碳水化合物質量指標以及血糖生成指數影響因素的進展

徐 瑤，劉曉風 ，楊月欣 ，朱 婧

（1.蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州 730050；2.中國疾病預防控制中心營養與健康所，北京 100050；3.北京市科學技術研究院生物技術與健康研究所，北京 100089）

碳水化合物（Carbohydrates）作為人類七大營養素之一，是膳食能量最主要的來源。過量碳水化合物的攝入與肥胖、糖尿病以及心血管疾病等代謝性疾病相關[1]。大量研究顯示：低碳水化合物飲食（low carbohydrate diet，LCD）模式常用來應對肥胖、糖尿病等代謝性疾病。LCD 作用機制是通過限制碳水化合物的攝入，使得機體缺乏碳水化合物供能，因此選擇消耗脂肪等其他物質維持機體正常運作。短期內可達到降低體重的效果[2]，短期內其在2 型糖尿病人飲食護理中起到的作用是積極有效的[3]，對人類健康有一定的積極作用[4]。然而，過度的LCD 會使人出現注意力分散、記憶力衰退、酮癥等不良反應，長期限制碳水化合物的攝入會使人體產生缺乏微量元素等負面反應，對健康造成一定危害。因此需要引入碳水化合物的質量來全方位衡量碳水化合物的健康效應[1]。

食物中的大多數碳水化合物被人體攝入后，可在人體消化酶分解后在胃和小腸被吸收，最終以葡萄糖的形式進入血液，為人體供能，引起人體餐后血糖升高。不同食物升高血糖的能力不同，因此傳統上用血糖生成指數來代表碳水化合物質量。隨著相關研究的深入，對碳水化合物質量的理解有了更多的理論基礎。大量證據表明，高質量碳水化合物食物來源為：高纖維，全谷物食物，低游離糖和低精制淀粉食物[5]。綜合研究表明[5-6]，碳水化合物的質量包括以下四個維度：膳食纖維含量/攝入量、全谷物含量/攝入量、游離糖含量/攝入量、血糖指數和血糖負荷。本文從這四個維度來描述碳水化合物質量指標，并從食物來源、消化吸收、加工方式、淀粉的組成和結構等四個方面總結了影響GI 的因素。

1 碳水化合物質量指標

1.1 膳食纖維含量

膳食纖維是指植物中天然存在的、從植物中提取或直接合成的聚合度≥3、可食用的、不能被人體小腸消化吸收的、對人體有健康意義的碳水化合物的聚合物[7]。高纖飲食對健康的有益效應在大量研究中得到證實，表現在通過調控總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、餐后血糖和胰島素反應、空腹血糖、糖化血紅蛋白等，來達到控制體重[8]、維持人體身體健康的效應。膳食纖維的存在可以增加糞便的體積，促進腸胃蠕動，在體內發酵可促進腸道益生菌健康，對腸道菌群產生有益影響，維持胃腸道的健康[9]。國際碳水化合物質量聯盟（international carbohydrate quality consortium，ICQC）發布的膳食纖維共識中[7]，建議食品標簽應包括膳食纖維的量，并區分內源性膳食纖維和添加的外源性膳食纖維。共識中表明膳食纖維標簽的建立有助于使居民膳食纖維攝入達到14 g/1000 kcal/d 的推薦量。

1.2 全谷物攝入量

全谷物是包括完整的、磨碎的、破碎的、去除外殼和不可食用部分后的谷物的總稱。基本組成包括胚乳、胚芽和麩皮，各組成部分的相對比例必須與完整谷粒相同的相對比例存在。全谷物食品應包含至少50%的全谷物成分（以干重計）[10]。全谷物是表征碳水化合物質量的一個重要組成部分，有利于控制體重，與2 型糖尿病和心腦血管疾病以及直腸癌的發病率呈負相關[11-12]，一項Meta 研究表明每天攝入140～160 g 全谷物可改善超重和肥胖成人的空腹血糖水平[13]。全谷物概念的進一步明確，將促進全谷物的進一步研究快速發展。

1.3 游離糖攝入量

游離糖是指廠商、廚師或消費者添加到食品中的單糖和雙糖，蜂蜜、糖漿和果汁中天然存在的糖[14]。游離糖攝入的不利影響，首先表現在對牙齒的損傷，研究表明高游離糖攝入量與牙周病之間存在顯著正相關關系[15]，造成牙齒炎癥[16]，繼而影響人體的健康，與肥胖和2 型糖尿病有關。針對此類問題，世界衛生組織發布了糖攝入量膳食指南：建議限制游離糖的攝入量不超過總能量攝入的10%，理想情況下不超過總能量攝入的5%[17]。含糖飲料、果汁以及甜食作為游離糖的主要來源，為人體提供的飽腹感較差，一般在正餐之外食用，從而導致游離糖攝入量難以控制等問題。

1.4 GI

GI 是探究食物進食和血糖變化的重要指標[18]。在1981 年，由加拿大多倫多大學的營養學教授大衛·靳克斯（David Jenkins）博士首次提出，GI 值表示含有50 g 有價值的碳水化合物的食物與50 g 碳水化合物標準參考物（葡萄糖或白面包）相比，在一定時間內（一般為餐后2 h）引起體內血糖應答水平的比值[19]，是描述食物中碳水化合物質量的重要生理學參數。GI 作為傳統的考察碳水化合物的質量的生理性指標，對于富含碳水化合物的食物，具備低GI 特性，可被認為是高質量碳水化合物食物。將GI 與碳水化合物本身性質和消化吸收建立聯系，有利于表征高質量碳水化合物食物。

根據食物GI 值的水平不同，可以將食物劃分為低GI 食物（GI≤55）、中等GI 食物（55＜GI≤70）和高GI 食物（GI＞70）[2]。圖1 為部分谷物及制品的GI 值水平。影響食物GI 值的因素有很多，食物本身的營養成分、食物加工的方式以及GI 值的測定方法等都會對GI 產生影響。

圖1 部分谷物及其制品GI 值水平（葡萄糖＝100）Fig.1 GI value levels of some grains and products(glucose=100)

2 食物在人體中的消化吸收對GI 的影響

食物在體內的消化吸收的程度和速率是影響食物GI 值最主要的因素，緩慢消化或者不消化吸收的碳水化合物將降低食物的GI。按照碳水化合物能否進行水解，以及水解后的生成物對其進行分類，可基本分為單糖類、雙糖類和多糖類。單糖類為不能進行水解的糖類的基本單位，雙糖類是兩個單糖分子結合成的雙糖，多糖是大分子聚合物糖類的統稱，經消化酶逐步分解為雙糖、單糖后，被人體利用。其中的單糖—葡萄糖是所有人體細胞的主要能量來源，并且幾乎是大腦唯一的能量來源[21]。

淀粉是食物中主要的多糖。從消化特性角度，可以將淀粉分為快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢性消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[22]。其中RS在人體小腸中不能被消化吸收[23]，可完整進入結腸被微生物分解，并產生短鏈脂肪酸[24]。動物研究表明RS 對空腹血糖水平存在有益影響，RS 可通過增加胰島素分泌和提高胰島素敏感性。調節胰島素敏感性的可能機制是改變脂肪酸通量RS 在結腸可形成短鏈脂肪酸，包括乙酸，丙酸和丁酸鹽。這些酸可能對與胰島素代謝有關的激素的產生有刺激作用如胰高血糖素樣肽-1 和肽YY，并且可以通過誘導胰島素分泌，來降低食物的GI 值[24]。RS 在總碳水化合物中比例的增加可以改變食物的GI，如通過基因調控使食物RS 含量增加，或通過加工方式使非抗性淀粉轉化為RS 從而增加RS 含量，或在復配食物時以RS 取代原本配方中的可消化碳水化合物。高直鏈淀粉含量與抗性淀粉含量呈正相關關系。高直鏈玉米淀粉中含抗性淀粉高達60%。淀粉消化結構分子調節機制，是利用基因工程技術生產高含量抗性淀粉的依據。直鏈淀粉對淀粉功能特性影響顯著，使在生產中利用基因組學的方法，生產高水平直鏈淀粉和增加抗性淀粉數量。結合上述提高直鏈淀粉的產量的方法，食物中抗性淀粉的含量也會有所增加[25]。

膳食纖維是食物中另一種重要的多糖，不被消化吸收，按照是否溶于水，把膳食纖維分為可溶性膳食纖維以及不可溶性膳食纖維兩大類[26]，可溶性膳食纖維來源于果膠、魔芋等食物，能量較低、吸水性很強，可溶性膳食纖維在胃腸道內和淀粉等碳水化合物交織在一起，可以延緩碳水化合物的吸收，能夠起到降低餐后血糖的作用。不可溶性膳食纖維主要來源于全谷類食物，如麩質、麥片、糙米、燕麥等全谷類食物，另外常見的蔬菜和水果中也含有部分不可溶性膳食纖維。不可溶性膳食纖維通過促進胃腸蠕動，加快食物通過胃腸道減少吸收，進而同樣起到降低餐后血糖的作用，使食物GI 值降低。

除了碳水化合物，食物中的蛋白質、脂肪也對食物的GI 造成影響。蛋白質對GI 的影響體現在蛋白質對食物中的淀粉的包埋作用，使得淀粉酶與淀粉的反應減慢甚至不發生反應[27]，因而降低食物GI。此外，當食物中的蛋白質含量高時，還可以刺激機體分泌胰島素，從而快速清除血液內葡萄糖，達到降低血糖的效果，使食物GI 偏低[28]。脂肪對GI的影響體現在脂肪可與直鏈淀粉結合形成復合物，減少小腸對淀粉的消化吸收[27]?；蚴峭ㄟ^降低淀粉凝膠化，推遲食物在胃的排空，阻礙淀粉酶與淀粉的結合，并且對淀粉酶具有一定抑制作用[28]，從而降低食物GI。

3 加工對食物GI 的影響

以表1 稻谷類食物的GI 為例，分析說明加工對于食物GI 的影響。

表1 稻谷類食物血糖生成指數（GI）[29]Table 1 Rice based food glycemic index (GI)[29]

相比于精白米，糙米的皮層富含大量的高纖維，質地緊實，通過日常的蒸煮，水分不能充分滲入糙米內部，胚乳內部的淀粉不易糊化[30]，消化吸收較慢，因此有低的GI。加工精度是影響大米皮層以及胚芽保留率的最直接因素，按照目前大米國家質量標準加工，營養物質的流失隨著加工精度等級的提高而增大[31]。此外，大米的粒度也會影響大米的消化速率，進而影響GI。早有研究表明，小粒徑水稻淀粉會促進淀粉消化率增加[32]。因此選擇合適的稻米加工精度和粒度，有益于降低稻谷的GI 和保留更豐富的營養物質。此外，加水量、加工時間長短等通過影響大米的硬度、膨脹狀態以及淀粉糊化程度，進而對GI 產生影響。有研究表明[33]：在較高的溫度下烹飪大米可能會增加淀粉分子因糊化而浸出，從而增加GI。Onvara 等[34]通過優化試驗探究烹飪溫度和水對大米GI 的影響，研究表明較低的溫度和較短的時間以及較高的水比可以降低大米的GI，因為其結構空隙較少，外圍更緊湊，從而限制了酶促消化。

加工對薯類RS 含量影響巨大，生鮮馬鈴薯中RS 含量高達75%，加工后RS 的含量下降到5%～10%，同時RDS 的含量會增加到53%～86%[35]，馬鈴薯淀粉結構為B 型，B 型淀粉在水煮的條件下晶型容易被破壞消失，即加熱條件下，馬鈴薯淀粉顆粒內部結構被破壞，而導致其更易被酶水解，消化速率加快，且水煮加熱的條件更易使馬鈴薯淀粉糊化，促進了其消化，水煮加工使得馬鈴薯GI 升高[36]。蒸煮對薯類的影響在甘薯中同樣表現明顯，研究表明[37]，蒸煮后，甘薯淀粉含量從18.15%下降到7%，可溶性糖含量從11.78%上升到39.33%。生甘薯內含抗性淀粉50%～60%，而熟薯降至7%。導致了甘薯的GI 升高。

由此可以看出控制加工條件對于食物GI 的重要性，選擇合適的加工精度、烹飪方式可以降低食物的GI 值，保留食物中豐富的營養成分。

4 淀粉類型對GI 的影響

淀粉按其鏈的結構來說，可以分為直鏈粉和支鏈淀粉。如表2 所示，不同的鏈的構型決定了淀粉的消化特性。直鏈淀粉以卷曲螺旋形方式存在，支鏈淀粉是樹枝型分支結構，淀粉酶在分解淀粉產生葡萄糖時，結合作用的位點是淀粉鏈的末端。因直鏈淀粉和支鏈淀粉的結構組成不同，支鏈淀粉相比于直鏈淀粉具有更多的淀粉酶結合位點，所以支鏈淀粉相比于直鏈淀粉有更高的消化速率。因此直鏈淀粉含量高的食物，GI 值相對低。

表2 直鏈淀粉與支鏈淀粉Table 2 Amylose and branched starch

在農業種植過程中，通過品種改良培育含高直鏈淀粉作物，是使食物獲得低GI 的一個可行的途徑。研究表明，目前高直鏈淀粉主要來源于玉米、大麥、水稻等作物[38]。表3 中總結了從淀粉合成途徑中酶基因改良角度，提高禾谷類作物直鏈淀粉含量的途徑。

表3 提高禾谷類作物直鏈淀粉含量的途徑Table 3 Ways to increase amylose content of cereal crops

直鏈淀粉和支鏈淀粉以復雜的晶體結構方式堆疊成小體結構；然后大量的小體結構以臍點為中心，呈中心環狀向外聚集；聚集的小體結構形成洋蔥狀生長環結構，最終構成淀粉顆粒。從小體內片狀結晶結構角度：支鏈淀粉雙螺旋結構主要有兩種排列方式：單斜結晶（A-型結晶）和六方結晶（B-型結晶），根據淀粉中所含支鏈淀粉晶型可以將淀粉分為A 型、B 型、C 型[43]。此種分類方式與X-射線衍射研究中，對天然淀粉的分類具有一致性（如表4 所示）。雖然通過單斜結晶比六方結晶穩定，以致A 型淀粉熱穩定型最強。淀粉顆粒的大小和結晶性質又影響著其對胰酶的敏感性，X-射線衍射下，B 型和C 型淀粉表現出對胰酶的一定抗性[44]。因此3 種類型的淀粉中，A 型最容易消化，B 型和C 型不易消化。

表4 淀粉的三種類型Table 4 Three types of starch

5 不同食物品類的GI 及影響因素分析

5.1 谷物

由圖1 可知，谷物及其制品的GI 值變化范圍是19～88。谷物的成分和加工方式是造成谷類食物GI 值巨大差異的重要因素。谷類的成分包括淀粉、蛋白質、脂類以及膳食纖維。谷物中含有大量的碳水化合物（70%～80%），淀粉作為高分子碳水化合物，是谷物最重要的組成部分，對谷物食品的GI 值起決定性作用[45]。綜合淀粉類型對GI 的影響，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量和比例對谷類食物GI 影響較大，結合表3 中提高谷類食物中直鏈淀粉含量的方法，可降低谷類食物GI 值，即可提高其碳水化合物質量。

由圖1 中還可以看出，全谷物食物具有中低GI 的特性。谷物的麩類部分含有大量膳食纖維GI 值處于低水平狀態。精米精面等精細加工的谷類食物GI 水平普遍偏高。由此可知降低谷類食物加工精度，可降低其GI 值。

5.2 薯類

薯類作物作為世界范圍內廣泛種植的作物，其中碳水化合物的含量同樣可觀，主要以淀粉形式存在。薯類作物種植地區主要分布在亞洲、非洲、歐洲以及美洲等地[46]。世界范圍內薯類作物的發展走向之一，就是淀粉型薯類開發和利用。薯類作物中的淀粉含量為8%～29%，全球公認三大薯類作物：馬鈴薯、木薯、甘薯提供了絕大部分薯類淀粉的生產量。

大部分薯類食物為中高GI 食物[20]。表2 提供的直鏈淀粉與支鏈淀粉的關系同樣適用于淀粉型薯類作物。提高其中直鏈淀粉的含量同樣也能降低薯類作物的GI 值，如抑制葡聚糖水二激酶（glucanwater dikinase，GWDs）活性：GWDs 是葉綠體中催化淀粉降解的一種酶。催化腺苷三磷酸（adenosinetriphosphate，ATP）的β磷酸轉移到支鏈淀粉的葡萄糖殘基上形成磷酸葡聚糖。作用于馬鈴薯塊莖，可以達到使其中直鏈淀粉含量由野生型的37%，上升到育種后的39%[47]。由表3 可知，薯類淀粉屬于B 型淀粉，是不易消化的淀粉。與加工方式對GI 的影響相結合，熟制導致薯類GI 的升高[36]。

5.3 豆類

碳水化合物在豆類中同樣以淀粉的形式存在，大部分豆類及其加工食物為低GI 食物[20]。一些豆類及其加工食品的GI 范圍如：蠶豆（40±5），鷹嘴豆（5±1～45±1），普通豆（9±1～75±8），豇豆（6±1～56±0.2），小扁豆（10±3～66±6），綠豆（11±2～44±6），豌豆（9±2～57±2），木豆（7±1～54±1）和混合豆類制品（35±5～66±23）[48]。由表3 可知，豆類中淀粉以C 型淀粉為主，這也是大多數豆類GI 值相對谷物GI 值較低的原因[27]。同時GI 范圍的變化也表示了加工對豆類食物GI 的影響。研磨處理會導致豆類顆粒大小的改變，增大表面積，使淀粉暴露與淀粉酶接觸，加速消化，GI 值升高[48]。豆類中含有豐富的蛋白質，其中大豆蛋白含量在38%以上，是自然界中含量最豐富的蛋白質。蛋白質的包埋作用以及對機體分泌胰島素的刺激作用，使得豆類及其加工制品GI 值處于低水平。

5.4 水果

如表5 所示，水果中的碳水化合物主要以葡萄糖、果糖、蔗糖三種形式存在，在一些水果，還以山梨醇的形式存在。水果中果糖的吸收代謝不需要胰島素的參與；蔗糖的水解產生的是一分子葡萄糖和一分子果糖；山梨醇是人能緩慢消化的碳水化合物，作為葡萄糖對應的羥基醇，其消化吸收不經過葡萄糖代謝途徑，代謝不會引起人體血糖升高，使得水果的GI值處于中等甚至低水平。

表5 常見水果中糖類化合物Table 5 Carbohydrates in common fruits

結合《中國食物成分表》[20]中給出的部分水果的GI 值：西瓜GI 為72，屬于高GI 食物，菠蘿GI 為66、芒果GI 為55 屬于中GI 食物，蘋果GI 為36、梨GI 為36、桃GI 為28 等屬于低GI 水果，可以發現，水果中的糖類化合物的類型，是決定GI 值的關鍵。水果的甜度由糖類化合物和有機酸的類型、比例、含量水平等因素決定。從糖的角度來說，不同糖組分對甜度的貢獻不同，果糖、蔗糖和葡萄糖的甜度分別為1.75、1 和0.75?？梢圆糠纸忉屛鞴蠟楹问撬蠫I 值高的水果。

溫度帶對水果的影響主要體現在糖類化合物的含量上，熱帶水果含糖量整體略高于溫帶水果，表明氣候因素對糖分的積累有影響，熱帶和亞熱帶地區日照時間長、晝夜溫差大，使得水果中糖分積累多。

5.5 蔬菜

蔬菜中的碳水化合物含量偏低，以淀粉、糖、纖維素和果膠等形式存在，是人體膳食纖維（纖維素、半纖維素、果膠）的重要來源，因此綠色莖葉類蔬菜一般具有低GI 值。

不同類別的蔬菜所含膳食纖維有所不同[57]：瓜茄類的蔬菜，比如黃瓜、絲瓜、苦瓜、茄子、西紅柿，在這些瓜茄類的蔬菜當中含有豐富的膳食纖維，尤其是可溶性膳食纖維數量更為豐富。葉菜，比如韭菜、芹菜、油麥菜、白菜；根莖類蔬菜，竹筍、藕、蘿卜、萵筍等在這些葉菜當中含有更多的不溶性的膳食纖維。

6 展望

我國傳統飲食習慣中以谷類作物為主食，有些地方以薯類作物為主食，是碳水化合物的主要來源。工業化的發展使得食物加工向精細化發展，精細化加工導致食物中膳食纖維和微量元素含量較低，消化速度快，血糖大幅波動。飽腹感持續時間短使得機體產生饑餓信號，導致食物攝入量增多，增加了肥胖的風險。精加工食物的攝入與胰島素抵抗和高血糖水平相關，會增加患2 型糖尿病的風險，且精致碳水的攝入通過增加甘油三酯的水平，增大心臟病和2 型糖尿病的患病的風險。大量研究表明碳水化合物的質量的改善對超重和肥胖、2 型糖尿病、心血管疾病等慢性病有預防和調控作用。

碳水化合物的質量指標尚未有公認的定義，但可以肯定的是膳食纖維、全谷物、游離糖、固體碳水化合物、血糖生成指數等指標均是考量食物的碳水化合物質量指數的組成因素，碳水化合物質量的研究是一個綜合各方面的大集合，目前對碳水化合物質量指標只是間接性的一個描述，明確碳水化合物質量指標定義任重而道遠。

GI 作為一個直接反映血糖應答的衡量指標，可以間接的表示食物碳水化合物的質量，但GI 的限制也是顯而易見的，測試個體間的差異、人體試驗高測試成本以及不穩定性都會增加GI 測定和應用的難度。影響食物GI 的因素是多方面的，過去的研究中，以探究食物的成分、加工、消化吸收等方面對GI 的影響居多，但對于淀粉微觀結構的分析還較少。這方面的研究將有助于進一步深化了解GI 的影響因素，為GI 的應用和食物碳水化合物質量的評價補充一個新的角度。