擠壓雜糧重組米體外消化特性研究

鄧慧清， 吳衛國， 廖盧艷， 李兆釗

(湖南農業大學食品科學技術學院1，長沙 410128)

雜糧和雜豆作為一類重要的食品原料不僅具有豐富的營養價值，同時還具有許多生理功能，經常食用雜糧可以預防熱性疾病和心腦血管疾病，還具有調節血糖等作用[1]。燕麥麩皮是燕麥加工中產生的副產物，燕麥中具有調節血糖作用的功效成分主要包括燕麥β-葡聚糖等多糖類和多肽類物質，對提高胰島素敏感性及改善胰島素抵抗有重要影響，而燕麥中的膳食纖維主要存在于燕麥麩皮中[2-6]；蕎麥中主要的調節功效成分為蕎麥堿和黃酮類、皂苷類物質，可通過調節糖代謝過程中酶和激素的變化，抑制氧化作用，保護胰島細胞達到調節血糖的目的[7-12]；藜麥中主要調節血糖的功效成分是黃酮類化合物[13]；青稞中調節血糖的功效成分主要為青稞β-葡聚糖[14,15]；鷹嘴豆中具有調節血糖作用的功效成分主要是黃酮類物質和D-松醇等[16]。非當季秈米是指秈稻谷儲存期超過一年后所加工的大米。一些稻谷在儲藏過程中，受到濕度、溫度、蟲蝕等因素的影響，出現不同程度的色澤變暗、營養品質下降、香味消失、食用品質降低等現象[17,18]，因此也影響大米的外觀、氣味、營養品質和食用品質。

食用較低血糖生成指數的雜糧等粗糧食品具有輔助調節血糖水平，平衡膳食等功效，但雜糧由于口感差導致人們接受程度低。擠壓蒸煮技術是一種強迫物料以預定速率通過擠壓機模頭得到各種產品的加工技術，在擠壓過程中，由于高剪切力、高溫高壓的作用，食物中的酶被鈍化、抗營養因子被破壞，是提高食品營養品質的一種有效途徑。因此，利用擠壓加工技術將雜糧雜豆與非當季秈米進行復配得到擠壓雜糧重組米，既能改善雜糧口感粗糙不受歡迎的缺陷，滿足人們健康飲食的需求，又能提高非當季秈米的營養價值，對實現健康飲食和非當季秈米資源的有效利用具有重要意義。

本研究以非當季秈米、燕麥麩皮、鷹嘴豆、蕎麥、藜麥、青稞為原料，制作擠壓雜糧重組米，并以非當季秈米為對照，通過淀粉體外消化實驗對比各米樣的快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)、淀粉消化水解率之間的差異，計算米樣預測血糖生成指數(GI)，研究不同雜糧及其添加比例對擠壓雜糧重組米體外消化特性的影響。并通過對比其微觀結構、晶體結構等變化，探索雜糧添加影響重組米體外消化的可能作用機理，以期為擠壓雜糧重組米的進一步開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

非當季秈米、蕎麥、燕麥麩皮、藜麥、青稞、鷹嘴豆。所有原料均經粉碎處理后過60目篩，裝袋密封。

1.2 試劑

豬胰α-淀粉酶100 00 U/g；淀粉葡萄糖苷酶70 U/mg；其他試劑均為分析純。

1.3 儀器與設備

GTS75型雙螺桿擠壓膨化機，XH-C旋渦混合器，SYWF-50水浴恒溫振蕩培養箱，DK-98-Ⅱ恒溫水浴鍋，UV-1200紫外可見分光光度計，TDZ5臺式低速離心機；PHS-25pH計，101-2AB型電熱鼓風干燥箱，CFXB16YA3-30電飯煲，XRD-6000X射線衍射分析儀，IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀，SEM-6380LV型掃描電鏡。

1.4 方法

1.4.1 配料設計

對照組：非當季秈米粉(過篩60目)。實驗組：在對照組的基礎上，分別添加占進料干基質量分數為5%、10%、15%、20%、25%的蕎麥粉、燕麥麩皮粉、藜麥粉、青稞粉、鷹嘴豆粉(過60目篩)。

1.4.2 雜糧重組米擠壓設備

碎米→粉碎過篩(80目)→按比例混合→喂料→擠壓蒸煮→切割造粒→干燥→冷卻→成品

設置雙螺桿擠壓機的擠壓參數：喂料速度為15 kg/h，物料加水量為26%，螺桿轉速為150 r/min，擠壓溫度依次為60、140、150、70、60。制備的擠壓重組米放于溫度為45 ℃的流化床中初步干燥10 min，再置于烘箱中40 ℃烘干，待重組米含水量低于12%取出備用。

醫院進一步科普規范化，對隊員進行徒手心肺復蘇術，創傷、突發事件、突發疾病時的緊急救護技術等統一培訓，定期考核，確保培訓水平同質化。

1.4.3 消化性能測定

淀粉消化性能測定根據Englyst等[19]的方法稍加修改。準確稱取200 mg樣品置于離心管中，加入5顆玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸鈉緩沖液，混勻后加入10 mL豬胰α-淀粉酶(290 U/ mL)和糖化酶(15 U/mL)混合液，置于37 ℃水浴恒溫振蕩培養箱中(轉速150 r/min)開始酶解，并準確計時，水解不同時間(0、20、120 min)后取0.5 mL反應液加入至含有4 mL無水乙醇中終止酶反應，然后采用DNS法在波長540 nm處比色測定產生的葡萄糖含量，快消化淀粉(RDS)，慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)計算公式為：

RDS=(G20-FG)×0.9/TS×100%

SDS=(G120-G20)×0.9/TS×100%

RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100%

式中：G20為淀粉酶水解20 min后產生的葡萄糖含量/mg；FG為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量/mg；G120為淀粉酶水解120 min后產生的葡萄糖含量/mg；TS為樣品中總淀粉含量/mg。

1.4.4 淀粉的酶水解動力學

參照Englyst等[19]和繆銘[20]的方法并進行部分改進，稱取200 mg樣品置于50 mL離心管中，加入5顆玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸鈉緩沖液，冷卻至室溫后加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)，置于 37 ℃水浴恒溫振蕩培養箱中進行振蕩(轉速150 r/min)并準確計時，分別在水解不同時間(0、20、30、60、90、120、180 min)定點取1 mL 反應液加入4 mL無水乙醇停止酶反應，然后采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)法在540 nm波長處測定反應液中還原糖含量并計算水解率。通過3次平行實驗取平均值，繪制淀粉水解曲線。以取樣的時間(t)為橫坐標，淀粉消化水解率為縱坐標繪制出淀粉體外消化曲線圖。淀粉消化水解率的計算公式為：

式中：Gt為水解t時間后產生的葡萄糖含量/mg；M為樣品的總淀粉含量/mg。

1.4.5 預測血糖生成指數

使用一級動力學方程C=C∞(1-e-kt)對淀粉水解曲線進行擬合，得到常數k值，計算出0～180 min的淀粉體外消化曲線下的面積(AUC)，計算公式為：

式中：C∞為水解180 min后淀粉水解率的平衡值；t0為開始消化時間(0 min)；tf為最終消化時間(180 min)；k為一級反應動力學常數。

通過換算得出淀粉水解氫化指數(hydrolysis index，HI)，計算得出GI值[21]。計算公式為：

HI=AUC樣品/AUC白面包×100%

GI=39.71+0.549HI

1.4.6 掃描電鏡觀察

取樣品用刀片在1/3和2/3處沿著橫軸方向切斷，用雙面膠將米粒粘于載物臺上，米粒斷裂面朝上，進行噴金處理，電壓15 kV，放大200倍。

1.4.7 X-衍射測定

將樣品粉末放于檢測片后上，測試條件設置為：電壓：40 kV，電流：30 mA，衍射角：2θ，掃描范圍：5°～40°，連續掃描速度：2(°)/min，采樣間距：0.02°。最后利用Origin軟件分析并計算樣品淀粉無定形區域和結晶區域的面積。淀粉顆粒的相對結晶度計算公式為[22]：

式中：RC為相對結晶度；Ac為結晶區域面積；Aa為無定形區域面積。

1.4.8 傅里葉變換紅外光譜測定

將樣品與充分干燥的溴化鉀按1∶100的比例混合并充分研磨、壓片，將壓片后的樣品置于傅里葉紅外光譜儀上測定。以空氣為掃描空白背景，掃描波譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，得到樣品的紅外光譜圖。用Omnic軟件對紅外光譜圖進行分析，選取波數為1 200～800 cm-1區域的光譜圖，進行基線校正，設置好半峰寬和增強因子，進行去卷積，獲得去卷積波譜，記錄譜圖中1 022、1 047 cm-1位置上的峰高，計算1 047/1 022 cm-1峰強度比值，淀粉結晶區和無定形區的比值以1 047 cm-1與1 022 cm-1的峰強度比值代表。

1.5 數據統計與分析

除特殊說明外，所有指標測定均重復3次。采用SPSS20、Excel、Omnic軟件進行數據處理分析，采用Origin軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 淀粉營養片段分析

根據淀粉的生物可利用性以及淀粉的消化時間可以將淀粉分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)等3種營養片段。表1為不同添加量的燕麥麩皮、蕎麥、藜麥、青稞、鷹嘴豆等擠壓雜糧重組米與非當季秈米的RDS、SDS、RS的比例大小存在顯著性差異。擠壓后的各重組米樣的RDS片段含量均顯著高于非當季秈米，SDS片段含量顯著低于非當季秈米，這可能與擠壓過程中高溫高壓以及強剪切力作用下淀粉的糊化降解有關。添加了燕麥麩皮、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉和鷹嘴豆粉后均能降低重組米RDS含量，提高SDS和RS含量，說明5種雜糧添加均能降低擠壓雜糧重組米在體內的消化速率，且隨著雜糧添加量的增加，擠壓雜糧重組米的消化速率也隨之降低，其中添加燕麥麩皮對擠壓雜糧重組米的影響最大。

表1 不同雜糧添加量對淀粉營養片段的影響

2.2 體外消化的水解曲線

相同條件下非當季秈米與各擠壓雜糧重組米在0～180 min內的淀粉消化水解曲線如圖1所示。不同米樣的淀粉消化水解的整體趨勢基本一致，在體外模擬消化過程中，前20 min淀粉的消化水解速度最快，在20～120 min時間段內淀粉的消化水解速率不斷下降，在120 min后淀粉消化水解率增長緩慢并逐漸達到平衡。其中燕麥麩皮擠壓重組米、鷹嘴豆擠壓重組米和藜麥擠壓重組米的淀粉消化水解率分別在添加量≥10%、≥15%和≥20%時均低于非當季秈米的淀粉消化水解率，蕎麥擠壓重組米和青稞擠壓重組米在添加量為25%時，其淀粉消化水解率和非當季秈米接近。

淀粉酶水解動力學得到的淀粉消化水解速率更加適合反映淀粉的慢消化性能，因此添加燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧可以降低擠壓雜糧重組米的淀粉消化水解速率，提高擠壓雜糧重組米的慢消化性能，其中添加燕麥麩皮對擠壓雜糧重組米的影響最大。

2.3 預測血糖生成指數

由圖2可知，經過擠壓加工后，燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧添加均可顯著影響擠壓雜糧重組米的體外消化預測GI值，隨著雜糧添加量的增加，GI值顯著降低。其中，添加燕麥麩皮和鷹嘴豆粉對擠壓雜糧重組米的GI值影響最為顯著，而且當添加量≥15%時，燕麥麩皮擠壓重組米和鷹嘴豆擠壓重組米的GI值顯著低于非當季秈米，這可能是由于鷹嘴豆和燕麥麩皮中含有豐富的膳食纖維，能顯著降低重組米的GI值。而蕎麥、青稞和藜麥在添加量較低時對GI值影響較小，當藜麥添加量達到25%時，重組米的體外消化預測GI值接近70。

圖2 不同米樣的GI值

2.4 微觀結構分析

由圖3、圖4可知，未經擠壓加工的非當季秈米中具有明顯的有規則的排列緊密的復合淀粉顆粒和完整平滑的胚乳細胞壁[23]，而擠壓雜糧重組米中的淀粉顆粒被破壞，整個米粒截面表面呈糊狀，其原因可能是由于擠壓過程中的高溫、高壓和高剪切力作用使淀粉顆粒發生糊化，細胞壁被破壞，淀粉結構發生改變。而添加雜糧后的擠壓重組米內部均可觀察到細小孔隙，且隨著添加量的增大，細小孔隙增多，其中燕麥麩皮添加組和蕎麥添加組復配米的內部細小孔隙少，結構較為致密。

圖3 非當季秈米掃描電鏡圖

注：a、b中從上至下雜糧質量分數依次為5%、10%、15%、20%、25%。圖4 擠壓后不同米樣的掃描電鏡圖

2.5 X-衍射分析

淀粉主要以顆粒形式存在，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。淀粉的結晶性質會影響淀粉產品的應用性能，根據粉末的X-衍射波譜可以將天然淀粉的結晶結構分成A、B和C 3種類型。由圖5可知，非當季秈米和擠壓雜糧重組米的衍射峰數量、位置以及強度存在明顯差異。非當季秈米在2θ為15°和23°的位置附近均存在明顯的衍射峰，在2θ為17°和18°附近有兩個相連的衍射峰，是典型的A-型晶體淀粉的特征。擠壓雜糧重組米的X-衍射圖譜上均沒有發現A型淀粉結晶峰，但是在13°、20°的位置出現特征單峰，這屬于V型結晶的特征，這表明了擠壓雜糧重組米中產生了淀粉-脂質復合物，又稱為RS5型抗性淀粉，屬于一種新型抗性淀粉[24,25]。

由圖6可知，各擠壓雜糧重組米的相對結晶度均小于非當季秈米。單因素方差分析的結果表明，不同雜糧的添加量對擠壓重組米的相對結晶度均具有顯著性影響(P<0.05)。添加燕麥麩皮、藜麥粉可以顯著提高擠壓重組米的相對結晶度，且隨著添加量的增加而增加；隨著添加量的增加，蕎麥擠壓重組米和鷹嘴豆擠壓重組米的相對結晶度顯著增加，呈現先升高后降低的趨勢，在添加量為5%時最高，分別為7.14%和7.784%；添加青稞粉會顯著提高擠壓重組米的相對結晶度，但與添加量無線性關系。結果表明，添加雜糧能顯著提高擠壓重組米的相對結晶度，促進擠壓重組米淀粉的結晶老化，提高擠壓重組米的抗消化性。

圖6 不同米樣中淀粉的相對結晶度

2.6 紅外光譜分析

在紅外光譜圖中，吸收峰的強度和淀粉的種類與數量均有關系[26]。淀粉短程有序結構的構象可以通過紅外光譜圖對淀粉的有序區域和無定形區的比值進行分析[27]。1 047 cm-1和1 022 cm-1附近的吸收峰分別代表了淀粉的有序結構區域和無定形結構區域，1 047/1 022 cm-1的峰強度比值表示了淀粉中有序結構區域與無定形結構區域的比例[28]。由圖7可以看出，不同米樣的1 047/1 022 cm-1的峰強度比值存在明顯差異。各重組米的1 047/1 022 cm-1比值均小于非當季秈米。隨著添加量的增加，燕麥麩皮和藜麥擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值增加，且與添加量呈依賴關系，當質量分數為25%時，其1 047/1 022 cm-1比值最大，分別為0.870、0.856；蕎麥擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值的大小與添加量無明顯線性關系；隨著添加量的增加，青稞擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值先升高后降低，在質量分數為10%時最高為0.880；隨著添加量的增加，鷹嘴豆擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值先增加后降低，在添加為5%時最高為0.862。結果表明，添加燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧可以提高擠壓重組米中淀粉分子的有序程度，提高對水解酶的抗性，提高擠壓重組米的抗消化性。

圖7 不同米樣的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值

3 結論

研究擠壓雜糧重組米的體外消化特性，結果發現，擠壓處理會顯著提高非當季秈米的RDS含量，降低SDS和RS含量，提高消化性；而添加雜糧會顯著提高擠壓雜糧重組米的RS含量，降低重組米在體內的消化速率以及淀粉消化水解率，在燕麥麩皮的質量分數≥10%、鷹嘴豆的質量分數≥15%時，重組米的淀粉消化水解率低于非當季秈米。擠壓處理會顯著提高大米的GI值，添加雜糧粉均能顯著降低重組米的GI值，當燕麥麩皮和鷹嘴豆粉的質量分數≥20%時，擠壓雜糧重組米的體外消化預測GI值<70，屬于中GI食物。同時，擠壓處理明顯破壞了淀粉的結構，降低了大米內部微觀結構致密性，擠壓空白重組米和各擠壓雜糧重組米中均出現了V型結晶淀粉，其中燕麥麩皮擠壓重組米的V型結晶峰最高，提高了擠壓重組米的抗消化性。