一款用于醫學營養減重的低GI代餐粉的開發與評價

劉義鳳,熊菲菲,李克文,賈福懷,段盛林,韓曉峰,*

(1.中國食品發酵工業研究院有限公司,北京 100015; 2.功能主食創制與慢病營養干預北京市重點實驗室,北京 100015; 3.寧波御坊堂生物科技有限公司,浙江寧波 315012; 4.保齡寶生物股份有限公司,山東德州 251200)

隨著社會經濟的快速發展,中國居民飲食結構和生活方式在改革開放以后發生了重大變化[1],使中國近幾十年的疾病譜也發生了很大變化。肥胖癥、糖尿病和心腦血管疾病等慢性病的比例不斷上升[2]。科學研究和臨床實踐表明:預防和控制慢性病發生的關鍵在于合理的膳食結構和科學的生活方式。為更好地發揮醫學營養治療在預防肥胖中的作用,《中國超重肥胖醫學營養治療專家共識》[3]等標準和共識相繼出臺。

血糖生成指數(Glycemic index,GI)是反映含有碳水化合物的食物對餐后血糖影響程度的指標,是一種全新的分析和評價食物的方法[4]。肥胖與食物的GI密切相關。低GI飲食能增強飽腹感,延緩饑餓,所引發餐后血糖的波動較小。胰島素的分泌量較低,有助于控制體重。胰島素是葡萄糖代謝的主要調節因子,同時在脂肪代謝中也起著關鍵作用,能促進脂肪的儲存[5]。現階段代餐粉種類繁多,品質參差不齊,在原理上多數具有低能量、高飽腹的特點,通過減少食物的攝入而降低體重。但存在有代餐粉營養結構不合理,缺乏維生素及礦物質的攝入等情況,長期食用這類代餐粉,反而會出現營養素缺乏而導致營養不良,給身體帶來不利影響。

為了幫助肥胖人群安全合理地減重,降低代謝類慢性疾病的發生幾率[6],本文以“專家共識”中的限能量平衡膳食模式為指導[3],開發一款適用于醫學營養減重的代餐粉(簡寫為代餐粉)產品。結合科學的體重管理方法[7],旨在讓超重及肥胖人群實現科學健康減重,并且逐漸養成良好的飲食生活習慣。本文將特定的復配脂質微膠囊化,作為目標代餐粉的脂肪來源,篩選蛋白粉原料,設計供能比,最終得到基礎配方;采用制粒的加工方式實現代餐粉的速溶;最后通過人體GI的測定,評價代餐粉餐后2 h血糖應答。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

精煉大豆油、精煉菜籽油 益海嘉里有限公司;紫蘇籽油 河北欣奇典生物科技有限公司;中鏈甘油三酯 丹尼斯克有限公司;辛烯基琥珀酸淀粉鈉(HI-CAP 100) 國民淀粉(上海)有限公司;茶多酚棕櫚酸酯(Tea Polyphenol Palmitate,TP) 河南瑞仁生物工程有限公司;L-抗壞血酸棕櫚酸酯(L-Ascorbgyl Palmitate,L-AP) 武漢浩榮生物科技有限公司;營養谷物粉、南瓜粉、葛根粉 天津富海泰技術有限公司;菊粉、抗性糊精 保齡寶生物股份有限公司;乳清濃縮蛋白 天津銀河偉業進口有限公司;大豆分離蛋白 杜邦鄭州蛋白有限公司;奇亞籽、大白蕓豆粉、水解小麥蛋白肽粉 中食營科生物科技有限公司;魔芋粉 浙江上方生物科技有限公司;左旋肉堿、三氯蔗糖 鄭州百斯特食品添加劑有限公司;復合維生素、復合礦物質 上海勵成營養科技有限公司。

PL203電子精密天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;T25基本型ULTRA-TURRAX分散機 德國IKA公司;HomoLab高壓均質機 意大利FBF公司;B-290小型噴霧干燥機 瑞士步琦實驗室儀器公司;Phenom ProX型臺式能譜掃描電鏡 荷蘭Delmic公司;Turbiscan Tower多重光散射儀 法國Formulaction公司;S3500激光粒度分析儀 美國麥奇克有限公司;BT-1001智能粉體特性測試儀 丹東百特儀器有限公司;2-10-15高速混合制粒機 常州市佳發制粒干燥設備有限公司;WBF-1多功能流化床實驗機 重慶英格制藥機械有限公司;MA150快速水分測定儀 德國Sartorius公司;AU480全自動生化分析儀 貝克曼庫爾特實驗系統(蘇州)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復配油脂的組成 研究顯示,ω-3 多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acids,PUFAs)有重要的營養價值和功能性作用[8-10],如防治心血管疾病等[11]。紫蘇籽油不飽和程度高,其含有約60%的α-亞麻酸,因此可作為ω-3 PUFAs 的重要來源[12]。大豆油含有約50%的亞油酸,菜籽油含有較多的單不飽和脂肪酸;另外中鏈甘油三酯(Medium-chain triglyceride,MCT)作為一種獨特的油脂,能夠快速供能,在臨床上也常用于減重,其中MCT占總脂肪的20%。本文依據中國居民膳食指南2016[13]中常見油脂中脂肪酸組成圖進行計算,得出的復配脂質可專用于肥胖人群,保障其基本的供能,而且還具有減少慢性炎癥累積和降低心腦血管發病風險的作用。復配油脂的組成及含量見表1。

表1 復配油脂的組成Table 1 Composition of compound oil

1.2.2 脂肪微膠囊的制備方法 將HI-CAP 100作為壁材攪拌溶解于60 ℃蒸餾水中,壁材比例為15%,形成水相;按比例混合均勻的復配油脂作為芯材,添加比例為15%,加入抗氧化劑TP和L-AP,熱油溶解形成油相;TP與0.15%的L-AP進行復配,復配抗氧化劑添加量為0.3%,芯壁比為1∶1,然后在高速剪切(10000 r/min)的過程中將油相緩慢加入水相中,剪切10 min,形成粗乳液,根據預實驗得出,乳狀液的固形物含量為30%;將粗乳液經高壓均質機(35 MPa)均質2次,均質后的乳液經噴霧干燥塔噴粉,噴霧干燥進風溫度為140 ℃,出風溫度為85 ℃,進料溫度40 ℃，制得脂肪微膠囊[14-15]。具體工藝流程見圖1。

圖1 噴霧干燥法制備復配油微膠囊的工藝流程圖Fig.1 Process of preparing fat microcapsules by spray drying

1.2.3 脂肪微膠囊表面結構的觀察 利用掃描電鏡對脂肪微膠囊的表面結構進行觀察,加速電壓5 kV,放大倍數為3600倍。將微膠囊分散于導電膠上,吹去多余粉末后進行觀察并拍照。

1.2.4 脂肪微膠囊氧化穩定性測定 對脂肪微膠囊進行(65±2) ℃加速保藏試驗,濕度75%。采用鋁箔袋密封包裝,放于恒溫培養箱中靜置,分別在0、5、10、15、20、25、30 d取出三袋,測定過氧化值[16]。混合油提取方法:參考《GB 5009.6-2016食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》,采用堿法提油。過氧化值測定方法:參考《GB 5009.227-2016食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》,采用電位滴定法。

1.2.5 代餐粉的制備 對于醫學營養減重而言,肥胖人群膳食結構的調整是非常重要的一個環節,因此三大營養素的供能比應當分別設計為碳水化合物40%～55%,蛋白質20%～30%,脂肪25%～30%[13]。通過前期對蛋白粉進行溶解性篩選,選擇出溶解性較好的大豆分離蛋白和乳清濃縮蛋白作為蛋白質來源;按照中國居民膳食指南的推薦,增加谷薯類的攝入,選擇營養型谷物粉、南瓜粉、葛根粉和山藥粉作為碳水化合物的主要來源;本文制備的脂肪微膠囊作為脂肪的主要來源。同時,添加了足量的膳食纖維(抗性糊精、菊粉和魔芋粉等)有助于促進胃腸道蠕動,增強飽腹感和減少熱量攝入;左旋肉堿等功能性成分能夠促進脂質代謝[17];另外,肥胖與某些微量營養素的代謝異常相關,尤其是鈣、鐵、鋅、維生素A、維生素D及葉酸的缺乏[3],因此專門強化添加了復合維生素和復合礦物質。經過多次的試驗篩選,最終代餐粉配方如表2所示。

表2 代餐粉的配方Table 2 Formula of meal replacement powder

將表2中各原料混合均勻后,通過濕法高速制粒,經流化床干燥后得到成品。高速制粒技術參數為:高速制粒機攪拌槳轉速110 r/min,混合時間3 min;制粒刀轉速2800 r/min,壓縮空氣氣壓0.15 MPa,蠕動泵初始轉速30 r/min,流化床壓力-4或-5 kPa,進風溫度50 ℃(即物料溫度38～40 ℃),風機頻率38 Hz,直到將代餐粉的水分含量降至5%以內。

1.2.6 代餐粉粒徑的測定 利用激光粒度分析儀測定代餐粉的平均粒徑及粒度分布,采用干法分析[18-19]。

1.2.7 代餐粉粉體特性測定 經過智能粉體特性測定儀的操作步驟,分別安裝不同的配件,依次測出代餐粉的休止角、崩潰角、差角、平板角、振實密度、松裝密度等參數。

1.2.8 代餐粉的溶解性測定 采用多重光散射技術測定粉體的溶解性。向樣品池中加入15 mL蒸餾水,水溫控制在25 ℃。將2 g代餐粉倒入水面之上,同時利用Turbiscan進行實時多次的近紅外光源(波長880 nm)掃描,每個樣品的掃描時間為1 h。

1.2.9 代餐粉GI值人體測試方法 依據國際標準ISO26642:2010[20]的要求,設計GI值人體測試實驗方案。

受試對象:本次測試受試者12人,身體健康,無糖代謝相關疾病,身體質量指數(Body Mass Index,BMI)18.5～23.9。受試者在試驗前均簽署知情同意書。

測定方法:受試者手指經消毒揮干后,用無菌采血針指尖采血,全自動生化分析儀測定血糖濃度,共計測試四次:三次飲用葡萄糖水,一次食用代餐粉。具體過程為:測定兩次空腹血糖(0 min)后,飲用含25 g葡萄糖的水或食用等量可利用碳水化合物的代餐粉(須在12～15 min內用完);于0、15、30、45、60、90及120 min各采血一次,測定血糖,并記錄結果。

GI值計算公式:

GI=受試物餐后2 h內血糖曲線下增值面積IUAC/等量葡萄糖餐后2 h內血糖曲線下增值面積IUAC×100

根據GI值的分類標準,低于55為低GI,55～70為中GI,高于70為高GI[20]。

1.3 數據處理

利用Origin 8.5軟件對數據進行單因素方差分析,顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 脂肪微膠囊的特性

2.1.1 脂肪微膠囊的微觀結構 本實驗以HI-CAP 100作為壁材制備脂肪微膠囊。微膠囊的表面形態結構能夠反映壁材在噴霧干燥過程中的包覆特性。如圖2所示,微膠囊顆粒主要呈球形,小顆粒會吸附在大顆粒表面,顆粒表面較完整、光滑致密,表明其具有較好的完整性和致密性,能夠避免氧氣與油脂的接觸,減少油脂氧化[11]。微膠囊表面出現的凹槽,可能是由于在噴霧干燥過程中顆粒發生皺縮而引起的,這在一定程度上影響了產品的流動性。

圖2 微膠囊的表面結構Fig.2 Surface structure of microcapsules

2.1.2 脂肪微膠囊的氧化穩定性 參考實驗室長期對天然抗氧化劑在油脂中抗氧化效果的研究成果[21-22],選擇TP與0.15%的L-AP復配作為脂肪微膠囊的抗氧化劑,抗氧化劑按油脂的0.03%添加。植物油、脂肪微膠囊及添加抗氧化劑的脂肪微膠囊在(65±2) ℃貯存條件下的過氧化值變化如圖3所示。在高溫加速貯藏條件下,植物油及其微膠囊產品的過氧化值均有不同程度的上升。植物油經噴霧干燥制成微膠囊后,其過氧化值上升的幅度降低。這是由于油脂被壁材包裹,微膠囊形成的致密球狀結構能較好地阻止氧氣與之接觸,使油脂與外部環境相對隔絕。添加復合抗氧化劑TP+0.15%L-AP的微膠囊樣品的過氧化值上升幅度最小,說明復合抗氧化劑的添加可進一步提高植物油的氧化穩定性。

圖3 植物油及其微膠囊在(65±2) ℃貯存條件下過氧化值的變化圖Fig.3 The change of peroxide value ofoil and its microcapsules at(65±2) ℃

2.2 代餐粉的特性

2.2.1 高速制粒前后的粒徑分布 通過激光粒度儀測出制粒前后代餐粉的粒徑分布。從圖4可知,制粒前的粒徑分布有三個較明顯的峰,分別在50、100、250 μm左右,而制粒后的代餐粉粒徑普遍增大且分布均勻,主要在600 μm左右,部分顆粒接近或達到1 mm。粒徑的增大而均勻,可以大大減少包裝與使用過程中粉塵飛揚的程度,避免損失。

圖4 代餐粉制粒前后的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.2 代餐粉制粒前后的粉體特性 通過智能粉體特性測定儀和激光粒度儀的聯合使用,評價代餐粉制粒前后的粉體特性差異。從表3可以看出,未制粒的粉體粒度較小且較分散,制粒后的粉體粒度增大且分布集中。產品的流動性指數由休止角、平板角、均齊度和壓縮度共同決定[23],制粒后粉體的均齊度比制粒前有所降低,壓縮度從未制粒的30.88%降低至制粒后的4.62%,這主要是由于制粒后粉體顆粒增大,顆粒間的孔隙度增大造成的,壓縮度越小,粉體的流動性越好。由于粒徑增大且趨于均勻,其流動性指數從59.0提高至77.5,有利于生產過程中產品的罐裝[24]。

表3 代餐粉制粒前后的粉體特性Table 3 Powder parameters before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.3 代餐粉制粒前后的溶解性 運用Turbiscan多重光散射儀對代餐粉制粒前后的溶解性進行測試。由圖5背散射光強度隨時間的變化可以看出,制粒前的粉體隨著時間的延長,其背散射光強度緩慢增大,表明未制粒的粉體緩慢地溶解到水中;而制粒后的背散射光強度自測試開始階段就高于制粒前,且在溶解過程中背散射光強度無明顯變化,表明粒徑增大且均勻度提高明顯改善了代餐粉的潤濕性、沉降性和分散性;在投入水中時,大顆粒可以更快地與水接觸,同時水分可通過制粒過程中形成的毛細管空隙快速潤濕粉體,即加速了產品在水中的溶解和分散[25-26]。

圖5 代餐粉制粒前后的光掃描圖Fig.5 Light scanning image of meal replacement powder before and after granulation

2.2.4 代餐粉餐后2 h血糖應答結果與分析 經過測定,代餐粉的營養成分見表4。營養素參考值是通過國家標準GB 28050 附錄A的要求計算得出。從表4得出代餐粉的三大供能營養素比例均衡,能量較低,蛋白質含量豐富,經過特定油脂的復配,脂肪中富含多不飽和脂肪酸,且強化了ω-3多不飽和脂肪酸的含量,可有助于減輕慢性炎癥[27-28]。食用代餐粉可使肥胖人群減輕體重,且能適當補充減重過程中損失的蛋白質。

表4 代餐粉的營養成分Table 4 Nutritional ingredients for meal replacement powder

經測定,可利用碳水化合物折算為等量25 g碳水化合物的代餐粉為55.6 g。代餐粉與葡萄糖兩者之間的血糖應答統計學分析結果見表5。

表5 餐后血糖反應對照Table 5 Blood glucose analysis

表6 代餐粉的GI值計算結果Table 6 GI value of meal replacement powder measured by the subjects

根據葡萄糖和代餐粉的各個時間節點血糖平均值繪制餐后2 h的血糖應答曲線[29-30],如圖6所示。葡萄糖和代餐粉的空腹血糖(0 min)均在正常值范圍內,且兩者的血糖值均在30 min 達到峰值,隨后持續下降;餐后15～45 min,代餐粉的血糖值低于葡萄糖組,且在15、30 min時兩組之間均差異顯著(P<0.05);餐后60～120 min,兩組的血糖值均降至空腹血糖值水平,且在90、120 min時兩組之間均差異顯著(P<0.05)。從整體趨勢來看,代餐粉的餐后血糖應答曲線較葡萄糖平穩,可以較好地穩定餐后血糖。

圖6 受試物餐后2 h血糖應答曲線Fig.6 The blood glucose responsecurve of the test samples

2.2.5 代餐粉的GI測定結果 按照ISO26642:2010的標準[20],受試者GI值在AV±2 SD范圍之內,視為合格,否則視為不合格并予以剔除。代餐粉的GI值測試結果見表6。GI平均值AV為52.2,標準差SD值為17.7,AV±2 SD=52.2±35.4,則GI值在16.8～87.6之間為合格。本實驗所測定的12個數據均合格,代餐粉的GI值為52.2±5.1,表明代餐粉屬于低GI食品。

3 結論

本文首先通過設計脂肪酸組成且采用噴霧干燥法制得脂肪微膠囊,作為用于醫學營養減重代餐粉的脂肪組件。微膠囊顆粒的表面結構完整、致密,能夠減少油脂氧化;添加復合抗氧化劑TP+0.15% L-AP的微膠囊可進一步提高植物油的氧化穩定性,延長微膠囊的貨架期。其次,經過對三大營養素供能比進行設計,最終得到代餐粉的配方組成。第三,通過高速制粒的生產工藝顯著提高了粉體的流動性,流動性指數從59.0上升到77.5;制粒后的粉體粒徑主要分布在600 μm左右,且具有一定的速溶性,粉體溶解性得到明顯改善。最后,對產品進行GI人體測試,表明代餐粉的餐后血糖應答較葡萄糖更平穩,食用后能起到平穩血糖的效果;并且其GI值為52.2±5.1,屬于低GI食品。因此,本文開發的代餐粉營養結構均衡合理,也具有很好的穩定性和溶解性,可以作為超重/肥胖人群的理想代餐食品,能夠在執行科學減重方案的過程中幫助其控制熱量的過多攝入,減輕體重,逐步恢復健康的生活方式。