青稞碳水化合物构成与血糖稳定品质的关系

王新坤 王月明 刘 超 张智博 王 青 程安玮 郭 溆 李志国 孙金月

(农业农村部新食品资源加工重点实验室; 山东省农产品精深加工技术重点实验室; 山东省农业科学院农产品研究所1，济南 250100) (济宁医学院生物科学学院2，日照 276826)

青稞，即裸大麦，也称高原大麦，是一年一熟的青藏高原高寒河谷种植的特色农作物，富含对人体有益的生物活性成分[1]。碳水化合物是青稞籽粒的主要能量来源，同时也是籽粒中含量最高的营养成分，主要以膳食纤维和淀粉的形式存在[2]，其品质特性对青稞食品加工及食用品质有重要影响[3]。碳水化合物含量被认为是影响食物血糖应答的最主要因素，一方面是由于其在膳食中所占的重要比重，另一方面由于碳水化合物种类、来源不同，可导致不同的消化吸收特性，从而引起血糖应答的较大差异。

淀粉为人类最重要的碳水化合物来源，食品中对GI(血糖生成指数)有影响的淀粉有支链、直链和抗性淀粉[4]。直链淀粉聚合度一般在500～6 000个葡萄糖残基，结构排列紧密，淀粉酶难以将其消化水解；支链淀粉主链聚合度一般为60个葡萄糖残基，总体结构松散，容易被淀粉酶作用降解；与可消化淀粉(直链和支链淀粉)不同，抗性淀粉不被人体胃肠道消化。与淀粉不同，膳食纤维不能为人体消化和供能，但具有重要的生理调节功能，例如β-葡聚糖。青稞是β-葡聚糖含量最高的物种之一，其含量远高于普通大麦，约占青稞籽粒质量的3.66%～8.62%。β-葡聚糖是一类高分子黏性多糖，在肠道内易形成黏性溶液能阻碍淀粉分解和糖类吸收，从而延缓餐后血糖浓度和胰岛素水平升高[5]，Ⅱ型糖尿病患者食用含β-葡聚糖早餐后的血糖和胰岛素水平均显著下降，且下降幅度随β-葡聚糖含量增加而升高[6]。此外，β-葡聚糖对人体还有降血压、降血脂、降胆固醇、抗癌、防癌和提高免疫力等生理功能[7-9]。除β-葡聚糖外，青稞籽粒还富含抗性淀粉。抗性淀粉在结构属性上属于淀粉，但在生理功能上与膳食纤维极为相似，不能在小肠中转化为单糖被人体吸收，而是在结直肠处被微生物发酵产生短链脂肪酸，故归入膳食纤维[10]，可用做葡萄糖的缓释剂来降低、维持餐后血糖，并提高胰岛素敏感性[11]。除碳水化合物外，青稞籽粒中还有含量相对较低的蛋白质和脂肪。研究表明，GI与脂肪含量不相关，与蛋白质含量成微弱的负相关性，GI在含大量碳水化合物的食物评价中作用更大[3]。因而，本实验将主要开展碳水化合物对青稞籽粒血糖稳定品质影响的研究。

目前青稞加工附加值相对较低，未能充分挖掘其稳定血糖品质。β-葡聚糖含量虽已被作为青稞品种品质评价的一项重要指标[3]，但尚缺乏青稞营养和保健品质的综合评价标准。对青稞碳水化合物进行分析，并探究血糖相关组分与GI之间的关系，可为开发糖尿病人专用食品提供最合适的青稞品种。本研究旨在综合评价日喀则市青稞品种的稳定血糖品质特性，以期为利用青稞作为主要加工原料的糖尿病人专用食品开发提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试青稞材料共13份，均由西藏日喀则市科技局生物科技研究所提供，包括9份地方品种(噶木果日、卡娃夏沐溪、优喜、喜珠、曲堆嘎木、嘎如、萨贵、曲加、雄樟)和4份育成品种(系)(藏青320、喜拉19、喜拉22、藏青2000)。首先将青稞籽粒挑选、清洗和干燥，然后置于平底锅中加热炒制，控制火候并不断搅动，直到大多数籽粒开花爆裂时停火，最后粉碎并过60目筛，置于-20 ℃冰箱中备用。

D-葡萄糖标准品、直链淀粉标准品、支链淀粉标准品、α-胰腺淀粉酶、胃蛋白酶：美国Sigma公司；β-葡聚糖酶：上海瀚鸿科技股份有限公司；β-葡萄糖苷酶：中科瑞泰生物科技有限公司；葡萄糖氧化酶、过氧化物酶：上海源叶生物科技有限公司；热稳定α-淀粉酶液、淀粉葡萄糖苷酶和糖化酶：北京索莱宝科技有限公司；葡萄糖测定试剂盒：南京建成生物工程研究所；其余试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-1750型紫外分光光度计；Lab-1A-50E型冷冻干燥机；CR22GIII型高速台式冷冻离心机；RE-2000E型旋转蒸发器；A11型研磨粉碎机； SYNERGY HTX型酶标仪；GST-2-1200-I型马弗炉。

1.3 测定方法

1.3.1 β-葡聚糖含量

参考NY/T 2006—2011《谷物及其制品中β-葡聚糖含量的测定》。

1.3.2 抗性淀粉含量

苏成秀（以下简称苏）：这个谈起来话就长了。我首先谈一下羌族沙朗舞吧。我从小跟妈妈、婆婆学习沙朗舞，我们羌族人“只要会走路，就要会跳舞”。我喜欢我们羌族的文化。从青年时期一直到北川羌族自治县成立，我作为羌族沙朗文化的传承人，在我们青片乡接待了许多的来访者，并教授沙朗舞蹈，前来学习的人也是不计其数。现在北川有三人出来教沙朗舞，我是最早出来教授的。在北川羌族自治县成立的前一年，我们开始传授沙朗舞。为了响应北川县政府的号召，弘扬羌族文化，北川县的各个乡镇都要普及沙朗舞，于是我去给她们教沙朗舞。有时候一个地方就能教上一个月，直到把她们都教会。我当时传播羌族文化的劲头很高，如今看来，当年的辛苦是值的！

参考NY/T 2638—2014《稻米及其制品中抗性淀粉的测定 分光光度法》。

1.3.3 膳食纤维、非淀粉膳食纤维含量

膳食纤维含量测定参考GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》，膳食纤维含量减去抗性淀粉含量即为非淀粉膳食纤维含量。

1.3.4 直、支链淀粉含量

参考双波长比色法[12]，略作改进。称量0.1 g样品，先后加入0.5 mL无水乙醇和2 mL氢氧化钠溶液(1 mol/L)，振荡混匀，沸水浴中保持10 min；取出冷却，加入0.25 mL碘试剂后，定容，摇匀，静置15 min。以样品空白液为对照测定吸光值，其中直链淀粉含量的测定波长为λ1=506 nm，参比波长为λ2=560 nm；支链淀粉的测定波长为λ3=722 nm，参比波长为λ4=545 nm。将直链淀粉吸光度差值ΔA直=Aλ2-Aλ1和支链淀粉吸光度差值ΔA支=Aλ4-Aλ3分别代入对应的直、支链淀粉标准曲线回归方程，计算出样品中直、支链淀粉的浓度，再根据提取的稀释倍数求出直、支链淀粉含量。直/支比=直链淀粉含量/支链淀粉含量，可消化淀粉含量=直链淀粉含量+支链淀粉含量。

1.3.5 血糖生成指数

参照体外GI预测法[13]，略作改进。称量0.2 g样品，依次加入10 mL HCl-KCl缓冲液(0.05 mol/L，pH=1.5)、0.02 g胃蛋白酶和10颗玻璃珠，37 ℃水浴振荡反应1 h；反应结束后加入15 mL Tris-HCl缓冲液(0.5 mol/L，pH=6.9)，然后加入5 mL用该缓冲液新鲜配制的胰α-淀粉酶(300 U/mL)和40 μL糖化酶(10 000 U/mL)在37 ℃水浴振荡反应90 min；反应结束后取100 μL反应液加入900 μL丙醇以终止酶促反应，使用葡萄糖测定试剂盒在505 nm波长下测定反应液吸光度，根据葡萄糖标准曲线计算反应产生的还原糖质量。淀粉水解率(Hydrolysis index at 90 min，HI90)=取样点水解所得葡萄糖质量×0.9/可消化淀粉总质量×100%，GI=39.21+0.803 HI90。

1.4 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 膳食纤维含量

根据籽粒颜色的不同，将13个青稞品种简单划分为棕、紫和黑3组，每组分别包含5个、5个和3个品种。β-葡聚糖含量最高的品种为棕色青稞品种喜拉22和藏青320，黑色品种曲加的β-葡聚糖含量最低(图1a)。抗性淀粉含量最高的3个品种为棕色青稞品种噶木果日和藏青2000及黑色青稞品种雄樟，含量均大于或等于6 g/100 g DW；棕色品种喜拉22抗性淀粉含量最低；抗性淀粉含量在不同颜色青稞品种间的变化规律不显著(图1b)。非淀粉膳食纤维和膳食纤维含量最高的品种均为棕色品种喜拉22，含量最低的均为黑色品种曲加，但2个指标在品种间的变化趋势并不一致(图1c、图1d)。总体来看，除个别品种外，棕色青稞品种的膳食纤维及其组分含量高于紫色及黑色青稞品种。谷皮和糊粉层是青稞籽粒膳食纤维的主要分布部位，同时与籽粒颜色也直接相关，遗传因素的差异应最终导致了籽粒颜色和膳食纤维含量的不同。

图1 青稞籽粒中膳食纤维含量

2.2 淀粉类物质含量

直链淀粉含量最高的青稞品种为藏青2000；直链淀粉含量较低的5个品种为棕色青稞品种噶木果日和喜拉22、紫色青稞品种嘎如和曲堆嘎木及黑色品种雄樟，含量均低于22 g/100 gDW；直链淀粉含量在不同颜色青稞品种间的变化规律不显著(图2a)。支链淀粉含量较高的4个品种为棕色青稞品种藏青320和喜拉22及紫色青稞品种卡娃夏沐溪和曲堆嘎木，含量均高于47 g/100 gDW；支链淀粉含量最低的品种为藏青2000；支链淀粉含量在不同颜色青稞品种间的变化规律不显著(图2b)。因含有较高的直链淀粉和较低的支链淀粉，棕色青稞藏青2000为直/支比最高的品种(图2c)。可消化淀粉含量最高的3个品种为棕色青稞品种喜拉19和藏青320及紫色青稞品种卡娃夏沐溪；紫色品种嘎如和黑色品种雄樟可消化淀粉含量最低；总体来看，可消化淀粉含量在不同颜色青稞品种间的变化规律不显著(图2d)。胚乳是青稞籽粒淀粉的主要分布部位，与籽粒颜色并无直接关系，遗传因素和青稞生长环境差异应共同导致了籽粒淀粉含量的不同。

图2 青稞籽粒中淀粉类物质含量

2.3 血糖生成指数

血糖生成指数最低的品种为棕色青稞品种藏青320，黑色青稞品种雄樟的GI值最高。总体来看，除个别品种外，黑色品种的GI值高于棕色品种和紫色品种，棕色品种GI值最低(图3)。

图3 青稞籽粒的血糖生成指数

2.4 碳水化合物与血糖生成指数间的相关分析

为探究青稞籽粒中所含碳水化合物与血糖指数之间的关系，对膳食纤维、淀粉、血糖生成指数等数据进行相关分析，结果表明(表1)青稞籽粒的GI与碳水化合物组分之间存在不同程度的相关性。GI与β-葡聚糖含量、非淀粉膳食纤维含量和膳食纤维含量之间均呈负相关关系，且都达到了极显著水平(P<0.01)，其中GI与β-葡聚糖含量间的相关系数绝对值最大，说明2个指标间相关程度最高；与β-葡聚糖、非淀粉膳食纤维和膳食纤维不同，抗性淀粉含量与GI间并无显著相关关系(P>0.05)，但抗性淀粉含量和β-葡聚糖含量间存在显著负相关关系(P<0.05)。GI与可消化淀粉含量、直链淀粉含量和直/支比之间均存在负相关关系，且均达到极显著水平(P<0.01)，其中GI与直链淀粉含量之间的相关系数绝对值最大，说明青稞全籽粒中直链淀粉含量越高，越有利于降低GI。此外，β-葡聚糖、抗性淀粉、非淀粉膳食纤维、可消化淀粉、支链淀粉、直链淀粉和直/支比之间也存在或正或负的相关关系。可见单一指标并不能全面代表青稞全籽粒的稳定血糖品质。

2.5 主成分分析

主成分分析法能够从指标因子间的相互关系入手，将其转化为少数几个互不关联的综合因素，通过降维可以揭示血糖相关因素和品种之间的复杂关系，简化评价的过程。对青稞9项稳定血糖品质的相关指标进行主成分分析，结果见图4。

图4a为特征值的陡坡图，可根据连线坡度的陡缓程度比较直观地看出各主成分的重要程度，前3个主成分的特征值下降趋势较快，第4个主成分下降趋势开始变得缓慢，即前3个主成分能较为全面的反映青稞籽粒稳定血糖品质的大部分信息。根据贡献率数值可见，3个主成分贡献率分别为40%、33.68%和13.01%，提取的3个主成分代表全部9项考察指标86.69%的品质变异(图4b)，这3个主成分可以较好地代替9个品质特性来评价与判断青稞全籽粒的稳定血糖品质。主成分特征向量的分析结果(图4c)表明，决定主成分1的主要是非淀粉膳食纤维和膳食纤维，且对主成分1均产生正向效应，因此，可以将主成分1概括为膳食纤维因子；决定主成分2的主要是GI，其负荷值为负，因此可以将主成分2概括为GI因子；主成分3中可消化淀粉的特征向量值最高，且负荷值为正，因此可将主成分3概括为可消化淀粉因子。计算13个品种各自的综合主成分得分(图4d)，可较直观地判断某一品种的稳定血糖品质的优劣，综合主成分分值越高，综合品质表现越好。棕色青稞品种喜拉22位居综合主成分得分第一名，远高于其他12个青稞品种，表明这该品种的稳定血糖品质较好。

表1 碳水化合物组分与血糖生成指数间的相关分析

注：*代表相关系数显著(P<0.05)，**代表相关系数极显著(P<0.01)。

图4 青稞籽粒稳定血糖能力主成分分析及综合评价

2.6 聚类分析

使用类平均法对供试的13份青稞品种材料进行聚类分析，结果表明(图5)，在聚类之间的平均距离为0.9时所有品种可分为4个类群。第Ⅰ类群包括2个品种，占供试品种总数的15.38%，聚入此类的品种主成分综合得分平均值为-1.33，综合主成分得分排名在倒数两位，稳定血糖品质较差，该类群品种对应籽粒颜色全部为黑色；第Ⅱ类群包括9个品种，占供试品种总数的69.23%，聚入此类的品种主成分综合得分平均值为0.15，综合主成分得分排名在2～10位，稳定血糖品质较好，该类群材料表现为棕色(3份)、紫色(5份)和黑色(1份)；第Ⅲ类群包括1个棕色品种喜拉22，综合主成分得分最高为2.26，稳定血糖品质最好；第Ⅳ类群包括1个棕色品种藏青2000，综合主成分得分较低为-0.91，稳定血糖品质较差。随着聚类之间的平均距离增加，当其大于1.0时，第Ⅰ和第Ⅱ类群重新组合成一个包含11个品种的类群；当其大于1.0时，第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ类群又重新组合成一个包含12个品种的类群。综上可见，所选地方品种的稳定血糖品质相近，而育成品种(系)喜拉22和藏青2000偏离较大，尤其是稳定血糖品质最优的喜拉22，这应得益于其在选育过程中汇集了较多与稳定血糖品质相关的优良基因。

图5 使用类平均法的谱系聚类图

3 讨论

已有研究表明，糖尿病发病危险与碳水化合物的摄入总量无关，而与摄入食物的GI值呈正相关，高GI饮食者罹患Ⅱ型糖尿病的危险与低GI饮食者相比增加37%[14]。GI是描述食物生理学参数的指标，用以衡量某种食物或膳食组成对血糖的影响程度[15]，是对碳水化合物“质”的评价。GI低的食物含有慢消化碳水化合物，可以缓慢吸收、持续释放能量、能引起渐升的、相对较低的血糖应答，有助于维持血糖稳态，预防糖尿病[16-17]。低GI食物能降低餐后胰岛素反应，长期以低GI膳食为主食能够改善Ⅱ型糖尿病患者的糖耐量受损[18]。有报道表明，食用青稞面馒头组餐后血糖、胰岛素水平均显著低于食用小麦面馒头组，并将青稞面馒头定义为低GI食物[19]。但目前对青稞血糖应答的研究主要集中在青稞淀粉上，缺少对青稞籽粒全粉的研究，忽略了皮层对GI的影响[20-21]。所以，本研究采用青稞籽粒全粉进行GI和相关指标的测定，可以更全面地评价青稞稳定血糖的品质。除淀粉组成外，食品的不同加工手段对GI也有影响，大多数精加工食品更易消化故其GI值相对更高[22]，对于糖尿病患者，在选择淀粉类食物时，应优选GI值较低、未经精制加工的天然食物。日喀则地区由于海拔高，气压低，精加工食品的制作需要额外的加压设备，这使得食用方便、卫生的糌粑成为当地居民尤其是农牧民的主食。因此，为了让日喀则当地品质优良的青稞品种以有利健康的形式更好地服务于当地人民，本研究对13个青稞品种的籽粒采用传统的糌粑加工条件统一处理，然后再对其稳定血糖品质进行综合评价。

目前，对GI的研究方法主要有体内实验及体外模拟实验，体内实验虽然较为准确但实验过程复杂，操作难度大、周期长、成本高且受测试对象依从度、身体、病理状况的影响大。体外模拟法是在体外模拟人体肠胃消化情况，操作简单、成本较低。在进行体外GI预测时，试图通过建立一个数学模型预测所有食品与人体血糖应答之间的关系尚存在一定难度。但对13个青稞品种籽粒而言，由于天然性状相仿，宏量营养成分组成相似，通过分析其体外GI便可以遴选出升血糖负荷最低的品种。以葡萄糖为参考物定值(定GI值为100)，13个青稞品种中，低GI品种(GI<55)有2个，其余11个均为中GI品种(55≤GI<70)。

13个青稞品种总淀粉平均含量为74.54 g/100 g DW，除品种嘎如外，其余12个品种均为四级(70%<总淀粉)。日喀则市青稞品种淀粉含量较高，可能与当地独特的气候条件有关，日喀则市太阳辐射强，年平均日照时间达3 300 h，有助于青稞植株光合作用；气温偏低，昼夜温差大，有利于青稞籽粒干物质的积累[23]。13个青稞品种直链淀粉平均含量为24.84 g/100 gDW，其中12个品种被划分为三级(20%<直链淀粉<30%)，品种藏青2000被划分为四级(直链淀粉≥30%)[24]；根据支链淀粉含量，13个青稞品种中，其中9个为四级(支链淀粉≥45%)[25]。可见，日喀则市青稞品种的直链淀粉和支链淀粉含量均较高，使得总淀粉含量处于较高水平。本研究相关分析结果表明，青稞籽粒淀粉和膳食纤维组成会直接影响GI，直链淀粉含量越高越有利于降低GI值；β-葡聚糖含量和GI间的相关系数为负而且绝对值最大，可见β-葡聚糖是导致青稞升血糖能力降低的第一要素；与β-葡聚糖一样，非淀粉膳食纤维和膳食纤维和GI间也为负相关关系，而抗性淀粉不利于GI的降低，这一点与抗性淀粉有助于降低餐后血糖，能够维持餐后血糖稳态的相关报道不一致。相关分析结果表明，抗性淀粉含量与β-葡聚糖含量、非淀粉膳食纤维及膳食纤维含量间存在显著或极显著的负相关关系，高质量浓度、高分子质量的青稞β-葡聚糖易形成凝胶覆盖在淀粉颗粒表面，阻碍淀粉酶与淀粉颗粒接触，从而抑制淀粉的消化，膳食纤维吸水后也有类似功能，而抗性淀粉的存在可能破坏了这种高黏性溶液环境。

青稞血糖生成指数与碳水化合物相关指标之间均存在不同程度的相关性，说明指标间存在着信息的重叠，因此这些指标均不能单独作为准确评价青稞稳定血糖品质的主要影响因素。近年来，主成分分析和聚类分析已经越来越广泛地被应用到多样品、多指标的品质分析中[26]。既然青稞籽粒的血糖稳定品质涉及如此多的因素，为了能找出GI与碳水化合物间最真实的相关关系，方便品种间的稳定血糖品质的评比，本研究也对相关数据进行了主成分分析和聚类分析。从主成分分析结果可知，β-葡聚糖、非淀粉膳食纤维、膳食纤维含量越高，抗性淀粉、直链淀粉含量越低，直/支比越低，第一主成分值越大；GI越低，β-葡聚糖、非淀粉膳食纤维、膳食纤维、直链淀粉含量越高，直/支比越高，第二主成分值越大；可消化淀粉含量越高，第三主成分值越大。另外，综合3个主成分贡献率大小，在青稞稳定血糖品质评价过程中，宜选择β-葡聚糖、膳食纤维、支链淀粉含量高而GI低的品种，13个品种综合主成分得分结果也基本印证了这一论断。例如，棕色品种喜拉22籽粒β-葡聚糖、膳食纤维、直链淀粉含量相对较高，而直/支比和GI相对较低。采用聚类分析确定了13个品种的分类界限，聚类分析结果与主成分分析的综合评价结果基本一致也从另一方面验证了主成分分析的正确性。

4 结论

系统研究了13种青稞的β-葡聚糖、抗性淀粉、非淀粉膳食纤维、膳食纤维，、直链淀粉、支链淀粉、直/支比、可消化淀粉、GI 等指标，及其之间的相关性，并通过聚类分析、主成分分析以综合评价青稞碳水化合物构成与血糖稳定品质的关系。结果表明，青稞籽粒颜色和血糖稳定品质之间没有必然联系，青稞全籽粒的稳定血糖品质主要由膳食纤维、GI和可消化淀粉3个主成分决定，在青稞稳定血糖品质评价过程中，宜选择β-葡聚糖、膳食纤维、支链淀粉含量高而GI低的品种。利用中选主成分对13个青稞品种的稳定血糖能力进行综合评价，筛选出稳定血糖品质最好的青稞品种喜拉22，大大提高了青稞原料血糖稳定品质的筛选效率。