尿病人和肥胖患者等特殊膳食需要人群提供更多选择。

结 论

本研究发现，水热、微波和压热3 种糊化预处理方式分别联合超声-酶法制备的甘薯RS3具有不同的微观结构和理化特性。与甘薯NS相比，经加工处理的甘薯RS3均失去原有形态，马耳他十字消失，其中HRS及ARS表面出现孔洞结构，MRS表面出现部分凹陷和鳞片结构。3 种糊化预处理分别联合超声-酶法均使甘薯淀粉的粒径增大，分子有序度和结晶度降低，而双螺旋度提高。此外，相较于甘薯NS，甘薯RS3的直链淀粉含量和ΔH均显著增加（P＜0.05），而溶解度和膨胀势均显著下降（P＜0.05），这导致了甘薯RS3具有相对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 种不同糊化预处理的甘薯RS3中，MRS的直链淀粉相对含量和抗性淀粉相对含量最大，分别达到23.54%和54.72%，ΔH最高，达24.69 J/g，而淀粉水解率最低，水解180 min时仅达到39.81%。总地来说，通过对比水热、微波和压热3 种糊化预处理方式对甘薯RS3结构和理化特性的影响，发现在同一糊化度下，微波预处理的甘薯RS3表现出最紧密的颗粒结构，最高的双螺旋度、热稳定性和直链淀粉含量，以及最低的溶解度和膨胀势。这导致了微波预处理的甘薯RS3具有相对最大的抗性淀粉含量和相对最低的淀粉水解率，体现为相对最强的抗消化能力，适用于2型糖尿病人和肥胖人群食品的加工需求。本研究阐明了同一糊化度下，水热、微波和压热3 种糊化预处理方式引起甘薯RS3体外消化特性差异的机理，为抗消化能力强的甘薯RS3的开发提供一定的参考依据。

引文格式：

张国芸, 蔡海珠, 覃海丽, 等. 不同糊化预处理对甘薯III型抗性淀粉结构和理化特性的影响[J]. 食品科学, 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.

习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、重庆三峡学院、西华大学、成都大学、四川旅游学院、北京联合大学、 中国-匈牙利食品科学“一带一路”联合实验室（筹） 共同主办 的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。

长按或微信扫码进行注册

为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“第六届食品科学与人类健康国际研讨会”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到）在中国 安徽 合肥召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）