低GI淀粉原料的篩選及理化特性和體外消化特性的研究

徐箐，柳嘉，林靜，丁方莉，段盛林，朱守創(chuàng)

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北邯鄲056038；2.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司功能主食創(chuàng)制與慢病營養(yǎng)干預(yù)北京市重點實驗室，北京100015）

淀粉是食物的重要組成成分，咀嚼米飯時，唾液中的淀粉酶可將淀粉水解成單糖，因此有甜味。食物進(jìn)入胃腸后，還能被胰臟分泌的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小腸壁吸收，成為血糖。糖尿病等慢性疾病患者需要注意碳水化合物的攝入，食用能夠緩慢釋放的淀粉制品能有效控制餐后血糖水平，減少發(fā)病機(jī)會。因此篩選緩慢消化及預(yù)測血糖生成指數(shù)（expected glycemic index，eGI）較低的淀粉原料是開發(fā)慢消化淀粉制品的一個重要途徑。

淀粉組分、直鏈淀粉含量、加工工藝等均會顯著影響食物的GI值。Englyst等[1]根據(jù)淀粉在人體小腸中消化速度的差異將食物中的淀粉分為快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）。研究顯示，SDS可以緩慢消化并持續(xù)釋放能量，GI值較低，以SDS、RS和膳食纖維為主要原料制作食品可以顯著降低食物的消化速度，降低餐后血糖，并能夠減少饑餓感[2-4]。Wolver等[5]的研究結(jié)果表明：馬鈴薯、大米、意大利面和大麥中直鏈淀粉含量較高，食用這些食品制品的餐后血糖值也較低。此外，淀粉GI值大小與工藝糊化程度有關(guān)，食物經(jīng)過蒸煮處理后，水分的介入和熱脹作用會使淀粉顆粒膨脹，更易于消化，GI值也會顯著升高。趙凱等[6]發(fā)現(xiàn)可通過抑制淀粉顆粒糊化和促進(jìn)淀粉老化，來降低淀粉消化速率，進(jìn)而降低GI值，淀粉顆粒大小和黏度也會影響其GI值。近些年來，通過研究低GI淀粉，研發(fā)和生產(chǎn)適合慢性病患者食用的產(chǎn)品，已成為國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)和學(xué)者們追逐的熱點。

為篩選出可以緩慢消化吸收、降低餐后血糖應(yīng)答的淀粉，本文探究了不同來源的淀粉如玉米淀粉、大米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的基本組成、顆粒形貌、粒徑分布、糊化特性、直鏈淀粉含量、淀粉組分等理化特性及體外消化特性，并計算eGI值。分析不同種類的淀粉理化特性與體外消化特性的關(guān)系，并篩選出適合糖尿病人群食用的慢消化淀粉原料，以提高淀粉的附加值，拓展淀粉的應(yīng)用范圍，對于開發(fā)調(diào)節(jié)血糖和控制糖尿病的主食類產(chǎn)品具有重要意義。此外，由于GI測試一個食物樣品至少需要10個志愿者進(jìn)行3次以上的測試，試驗過程繁瑣，測試費用昂貴，而且影響因素較為復(fù)雜，而通過體外消化模型研究食物的水解情況，并比較其eGI值，可快速大量地進(jìn)行原料篩選，且對GI值有一定的預(yù)測性。本文首次對不同來源淀粉的理化特性與體外消化特性展開分析，旨在為后續(xù)的低GI產(chǎn)品開發(fā)的原料篩選提供一定的研究思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉：新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；木薯淀粉：宜佳國際貿(mào)易有限公司；大米淀粉：廣州海希生物科技有限公司；小麥淀粉、鷹嘴豆淀粉：中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院功能主食創(chuàng)制與慢病營養(yǎng)干預(yù)北京市重點實驗室自制。α-淀粉酶（≥120 U/mg）、胰酶（4×USP）、轉(zhuǎn)化酶（≥300 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（120 U/mg）、胃蛋白酶（≥250 U/mg）：美國Sigma公司；標(biāo)準(zhǔn)直鏈淀粉、標(biāo)準(zhǔn)支鏈淀粉：北京索萊寶科技有限公司；葡萄糖測定試劑盒：南京建成泰浩生物科技有限公司；其他化學(xué)試劑均為化學(xué)分析純。

1.2 儀器設(shè)備

PL203分析天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；MYP11-2A磁力攪拌器：上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；SHA-B水浴恒溫振蕩器：金壇精達(dá)儀器制造有限公司；HC-3018R離心機(jī)：安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；Phenom ProX臺式掃描電子顯微鏡：荷蘭Delmic公司；754紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Spectra Max i3酶標(biāo)儀：美國MD公司；S3500激光粒度分析儀：美國麥奇克有限公司；RVA-TecMaster快速粘度分析儀：瑞典Perten Instruments公司；CA-HM差式掃描卡路里儀：北京盈盛恒泰科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉制備

1.3.1.1 鷹嘴豆淀粉堿法提取

挑選顆粒飽滿的鷹嘴豆→除雜→溫水浸泡→磨碎→經(jīng)膠體磨打漿，反復(fù)加水勻漿→靜置取上清→過濾（沉淀用0.4% NaOH脫蛋白）→烘干→粉碎過100目篩→粗淀粉。

1.3.1.2 小麥淀粉提取

小麥面粉加水揉團(tuán)→靜置→加適量食鹽→反復(fù)揉洗，得到淀粉乳→烘干→粉碎過100目篩→粗淀粉。

1.3.2 樣品基本組分分析

采用食品熱量成分檢測儀對7種淀粉的基本組成成分進(jìn)行分析，首先預(yù)熱機(jī)器30 min，打開樣品倉，放置反射空白板，待軟件提示后放置樣品，將混好的樣品（約3 g），鋪平，放入樣品后開始測試，每個樣品測定3次。

1.3.3 X射線臺式能譜掃描電鏡觀察淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)

用雙層導(dǎo)電膠將各淀粉粉末固定于電鏡載物臺上，用氮吹系統(tǒng)除去易滑落顆粒，顯微鏡使用5 kV的激光光源，在Image模式下拍照。通過臺式掃描電子顯微鏡觀察不同淀粉樣品在1 000倍和2 000倍電鏡下的表觀和形態(tài)特征。

1.3.4 顆粒粒徑分布的測定

采用激光粒度儀測定淀粉顆粒粒度。首先打開激光粒度儀進(jìn)樣器及檢測器，啟動激光粒度儀軟件，設(shè)定FIEX干法程序，校準(zhǔn)后稱取2 g的淀粉樣品按操作提示開始進(jìn)樣測定。

1.3.5 淀粉糊化特性分析

取3.0 g淀粉樣品，加入25 mL蒸餾水，于專用容器中混勻。通過快速粘度分析儀RVA-Tec Master對谷物粉、豆類粉進(jìn)行糊化特性的測定并采用TCW軟件記錄數(shù)據(jù)，每個樣品測3次[7-8]。

1.3.6 淀粉直鏈淀粉的測定

參照NY/T 55-1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》，根據(jù)不同直鏈、支鏈比例的淀粉與碘試劑顯色結(jié)果不同，在620 nm讀取OD值，制作混合校準(zhǔn)曲線，后測定各淀粉樣品的OD值，并參照標(biāo)準(zhǔn)曲線計算直鏈淀粉含量[9]。

式中：G為從相應(yīng)的混合校準(zhǔn)曲線求出的直鏈淀粉含量，mg；m為稱取樣品中所含粗淀粉的質(zhì)量，100 mg。

1.3.7 淀粉組分的測定

在Englyst方法基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，確定合適的酶用量及其比例、反應(yīng)pH值等[10]。

1.3.7.1 游離葡萄糖的測定

取1 g淀粉的待測樣品，加入20 mL去離子水和轉(zhuǎn)子沸水浴糊化30 min。冷卻至37℃，加入3 mL轉(zhuǎn)化酶，37℃水浴振蕩30 min→取1 mL上清液加4 mL無水乙醇，離心，采用葡萄糖氧化酶法測葡萄糖含量。

1.3.7.2 淀粉各組分含量的測定

取1 g淀粉樣品→加10 mL去離子水，沸水糊化30 min→于37℃水浴中平衡溫度，放入轉(zhuǎn)子和10 mL新鮮制備的胃蛋白酶-瓜爾豆膠溶液，在37℃搖床孵育30 min→加5 mL pH=5.2醋酸鈉緩沖液，調(diào)pH值至5.0→加5 mL混酶，補(bǔ)水至50 mL，此時作為孵育的時間零點且不中斷→在20、120 min時分別取1 mL樣品加入4 mL無水乙醇，離心。采用葡萄糖氧化酶法測葡萄糖，得 G20、G120。

式中：RDS為20 min內(nèi)水解的淀粉含量；SDS為20 min～120 min內(nèi)水解的淀粉含量；RS為120 min內(nèi)仍不能水解的淀粉含量；G20為酶解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量，mg；G120為酶解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量，mg；FSG為酶解前游離葡萄糖含量，mg；W為總淀粉量，mg。

1.3.8 淀粉體外消化試驗

取可利用碳水化合物為1 g的玉米淀粉（1.29 g）、馬鈴薯淀粉（1.29 g）、豌豆淀粉（1.27 g）、木薯淀粉（1.25 g）、小麥淀粉（1.15 g）、鷹嘴豆淀粉（1.29 g）和大米淀粉（1.15 g）樣品，分別加入10 mL去離子水，沸水浴15 min，期間不斷進(jìn)行磁力攪拌后置于37℃水浴中，待溫度平衡。參考已報道方法[11-13]，通過建立體外消化模型，測定7種淀粉的水解率，并繪制水解率和時間關(guān)系圖。

1.3.9 淀粉eGI的計算方法

參照 Ackerberg 等[14]及 Granfeldt等[15]的方法，通過繪制淀粉水解率和時間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，模擬方程，曲線下面積表示食物消化后對血糖的影響。以白面包為參考標(biāo)準(zhǔn)，定義白面包的水解率為100，按照eGI與氫化指數(shù)（hydrogenated index，HI）的關(guān)系式，計算出樣品的eGI值。

HI=不同淀粉的消化曲線下面積（0～120 min）×100/標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消化曲線下面積（0～120 min）；

1.3.10 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 9.1作圖。試驗重復(fù)3次，結(jié)果用x±SD表示。用SPSS 20.0和Excel 2016處理試驗數(shù)據(jù)并對試驗結(jié)果進(jìn)行單因素方差（One-Way ANOVA）分析，p＜0.05 表示顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品基本組分分析

7種淀粉的基本組分測定結(jié)果見表1。

表1 7種淀粉營養(yǎng)成分表Table 1 Nutrients of 7 types of starch

結(jié)果表明：玉米淀粉、小麥淀粉和鷹嘴豆淀粉中蛋白質(zhì)含量較高；鷹嘴豆淀粉和大米淀粉含有較高的脂肪；豌豆淀粉中蛋白質(zhì)和脂肪含量最低；而玉米淀粉和鷹嘴豆淀粉中的碳水化合物含量最低。

2.2 顆粒形貌分析

食物顆粒大小會影響食物的消化速度，也會影響糊化程度。對所選幾種淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 7種淀粉顆粒超微形貌分析Fig.1 Analysis of the ultrafine morphology of seven starch granules

各試樣在掃描電鏡下的圖像清晰度高，三維立體感強(qiáng)。不同植物來源的淀粉顆粒，大小和形貌上均有不同的表征。大米淀粉顆粒最小，多為多邊形，表面較粗糙；玉米淀粉為多角形，表面具有多個棱角且光滑；小麥淀粉顆粒表面不光滑多呈褶皺塊狀，可能是由于表面附有雜質(zhì)造成的，但不影響觀察；馬鈴薯淀粉和木薯淀粉顆粒形態(tài)接近，絕大多數(shù)顆粒呈球形，顆粒大小不一，表面光滑；鷹嘴豆淀粉和豌豆淀粉形態(tài)接近，呈腎型，部分顆粒的縱向側(cè)面有赤道凹槽結(jié)構(gòu)，表面光滑。本試驗所得的幾種淀粉顆粒的表觀結(jié)果與王紹清[16]的研究結(jié)果描述基本一致。

2.3 顆粒粒度分析

不同淀粉顆粒粒度分布分析見圖2。

由圖2可知，7種淀粉顆粒的粒度均呈正態(tài)分布。馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、豌豆淀粉、鷹嘴豆淀粉和木薯淀粉顆粒粒度分布比較集中，僅出現(xiàn)一個峰，說明其淀粉粒徑大小較均勻；豌豆淀粉、鷹嘴豆淀粉和木薯淀粉的粒度分布范圍相對較窄，其中豌豆淀粉粒度分布最窄，說明豌豆淀粉粒度分布最均勻；小麥淀粉顆粒分布出現(xiàn)3個峰，粒度分布最為分散，說明其顆粒有明顯的大小差異[17]，以上結(jié)果與掃描電鏡圖顯示的結(jié)果一致。

圖2 不同淀粉顆粒粒度分布分析Fig.2 Analysis of particle size distribution of different starch granules

2.4 淀粉糊化性質(zhì)分析

不同淀粉糊化特征參數(shù)見表2。

表2 不同淀粉糊化特征參數(shù)Table 2 Different starch gelatinization parameters

通過淀粉的糊化溫度、峰值黏度、衰減值及回升值對其糊化特性進(jìn)行評定，由表2可知，7種淀粉的成糊溫度均在60℃～80℃之間。木薯淀粉和馬鈴薯淀粉糊化溫度相對較低，易于糊化。大米淀粉和玉米淀粉糊化溫度相對較高，難于糊化。糊化溫度因直鏈淀粉含量、結(jié)晶度和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)等的不同而存在差異，一般來說，小顆粒淀粉的糊化溫度高于大顆粒淀粉的糊化溫度[18]。

大米淀粉和玉米淀粉的衰減值低，糊化溫度高，表明其溶脹后的淀粉顆粒強(qiáng)度大，不易破裂；馬鈴薯淀粉的峰值黏度和衰減值都遠(yuǎn)大于其他幾種淀粉，且其回生值也較小，說明馬鈴薯淀粉的熱穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度較差；豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的回生值較高，說明顆粒易于老化，冷糊穩(wěn)定性差。豆類淀粉回生值均大于谷物淀粉回生值，說明豆類淀粉更容易老化，這與豆類淀粉中直鏈淀粉含量較高有關(guān)。豆類淀粉最終黏度顯著高于谷物淀粉（p＜0.05），這是由于直鏈淀粉聚集引起的[19]。

2.5 直鏈淀粉和淀粉組分的測定

用一定濃度兩種標(biāo)準(zhǔn)淀粉溶液與碘反應(yīng)，以直鏈淀粉毫克數(shù)為橫坐標(biāo)，OD值為縱坐標(biāo)，得到混合標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=0.105 4x+0.090 6（R2=0.997），代入可計算出直鏈淀粉含量[20]。

將直鏈淀粉含量代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=0.003 7x+0.151（R2=0.992），并利用 Englyst法，計算得到不同種類淀粉的RDS、SDS以及RS含量[21]，淀粉組分的結(jié)果如表3所示。

玉米淀粉RDS含量最高，馬鈴薯淀粉SDS含量最高，鷹嘴豆淀粉的RS含量最高。淀粉的消化性能主要取決于直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，比例均衡會利于消化，豌豆淀粉和鷹嘴豆粉淀粉的消化性較低，其次是馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和小麥淀粉，而大米淀粉消化性最好。Wolver等[5]發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉含量與GI值有關(guān)，直鏈淀粉含量越高，GI值越低。豌豆淀粉中直鏈淀粉雖略高于鷹嘴豆淀粉，但其RSD含量也高，因此相比之下鷹嘴豆淀粉更適合作為低GI淀粉制品原料。

表3 不同淀粉的直鏈淀粉含量和淀粉組分Table 3 Amylose content and starch component of of different starches

2.6 淀粉體外消化特性分析

通過體外模擬法對7種淀粉體外消化過程中不同時間點水解率的變化進(jìn)行檢測。結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同淀粉體外消化率Fig.3 In vitro starch digestibility of different starches

對照組白面包的水解率明顯高于淀粉組。消化0～45 min內(nèi)，谷類淀粉除馬鈴薯淀粉外，水解率均高于鷹嘴豆淀粉，所有淀粉在水解90 min后水解率趨于平穩(wěn)，消化計時結(jié)束時，鷹嘴豆淀粉的水解率最低。鷹嘴豆淀粉能緩慢水解，對葡萄糖濃度影響較小，這與繆銘等在對鷹嘴豆淀粉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的探討中得到的結(jié)論一致[22]。鷹嘴豆淀粉體外葡萄糖水解濃度增加速度比較緩慢，可作為食品原料添加到易引起人體血糖升高的食物中，適合作為原料開發(fā)糖尿病病人食品。

最終水解率大小順序為：白面包＞玉米淀粉＞大米淀粉＞木薯淀粉＞馬鈴薯淀粉＞豌豆淀粉＞小麥淀粉＞鷹嘴豆淀粉。Kate等總結(jié)了已發(fā)表和未發(fā)表的不同種類食物的GI值，發(fā)現(xiàn)豆類及豆類制品均具有較低的GI值，大米谷物類GI值比較高，這與本試驗結(jié)果一致，豆類由于自身含有抗酶解的物質(zhì)所以難于消化[23]。淀粉分為A、B、C 3種類型：谷類淀粉通常為A型淀粉顆粒，其熱力學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定；在薯類淀粉中B型淀粉顆粒比較常見；豆類淀粉通常為C型淀粉顆粒。A型比B型和C型淀粉顆粒容易消化，這也是大多豆類比谷物類GI低的原因之一[24]。李恒等[25]探討了淀粉顆粒大小對其水解特性的影響，得出顆粒越大越難消化，顆粒越小越難糊化，這與本文得出的大米淀粉顆粒最小，最易消化的結(jié)果一致，表明顆粒大小與水解性存在一定相關(guān)性。

2.7 不同種類淀粉eGI

不同淀粉樣品的eGI值見表4。

表4 不同淀粉樣品的HI、eGITable 4 HI，eGI of different starches

計算得出，鷹嘴豆淀粉eGI值為48.9，與繆銘等的研究中鷹嘴豆淀粉[22]的eGI值46.9差異不大，豌豆淀粉eGI值為59.9，兩種豆類的eGI值均顯著低于白面包的eGI值，且鷹嘴豆淀粉的eGI值最低，適合作為糖尿病人食品原料。大米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉均為高eGI食物，小麥淀粉和玉米淀粉谷物類淀粉屬于中eGI食物，此結(jié)果與楊月欣等[26]研究結(jié)果[白面包GI為 87.9，馬鈴薯（煮）GI為 66.4，糯米飯 GI為 88]略有出入，這可能是因為淀粉制品GI值低于淀粉eGI值，體內(nèi)外試驗略有差異。通過模擬人體口腔咀嚼、胃部消化和小腸消化的體外消化模型，可用于預(yù)測食物的血糖應(yīng)答，并可通過計算得到食物的eGI值。相關(guān)研究結(jié)果還表明，通過人體試驗得出的GI值較體外模擬更為準(zhǔn)確，但體外模擬試驗時間短、成本低，在前期篩選具有優(yōu)勢[27-28]。

3 結(jié)論

通過測定玉米淀粉、大米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的理化特性和體外消化性，得出不同淀粉的顆粒的形態(tài)和大小有所差異，同種類淀粉顆粒形貌具有相似性。快速粘度儀分析可得木薯淀粉和馬鈴薯淀粉糊化溫度相對低，易于糊化；而大米淀粉和玉米淀粉糊化溫度相對較高，難于糊化。鷹嘴豆淀粉和豌豆淀粉中直鏈淀粉和RS含量高，水解率增幅比較緩慢，水解反應(yīng)終止時水解率比其它5種谷物淀粉要低。采用體外消化法測得的豌豆淀粉eGI值為59.90，鷹嘴豆淀粉eGI值為48.89，顯著低于白面包的eGI值，屬于低eGI淀粉。淀粉的顆粒大小、直鏈淀粉含量與糊化特性均存在一定正相關(guān)性，直鏈淀粉含量，RS和SDS含量與淀粉體外消化特性存在一定的正相關(guān)性。該研究對于低GI淀粉類制品的開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義，為開發(fā)適合糖尿病等人群食用的低GI食品奠定了基礎(chǔ)。