可溶性膳食纤维对玉米淀粉体外消化的抑制作用

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(1.上海理工大学医疗器械与食品学院,上海食品微生物工程技术研究中心,上海 200093;2.山东省内分泌与代谢病研究所,山东济南 250062)

淀粉是日常膳食中不可或缺的成分,并且是主要的供能物质,其消化性与人体健康息息相关,淀粉的快速消化会促使餐后血糖水平迅速升高,从而诱发某些代谢性疾病,如胰岛素耐受和糖尿病等[1-3]。众多研究表明,可溶性膳食纤维能在一定程度上抑制淀粉水解,从而控制食物的血糖指数(Glycemic index,GI),降低食物的餐后血糖反应[4-8]。可溶性膳食纤维的高黏度特性被认为是影响淀粉水解和葡萄糖扩散速率的主要原因[9-11]。2011年,欧洲食品安全管理局(European Food Safety Authority,EFSA)发表声明:摄入30 g碳水化合物的同时摄入4 g谷物β-葡聚糖有助于降低餐后血糖响应,并且这与延迟胃排空、增加饱腹感等有关[12]。Fabek等[13]发现黄原胶能增加含原生木薯淀粉的消化体系的黏度,从而降低淀粉水解程度和餐后血糖水平。也有研究者认为,可溶性膳食纤维能通过增加胃肠道黏度阻碍消化酶与反应性底物的接触,降低葡萄糖等小分子的扩散速率[14]。由此可见,可溶性膳食纤维的高黏度特性对降低淀粉水解速率和餐后血糖水平具有重要作用,然而黏度是否是降低餐后血糖响应的关键因素还亟待验证,如何通过膳食纤维在胃肠道消化体系中的表观黏度来预测GI值也还需进一步研究。

本文通过体外模拟人体胃肠道消化过程,研究青稞β-葡聚糖(BBG)、黄原胶(XG)、魔芋胶(KGM)和罗望子胶(TSP)四种可溶性膳食纤维对玉米淀粉水解的抑制作用,建立膳食纤维在胃肠道模拟体系下的表观黏度与pGI值之间的关系,探究可溶性膳食纤维干预淀粉消化的机理,为可溶性膳食纤维在降血糖方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉(CS) 江苏省昆山市淀山湖镇;白面包 当地超市;青稞仁 青海贵南市的肚里黄品种;黄原胶(XG) 斯比凯克(山东)生物制品有限公司;魔芋胶(KGM) 宝鸡康迪特生化有限公司;罗望子 云南猫哆哩公司;胃蛋白酶(猪胃粘膜) 酶活力30 U/mg,上海源叶生物公司;胰酶(猪胰腺) 胰淀粉酶酶活力≥7 U/mg,上海源叶生物公司;D-麦芽糖(Mal) 美国Sigma公司;所有分析用有机溶剂 均为国产分析纯。

ML204分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司;磁力搅拌器 德国IKA公司;BECKMAN COULTER离心机 美国贝克曼库尔特公司;Discovery HR-3流变仪 美国TA仪器公司;752型紫外分光光度计 上海光谱仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

1.2.1.1 青稞β-葡聚糖(BBG)的制备 根据本实验室之前的方法从青稞仁中提取BBG[15]。青稞仁经粉碎过60目筛处理后,用0.5 mol/L NaOH溶液(1∶20,W/V)在25 ℃下振荡提取,提取时间为180 min,然后通过去除蛋白质、蒸馏水透析、乙醇沉淀等步骤对提取物进行纯化,最后冷冻干燥,得到BBG样品。

1.2.1.2 罗望子胶(TSP)的制备 TSP从罗望子种仁粉中提取[16]。罗望子经粉碎过筛处理后,用柠檬酸溶液(1∶45,W/V,pH3.5)在80 ℃下提取,提取时间为30 min,然后用无水乙醇1∶1醇沉,沉淀真空干燥后得到TSP样品。

1.2.2 模拟胃肠道消化液的配制 人工胃液的配制参照2010年《中国药典》二部附录XA中的方法[17]。在约800 mL水中加入16.4 mL(9.5%～10.5%)的稀盐酸,调节pH为1.5±0.1,加入10 g胃蛋白酶溶解,加水定容至1 L。人工肠液的配制参照2010年《中国药典》二部附录XVD中的方法[17]。称取K2HPO46.8 g加水溶解,再加NaOH,调节pH为6.8±0.1,后加10 g胰酶溶解,加水定容至1 L。

1.2.3 麦芽糖标准曲线的制作 参考Miller[18]的二硝基水杨酸(DNS)法测定消化体系中生成的麦芽糖含量。分别取麦芽糖标准液(1 mg/mL)0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于15 mL试管中,用蒸馏水补足至2.0 mL,分别准确加入2 mL DNS试剂(0.5%(W/V)二硝基水杨酸,0.1%(W/V)苯酚,0.5%(W/V)氢氧化钠,10%酒石酸钠和0.015%(W/V)亚硫酸钠),将试管置于100 ℃水浴锅中沸水浴5 min后,流水冷却试管,将反应液体积用蒸馏水定容至10 mL。用分光光度计在540 nm处测定样品的吸光度,得到麦芽糖的标准曲线方程。

1.2.4 体外模拟消化

1.2.4.1 消化基质的准备 准确称取125 mg白面包于离心管中,加入5 mL蒸馏水和6颗玻璃珠,置于37 ℃水浴摇床中备用,作为对照组。准确称取125 mg玉米淀粉(CS)于离心管中,向每支离心管中分别加入BBG(2.5、12.5、25、125和250 mg),XG(2.5、7.5、12.5、17.5和25 mg),KGM(2.5、12.5、22.5、25和30 mg)和TSP(2.5、12.5、25、75和125 mg)四种可溶性膳食纤维,向每支离心管中加入5 mL蒸馏水和6颗玻璃珠,待样品溶解后将离心管放入沸水浴中,糊化20 min。糊化结束后将离心管置于37 ℃水浴摇床中备用。

1.2.4.2 体外模拟消化实验 参考Guraya等[19]的方法测定淀粉体外消化率:分别于每支备好的离心管中加入人工模拟胃液10 mL(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴摇床中振荡(170 r/min,30 min)。再加入醋酸盐缓冲液5 mL(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),继续置于37 ℃水浴摇床中振荡(170 r/min,30 min)。最后,向每支离心管中加入5 mL模拟肠液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)开始反应,继续放入37 ℃振荡水浴锅振荡(170 r/min),分别于0、1、5、10、15、20、30、60、90、120、150和180 min时取0.5 mL水解液,加2 mL乙醇灭酶并沉淀多糖,离心(8000×g,20 min)取上清液,即为待测消化液样品。

1.2.4.3 消化参数的测定与分析 消化液样品中的麦芽糖含量用二硝基水杨酸(DNS)法测定。分别取消化液样品0.5 mL于15 mL试管中,用蒸馏水补足至2.0 mL,再分别准确加入2 mL DNS试剂,将试管置于100 ℃水浴锅中沸水浴5 min后,流水冷却试管,将反应液体积用蒸馏水定容至10 mL。用分光光度计在540 nm处测定样品的吸光度,再根据麦芽糖标准曲线计算得到消化体系中的麦芽糖含量。利用积分法计算淀粉水解反应曲线下面积(Area under the curve,AUC),再根据下面公式计算并进行水解参数分析:

式(1)

式(2)

pGI(%)=39.71+54.9×pHI

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

式中:C为淀粉水解度,%;R180为180 min 时淀粉分解的麦芽糖含量,mg;D为消化体系中游离的麦芽糖含量,mg;W,总淀粉含量,mg;pHI为预测淀粉水解指数(样品与白面包AUC的比值);pGI为预测血糖指数;SDS为慢消化淀粉;R120为120 min时淀粉分解的麦芽糖含量,mg;R20为20 min 时淀粉分解的麦芽糖含量,mg;RDS为快消化淀粉;RS为抗性淀粉。

1.2.5 可溶性膳食纤维在模拟胃肠道体系下的表观黏度测定 分别称取一定量的BBG、XG、KGM和TSP溶于3.5 mL水中,再分别加入7 mL人工模拟胃液(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴摇床中振荡(170 r/min,30 min)。再加入5 mL醋酸盐缓冲液(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),继续置于37 ℃水浴摇床中振荡(170 r/min,30 min)。最后,向每支离心管中加入3.5 mL模拟肠液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)。此时,BBG在胃肠道消化液中的终浓度分别为0.01%、0.05%、0.10%、0.20%、0.34%、0.50%、0.67%、1.00%、1.34%和1.50%(W/V),XG的终浓度分别为0.01%、0.03%、0.04%、0.05%、0.07%、0.10%、0.20%、0.50%、0.80%和1.00%(W/V),KGM的终浓度分别为0.01%、0.05%、0.06%、0.08%、0.10%、0.16%、0.40%、0.60%、1.00%和2.00%(W/V),TSP的终浓度分别为0.01%、0.05%、0.10%、0.21%、0.31%、0.41%、0.51%、0.70%、0.80%和1.00%(W/V)。用Discovery HR-3流变仪分别测定四种膳食纤维在模拟胃肠道体系下的表观黏度,所用夹具为双壁同心圆筒(内径16 mm,外径 17.5 mm,高度53 mm),测试温度为37 ℃,测试间隙为5917.1 μm,从低剪切速率以指数形式上升至高剪切速率(1～200 s-1)。实验过程中用帕尔贴控温装置控制温度为37 ℃。

1.2.6 可溶性膳食纤维在胃肠液中的表观黏度与pGI值之间关系的建立 为了进一步研究可溶性膳食纤维的黏度对餐后血糖水平的影响,分别建立不同浓度的BBG(0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1%,W/V)、XG(0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.1%,W/V)、KGM(0.01%、0.05%、0.09%、0.1%和0.12%,W/V)和TSP(0.01%、0.05%、0.1%、0.31%和0.51%,W/V)在胃肠道体系中的表观黏度(60 s-1)与pGI值之间的关系。

1.3 数据处理

试验数据均重复3次,采用Excel、SPSS、Origin 8.5等软件对结果进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 麦芽糖的标准曲线

麦芽糖的标准曲线如图1所示,标准方程为y=1.4465x-0.0355(R2=0.9911),通过麦芽糖的标准曲线方程可以确定消化体系中淀粉水解生成的麦芽糖含量。

图1 麦芽糖标准曲线Fig.1 Standard curve of maltose

2.2 体外模拟消化过程中淀粉水解程度的变化

分别添加不同浓度的四种SDF对CS体外消化性的影响情况如图2所示。与之前的研究结果[20]相近,参照食物白面包消化180 min后的水解度达到45%。由图2可知,大多数CS在前30 min内被消化完成。在模拟肠道消化180 min后,空白组淀粉的最终水解度达到90.59%,添加0.01%的BBG、XG、KGM和TSP实验组的淀粉的最终水解度分别为81.46%、80.27%、80.56%和80.96%,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP实验组的淀粉的最终水解度分别为79.00%、54.69%、60.05%和70.97%。由此可见,SDF的添加能够抑制淀粉的水解,并且随着同种SDF添加浓度的增加,CS的最终水解度逐渐降低。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP对淀粉水解的抑制率分别达到11.59%、35.90%、30.54%和19.62%。因此,在添加SDF的浓度相同的情况下,XG抑制淀粉水解的效果最好,其次是KGM,BBG效果最差。

图2 肠消化过程中不同膳食纤维食物基质淀粉水解度变化Fig.2 Hydrolysis changes of food matrix with different dietary fibers during intestinal digestion注:a:白面包、空白组和添加青稞β-葡聚糖(BBG)的样品组;b:白面包、空白组和添加黄原胶(XG)的样品组;c:白面包、空白组和添加魔芋胶(KGM)的样品组;d:白面包、空白组和添加罗望子胶(TSP)的样品组。

为了进一步研究肠道消化过程中可溶性膳食纤维对CS的消化特性和pGI值的影响,根据公式(2～6),将图2中添加SDF浓度分别为0.01%、0.05%和0.1%的数据进行分析,结果如表1所示。由表1中可以看出,与空白组相比,总体上添加同种膳食纤维之后,CS的RDS片段含量降低,SDS和RS片段的含量增加,并且具有浓度依赖性[21-22]。

表1 膳食纤维对淀粉消化的参数分析Table 1 Parametric analyses of dietary fibers on starch digestion

注:同列不同字母表示具有显著差异(P<0.05)。

这表明膳食纤维添加量越大,CS消化越慢,膳食纤维能够提高CS的抗消化性。与空白组的pGI值(150.78±1.87)相比,添加不同浓度的BBG、XG、KGM和TSP实验组的pGI值均有所降低。这表明膳食纤维的添加能够在一定程度上降低餐后血糖水平,并且随着同种膳食纤维添加浓度的增加,pGI值逐渐降低。与空白组相比,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能将淀粉的pGI值分别降低12.05、45.54、38.90和15.00。由此可见,在膳食纤维添加的浓度相同的情况下,XG和KGM降低餐后血糖响应的效果比BBG和TSP要好。这可能是由于XG的黏度较高,整个消化体系的黏度变大,流动性降低,α-淀粉酶与淀粉颗粒的接触受到阻碍,从而导致消化程度降低,血糖响应减弱[23-25]。

2.3 可溶性膳食纤维在模拟胃肠道体系下的表观黏度

不同浓度的BBG、XG、KGM和TSP在模拟肠道消化体系中的表观黏度如图3所示。随着质量浓度的增加,同种多糖溶液在胃肠道体系下的表观黏度呈上升趋势。在BBG、KGM和TSP溶液的浓度分别低于0.67%、0.1%和0.51%时均表现出牛顿流体的性质,即各多糖溶液的表观黏度维持不变。然而,随着质量浓度或剪切速率的逐渐加大,各多糖溶液均表现出假塑性流体的性质,即各多糖溶液的表观黏度随着剪切速率的增大而逐渐减小。并且,四种可溶性膳食纤维溶液的假塑性流体性质均具有浓度依赖性,随样品质量浓度的增大,假塑性流体的性质越明显。这是因为聚合物溶液质量浓度的增加会导致多糖分子链重叠程度的增加,从而导致较高的剪切速率下多糖分子链相互缠绕被破坏的程度增加[26]。

图3 不同浓度的可溶性膳食纤维在模拟肠道消化体系中的表观黏度Fig.3 Apparent viscosity of different concentrations of soluble dietary fiber in simulated intestinal digestive system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黄原胶(XG);c:魔芋胶(KGM);d:罗望子胶(TSP)。

图4 模拟肠道消化过程中可溶性膳食纤维在胃肠道体系中的表观黏度与pGI值的关系Fig.4 The relationships between pGI values and the apparent viscosities of soluble dietary fibers in the simulated gastrointestinal system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黄原胶(XG);c:魔芋胶(KGM);d:罗望子胶(TSP)。

2.4 可溶性膳食纤维在胃肠液中的表观黏度与pGI值之间的关系

研究表明,消化产物在小肠内的生理剪切速率大约为60 s-1[5,27-29]。四种可溶性膳食纤维在胃肠道体系中的表观黏度(60 s-1)与pGI值之间的关系如图4所示。在BBG、XG、KGM和TSP的浓度分别低于1%、0.1%、0.12%和0.51%时,四种膳食纤维在胃肠道体系中的表观黏度(60 s-1)与pGI值之间均存在一定的非线性关系,且均满足一元二次方程(y=ax2+bx+c)。四种SDF中,BBG的表观黏度对pGI值的影响最接近线性关系,因此与其他三种膳食纤维相比,其添加量的增多对pGI值的控制具有较明显的作用。对比四种膳食纤维在胃肠道体系中的表观黏度和对应的pGI值分别拟合得到系数a、b、c,XG样品拟合得到的c值最小(121.7510),且当XG的浓度仅为0.01%时,其在消化液中的表观黏度能达到2.01 mPa·s,对应CS的pGI值为118.17。由此可见,XG抑制淀粉消化的能力最好,在添加浓度较低的情况下就能达到比较高的表观黏度,从而起到控制淀粉pGI值的效果。此外,KGM和TSP的pGI值随表观黏度的变化也较大,在表观黏度低于4 mPa·s时,血糖值的变化较大,并且当表观黏度超过4 mPa·s后,血糖值的减小趋势愈加平缓,黏度对血糖值的作用也达到极限。综上,对同种膳食纤维而言,在胃肠道消化体系中添加膳食纤维的表观黏度越大,体外模拟消化后的血糖响应越低。因此,同种膳食纤维的黏度对抑制淀粉消化和降低餐后血糖响应起重要作用,这可能是由于可溶性膳食纤维能够增加消化液体系的黏度,并通过与淀粉分子的相互缠绕作用,阻碍消化酶与淀粉颗粒之间相互接触,从而干预淀粉消化。

3 结论

本研究通过体外模拟人体胃肠道消化过程发现,BBG、XG、KGM和TSP四种可溶性膳食纤维的添加均能够增加CS的SDS和RS片段的比例,减少RDS片段的比例,从而降低淀粉的水解度和餐后血糖水平。当浓度和剪切速率相同时,XG和KGM在模拟胃肠道消化体系下的表观黏度比BBG和TSP高。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能够使淀粉的pGI值分别降低12.05、45.54、38.90和15.00,并且pGI值随着可溶性膳食纤维在胃肠道体系下表观黏度的增大而下降。可溶性膳食纤维的黏度是影响淀粉水解和餐后血糖响应的重要因素。