青稞及其制品的體內外淀粉消化特性研究

方 圓，任 欣，彭 潔，謝仲寅，張 敏

(北京工商大學 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心/北京市食品添加劑工程技術研究中心，北京 100048)

青稞是中國高寒地區主要農作物，高寒缺氧的環境孕育了青稞“三高兩低”，即高蛋白、高維生素、高纖維和低脂肪、低糖的特性[1]。研究表明：長期食用青稞，可降低慢性代謝疾病的風險，如高血壓[2]、肥胖[3]、高血脂等[4-5]。此外，青稞β-葡聚糖在水溶液中具有輔助降血糖功能，對葡萄糖穩態有良好的影響[6]。目前，青稞的營養價值及潛在健康效益日益受到關注，而淀粉作為青稞的主要成分，決定著青稞的營養價值及其生理特性。

近年來臨床研究發現，淀粉的消化性與許多慢性疾病密切相關。餐后血糖應答很大程度上取決于碳水化合物的消化程度及消化速率，而具有緩慢消化性質的淀粉有利于維持餐后血糖的穩定，降低餐后胰島素的分泌，適合糖尿病病人食用[7-9]。研究表明：淀粉來源、自身結構特征[10]、食品中其他組分以及食品加工過程等均可影響淀粉的消化特性[11]。

然而，關于從體內及體外綜合探究青稞淀粉消化性的研究較少。因此，本研究主要從以下3個方面展開：1)以小麥粉為陽性對照，研究生青稞全粉的體外消化特性，以及加熱和擠壓處理對青稞全粉體外消化率的影響；2)探討不同青稞制品體外消化特性及預估血糖生成指數(estimated glycemic index，eGI)的差異；3)探討不同青稞制品體內血糖生成指數(glycemic index，GI)的差異。通過體外及體內對青稞消化特性進行綜合探究，以了解青稞及其制品的消化特性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

北青3號青稞(總淀粉質量分數60.7%、蛋白質質量分數9.6%、脂肪質量分數2.2%、膳食纖維質量分數13.5%、水分質量分數12.2%)，山西東方亮生命科技有限公司；金沙河小麥粉(總淀粉質量分數67.6%、蛋白質質量分數12.2%、脂肪質量分數2.0%、膳食纖維質量分數5.5%、水分質量分數13.1%)、食鹽，河北金沙河面業集團有限公司；轉化酶(I4504)、淀粉葡萄糖苷酶(10113)、胃蛋白酶(P7000)、胰酶(P7545)，美國Sigma公司；葡萄糖氧化酶法測定試劑盒(E1010)，北京普利萊基因技術有限公司；氫氧化鉀、無水乙酸鈉、鹽酸、乙酸、無水乙醇、氫氧化鉀等，均為分析純，北京半夏科技發展有限公司。

1.2 儀器與設備

WF-20B型高效粉碎機，江陰市智健機械制造有限公司；SLG30型雙螺桿擠壓機，濟南賽百諾科技開發有限公司；JHMZ200型和面機、JMTD168/140型試驗面條機，北京東孚久恒儀器技術有限公司；4-16KS型冷凍離心機，德國Sigma凍干機有限公司；THZ-82A型水浴恒溫振蕩器，上海江星儀器有限公司；F200-PRO型酶標儀，帝肯Tecan(上海)貿易有限公司；Aucc-Chek Performa型(卓越)血糖儀，上海羅氏制藥有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1青稞粉的制備

青稞生粉：青稞經80目粉碎機粉碎后，再進行120目粉碎得到青稞生粉。

青稞擠壓粉：青稞經80目粉碎機粉碎后，進行擠壓處理(螺桿轉速為260 r/min，1～4區溫度分別為40、70、100、150 ℃，模口3.9 mm)，再將擠壓處理后的青稞粉進行120目粉碎，得到青稞擠壓粉。

青稞熟粉：青稞生粉加入水中(料液比1∶1 g/mL)，沸水浴加熱15 min得到青稞熟粉。

1.3.2青稞制品的制備

青稞鮮濕面：稱料(青稞生粉、青稞擠壓粉、小麥粉質量比1∶1∶3)，混合均勻后進行和面、醒發，將醒發好的面團軋片、切條，得到厚度為1 mm，寬度為1.5 mm的青稞鮮濕面。

青稞掛面：稱料(青稞生粉、青稞擠壓粉、小麥粉質量比1∶1∶3)，混合均勻后進行和面、醒發，將醒發好的面團軋片、切條，最后放入烘箱進行干燥處理(預干燥階段為溫度25 ℃，時間40 min；主干燥階段為溫度45 ℃，時間140 min；末干燥階段為溫度30 ℃，時間60 min)，得到青稞掛面。

青稞饅頭：稱料(青稞生粉、青稞擠壓粉、小麥粉質量比1∶1∶3)，混合均勻后進行和面、發酵，將發酵好的面團分割搓圓，然后放入蒸鍋中蒸15 min，冷卻后得青稞饅頭。

青稞炒面：稱料(青稞生粉、青稞擠壓粉、小麥粉質量比1∶1∶3)，混合均勻后放入鍋中，電磁爐120 W翻炒20 min，冷卻后得到青稞炒面。

1.3.3體外淀粉消化率測定

1.3.3.1 樣品前處理

對青稞粉及不同青稞制品的體外淀粉消化速率測定，參照文獻[12-13]進行適當修改。

游離葡萄糖(free glucose，FG)含量測定的前處理：稱取約含0.3 g淀粉的待測樣品于50 mL離心管中，加入3顆小玻璃珠以模擬消化過程中腸道環境；向離心管中準確加入25 mL 0.1 mmol/L的醋酸鹽緩沖溶液(pH值 5.2)，充分渦旋后置于沸水浴中糊化30 min。取出冷卻至37 ℃，加入0.3 mL 3 000 U/mL的轉化酶溶液，渦旋混勻后37 ℃水浴加熱30 min。取0.2 mL消化液于4 mL無水乙醇中進行滅酶。然后在3 000 r/min離心5 min后取上清液，用于測定FG含量。

20、120、180 min時葡萄糖釋放量(G20、G120、G180)測定的前處理：稱取一份約含0.3 g淀粉的待測樣品置于50 mL離心管中，加入10 mL新鮮配制的質量分數為0.5%的胃蛋白酶溶液和5顆小玻璃珠，渦旋混勻后放入37 ℃水浴中，30 min后向離心管中加入10 mL 0.1 mmol/L的醋酸鹽緩沖溶液(pH值 5.5)，然后加入5 mL混合酶溶液(胰酶、淀粉葡萄糖苷酶與轉化酶組成)以啟動消化。整個消化過程均在37 ℃、210 r/min水浴震蕩中加熱進行，共持續180 min。分別于消化開始后的20、120、180 min時取0.2 mL消化液于4 mL的無水乙醇中進行滅酶。然后在3 000 r/min速率下離心5 min后取上清液，用于測定20、120、180 min時的葡萄糖釋放量。

總葡萄糖(total glucose, TG)釋放量測定的前處理：將消化180 min后的消化液充分渦旋震蕩，沸水浴加熱30 min后冰水浴15 min，接著加入10 mL 7 mol/L的氫氧化鉀溶液，冰水浴30 min。然后分別取0.2 mL樣本溶液加入1 mL 1 mol/L的醋酸溶液(含40 μL 100 U/mL淀粉葡萄糖苷酶)中，70 ℃水浴加熱30 min后，沸水浴10 min滅酶，冷卻至室溫后再加入20 mL去離子水，在3 000 r/min離心5 min后取上清液，用于測定TG含量。

1.3.3.2 葡萄糖含量測定

根據Trinder反應原理[14-15]，葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下生成葡萄糖酸和過氧化氫；然后過氧化物酶催化過氧化氫，使色原物質(4-氨基安替比林)生成醌亞胺，顏色的深淺與葡萄糖濃度成正比。分別配制濃度為0.125、0.250、0.500、1.000、1.500、2.000、2.500 mmol/L的葡萄糖標準溶液，按照試劑盒說明操作，在37 ℃孵育20 min，用酶標儀在530 nm處測吸光度，繪制標準曲線，y=6.496 88x+0.024 83(R2=0.999 41)。根據體外消化的數據，淀粉可被分為不同消化組分[12]，快消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)及抗性淀粉(resistant starch，RS)，各組分質量分數(%)的計算方法見式(1)～式(4)：

(1)

(2)

(3)

m(TS)=[m(TG)-m(FG)]×0.9 。

(4)

式(1)～式(4)中，m(G20)為體外水解20 min時釋放的葡萄糖，mg；m(G180)為體外水解180 min時釋放的葡萄糖，mg；m(FG)為游離葡萄糖，mg；m(TG)為總葡萄糖釋放量，mg；m(TS)為總淀粉干質量，mg；0.9為轉換系數。

1.3.4預估血糖生成指數測定

體外模擬淀粉消化過程，分別于20、40、60、90、120、180 min時取樣，計算水解液中葡萄糖的質量(mg)、體外淀粉消化動力學參數以及eGI值，并利用式(5)對消化過程進行擬合[16]。水解度(hydrolysis index，HI)通過待測樣品水解曲線下面積與參照物(新鮮白面包)水解曲線下面積的比值計算得出。將白面包的eGI定義為100，通過式(6)計算得出其他待測樣品的eGI。以白面包為參照物的eGI值乘以0.7即可得出以葡萄糖標準溶液為參照物(葡萄糖eGI=100)的eGI值[17]。

C=C∞(1-e-kt) ；

(5)

eGI=39.71+0.549HI。

(6)

式(5)、式(6)中，C∞為最終水解平衡時的葡萄糖水解率，%；k為動力學常數，min-1；t為水解時間，min。

1.3.5體內血糖反應測定

選取12名志愿者(男女各6人)，年齡介于20～24歲，平均BMI為(20.03±1.66)kg/m2。受試者均無消化系統、呼吸系統、內分泌系統疾病和碳水化合物不耐受癥，血糖、血脂等生化指標全部正常，1個月內沒有節食減肥及服用任何藥物。在實驗期間避免劇烈運動、暴飲暴食、飲酒、熬夜等不良生活行為，避免食用刺激性食物，每次測試前需正常飲食，按時休息。本研究經北京大學生物醫學倫理委員會許可，并與受試者簽訂知情同意書。

志愿者從實驗前1天晚20：00開始禁食，可少量飲水。實驗當天上午8：00—9:00測定空腹血糖，然后向每位志愿者提供1份受試樣品(見表1)，要求志愿者在15 min內進食完畢。從第1口進食時間開始計時，分別于進食開始后的15、30、45、60、90、120 min采集指尖血，測定血糖濃度。參比物葡萄糖標準溶液進行2～3次實驗，待測樣品至少進行1次實驗，每次實驗間隔至少72 h[18]。以葡萄糖作為參考食物(GI=100)，以時間為橫坐標，各個時點的血糖值為縱坐標，制作血糖應答曲線。用梯形法計算2 h餐后曲線下增量面積(IAUC)，然后根據式(7)計算待測物血糖生成指數[19]。

表1 青稞制品和標準葡萄糖溶液的進食量

(7)

1.4 數據處理

所有體外實驗均至少進行3次重復。采用SPSS對獲得的所有數據進行分析，數據以平均值±標準差表示，使用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 青稞全粉體外淀粉消化率及eGI分析

以小麥粉為陽性對照，分別測定青稞生粉、青稞熟粉及青稞擠壓粉的體外淀粉消化率，見圖1。由圖1(a)可知，青稞和小麥體外淀粉水解速率均在前20 min增長最快；在20～120 min增速減慢；當水解進行到120 min后，水解速率基本趨于穩定。整體而言，青稞生粉與小麥生粉的體外淀粉水解率沒有顯著性的差異；但蒸煮過后，青稞熟粉的體外淀粉消化速率顯著低于小麥熟粉。如圖1(b)，蒸煮過后，青稞和小麥粉中RDS質量分數顯著升高(P<0.05)，SDS和RS質量分數顯著降低(P<0.05)，其中以小麥粉RDS質量分數從30.52%±0.41%增加到46.41%±0.67%最為明顯。這主要是因為蒸煮過后部分淀粉發生糊化。糊化后的淀粉更容易消化吸收，對血糖和胰島素的刺激可能會更大。本研究結果也進一步說明：淀粉糊化是SDS和RS轉化為RDS的過程[13]。與小麥熟粉相比，青稞熟粉RDS質量分數顯著低于小麥熟粉(P<0.05)，而SDS和RS質量分數顯著高于小麥熟粉(P<0.05)。據此推測，日常膳食中以青稞熟粉代替小麥熟粉將更有利于血糖控制。

擠壓是一種常見的淀粉改性及食品預處理方式，具有高效、連續、能耗低、污染小等優點，已廣泛應用于谷物生產加工中[20-21]。對青稞粉進行擠壓處理后，青稞粉的體外淀粉消化率顯著提高(P<0.05)，RDS質量分數顯著增加，RS質量分數顯著降低，與以往的研究結果一致[22-23]。究其原因，在擠壓過程中，高溫、高壓及高剪切力破壞淀粉顆粒結構，淀粉的結晶區遭到破壞，無定型區域增加，內部結構松散，淀粉酶因擠壓后淀粉表面多孔疏松而更易與淀粉內部的酶作用位點結合，從而提高消化速率。

小麥粉和青稞粉的淀粉體外模擬水解動力學方程的特征參數見表2。由表2可知，各樣品的eGI值由高到低依次為小麥熟粉、青稞擠壓粉、青稞熟粉、青稞生粉、小麥生粉。蒸煮和擠壓處理使青稞的eGI值增加，但經過同樣處理的青稞熟粉的體外淀粉消化各動力學參數及eGI值顯著低于小麥熟粉(P<0.05)，這可能與原料基本組分有一定的相關性。研究表明：eGI值與蛋白質及膳食纖維含量呈顯著負相關[24]。這主要是因為蛋白質與淀粉結合較緊密，限制淀粉酶與淀粉的接觸[25]。而膳食纖維能夠增加消化液體系黏度，并與淀粉分子相互纏繞，延緩了酶對淀粉的水解作用，從而降低淀粉消化率[26]。本研究中青稞粉的蛋白質含量低于小麥粉，但膳食纖維含量遠高于小麥粉，使得青稞粉的酶敏感性相對較低，在一定程度上抵抗了淀粉酶的水解[27]。

2.2 不同青稞制品的體外淀粉消化率及eGI分析

淀粉的消化率受多種因素影響，如淀粉來源、淀粉結構、直鏈淀粉含量、食品中其他組分、不同加工方式等[11]。其中，不同加工方式是影響淀粉消化率的主要因素，并最終影響餐后血糖反應。食品經加工后，質構、營養特性、消化特性均會發生變化[26]。研究表明：馬鈴薯的淀粉消化率及預估血糖生成指數因加工烹調方式的不同而產生顯著性的差異[28]。為了明確常見加工方式對青稞體外淀粉消化速率的影響，本研究評價了同種青稞原料粉經不同加工方式制成的青稞鮮濕面、青稞掛面、青稞饅頭及青稞炒面的淀粉消化特性，見圖2。如圖2(a)，青稞饅頭的體外淀粉消化速率最快，青稞炒面的體外淀粉消化速率最慢。經過180 min水解后，青稞饅頭中90.86%±6.97%的淀粉被水解，青稞掛面中有83.09%±2.39%的淀粉被水解，青稞鮮濕面和青稞炒面中分別有79.16%±4.03%和79.05%±5.34%的淀粉被水解。由圖2(b)可知，雖然青稞炒面的RS質量分數與青稞掛面及鮮濕面沒有顯著性的差異(P>0.05)；但青稞炒面的RDS質量分數顯著低于其他3種制品，這也是青稞炒面消化速率低于其他3種制品的原因之一。4種青稞制品由不同的加工方式制得，其中，在饅頭的制作過程中，需要加入酵母進行發酵，因而形成疏松多孔的結構，使淀粉酶易于與淀粉內部的酶作用位點結合，從而促進酶解消化。與此同時，較高的水分含量和蒸制加熱過程使淀粉的顆粒與結晶結構喪失，淀粉糊化，對酶解反應的敏感性增加[29]。青稞鮮濕面及掛面的生產過程中都經過了壓延處理，使內部組織結構緊密[30]，阻礙了淀粉與淀粉酶的接觸，使其淀粉消化率低于青稞饅頭。青稞炒面經過炒制工藝制成，水分含量低，淀粉糊化程度低。另外，在低水分含量炒制過程中，部分支鏈淀粉側鏈降解為直鏈淀粉，生成直鏈淀粉-脂質復合物，提高了結晶度，降低了淀粉消化率[31]。

圖2 青稞制品體外淀粉消化特性分析

青稞制品的體外淀粉消化率及預估血糖生成指數如表3，各樣品的最終水解平衡時的葡萄糖水解率相差較大，其中青稞饅頭具有最高的C∞、HI及eGI值。與圖2(b)比較發現，淀粉樣品中RS質量分數越高，其C∞、GI值越低。動力學常數k也隨著淀粉樣品不同而存在差異，k值越大說明淀粉的體外消化達到C∞的速度越快[32]，但C∞與k變化趨勢并不完全一致。青稞鮮濕面的k值顯著高于青稞饅頭(P<0.05)，但其C∞比青稞饅頭低得多。也就是說，青稞鮮濕面早期水解速率較快，但其最終水解平衡時葡萄糖水解率較低，因此，青稞鮮濕面最終的eGI值低于青稞饅頭。eGI值以白面包或葡萄糖為參考食物，各樣品的eGI值由大到小依次為青稞饅頭、青稞掛面、青稞鮮濕面、青稞炒面，這一趨勢與RS質量分數降低趨勢一致。

表3 青稞制品淀粉體外模擬水解動力學方程的特征參數

2.3 不同青稞制品GI值分析

GI是Jenkins等[33]于1981年首次提出的，它是反映食物引起人體血糖升高程度的指標，是人體進食后機體血糖生成的應答狀況，對飲食控制餐后血糖有指導意義；然而淀粉體外消化特性是否能準確地反映出體內餐后血糖變化仍然存在爭議[34]。為了綜合評價不同加工方式制成的青稞制品間消化率的差異，研究進一步對青稞制品的體內淀粉消化率進行探究，如圖3。峰值時間和濃度是影響血糖曲線的2個主要因素，葡萄糖標準溶液在進食30 min時達到峰值，接著血糖濃度又快速下降，而4種青稞制品的峰值濃度都顯著低于葡萄糖標準溶液(P<0.05)，同時，青稞掛面及青稞鮮濕面的峰值出現在45 min，即青稞制品使餐后血糖峰值降低和延遲。而4種制品中，青稞饅頭餐后血糖應答曲線波動最大，青稞炒面餐后血糖應答曲線波動最小，最為平穩，這與淀粉體外消化率趨勢一致。

不同小寫字母表示同一時間不同類別樣品差異顯著(P<0.05)。

表4對各樣品的餐后血糖反應特征進行了分析。4種青稞制品的0～60 min血糖應答曲線下增量面積(IAUC0～60)顯著低于葡萄糖標準溶液，說明青稞產品使餐后血糖在前期較為平穩，不容易造成前期血糖濃度過高。從GI值來看，以葡萄糖為參考，青稞饅頭GI為70±11，屬于高GI食物；青稞鮮濕面GI為60±13，處于55

表4 青稞制品的餐后血糖反應特征分析

此外，青稞產品的GI值與RDS(R=0.733,P=0.007)呈極顯著正相關。研究發現：對青稞來說，體外淀粉消化在一定程度上是一個可靠的指標，可預測青稞食物的體內餐后血糖反應。但是，由于食物特性不同及腸胃系統的復雜性，是否所有的食物體外淀粉消化率都能準確預測出其體內血糖反應還不確定，需要開展更廣泛、更具體的工作，才能將特定食品的體外結果應用于臨床應用或流行病學研究。

3 結 論

通過對青稞原料粉及4種青稞制品的體內外淀粉消化特性進行探究，發現蒸煮和擠壓處理均可顯著增加青稞及小麥中RDS質量分數，降低RS質量分數，經過蒸煮處理的青稞熟粉的淀粉消化速率顯著低于小麥熟粉。因此與日常生活中常見的主食小麥相比，青稞更適合于血糖控制人群或糖尿病病人食用。與此同時，不同的加工方式制得的青稞制品的淀粉消化率和餐后血糖反應有很大的差異，其中青稞饅頭GI值最高，青稞炒面GI值最低，說明炒制更適合青稞功能保健食品的加工。在日常生活中，消費者需要根據自身的健康狀況選擇合適的產品。此外，為了進一步明確青稞改善血糖代謝的作用，有必要針對青稞對糖尿病的干預作用及其青稞降糖機理進行研究，以期促進青稞產業的發展和青稞食品的推廣。