可溶性膳食纖維對玉米淀粉體外消化的抑制作用

,*

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院,上海食品微生物工程技術研究中心,上海 200093;2.山東省內分泌與代謝病研究所,山東濟南 250062)

淀粉是日常膳食中不可或缺的成分,并且是主要的供能物質,其消化性與人體健康息息相關,淀粉的快速消化會促使餐后血糖水平迅速升高,從而誘發某些代謝性疾病,如胰島素耐受和糖尿病等[1-3]。眾多研究表明,可溶性膳食纖維能在一定程度上抑制淀粉水解,從而控制食物的血糖指數(Glycemic index,GI),降低食物的餐后血糖反應[4-8]。可溶性膳食纖維的高黏度特性被認為是影響淀粉水解和葡萄糖擴散速率的主要原因[9-11]。2011年,歐洲食品安全管理局(European Food Safety Authority,EFSA)發表聲明:攝入30 g碳水化合物的同時攝入4 g谷物β-葡聚糖有助于降低餐后血糖響應,并且這與延遲胃排空、增加飽腹感等有關[12]。Fabek等[13]發現黃原膠能增加含原生木薯淀粉的消化體系的黏度,從而降低淀粉水解程度和餐后血糖水平。也有研究者認為,可溶性膳食纖維能通過增加胃腸道黏度阻礙消化酶與反應性底物的接觸,降低葡萄糖等小分子的擴散速率[14]。由此可見,可溶性膳食纖維的高黏度特性對降低淀粉水解速率和餐后血糖水平具有重要作用,然而黏度是否是降低餐后血糖響應的關鍵因素還亟待驗證,如何通過膳食纖維在胃腸道消化體系中的表觀黏度來預測GI值也還需進一步研究。

本文通過體外模擬人體胃腸道消化過程,研究青稞β-葡聚糖(BBG)、黃原膠(XG)、魔芋膠(KGM)和羅望子膠(TSP)四種可溶性膳食纖維對玉米淀粉水解的抑制作用,建立膳食纖維在胃腸道模擬體系下的表觀黏度與pGI值之間的關系,探究可溶性膳食纖維干預淀粉消化的機理,為可溶性膳食纖維在降血糖方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(CS) 江蘇省昆山市淀山湖鎮;白面包 當地超市;青稞仁 青海貴南市的肚里黃品種;黃原膠(XG) 斯比凱克(山東)生物制品有限公司;魔芋膠(KGM) 寶雞康迪特生化有限公司;羅望子 云南貓哆哩公司;胃蛋白酶(豬胃粘膜) 酶活力30 U/mg,上海源葉生物公司;胰酶(豬胰腺) 胰淀粉酶酶活力≥7 U/mg,上海源葉生物公司;D-麥芽糖(Mal) 美國Sigma公司;所有分析用有機溶劑 均為國產分析純。

ML204分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;磁力攪拌器 德國IKA公司;BECKMAN COULTER離心機 美國貝克曼庫爾特公司;Discovery HR-3流變儀 美國TA儀器公司;752型紫外分光光度計 上海光譜儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 青稞β-葡聚糖(BBG)的制備 根據本實驗室之前的方法從青稞仁中提取BBG[15]。青稞仁經粉碎過60目篩處理后,用0.5 mol/L NaOH溶液(1∶20,W/V)在25 ℃下振蕩提取,提取時間為180 min,然后通過去除蛋白質、蒸餾水透析、乙醇沉淀等步驟對提取物進行純化,最后冷凍干燥,得到BBG樣品。

1.2.1.2 羅望子膠(TSP)的制備 TSP從羅望子種仁粉中提取[16]。羅望子經粉碎過篩處理后,用檸檬酸溶液(1∶45,W/V,pH3.5)在80 ℃下提取,提取時間為30 min,然后用無水乙醇1∶1醇沉,沉淀真空干燥后得到TSP樣品。

1.2.2 模擬胃腸道消化液的配制 人工胃液的配制參照2010年《中國藥典》二部附錄XA中的方法[17]。在約800 mL水中加入16.4 mL(9.5%～10.5%)的稀鹽酸,調節pH為1.5±0.1,加入10 g胃蛋白酶溶解,加水定容至1 L。人工腸液的配制參照2010年《中國藥典》二部附錄XVD中的方法[17]。稱取K2HPO46.8 g加水溶解,再加NaOH,調節pH為6.8±0.1,后加10 g胰酶溶解,加水定容至1 L。

1.2.3 麥芽糖標準曲線的制作 參考Miller[18]的二硝基水楊酸(DNS)法測定消化體系中生成的麥芽糖含量。分別取麥芽糖標準液(1 mg/mL)0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于15 mL試管中,用蒸餾水補足至2.0 mL,分別準確加入2 mL DNS試劑(0.5%(W/V)二硝基水楊酸,0.1%(W/V)苯酚,0.5%(W/V)氫氧化鈉,10%酒石酸鈉和0.015%(W/V)亞硫酸鈉),將試管置于100 ℃水浴鍋中沸水浴5 min后,流水冷卻試管,將反應液體積用蒸餾水定容至10 mL。用分光光度計在540 nm處測定樣品的吸光度,得到麥芽糖的標準曲線方程。

1.2.4 體外模擬消化

1.2.4.1 消化基質的準備 準確稱取125 mg白面包于離心管中,加入5 mL蒸餾水和6顆玻璃珠,置于37 ℃水浴搖床中備用,作為對照組。準確稱取125 mg玉米淀粉(CS)于離心管中,向每支離心管中分別加入BBG(2.5、12.5、25、125和250 mg),XG(2.5、7.5、12.5、17.5和25 mg),KGM(2.5、12.5、22.5、25和30 mg)和TSP(2.5、12.5、25、75和125 mg)四種可溶性膳食纖維,向每支離心管中加入5 mL蒸餾水和6顆玻璃珠,待樣品溶解后將離心管放入沸水浴中,糊化20 min。糊化結束后將離心管置于37 ℃水浴搖床中備用。

1.2.4.2 體外模擬消化實驗 參考Guraya等[19]的方法測定淀粉體外消化率:分別于每支備好的離心管中加入人工模擬胃液10 mL(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。再加入醋酸鹽緩沖液5 mL(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),繼續置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。最后,向每支離心管中加入5 mL模擬腸液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)開始反應,繼續放入37 ℃振蕩水浴鍋振蕩(170 r/min),分別于0、1、5、10、15、20、30、60、90、120、150和180 min時取0.5 mL水解液,加2 mL乙醇滅酶并沉淀多糖,離心(8000×g,20 min)取上清液,即為待測消化液樣品。

1.2.4.3 消化參數的測定與分析 消化液樣品中的麥芽糖含量用二硝基水楊酸(DNS)法測定。分別取消化液樣品0.5 mL于15 mL試管中,用蒸餾水補足至2.0 mL,再分別準確加入2 mL DNS試劑,將試管置于100 ℃水浴鍋中沸水浴5 min后,流水冷卻試管,將反應液體積用蒸餾水定容至10 mL。用分光光度計在540 nm處測定樣品的吸光度,再根據麥芽糖標準曲線計算得到消化體系中的麥芽糖含量。利用積分法計算淀粉水解反應曲線下面積(Area under the curve,AUC),再根據下面公式計算并進行水解參數分析:

式(1)

式(2)

pGI(%)=39.71+54.9×pHI

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

式中:C為淀粉水解度,%;R180為180 min 時淀粉分解的麥芽糖含量,mg;D為消化體系中游離的麥芽糖含量,mg;W,總淀粉含量,mg;pHI為預測淀粉水解指數(樣品與白面包AUC的比值);pGI為預測血糖指數;SDS為慢消化淀粉;R120為120 min時淀粉分解的麥芽糖含量,mg;R20為20 min 時淀粉分解的麥芽糖含量,mg;RDS為快消化淀粉;RS為抗性淀粉。

1.2.5 可溶性膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度測定 分別稱取一定量的BBG、XG、KGM和TSP溶于3.5 mL水中,再分別加入7 mL人工模擬胃液(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。再加入5 mL醋酸鹽緩沖液(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),繼續置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。最后,向每支離心管中加入3.5 mL模擬腸液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)。此時,BBG在胃腸道消化液中的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.20%、0.34%、0.50%、0.67%、1.00%、1.34%和1.50%(W/V),XG的終濃度分別為0.01%、0.03%、0.04%、0.05%、0.07%、0.10%、0.20%、0.50%、0.80%和1.00%(W/V),KGM的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.06%、0.08%、0.10%、0.16%、0.40%、0.60%、1.00%和2.00%(W/V),TSP的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.21%、0.31%、0.41%、0.51%、0.70%、0.80%和1.00%(W/V)。用Discovery HR-3流變儀分別測定四種膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度,所用夾具為雙壁同心圓筒(內徑16 mm,外徑 17.5 mm,高度53 mm),測試溫度為37 ℃,測試間隙為5917.1 μm,從低剪切速率以指數形式上升至高剪切速率(1～200 s-1)。實驗過程中用帕爾貼控溫裝置控制溫度為37 ℃。

1.2.6 可溶性膳食纖維在胃腸液中的表觀黏度與pGI值之間關系的建立 為了進一步研究可溶性膳食纖維的黏度對餐后血糖水平的影響,分別建立不同濃度的BBG(0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1%,W/V)、XG(0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.1%,W/V)、KGM(0.01%、0.05%、0.09%、0.1%和0.12%,W/V)和TSP(0.01%、0.05%、0.1%、0.31%和0.51%,W/V)在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間的關系。

1.3 數據處理

試驗數據均重復3次,采用Excel、SPSS、Origin 8.5等軟件對結果進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 麥芽糖的標準曲線

麥芽糖的標準曲線如圖1所示,標準方程為y=1.4465x-0.0355(R2=0.9911),通過麥芽糖的標準曲線方程可以確定消化體系中淀粉水解生成的麥芽糖含量。

圖1 麥芽糖標準曲線Fig.1 Standard curve of maltose

2.2 體外模擬消化過程中淀粉水解程度的變化

分別添加不同濃度的四種SDF對CS體外消化性的影響情況如圖2所示。與之前的研究結果[20]相近,參照食物白面包消化180 min后的水解度達到45%。由圖2可知,大多數CS在前30 min內被消化完成。在模擬腸道消化180 min后,空白組淀粉的最終水解度達到90.59%,添加0.01%的BBG、XG、KGM和TSP實驗組的淀粉的最終水解度分別為81.46%、80.27%、80.56%和80.96%,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP實驗組的淀粉的最終水解度分別為79.00%、54.69%、60.05%和70.97%。由此可見,SDF的添加能夠抑制淀粉的水解,并且隨著同種SDF添加濃度的增加,CS的最終水解度逐漸降低。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP對淀粉水解的抑制率分別達到11.59%、35.90%、30.54%和19.62%。因此,在添加SDF的濃度相同的情況下,XG抑制淀粉水解的效果最好,其次是KGM,BBG效果最差。

圖2 腸消化過程中不同膳食纖維食物基質淀粉水解度變化Fig.2 Hydrolysis changes of food matrix with different dietary fibers during intestinal digestion注:a:白面包、空白組和添加青稞β-葡聚糖(BBG)的樣品組;b:白面包、空白組和添加黃原膠(XG)的樣品組;c:白面包、空白組和添加魔芋膠(KGM)的樣品組;d:白面包、空白組和添加羅望子膠(TSP)的樣品組。

為了進一步研究腸道消化過程中可溶性膳食纖維對CS的消化特性和pGI值的影響,根據公式(2～6),將圖2中添加SDF濃度分別為0.01%、0.05%和0.1%的數據進行分析,結果如表1所示。由表1中可以看出,與空白組相比,總體上添加同種膳食纖維之后,CS的RDS片段含量降低,SDS和RS片段的含量增加,并且具有濃度依賴性[21-22]。

表1 膳食纖維對淀粉消化的參數分析Table 1 Parametric analyses of dietary fibers on starch digestion

注:同列不同字母表示具有顯著差異(P<0.05)。

這表明膳食纖維添加量越大,CS消化越慢,膳食纖維能夠提高CS的抗消化性。與空白組的pGI值(150.78±1.87)相比,添加不同濃度的BBG、XG、KGM和TSP實驗組的pGI值均有所降低。這表明膳食纖維的添加能夠在一定程度上降低餐后血糖水平,并且隨著同種膳食纖維添加濃度的增加,pGI值逐漸降低。與空白組相比,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能將淀粉的pGI值分別降低12.05、45.54、38.90和15.00。由此可見,在膳食纖維添加的濃度相同的情況下,XG和KGM降低餐后血糖響應的效果比BBG和TSP要好。這可能是由于XG的黏度較高,整個消化體系的黏度變大,流動性降低,α-淀粉酶與淀粉顆粒的接觸受到阻礙,從而導致消化程度降低,血糖響應減弱[23-25]。

2.3 可溶性膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度

不同濃度的BBG、XG、KGM和TSP在模擬腸道消化體系中的表觀黏度如圖3所示。隨著質量濃度的增加,同種多糖溶液在胃腸道體系下的表觀黏度呈上升趨勢。在BBG、KGM和TSP溶液的濃度分別低于0.67%、0.1%和0.51%時均表現出牛頓流體的性質,即各多糖溶液的表觀黏度維持不變。然而,隨著質量濃度或剪切速率的逐漸加大,各多糖溶液均表現出假塑性流體的性質,即各多糖溶液的表觀黏度隨著剪切速率的增大而逐漸減小。并且,四種可溶性膳食纖維溶液的假塑性流體性質均具有濃度依賴性,隨樣品質量濃度的增大,假塑性流體的性質越明顯。這是因為聚合物溶液質量濃度的增加會導致多糖分子鏈重疊程度的增加,從而導致較高的剪切速率下多糖分子鏈相互纏繞被破壞的程度增加[26]。

圖3 不同濃度的可溶性膳食纖維在模擬腸道消化體系中的表觀黏度Fig.3 Apparent viscosity of different concentrations of soluble dietary fiber in simulated intestinal digestive system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黃原膠(XG);c:魔芋膠(KGM);d:羅望子膠(TSP)。

圖4 模擬腸道消化過程中可溶性膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度與pGI值的關系Fig.4 The relationships between pGI values and the apparent viscosities of soluble dietary fibers in the simulated gastrointestinal system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黃原膠(XG);c:魔芋膠(KGM);d:羅望子膠(TSP)。

2.4 可溶性膳食纖維在胃腸液中的表觀黏度與pGI值之間的關系

研究表明,消化產物在小腸內的生理剪切速率大約為60 s-1[5,27-29]。四種可溶性膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間的關系如圖4所示。在BBG、XG、KGM和TSP的濃度分別低于1%、0.1%、0.12%和0.51%時,四種膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間均存在一定的非線性關系,且均滿足一元二次方程(y=ax2+bx+c)。四種SDF中,BBG的表觀黏度對pGI值的影響最接近線性關系,因此與其他三種膳食纖維相比,其添加量的增多對pGI值的控制具有較明顯的作用。對比四種膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度和對應的pGI值分別擬合得到系數a、b、c,XG樣品擬合得到的c值最小(121.7510),且當XG的濃度僅為0.01%時,其在消化液中的表觀黏度能達到2.01 mPa·s,對應CS的pGI值為118.17。由此可見,XG抑制淀粉消化的能力最好,在添加濃度較低的情況下就能達到比較高的表觀黏度,從而起到控制淀粉pGI值的效果。此外,KGM和TSP的pGI值隨表觀黏度的變化也較大,在表觀黏度低于4 mPa·s時,血糖值的變化較大,并且當表觀黏度超過4 mPa·s后,血糖值的減小趨勢愈加平緩,黏度對血糖值的作用也達到極限。綜上,對同種膳食纖維而言,在胃腸道消化體系中添加膳食纖維的表觀黏度越大,體外模擬消化后的血糖響應越低。因此,同種膳食纖維的黏度對抑制淀粉消化和降低餐后血糖響應起重要作用,這可能是由于可溶性膳食纖維能夠增加消化液體系的黏度,并通過與淀粉分子的相互纏繞作用,阻礙消化酶與淀粉顆粒之間相互接觸,從而干預淀粉消化。

3 結論

本研究通過體外模擬人體胃腸道消化過程發現,BBG、XG、KGM和TSP四種可溶性膳食纖維的添加均能夠增加CS的SDS和RS片段的比例,減少RDS片段的比例,從而降低淀粉的水解度和餐后血糖水平。當濃度和剪切速率相同時,XG和KGM在模擬胃腸道消化體系下的表觀黏度比BBG和TSP高。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能夠使淀粉的pGI值分別降低12.05、45.54、38.90和15.00,并且pGI值隨著可溶性膳食纖維在胃腸道體系下表觀黏度的增大而下降?？扇苄陨攀忱w維的黏度是影響淀粉水解和餐后血糖響應的重要因素。