糧谷類低血糖生成指數(shù)食品研究進(jìn)展

叢?；? 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(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品科技學(xué)院1,蘇州 215008)(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)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(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院5,蘇州 215123)

伴隨著經(jīng)濟(jì)與社會的高速發(fā)展,我國居民膳食生活歷經(jīng)3個(gè)發(fā)展階段:從“吃不飽”,到“基本吃得飽”,再到“吃太好”。數(shù)十年的時(shí)間發(fā)生膳食轉(zhuǎn)變從植物性飲食結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰俊⒏咧竞透邉?dòng)物性的膳食結(jié)構(gòu),加上體力活動(dòng)的缺乏,導(dǎo)致與膳食失衡相關(guān)的慢性代謝性疾病的發(fā)病率快速增長。2021年國際糖尿病聯(lián)盟發(fā)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?cè)丝跀?shù)的10.5%;每10個(gè)成年人中就有1個(gè)罹患糖尿病;我國糖尿病患者約為1.419億人[1]。

為預(yù)防疾病和超重的現(xiàn)象,在膳食管理中將血糖生成指數(shù)(GI)應(yīng)用于飲食指導(dǎo),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(diǎn)是葡萄糖釋放快,進(jìn)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(fā)新產(chǎn)品時(shí),發(fā)現(xiàn)GI值會因食品本身的營養(yǎng)成分、含量高低以及加工方式均對GI值產(chǎn)生顯著(P<0.05)的影響[3]。因此,在開發(fā)設(shè)計(jì)低GI產(chǎn)品,需進(jìn)行綜合考量。文章對食品原料中不同的營養(yǎng)成分和加工方式討論,同時(shí)對食品GI值的檢測方法進(jìn)行綜述,旨在通過對比討論為開發(fā)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(cè)面反映出,在開發(fā)低GI食品時(shí)原材料可選用雜豆、雜糧、全谷物等有助于維持血糖的穩(wěn)態(tài)。這些具有低GI屬性的原材料常被開發(fā)設(shè)計(jì)為代餐粉、面條、面包、餅干、八寶粥等方便快捷的產(chǎn)品。

1.2 不同的營養(yǎng)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?？煜矸巯?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(diào)整原料的比例,改變產(chǎn)品的抗性淀粉含量,設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎn)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(fù)相關(guān)[8];不同的小、中、大天然馬鈴薯淀粉顆粒在酶解時(shí)存在顯著差異(P<0.05)[9]。淀粉顆粒大小影響GI值是因?yàn)榇箢w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(jié)合的程度,最終導(dǎo)致水解程度低于小顆粒淀粉[10]。這個(gè)現(xiàn)象也在莧菜淀粉中得到證實(shí)[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(zhì)對GI值的影響

研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)可以影響食物的血糖生成指數(shù),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(chǎn)品中由于存在連續(xù)蛋白質(zhì)基質(zhì),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(jìn)行水解證實(shí)淀粉顆粒周圍存在蛋白質(zhì)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(zhì)會產(chǎn)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(zhì)也會影響淀粉的功能特性和消化率[14]。蛋白質(zhì)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(fù)合蛋白酶分離kodo米中的蛋白質(zhì)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(jù)證明,蛋白質(zhì)的存在可以影響淀粉的消化。

1.2.3 脂質(zhì)對GI值的影響

由于支鏈淀粉較短的側(cè)鏈和其高度分支造成的空間位阻,阻礙其與脂質(zhì)形成單螺旋復(fù)合物[17],所以淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成主要發(fā)生在直鏈淀粉和脂質(zhì)之間,脂質(zhì)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(zhì)復(fù)合物作用機(jī)制中被廣泛使用,因天然存在該復(fù)合物不能在大鼠體內(nèi)消化吸收[18],除天然存在的復(fù)合物外,Crowe等[19]報(bào)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(jié)果顯示直鏈淀粉呈螺旋構(gòu)象,可與疏水性小分子形成包合物。脂質(zhì)與直鏈淀粉形成的復(fù)合物有助于降低消化率,脂質(zhì)的合理復(fù)配或利用將有助于開發(fā)低GI值食品。

1.2.4 功能性成分對GI值的影響

隨著化學(xué)分析和藥理試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的功能性成分作為降糖資源被開發(fā)研究,從中發(fā)現(xiàn)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(diǎn)是改善糖耐量,緩解GI值上升,作用溫和持久,性質(zhì)穩(wěn)定,幾乎無毒性反應(yīng),適于口服。相關(guān)研究多集中在功能性成分延緩消化和降低血糖的分子機(jī)制方面。影響GI值的主要原因是不同營養(yǎng)成分之間發(fā)生的協(xié)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(zhì)、脂類和非淀粉多糖之間發(fā)生的變化和反應(yīng);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(zhì)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(dāng)下主流的加工方式包括發(fā)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(yīng)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(dāng)工藝參數(shù)。

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(jī)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(zhuǎn)化為抗性淀粉[34]?，F(xiàn)有的研究工作大多都集中在優(yōu)化技術(shù)條件,以有效降低淀粉和淀粉類食物的GI值。表2總結(jié)了比較有代表性的加工方式在糧谷類食品中的應(yīng)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(shù)

目前的生產(chǎn)趨勢是在食品工業(yè)中使用新興技術(shù),使生產(chǎn)過程更高效、能耗更低、更環(huán)保,更好地應(yīng)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(shù)屬于介電加熱,大米進(jìn)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(jié)構(gòu)上引起淀粉顆粒聚集,導(dǎo)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(dǎo)傳熱機(jī)制來產(chǎn)生和傳遞熱量[51],對高粱籽粒進(jìn)行紅外處理后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改變,因此淀粉消化率低[52],對復(fù)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(diǎn),當(dāng)交變電流通過食物時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生熱量。例如Bender等[54]運(yùn)用歐姆加熱,降低了面包的淀粉消化率,由于該技術(shù)會令面包中直鏈淀粉重組、支鏈淀粉回生或淀粉顆粒再結(jié)晶、淀粉結(jié)構(gòu)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(shù)、紅外加熱和歐姆加熱同屬熱加工,這類技術(shù)在研究糧谷類食品的營養(yǎng)特性上應(yīng)用較多針對降低GI值的研究有限。冷等離子體技術(shù)因其不含化學(xué)物質(zhì)、無毒、環(huán)保而備受關(guān)注。冷等離子體被認(rèn)為是物質(zhì)的第四種狀態(tài),它由電子、離子、自由基、自由態(tài)和激發(fā)態(tài)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(shí),可能引起淀粉分子鏈的交聯(lián)[56],在冷等離子體苦蕎淀粉-槲皮素復(fù)合物的研究中,抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增加到44%,原因是出現(xiàn)小的淀粉碎片,可能會增加淀粉和多酚之間的結(jié)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(jié)構(gòu),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(shí)間,從而影響GI值的變化。這類研究缺乏對最佳工藝參數(shù)和GI值測定的數(shù)據(jù),可以考慮進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有加工技術(shù)的有效可控參數(shù),實(shí)現(xiàn)規(guī)范化加工流程和建立標(biāo)準(zhǔn)化方法等。

3 GI值的測定方法

我國2019年出臺血糖測試預(yù)測GI值推薦性標(biāo)準(zhǔn)WS/T 652—2019《食物血糖生成指數(shù)測定方法》,是根據(jù)葡萄糖反應(yīng)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(fā)現(xiàn),由于存在個(gè)體差異、費(fèi)用較高、時(shí)間較長、效率不高的缺點(diǎn),無法規(guī)模性地應(yīng)用于GI值的測定。因此,科學(xué)研究者們開發(fā)利用體外消化模型估測GI值,在體外消化模型中常使用預(yù)估血糖生成指數(shù)值與碳水化合物為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算GI值,前者是根據(jù)葡萄糖含量換算成淀粉含量后計(jì)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(tài)的,這類模型主要適用于簡單食品和分離純化后的營養(yǎng)物質(zhì),但也局限于無法模擬體內(nèi)消化時(shí)的動(dòng)態(tài)物理過程(如剪切、混合、水合等作用);另一種是動(dòng)態(tài)的,這類模型可以模擬體溫、胃和腸道pH值曲線、蠕動(dòng)混合、胃排空、消化液分泌和葡萄糖吸收,與靜態(tài)模型相比可能具有更大的生理相關(guān)性,能較為準(zhǔn)確預(yù)測食品的GI值,還可以反映食品的餐后血糖反應(yīng)曲線。相比之下,體外動(dòng)態(tài)消化系統(tǒng)可以作為監(jiān)測消化食物這一復(fù)雜行為更好的工具,是代替體內(nèi)測定的良好候選者。

4 總結(jié)和展望

文章綜述了食品原料和不同加工方式導(dǎo)致食品GI值的變化,同時(shí)對食品GI值的檢測方法進(jìn)行闡述?；诖?在設(shè)計(jì)開發(fā)低GI食品時(shí)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(yǎng)成分之間發(fā)生的互作;探究功能性成分對淀粉消化時(shí)間,水解、酶解或改變食物的物理質(zhì)地從而影響GI值;利用有效的加工方式降低GI值,如發(fā)酵、螺旋擠壓、酶解等傳統(tǒng)工藝或紅外、微波、射頻等新型加工技術(shù),然而這些技術(shù)仍需要更準(zhǔn)確的工藝設(shè)計(jì)來開發(fā)從試點(diǎn)到工業(yè)規(guī)模的低GI食品。所以研究者在開發(fā)時(shí)有必要了解研究工藝設(shè)計(jì)的精確參數(shù),促進(jìn)新興技術(shù)發(fā)展,開發(fā)低GI產(chǎn)品。在驗(yàn)證產(chǎn)品的GI值時(shí)因?yàn)樵隗w內(nèi)進(jìn)行研究有著重重困難,導(dǎo)致作為體內(nèi)實(shí)驗(yàn)替代品的體外消化模型的發(fā)展,且體外模擬消化系統(tǒng)對于GI值的研究、預(yù)測,新產(chǎn)品的研發(fā),營養(yǎng)的評定具有更大的意義。

因此,GI值在評估功能食品方面發(fā)揮了更大的作用。但對于GI值的研究還需繼續(xù)完備:不同的營養(yǎng)成分對GI值產(chǎn)生的影響和作用機(jī)制需繼續(xù)完善;多種加工工藝經(jīng)過協(xié)同作用后對GI值產(chǎn)生的影響需補(bǔ)充研究;低GI食品的相關(guān)生理研究也需深入;對低GI食品開發(fā)應(yīng)從三方面入手,原料碳水化合物的基礎(chǔ)研究、原料與其他食品組分(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等)的交互作用基礎(chǔ)研究、添加功能性成分的復(fù)配產(chǎn)品的GI值研究;開發(fā)適用人群更廣的低GI產(chǎn)品,為廣大居民提供多樣的產(chǎn)品選擇。