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本文系统论述了抗性淀粉（RS）的分子机制，从分子和颗粒层面分析其影响因素，如淀粉分子构象、双螺旋结构等。还提出了新的分类方法，将 RS 分为 10 种类型。该研究为 RS 的研究和制备提供了重要参考。
1. 引言
糖尿病是危害人类健康的主要慢性病之一。国际糖尿病联盟（IDF）调查显示，到 2025 年全球约有 5.4 亿糖尿病患者，2045 年预计每 8 个成年人中就有 1 人患病，约 7.83 亿人。淀粉根据酶水解速率不同，可分为抗性淀粉（RS）、慢消化淀粉（SDS）和快消化淀粉（RDS）。RS 在 120 分钟内不能被消化，因其低血糖指数，在糖尿病管理中起重要辅助作用。
目前，RS 分为 5 种类型：RS - 1（物理不可接近淀粉）、RS - 2（抗性颗粒）、RS - 3（回生淀粉）、RS - 4（物理或化学改性淀粉）和 RS - 5（淀粉 - 脂质复合物）。RS 主要来源于天然抗性淀粉（如糙米、藜麦）、再生淀粉、高直链淀粉以及各种改性淀粉和 RS5（主要来自实验研究）。本文系统探讨 RS 的分子机制，并提出新的分类方法，完善抗性淀粉理论体系。
2. 淀粉水解
2.1. 淀粉水解的本质
淀粉水解的本质是淀粉酶亲核攻击淀粉的糖苷键，将其分解为单糖、二糖或寡糖。以人 α - 淀粉酶为例，它由 8 个 α - 螺旋和 14 个 β - 折叠组成，Rg 值为 3.23nm，比表面积为 193.7nm2，分子量 55kD，等电点 6.87。α - 淀粉酶表面有长约 3.5nm、宽约 1.5nm 的活性裂缝，负责结合淀粉链，活性裂缝中间有深约 1.4nm 的活性凹槽，催化三联体（Asp197 - Glu233 - Asp300）位于活性凹槽底部。
当淀粉分子与 α - 淀粉酶相互作用时，淀粉分子的第 8 和第 9 个葡萄糖残基对接进入 α - 淀粉酶的活性凹槽，此处糖苷键离催化三联体最近。淀粉分子与 α - 淀粉酶的总能量约 78kJ/mol，其中范德华相互作用占总能量的 70% 以上，其余 30% 为静电相互作用和疏水相互作用。此外，淀粉的多羟基结构使其氢键成为重要的非键合力，氢键能量约 35kJ/mol。
2.2. α - 淀粉酶的水解模式
目前，α - 淀粉酶有两种假设的水解模式：连续滑动水解和不连续水解（β - 淀粉酶的水解模式被认为是连续滑动水解）。不连续水解指淀粉链酶解后从淀粉酶上脱离，酶再重新识别和水解淀粉分子；连续滑动水解指淀粉链一旦被酶识别结合，就不再脱离，而是通过构象变化滑动并继续水解。
α - 淀粉酶的水解模式与水解速率密切相关，尤其是 RS5。淀粉分子的复合可能影响淀粉分子链的滑动。虽然目前关于 α - 淀粉酶的水解模式仍有争议，但基于现有研究，连续滑动水解可能更符合实际情况。未来可通过制备短链淀粉分子和淀粉 - 淀粉酶复合物晶体样品，用冷冻电镜直接观察其水解模式。
3. 抗性淀粉的机制
3.1. 分子层面
- 淀粉分子构象与 RS 的关系：淀粉分子构象包括左手螺旋、V - 螺旋和不规则卷曲等，天然状态下多以左手螺旋构象存在，此时自由能最低、最稳定。不同处理会使淀粉分子构象改变，如加热处理后，相邻葡萄糖残基间的 O2 - O3 和 O6 - O6 氢键数量显著减少，淀粉分子变直；高压或盐处理后，O2 - O3 氢键数量增加，淀粉分子变弯曲。
不同构象的淀粉分子与 α - 淀粉酶的相互作用模式不同。左手螺旋淀粉分子可正常对接进入 α - 淀粉酶活性凹槽并从中间水解；弯曲构象的淀粉分子，α - 淀粉酶只能识别其头部葡萄糖残基并从头部水解，不利于 RS 制备；热处理后的直链构象淀粉分子虽能插入活性凹槽，但无法深入到正确位点，α - 淀粉酶不能正确识别和水解，这种构象有利于 RS 制备。因此，打破淀粉分子内氢键使其构象变直是制备 RS 的重要方法。
- 分子复合与 RS 的关系：食物中除淀粉外还有多种小分子化合物，研究发现添加脂质可降低淀粉消化速率，形成 RS5 型抗性淀粉。淀粉分子与脂质复合会产生空间位阻，阻止与脂质复合的葡萄糖残基完全穿透到 α - 淀粉酶活性凹槽底部，导致 α - 淀粉酶无法对糖苷键进行亲核攻击，这是 RS - 5 形成的根本原因。
但用脂质制备 RS5 效率不高，因为未参与复合的葡萄糖残基仍可被淀粉酶正常水解，且参与复合的葡萄糖残基较少（小于 20%）。此外，过量摄入脂质对人体健康有害。研究发现，用小肽或癸醛分子替代甘油三酯分子设计的淀粉 - 小肽和淀粉 - 癸醛复合物，同样能使淀粉不易被 α - 淀粉酶识别，说明脂质分子不是制备 RS5 的必需物质。具有与淀粉分子复合效率高、对人体无害或有益、容易获得且成本低等特点的小分子化合物是制备 RS5 的理想原料，如由必需氨基酸组成的小肽。
- 双螺旋结构与 RS 的关系：双螺旋是淀粉结晶的最小单位，不同淀粉的相对结晶度一般在 10% - 45%。目前研究中，淀粉的 RS 含量与相对结晶度的关系并不一致。淀粉的结晶结构由双螺旋结构规则排列形成，在水溶液中淀粉分子也会自发缠结形成双螺旋结构。
由于双螺旋分子尺寸较大，不能像单链直链淀粉分子那样在 α - 淀粉酶活性裂缝处平铺。对接时，双螺旋分子头部只能部分插入活性凹槽，无法与催化三联体充分接触，α - 淀粉酶不能正确识别和水解双螺旋分子。因此，在不考虑其他结构因素时，RS 含量应与结晶度呈正相关，提高淀粉的相对结晶度是制备 RS 的重要途径。
3.2. 颗粒层面
淀粉天然以颗粒形式存在，粒径在 0.5 - 120μm。研究认为淀粉颗粒的结晶度、直链淀粉 / 支链淀粉含量和比表面积都与 RS 含量密切相关，且结晶度越高，RS 含量越高。
- 淀粉酶穿透与 RS 的关系：研究表明，淀粉颗粒的比表面积不是 RS 含量的准确指标，淀粉酶穿透性才是关键。淀粉颗粒内部结构是中空的，若淀粉酶能穿透中空部分从内外同时水解，酶水解速率会大幅提高；若只能从表面水解，RS 含量会显著上升。制备抗性淀粉颗粒的关键是抑制淀粉颗粒膨胀，防止淀粉酶穿透到颗粒内部。未来可制备荧光标记的淀粉酶或选择与淀粉酶大小相似且易荧光标记的分子，分析不同淀粉的淀粉酶穿透性。
- 直链淀粉 / 支链淀粉含量与 RS 的关系：一般认为支链淀粉含量越高，水解速率越快，因为支链淀粉分子有多个非还原端，可使 β - 淀粉酶从多个非还原端同时开始水解。此外，直链淀粉 / 支链淀粉含量还影响淀粉颗粒结构，进而影响 RS 含量。
淀粉颗粒由多层生长环组成，每个生长环由许多支链淀粉分子通过双螺旋结构交联形成，相对稳定。直链淀粉分子可穿过多个生长环并通过氢键交联，稳定颗粒结构。直链淀粉含量越高，淀粉颗粒糊化和膨胀越困难，这表明直链淀粉分子可交联不同生长环，使颗粒膨胀程度减小，降低淀粉酶穿透性，从而增加 RS 含量。所以，直链淀粉含量越高，RS 含量越高，这是一种双重效应。
4. 抗性淀粉的分类
目前 RS 的 5 种分类存在一些问题，如 RS3、RS4 和 RS5 在制备方法上有重叠，RS5 的定义也不够准确，因为淀粉与其他小分子复合也会降低消化速率。
本文从制备方法和形成原因两个方面对 RS 进行重新分类。按制备方法可分为 4 类：天然抗性淀粉（RSn）、生物法制备的 RS（RSb）、化学法制备的 RS（RSc，如羟基取代、引入新基团）、物理法制备的 RS（RSp，如退火、干热和高压处理）。按形成原因可分为 6 类：相对结晶度高的淀粉颗粒（RSg - 1）、直链淀粉含量高的淀粉颗粒（RSg - 2）、淀粉酶穿透性低的淀粉颗粒（RSg - 3）、具有特殊构象不能被淀粉酶识别的淀粉分子（RSm - 1，如热处理后形成的直链分子构象）、形成双螺旋结构的淀粉分子（RSm - 2）、与其他小分子化合物形成复合物的淀粉分子（RSm - 3）。这种新分类方法比传统分类更系统、清晰，虽有重叠，但更适合当前研究，有助于理解不同类型的 RS。
5. 结论
本文从分子层面探讨了淀粉水解的本质和淀粉酶潜在的水解模式，从分子和颗粒层面系统讨论了 RS 的形成机制，还提出了新的 RS 分类方法，将其分为 10 种类型。该研究为 RS 的研究提供了理论支持，为 RS 的制备提供了参考。
然而，本文对 RS 机制的分析基于现有淀粉结构知识，存在一定局限性，RS 的形成可能还有其他未被发现的因素。新的 RS 分类方法也不完善，需随着研究进展不断修订和补充。当前 RS 研究还面临一些挑战，如淀粉颗粒精细结构未完全阐明、通过淀粉回生获得的 RS 产品存在质量问题、淀粉酶水解模式未完全验证等，这些都是未来 RS 研究的重要方向。
