糧谷類低血糖生成指數食品研究進展

叢海花, 張紫薇, 宋雪琳, 雷惠雯, 周 倩,逯曉燕, 楊玉斌, 孔霜霜, 陳曉東

(蘇州農業職業技術學院食品科技學院1,蘇州 215008)(大連海洋大學食品科學與工程學院2,大連 116023)(中糧糧谷控股有限公司3,北京 100020)(北京富美特信息科技有限公司4,北京 100097)(蘇州大學化工與環境工程學院5,蘇州 215123)

伴隨著經濟與社會的高速發展,我國居民膳食生活歷經3個發展階段:從“吃不飽”,到“基本吃得飽”,再到“吃太好”。數十年的時間發生膳食轉變從植物性飲食結構轉變為高能量、高脂肪和高動物性的膳食結構,加上體力活動的缺乏,導致與膳食失衡相關的慢性代謝性疾病的發病率快速增長。2021年國際糖尿病聯盟發布的全球糖尿病地圖顯示:20～79歲的成年人中有5.37億糖尿病患者,占該年齡段總人口數的10.5%;每10個成年人中就有1個罹患糖尿病;我國糖尿病患者約為1.419億人[1]。

為預防疾病和超重的現象,在膳食管理中將血糖生成指數(GI)應用于飲食指導,利用GI值作為飲食參考。GI值是基于碳水化合物對餐后血糖影響而生成的概念,反映了血糖升高的程度。消化代謝快的食物是高GI食物(GI≥70),其特點是葡萄糖釋放快,進入血液后血糖峰值高;消化代謝速度中等的食物為中GI食物(55

在開發新產品時,發現GI值會因食品本身的營養成分、含量高低以及加工方式均對GI值產生顯著(P<0.05)的影響[3]。因此,在開發設計低GI產品,需進行綜合考量。文章對食品原料中不同的營養成分和加工方式討論,同時對食品GI值的檢測方法進行綜述,旨在通過對比討論為開發低GI食品提供理論參考。

1 原料對GI值的影響

1.1 碳水化合物對GI值的影響

因碳水化合物是我國居民每日膳食的主要組成部分,占膳食總能量的一半以上,極易影響血糖及胰島素水平[4]。《中國居民膳食指南(2022)》相較舊版指出,每日碳水化合物中薯類食物(50～100 g)占比增加,全谷物和薯類占到谷類食物攝入量的1/3～5/6。這也側面反映出,在開發低GI食品時原材料可選用雜豆、雜糧、全谷物等有助于維持血糖的穩態。這些具有低GI屬性的原材料常被開發設計為代餐粉、面條、面包、餅干、八寶粥等方便快捷的產品。

1.2 不同的營養成分對GI值的影響

1.2.1 淀粉對GI值的影響

淀粉是食物中最大的碳水化合物來源,由于血糖和胰島素受到淀粉顆粒水解的影響,淀粉在人體小腸中的消化情況分為快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉。快消化淀粉消化快,吸收效率高,血糖變化快;慢消化淀粉消化慢、吸收速率慢、血糖變化緩慢;抗性淀粉不消化[5]。所以有研究者通過調整原料的比例,改變產品的抗性淀粉含量,設計出一款低GI值的八寶粥(2 g燕麥,1 g鷹嘴豆、2 g魔芋丁、3 g白蕓豆)[6]。因不同食物的GI值各不相同,進一步研究了不同來源的淀粉其GI值也有明顯的不同,其中最常食用的淀粉產品GI值排序是:大米淀粉>馬鈴薯淀粉>木薯淀粉>玉米淀粉>豌豆淀粉>小麥淀粉>鷹嘴豆淀粉[7]。此外,淀粉顆粒的大小對GI值也有影響,大顆粒淀粉與消化率之間呈負相關[8];不同的小、中、大天然馬鈴薯淀粉顆粒在酶解時存在顯著差異(P<0.05)[9]。淀粉顆粒大小影響GI值是因為大顆粒組分的水解率低于中、小顆粒組分,大顆粒淀粉對酶水解的敏感性較低、比表面積較小,這會降低酶結合的程度,最終導致水解程度低于小顆粒淀粉[10]。這個現象也在莧菜淀粉中得到證實[11],莧菜淀粉因其粒徑分布在1～3 mm之間,體外消化率較高。

1.2.2 蛋白質對GI值的影響

研究發現,蛋白質可以影響食物的血糖生成指數,對淀粉具有包埋作用,限制了淀粉酶與淀粉的接觸使淀粉難以消化吸收,例如在意大利面等產品中由于存在連續蛋白質基質,從而夾帶淀粉顆粒限制淀粉酶對淀粉的水解[12];通過在莧菜淀粉中添加鏈霉蛋白酶進行水解證實淀粉顆粒周圍存在蛋白質屏障,水解后,體外淀粉消化率顯著提高[13]。此外,淀粉和蛋白質會產生相互作用從而顯著影響消化率(P<0.05),即使存在少量蛋白質也會影響淀粉的功能特性和消化率[14]。蛋白質不單影響消化率,還會降低α-淀粉酶的活性[15];崔亞楠[16]用復合蛋白酶分離kodo米中的蛋白質后其快消化淀粉含量增加,慢消化淀粉含量和抗性淀粉含量下降,GI值增加。以上論據證明,蛋白質的存在可以影響淀粉的消化。

1.2.3 脂質對GI值的影響

由于支鏈淀粉較短的側鏈和其高度分支造成的空間位阻,阻礙其與脂質形成單螺旋復合物[17],所以淀粉-脂質復合物的形成主要發生在直鏈淀粉和脂質之間,脂質的存在會影響淀粉的凝膠、糊化和消化特性。例如,馬鈴薯的直鏈淀粉在探究淀粉-脂質復合物作用機制中被廣泛使用,因天然存在該復合物不能在大鼠體內消化吸收[18],除天然存在的復合物外,Crowe等[19]報道了外源添加的游離脂肪酸(月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、油酸、溶血磷脂、膽固醇)對水解淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉的影響,結果顯示直鏈淀粉呈螺旋構象,可與疏水性小分子形成包合物。脂質與直鏈淀粉形成的復合物有助于降低消化率,脂質的合理復配或利用將有助于開發低GI值食品。

1.2.4 功能性成分對GI值的影響

隨著化學分析和藥理試驗技術的發展,越來越多的功能性成分作為降糖資源被開發研究,從中發現了具有降血糖活性的成分如多酚、膳食纖維、多糖等(見表1)。這些功能性成分的普遍特點是改善糖耐量,緩解GI值上升,作用溫和持久,性質穩定,幾乎無毒性反應,適于口服。相關研究多集中在功能性成分延緩消化和降低血糖的分子機制方面。影響GI值的主要原因是不同營養成分之間發生的協同和抑制:快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉的含量、淀粉顆粒大小;蛋白質、脂類和非淀粉多糖之間發生的變化和反應;功能性成分延長淀粉消化率,抑制淀粉水解和酶解,改變食物的物理質地從而影響淀粉的消化速度。

表1 不同功能性成分對GI值的影響

2 加工方式對GI值的影響

食品的GI值還受加工和儲藏過程的影響[33],當下主流的加工方式包括發酵、熱處理、微波、超聲波、擠壓膨化、酶解等,以及新興的加工方式:射頻、紅外加熱、歐姆加熱、冷等離子體等應該從加工方式角度,選擇最有利于降低食品GI值的加工方式和恰當工藝參數。

2.1 不同加工方式對食品GI值的影響

研究表明高水分、高溫、高壓和機械能的組合幾乎能將所有慢消化的淀粉和快消化的淀粉轉化為抗性淀粉[34]。現有的研究工作大多都集中在優化技術條件,以有效降低淀粉和淀粉類食物的GI值。表2總結了比較有代表性的加工方式在糧谷類食品中的應用。

表2 不同的加工方式對食品GI值的影響

2.2 其他新興技術

目前的生產趨勢是在食品工業中使用新興技術,使生產過程更高效、能耗更低、更環保,更好地應用于糧谷類食品加工中。

射頻、紅外加熱、歐姆加熱等新型加工方式可以降低食品的GI值。射頻技術屬于介電加熱,大米進行加熱射頻處理后提高抗性淀粉含量,降低快速消化淀粉的含量,提升對酶水解的抗性[50],在結構上引起淀粉顆粒聚集,導致粒徑增大,因此推測射頻處理可降低淀粉的GI值;紅外加熱是利用輻射和傳導傳熱機制來產生和傳遞熱量[51],對高粱籽粒進行紅外處理后導致結構改變,因此淀粉消化率低[52],對復合玉米淀粉處理后,抗性淀粉和慢性淀粉含量增加,加熱過程中由于氫鍵增加,淀粉分子將具有更少的分子空間,這有助于降低淀粉的GI值[53];歐姆加熱的原理是利用食品具有的抵抗電流通過的特點,當交變電流通過食物時,其內部產生熱量。例如Bender等[54]運用歐姆加熱,降低了面包的淀粉消化率,由于該技術會令面包中直鏈淀粉重組、支鏈淀粉回生或淀粉顆粒再結晶、淀粉結構改變,令較多的直鏈淀粉浸出,因此推測歐姆加熱對降低GI值是有利的。射頻技術、紅外加熱和歐姆加熱同屬熱加工,這類技術在研究糧谷類食品的營養特性上應用較多針對降低GI值的研究有限。冷等離子體技術因其不含化學物質、無毒、環保而備受關注。冷等離子體被認為是物質的第四種狀態,它由電子、離子、自由基、自由態和激發態的原子以及大量未電離的中性分子組成[55]。在使用冷等離子體處理的淀粉時,可能引起淀粉分子鏈的交聯[56],在冷等離子體苦蕎淀粉-槲皮素復合物的研究中,抗性淀粉質量分數從20%增加到44%,原因是出現小的淀粉碎片,可能會增加淀粉和多酚之間的結合[57]。

因此,不同的加工方式會明顯影響GI值,主要集中在通過改變淀粉的結構,增加抗性淀粉或慢消化淀粉的含量,降低消化率或延長消化時間,從而影響GI值的變化。這類研究缺乏對最佳工藝參數和GI值測定的數據,可以考慮進一步優化現有加工技術的有效可控參數,實現規范化加工流程和建立標準化方法等。

3 GI值的測定方法

我國2019年出臺血糖測試預測GI值推薦性標準WS/T 652—2019《食物血糖生成指數測定方法》,是根據葡萄糖反應曲線下的增量面積測定的被測食物的血糖值[58],但在測試的過程中發現,由于存在個體差異、費用較高、時間較長、效率不高的缺點,無法規模性地應用于GI值的測定。因此,科學研究者們開發利用體外消化模型估測GI值,在體外消化模型中常使用預估血糖生成指數值與碳水化合物為標準計算GI值,前者是根據葡萄糖含量換算成淀粉含量后計算淀粉的水解率,后者是利用二硝基水楊酸測定還原糖的含量。目前,有兩類體外消化模型:第一種是靜態的,這類模型主要適用于簡單食品和分離純化后的營養物質,但也局限于無法模擬體內消化時的動態物理過程(如剪切、混合、水合等作用);另一種是動態的,這類模型可以模擬體溫、胃和腸道pH值曲線、蠕動混合、胃排空、消化液分泌和葡萄糖吸收,與靜態模型相比可能具有更大的生理相關性,能較為準確預測食品的GI值,還可以反映食品的餐后血糖反應曲線。相比之下,體外動態消化系統可以作為監測消化食物這一復雜行為更好的工具,是代替體內測定的良好候選者。

4 總結和展望

文章綜述了食品原料和不同加工方式導致食品GI值的變化,同時對食品GI值的檢測方法進行闡述。基于此,在設計開發低GI食品時需從原料和加工方式入手:考慮食品原料固有的GI值;分析不同消化速度淀粉的占比、顆粒大小,營養成分之間發生的互作;探究功能性成分對淀粉消化時間,水解、酶解或改變食物的物理質地從而影響GI值;利用有效的加工方式降低GI值,如發酵、螺旋擠壓、酶解等傳統工藝或紅外、微波、射頻等新型加工技術,然而這些技術仍需要更準確的工藝設計來開發從試點到工業規模的低GI食品。所以研究者在開發時有必要了解研究工藝設計的精確參數,促進新興技術發展,開發低GI產品。在驗證產品的GI值時因為在體內進行研究有著重重困難,導致作為體內實驗替代品的體外消化模型的發展,且體外模擬消化系統對于GI值的研究、預測,新產品的研發,營養的評定具有更大的意義。

因此,GI值在評估功能食品方面發揮了更大的作用。但對于GI值的研究還需繼續完備:不同的營養成分對GI值產生的影響和作用機制需繼續完善;多種加工工藝經過協同作用后對GI值產生的影響需補充研究;低GI食品的相關生理研究也需深入;對低GI食品開發應從三方面入手,原料碳水化合物的基礎研究、原料與其他食品組分(蛋白質、脂質等)的交互作用基礎研究、添加功能性成分的復配產品的GI值研究;開發適用人群更廣的低GI產品,為廣大居民提供多樣的產品選擇。