不同輔料添加量對擠壓重組米的消化特性的影響
2020-08-17 09:55:18蔡喬宇徐曉茹呂慶云
食品工業科技 2020年16期
蔡喬宇,徐曉茹,周 堅,陳 軒,呂慶云
(武漢輕工大學食品學院,武漢 430023)
隨著我國經濟社會的高速發展,人民生活水平質量不斷提高,伴隨而來的是“富貴病”的出現,糖尿病就是典型的“富貴病”之一,糖尿病在我國的總體患病率高至9.7%[1-2],糖尿病病人必須終身服藥,且無法根治,可供糖尿病人群選用的主食產品極少。大米是我國最主要的糧食作物,相較于玉米、大麥和高粱等粗糧,大米淀粉更容易被人體消化吸收,從而導致餐后血糖迅速上升。近年來,國內外在具有降糖作用的天然產物[3]和礦物質上已有大量藥理和臨床研究,數據表明活性多糖類[4]、黃酮類、鉻等物質有降血糖、降血脂的功效[3,5],天然產物蘆丁[6]富含黃酮,黃酮及其組合物有較好地降血糖作用,同時對糖尿病的腎臟有明顯的保護作用[5,7],富鉻酵母可促進人體的糖脂代謝,提高抗氧化能力,緩解糖尿病癥狀[8]。因此,基于糖尿病人對專用主食產品的需求,以秈米為主要原料,蘆丁和富鉻酵母為輔料,經雙螺桿擠壓機擠壓制成重組米,旨在加深對大米制品的開發利用,同時糖尿病人食用米的研究提供一定的理論支持。
國內外對重組米已有大量研究。謝天等[9]發現擠壓處理對玉米的理化特性指標有負面影響,但能明顯提高產品加工性能和食用特性。Kuenchan等[10]研究發現擠壓米的消化特性在添加纖維素或蛋白質后會發生改變。國外學者通過在大米粉中添加蛋殼粉和食用膠等物質,經過雙螺桿擠壓技術制備重組米,從而達到改善重組米的品質特性的目的[11-12]。Saadat等[13]發現添加1%的瓜爾膠和0.5%的阿拉伯膠能有效改善重組米的性質。Harrow等[14]在部分糊化的米粉中加入粉狀脂肪和NaCl混勻后,通過雙螺桿擠壓機擠壓成方便米飯。目前重組米的研究主要包括營養強化米加工、馬鈴薯資源利用、重組米品質改良[15-17]、擠壓方便米飯和方便米粥的制備及擠壓工藝的改善[18]等方面,而對降糖輔料對重組米的消化特性、蒸煮特性、血糖指數和降糖機理方面的研究較少。
本研究基于糖年病人對專用主食產品的需求,以秈米為主料,通過在原料中加入蘆丁黃酮、富鉻酵母輔料制備具有降糖功效的重組米。探討不同輔料添加量對重組米食用品質、外觀色澤、體外消化和血糖指數的影響,篩選出有效的降糖因子,旨在為糖尿病人群提供更多專用主食大米的選擇。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
秈米粉 市售金龍魚大米;蘆丁(黃酮含量95%) 西安欣祿生物科技有限公司;富鉻酵母(鉻含量2%) 鄭州蒼宇化工產品有限公司;α-淀粉酶、胃蛋白酶、轉化酶 美國Sigma公司;淀粉葡萄糖苷酶、總淀粉試劑盒 Megazyme公司;α-葡萄糖苷酶 上海源葉生物科技有限公司;4-硝基苯-α-D-吡喃葡萄糖苷酶(pNPG) 上海梯希愛化成工業發展有限公司;3,5-二硝基甲苯 上海展云化工有限公司;瓜爾豆膠 鄭州卓研生物科技有限公司。
FMHE-24雙螺桿擠壓機 湖南富馬科食品工程技術有限公司;Ultra Scan VIS臺式分光測色儀 上海信聯創作電子有限公司;TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗儀器有限公司;ZHSY-50恒溫振蕩培養箱 上海知楚儀器有限公司;Enspire多功能酶標儀 美國珀金埃爾默有限公司上海分公司。
1.2 實驗方法
1.2.1 配料設計 對照組:包括未擠壓的普通秈米,和以普通秈米為原料進行擠壓操作制備的擠壓重組米。
實驗組:以普通秈米為主料,分別以蘆丁、富鉻酵母為輔料進行擠壓操作制備擠壓重組米。輔料添加量為占普通秈米的百分比,全文同。其中蘆丁重組米中設置蘆丁添加量為0.05%、0.15%、0.25%、0.35%;富鉻酵母重組米中設置富鉻酵母添加量分別為0.03%、0.05%、0.07%和0.09%。
1.2.2 雙螺桿擠壓機制備重組米 原料粉混勻→調質喂料→雙螺桿擠壓機→切刀切割成型→烘干→冷卻→成品
經前期研究發現,雙螺桿機擠壓螺桿轉速設定為180 r/min、進料速度15 kg/h、加水量20%、1～5套筒溫度分別為65、115、115、70、50 ℃時,得到的重組米品質最好,擠出物在45 ℃下進行熱風干燥。
1.2.3 重組米色度的測定 參考劉建偉等[19]的方法:用分光測色儀測定米粒的L值(明亮度)、a值(代表紅綠色調:正值越大,紅色調越強;負值絕對值越大,則綠色調越強)、b值(代表黃藍色調:正值越大,黃色調越強;負值絕對值越大,藍色調越強)。每個樣品測三個平行,除去最大值和最小值后取平均值。
1.2.4 重組米對酶的抑制作用α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶會影響淀粉等主要碳水化合物的消化和吸收,抑制相關酶的活性,可以延緩人體對淀粉等物質的降解和葡萄糖的吸收,從而延緩餐后血糖的升高。
1.2.4.1 重組米對α-淀粉酶的抑制作用 參考阮妙蕓等[20]的試驗方法,取15 mg重組米米粉樣品,加入10 mL pH=6.9的磷酸鹽緩沖溶液,5 mL 1 mg/mL豬胰α-淀粉酶,37 ℃水浴鍋恒溫振蕩30 min后,取樣0.5 mL,加5 mL甲醇滅酶。用DNS法測定還原糖含量[21],即在540 nm波長下測定吸光度值。其中空白對照為不加淀粉酶溶液的普通秈米重組米,空白為加淀粉酶溶液的普通秈米重組米,背景對照管為不加淀粉酶溶液的實驗組重組米,抑制組為加α-淀粉酶的實驗組重組米。
重組米對α-淀粉酶抑制率公式:
式(1)
A00=A3-A4,A01=A1-A2
式中:A1、A2、A3、A4為540 nm波長處空白、空白對照、抑制劑管和背景對照管的吸光度值。
1.2.4.2 重組米對α-葡萄糖苷酶的抑制作用 參考王斯慧等[22]的測定方法。稱15 mg待測樣品于試管中,加入0.6 mL 0.1 U/mL 的α-葡萄糖苷酶,在37 ℃水浴10 min后,加入0.1 mL 2 mmol/L的pNP-G溶液啟動反應。在37 ℃反應200 min后,加入1 mL 0.5 mol/L的Na2CO3溶液終止反應。最后在α-葡萄糖苷酶作用下于405 nm波長處測定從pNP-G中釋放出的對硝基苯的吸光度值,并計算抑制率。其中空白對照為不加α-葡萄糖苷酶溶液的普通秈米重組米,空白為加α-葡萄糖甘酶溶液的普通秈米重組米,背景對照管為不加α-葡萄糖苷酶溶液的實驗組重組米,抑制組為加酶液的實驗組重組米。實驗組樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制率參考公式(1)計算。
1.2.5 血糖生成指數的測定 參考王嫻等[23]和Chung等[24]的方法進行測定,具體步驟如下:
1.2.5.1 混合酶溶液的配制 稱取3.6 gα-淀粉酶于燒杯中,加入32 mL蒸餾水,用磁力攪器攪拌5 min后,在離心機分離因數1500×g時離心10 min,取上清液21.6 mL于燒杯中;將2.56 mL淀粉葡萄糖甘酶溶液稀釋至3.2 mL,取稀釋后2.4 mL淀粉葡萄糖苷酶溶液至裝有α-淀粉酶上清液的燒杯中,最后在燒杯中加入轉化酶1.6 mL。
1.2.5.2 葡萄糖標準曲線的繪制 分別吸取25、50、75和100 μL標準葡萄糖溶液,不足100 μL的添加蒸餾水至100 μL。再加入3 mL葡萄糖氧化酶,在50 ℃下孵育20 min。使用酶標儀在510 nm波長處測定吸光度值,以吸光度值為縱坐標,葡萄糖含量為橫坐標,繪制葡萄糖標準曲線。
葡萄糖標準曲線:y=0.0056x+0.0443(R2=0.9995)
式(2)
1.2.5.3 樣品血糖生成指數測定 將樣品過100目篩,取100 mg過篩后樣品于50 mL離心管中,加入2 mL的0.05 g/L的瓜爾豆膠溶液(溶于0.05 mol/L的鹽酸)和10 mg胃蛋白酶,渦旋混勻后37 ℃水浴振蕩30 min(振蕩轉速150 r/min)。之后加入醋酸鈉緩沖液(0.5 mol/L,pH5.3)4 mL,37 ℃水浴鍋中恒溫振蕩5 min,然后加入1 mL混合酶溶液,渦旋混勻后37 ℃水浴振蕩。分別在20、30、60、90、120、150、180 min時取100 μL水解液于2 mL離心管中,取樣前要渦旋混勻,在取得的水解液中加入1 mL 50%的乙醇溶液,混勻后在分離因數8000×g的條件下離心10 min。離心后取上清液100 μL于5 mL離心管中,加入3 mL葡萄糖氧化酶(GOPOD),在50 ℃下恒溫孵育20 min。空白實驗為100 μL蒸餾水與3 mL GOPOD混合后在50 ℃孵育20 min。取出孵育后的樣品,逐個吸取試液200 μL于酶標板中,在波長510 nm處用酶標儀測其吸光度值。
根據公式(2)求出每個樣品水解后的葡萄糖含量(G),然后按照公式(3)計算出樣品的水解率(hydrolysis rate,HR)。以水解時間為橫坐標,以HR為縱坐標,繪制得到水解率曲線,用Origin軟件中積分求水解率曲線下面積(area under hydrolysis rate curve,AUC),按照公式(4)計算樣品的水解指數(hydrolysis index,HI,%)。
式(3)
式中:G:葡萄糖質量(μg);7/0.1:在不同水解時間體積校正;1.1/0.1:GOPOD體積校正;DM:樣品干重(mg);162/180:從淀粉中獲得的游離D-葡萄糖轉換到脫水D-葡萄糖因子。
式(4)
預測血糖生成指數GI=0.862HI+8.1981
式(5)
1.2.6 擠壓重組米的的體外消化 測定方法參考王嫻等[23]和Chung[24]的方法。其中總淀粉(Total starch,TS)的測定采用Megazyme總淀粉試劑盒法。
通常將淀粉劃分為快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS),3種淀粉的含量可以衡量淀粉的體外消化特性[25-26]。
相關公式如下:
式(6)
式(7)
式(8)
式中:G20、G120分別是淀粉水解20 min和水解120 min時產生的葡萄糖含量(mg);FG:酶水解前淀粉中的游離葡萄糖含量(mg);TS:樣品中的總淀粉含量(mg)。
1.3 數據處理
所有數據均采用SPSS 24.0進行數據處理,用Duncan法在0.05的顯著性水平下進行方差分析,所有試驗進行三次平行試驗,圖形用Origin 2018繪制。用Origin 2018軟件中積分求水解率曲線下面積。
2 結果與分析
2.1 不同輔料添加量對樣品色度的影響
圖1為擠壓重組米色度的柱狀圖,其中包括L值、a值和b值這三個指標。由圖1可知,在0.05顯著水平上,添加了輔料的重組米的色度與普通秈米存在顯著差異,添加蘆丁的重組米與空白擠壓米在色澤上存在顯著差異,明亮度更低,顏色更黃,添加0.03%和0.05%富鉻酵母的重組米在色澤上與空白擠壓米不存在顯著差異,添加0.07%和0.09%富鉻酵母的重組米與空白擠壓米存在顯著差異,且蘆丁或富鉻酵母的添加量越多,差異越明顯。造成這種變化的原因之一是蘆丁和富鉻酵母本身的顏色會對產品色澤產生影響,此外,擠壓過程中美拉德反應以及淀粉老化和回生的發生、蛋白質結構的改變等因素也會對重組米的顏色產生影響[27]。
圖1 擠壓重組米的色度Fig.1 Colors of extruded rice注:不同小寫字母表示同一指標的組間差異顯著,P<0.05;圖2、圖4～圖5同。
2.2 添加輔料后重組米對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制作用
圖2可以看出,無論是蘆丁重組米還是富鉻酵母重組米,輔料添加量越多,重組米對α-葡萄糖苷酶或α-淀粉酶的抑制率越大。0.05%和0.15%的蘆丁添加量對α-葡萄糖苷酶的抑制率沒有顯著性差異;0.05%、0.07%和0.09%的富鉻酵母添加量對α-葡萄糖苷酶的抑制率沒有顯著性差異,0.07%和0.09%的富鉻酵母添加量對α-淀粉酶的抑制率沒有顯著差異;其余比例輔料重組米對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制率均存在顯著差異(P<0.05)。蘆丁添加量0.35%時對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率最大,分別為38.54%和62.09%。富鉻酵母添加量0.09%時對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率最大,分別為17.93%和40.14%。
圖2 添加輔料重組米對酶的抑制率Fig.2 Inhibition rate of enzyme by extrusion rice with excipients
2.3 擠壓重組米血糖生成指數
圖3為不同樣品的水解曲線,0～30 min為水解前期,30 min后為水解后期。從圖3中可以明顯看到水解前期,樣品水解速率均較快,后期趨于緩慢。在90 min內,普通秈米的水解率均低于其他擠壓樣品,而空白擠壓米的水解率高于其他樣品,其他重組米的水解曲線較為接近,并不能從水解曲線上清晰的辨別水解率的高低。150 min后各樣品的水解速率趨于平緩。
圖3 擠壓重組米淀粉水解曲線Fig.3 Hydroysis curve of extruded rice starch
GI反應了食物或膳食組成對食用者餐后血糖影響程度,根據GI值可將食物分為三類:低GI食物(GI值<55)、中GI食物(55
圖4 重組米升糖指數(GI值)Fig.4 Glycemic index of extruded rice(GI value)
2.4 擠壓重組米體外消化
攝入含SDS和RS的淀粉類食品對降低患心血管及其他慢性疾病的風險具有潛在的有益作用[29]。Sánchez-Zapata等[30]、Younes等[31]和丁玉琴等[32]發現,RSD易引起餐后高血糖應答,造成胰島素抵抗反應,并導致一系列慢性疾病和代謝綜合癥的發生;SDS可以被緩慢吸收,長時間且持續的釋放能量;RS無法被人體小腸吸收,只能在大腸中被發酵成短鏈脂肪酸達到供給能量的目的,有促進脂類膽固醇代謝、治療便秘、增強疾病抵抗力、促進礦物質吸收、保護腎臟等功效。
從圖5可以比較直觀的看出樣品的RSD、SDS和RS值。圖5中可以看出空白擠壓米的RDS與普通秈米存在顯著差異(P<0.05),說明擠壓操作能夠降解部分淀粉并發生糊化反應,從而加速人體對淀粉的吸收速度。蘆丁添加量高于0.15%或富鉻酵母添加量高于0.03%重組米的RSD雖然均高于普通秈米,但與空白擠壓米有顯著差異(P<0.05),均低于空白擠壓米的RDS值,且輔料添加量越多差異越明顯,說明添加輔料有助于降低RDS的含量,減緩淀粉消化。而且添加0.35%蘆丁的樣品在SDS與空白擠壓米有顯著差異(P<0.05),所有添加富鉻酵母樣品的SDS和RS均與空白擠壓米有顯著差異(P<0.05),說明添加0.35%的蘆丁或添加富鉻酵母能改善體外消化情況,減緩血糖在體內的吸收。
3 結論
添加了蘆丁或富鉻酵母擠壓重組米的色澤和普通秈米有顯著差異(P<0.05),蘆丁或富鉻酵母添加量大于0.05%時重組米的色澤和秈米擠壓米有顯著差異(P<0.05),明亮度更低,顏色更黃。添加了蘆丁和富鉻酵母的擠壓米對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均有明顯的抑制作用,輔料添加量越多,對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制率越大,蘆丁添加量0.35%時對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率最大,分別為38.54%和62.09%;富鉻酵母添加量0.09%時對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率最大,分別為17.93%和40.14%。并且隨著添加量的增加,抑制率也逐漸增加,對降低重組米的GI值也有一定的效果,添加0.35%蘆丁和0.09%富鉻酵母的擠壓重組米的GI值分別為77.02和78.29,與普通秈米GI值接近。添加0.35%蘆丁的樣品和所有添加富鉻酵母樣品的RDS、SDS和RS均與空白擠壓米有顯著差異,添加0.35%的蘆丁或添加富鉻酵母均能改善重組米中淀粉組成結構,減緩血糖體外的吸收。總而言之,蘆丁重組米和富鉻酵母鉻重組米均有延緩血糖升高的作用,可以為接下來糖尿病人專用低GI主食食品的研制提供參考。
