D-最優混料設計優化低GI藜麥雜糧粥配方

于振，曹雨露，韓冬，朱圓圓，吳聰，余永建*，康文斌

（1.江蘇科技大學糧食學院，江蘇 鎮江 212100；2.鎮江恒順米業有限責任公司，江蘇 鎮江 212100）

近年來，糖尿病患病率逐年增加，已經嚴重威脅到社會公眾的健康。根據國際糖尿病聯盟發布的最新全球糖尿病地圖（第9版）顯示，2019年全球成人糖尿病患者約為4.63億。最新流行病學調查研究表明，我國成人糖尿病患病率高達12.8%[1]。控制糖尿病，刻不容緩。

以血糖生成指數（glycemic index，GI）理論為指導的飲食治療在糖尿病治療中具有積極的意義。對超重或肥胖人群的流行病學研究發現，限脂低GI膳食可控制超重或肥胖人群體重，并降低血液中的膽固醇和甘油三酯含量[2]。GI是指食用含50 g碳水化合物的食物與食用同等質量葡萄糖在一定時間內引起的體內血糖應答水平的百分比值[3]。將葡萄糖GI值定為100，并以此為對照，食物的GI值可以分為低GI食物（GI≤55），中 GI食物（55＜GI≤70）和高 GI食物（GI＞70）3 個等級。高GI值食物易消化、吸收率高，可使血糖快速升高，而低GI食物在胃腸停留時間長、消化緩慢、吸收利用率低，血糖升高的速度和幅度較小，可降低餐后胰島素的分泌，有利于人體血糖的控制[3]。

目前，市場上現有的低GI食品以糕點和面點等焙烤類食品為主，種類單一，價格較高，且口感普遍不佳，無法滿足消費人群的選擇需求，需繼續開發更多種的低GI食品。雜糧通常是指水稻、小麥、玉米、大豆和薯類五大作物以外的糧豆作物，其中含有多種能調節血糖的生物活性成分。研究表明，藜麥中的多糖類化合物[4-5]具有良好的降糖活性。蕎麥中的蕎麥堿和黃酮類、皂苷類物質[6-7]可通過降低腸道對糖的吸收效率、改善胰島素敏感性及抗氧化作用等途徑調節血糖。燕麥中的燕麥β-葡聚糖[8]和燕麥多肽[9]，以及薏米中的薏米多糖[10]等均具有調節血糖功效。雜糧粥具有原料種類繁多、營養涵蓋全面，煮后口感黏軟細爛，暖胃易于消化等諸多優點，深受消費者的喜愛。因此，低GI雜糧粥可作為膳食血糖控制以及預防糖尿病的選擇食品。

本研究以藜麥為主要原料，以燕麥、薏米和蕎麥為輔料進行低GI高食味值雜糧粥的開發。研究以感官評分和GI值為指標，采用D-最優混料設計低GI雜糧粥配方，并利用響應曲面法進行優化，以期獲得低GI高食味值雜糧粥配方，滿足糖尿病人群及膳食血糖改善人群對低GI食品的選擇需求。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藜麥、燕麥、薏仁、蕎麥：市售；酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、硫酸銅、無水葡萄糖、乙醇、石油醚、亞鐵氰化鉀（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；豬胰腺α-淀粉酶（12 U/mg）、高峰氏 α-淀粉酶（4 000 U/g）：上海素培生物科技中心；糖化酶（100 000 U/mL）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

5810R高速冷凍離心機：德國Eppendorf公司；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋、THZ-98A型恒溫振蕩器：上海一恒科學儀器有限公司；FA214AI型電子天平：常州市幸運電子設備有限公司；DL-I-15型電爐：滬興電熱電器廠。

1.2 方法

1.2.1 試驗用酶溶液配制

高峰氏α-淀粉酶溶液（5 g/L）：稱取高峰氏α-淀粉酶（4 000 U/g）0.5 g，加 100 mL 超純水進行溶解，滴加三氯甲烷防止長霉，置于4℃冰箱中儲存待用。

豬胰腺 α-淀粉酶（290 U/mL）：稱取 1.208 g豬胰腺α-淀粉酶（12 U/mg），溶于50 mL超純水，滴加三氯甲烷防止長霉，置于4℃冰箱中儲存待用。

糖化酶（2 500 U/mL）：量取1 mL糖化酶，超純水稀釋至2 500 U/mL。

1.2.2 D-最優混料設計

分別以藜麥添加量（A）、燕麥添加量（B）、薏仁添加量（C）、蕎麥添加量（D）為變量，混合原料的感官評分（R1）和估計血糖生成指數（estimated glycemic index，eGI）值（R2）為響應指標進行D-最優混料設計，A+B+C+D=100 g。

參考《中國食物成分表（2017）》[11]分別查找藜麥、燕麥、薏仁和蕎麥等原料的參考基本營養成分和eGI值，根據格魯賓（Grubben）的平均營養價值計算公式分別計算藜麥、燕麥、薏仁和蕎麥的平均營養價值（average nutritional value，ANV）[11]，結果見表1。以混料高ANV值以及低eGI值為標準，并根據預試驗結果確定混料水平，結果見表2。

表1 雜糧原料ANV值和eGI值Table 1 The ANV and eGI value of coarse cereals materials

表2 混料試驗因素和水平Table 2 Mixing experimental factors and levels

1.2.3 雜糧粥感官評價

根據預試驗結果，選擇料液比1∶12（g/mL）對雜糧粥進行常壓蒸煮。選擇10名食品質量與安全專業品評人員對不同原料配比下的藜麥雜糧粥進行感官評價。參考GB/T 15682—2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》[12]及吳練軍[13]的方法制定的藜麥雜糧粥的感官評分標準見表3。

表3 感官評分標準Table 3 Sensory evaluation criteria

1.2.4 估計血糖生成指數檢測

采用GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》[14]中的酶水解法測定粥樣中的淀粉含量。采用Englyst法[15]檢測粥樣的eGI值，具體操作如下：準確稱量含600mg淀粉的粥樣于錐形瓶中，加入10mL磷酸鹽緩沖溶液（0.2 mol/L、pH 5.2），搖勻后置于37℃恒溫振蕩器中，200 r/min條件下振蕩30 min。然后加入4 mL豬胰腺α-淀粉酶（290 U/mL）和1 mL糖化酶（2 500 U/mL），37℃振蕩水解，分別于 20、30、60、90、120 min時取1mL水解液，置于沸水浴中滅酶，以4 000 r/min離心10 min后取上清液，采用GB 5009.7—2016《食品安全國家標準食品中還原糖的測定》[16]中的直接滴定法檢測上清液中還原糖含量。以白面包為標準參照物，計算樣品中淀粉水解率（hydrolysis index，HI），HI=樣品水解曲線與時間X軸的面積/白面包水解曲線與時間X軸的面積，按照Englyst方法[15]計算粥樣中的 eGI值，eGI=39.71+0.549HI。

1.3 數據處理

樣品感官評價的綜合得分為各感官指標分項得分之和，即氣味+色澤+外觀結構+適口性+滋味及分層，并對10位品評人員感官評分取平均值。采用軟件Design Expert（V.10.0.3）進行數據處理，確定最優配方。

2 結果分析

2.1 模型及回歸方程建立

雜糧粥配方的混料設計及試驗結果見表4。

表4 雜糧粥配方的混料設計及試驗結果Table 4 Mixture design and experimental results of coarse cereals porridge formula

20組雜糧粥配方感官評分為79.42～86.00，eGI值范圍為49.48～65.51。采用Design Expert推薦特殊立方（Special Cubic）模型對表4中20組試驗的感官評分及eGI值分別進行擬合方程分析，結果見表5。

表5 響應值的預測模型Table 5 Prediction model of response value

感官評分擬合方程相關系數R2值為0.90，eGI值相關系數為0.96，二者均在0.90以上，表明兩個擬合方程均擬合度良好。

感官評分方差分析見表6。

表6 感官評分方差分析Table 6 Variance analysis of sensory evaluation

由表6可知，感官評分擬合方程模型P=0.042＜0.05，說明模型顯著，且模型失擬項不顯著（P=0.58＞0.05），說明模型方程擬合良好，可以采用該數學模型來推測試驗結果。此外，BC、BD交互作用顯著，ACD交互作用極顯著。

對以eGI值為響應值的擬合方程進行方差分析結果見表7。

表7 eGI值方差分析Table 7 Variance analysis of eGI value

由表7可知，eGI值擬合方程模型P=0.004 1＜0.01，說明模型極顯著，且模型失擬項不顯著（P=0.77＞0.05），說明模型方程擬合良好，可以采用該數學模型來推測試驗結果。此外，BD、CD、ABC交互作用顯著，AB、BCD交互作用極顯著。

2.2 雜糧組分配比對感官評分及eGI值的影響

表6感官評分方差分析可知，ACD交互作用極顯著，即藜麥添加量（A）、薏仁添加量（C）和蕎麥添加量（D）交互作用對感官評分影響極顯著。藜麥添加量、薏仁添加量和蕎麥添加量配比對感官評分影響的3D響應面圖譜及等高線圖見圖1。

圖1 藜麥、薏仁和蕎麥添加量配比對感官評分影響的3D響應面圖譜及等高線圖Fig.1 3D response surface map and contour map of the effect of the addition ratio of quinoa，coix seed and buckwheat on sensory evaluation

由圖1可知，蕎麥添加量固定為16.44 g，響應面為曲面，說明3種組分配比對感官評分具有很強的交互作用，與表6感官評分方差分析結果保持一致。當藜麥添加量為35.00 g、燕麥添加量為31.81 g、薏仁添加量為16.75 g時，感官評分可達到最大值為86.00。

表7 eGI值方差分析可知，BCD交互作用極顯著，即燕麥添加量（B）、薏仁添加量（C）和蕎麥添加量（D）交互作用對eGI值影響極顯著。燕麥添加量、薏仁添加量和蕎麥添加量配比對eGI值影響的3D響應面圖譜及等高線圖見圖2。

圖2 燕麥、薏仁和蕎麥添加量配比對eGI值影響的3D響應面圖譜及等高線圖Fig.2 3D response surface map and contour map of the effect of the addition ratio of oat，coix seed and buckwheat on the eGI value

由圖2可知，蕎麥添加量固定為16.44 g。響應面為曲面，說明3種組分配比對eGI值同樣具有很強的交互作用，與表7 eGI值方差分析結果保持一致。當藜麥添加量為35.00 g、燕麥添加量為31.81 g、薏仁添加量為16.75 g時，eGI值可達到最小值49.48。

2.3 配方優化及驗證試驗

對配方進行優化時，考慮成本因素，二者均選擇最低值。綜合感官評分結果，燕麥添加量選擇20 g～35 g，蕎麥添加量選擇10 g～20 g。本研究的目的是獲得低eGI值的藜麥雜糧粥，故設定響應指標eGI值為最小，并要求在eGI值最低的情況下，感官評分最高。運用Desigin Expert軟件進行優化，獲得7個組合配方，見表8。

表8 最優配方篩選Table 8 Screening of optimal formula

由表8可知，可行性系數越接近1，綜合評價越好，故選擇優化配方1，具體藜麥雜糧粥配方（100 g）為藜麥添加量為35.00 g、燕麥添加量為31.81 g、薏仁添加量為16.75 g、蕎麥添加量為16.44 g。感官評分預測值為86.00，eGI預測值為49.48。對配方1進行驗證試驗，結果表明，配方1的試驗感官評分為87.03，eGI值為50.77，均與預測值差異不顯著。

3 結論

藜麥、燕麥、薏仁和蕎麥等雜糧中均含有多種可調節血糖的生物活性成分。本研究以藜麥為主要原料，以燕麥、薏仁和蕎麥為輔料，采用D-最優混料設計低GI藜麥雜糧粥配方，并采用響應曲面法進行優化。結果表明，低GI藜麥雜糧粥的最優配方（100 g）為藜麥添加量35.00 g、燕麥添加量31.81 g、薏仁添加量16.75 g、蕎麥添加量16.44 g。該混料配方制作的雜糧粥口感良好，感官評分為87.03，eGI值為50.77＜55，符合低GI食品要求。