不同添加物对挤压重组米血糖生成指数和理化性质的影响

刘成梅 方 冲 刘云飞 吴建永 胡秀婷 叶江平 罗舜菁

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室 南昌330047）

血糖生成指数（GI）是反映食物中碳水化合物升高血糖能力的指标，它的高、低直接影响餐后血糖应答，对预防和控制慢性病有重要指导作用[1]。米饭作为我国人民主食之一，其GI 值范围为83～88[2]，会引起较高的血糖反应，对糖尿病患者和高血糖人群的健康不利。制备一种GI 值低于普通米饭的新型米制品具有重要意义。目前，已有人将挤压重组技术用于新型大米产品的制备，研究主要涉及工艺优化、品质改良、营养强化[3-5]等，对挤压重组米GI 值的研究尚欠缺。王娴等[6]研究了添加菊粉、大豆多糖和燕麦麸对挤压重组米熟化前的GI 值的影响，而未研究挤压重组米蒸煮后的GI值。然而，研究表明食物在高温熟化前、后其GI 值有显著差异[7]。如Allen 等[8]发现甘薯经蒸煮、烤制等热处理后，GI 值升高。大部分食物需经过高温熟化后才能食用，研究挤压重组米蒸煮熟化后的GI 值更具实际意义。

食物组成是影响食物GI 值的重要因素，包括膳食纤维含量、蛋白质含量、直链/支链淀粉比例等[7]。Schulz 等[9]研究发现包括大米在内的33 种食物的GI 值与膳食纤维含量呈显著正相关。Gulliford 等[10]发现添加25 g 蛋白质后，土豆泥的GI 值降低。Akerberg 等[11]研究发现，采用高比例的直链/支链淀粉制作的面包的GI 值较低。基于以上研究现状，本研究以燕麦膳食纤维、大米蛋白和高直链玉米淀粉为添加物，以双螺杆挤压技术[12]为手段制备挤压重组米，研究3 种添加物对挤压重组米熟化后的GI 值的影响及机理，比较3 种挤压重组米的微观结构、蒸煮性质和质构特性，为制备较低GI 值且食用品质较好的挤压重组米做出初步探索。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

原料：早籼米，江西奉新县应星大米加工厂；大米蛋白，江西金农生物科技有限公司；燕麦膳食纤维，陕西慈缘生物技术有限公司；高直链玉米淀粉（Hi-maize 260，HM），美国国民淀粉公司。

试剂：猪胰α-淀粉酶（16 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（300 U/mL），美国Sigma 公司；葡萄糖试剂盒，爱尔兰Megazyme 公司。

主要仪器：锤片式粉碎机，江西红星机械公司；75 型双螺杆挤压机，武汉江声科技有限公司；VIS-7200 紫外可见分光光度仪，北京普析通用公司。

1.2 试验方法

1.2.1 挤压重组米的制备 工艺流程：籼米粉、添加物→调质→挤压→造粒→干燥→成品。

大米蛋白、燕麦膳食纤维或高直链玉米淀粉添加量占进料湿基的质量分数均为20。挤压条件：物料湿基含水率30%，螺杆转速120 r/min，喂料转速60 r/min，机筒从出料端到进料端的温度分别为1 区70 ℃，2 区90 ℃，3 区105 ℃，4 区95℃，5 区85 ℃，6 区75 ℃。制备成4 组样品，分别为燕麦膳食纤维挤压重组米（DFER）、大米蛋白重组米（RPER）、高直链玉米淀粉重组米（HMER）、挤压空白米（ER）。以原大米（NR）和挤压空白米（ER）作为对照组。将制备好的样品在50 ℃烘箱中干燥12 h，冷却包装待用。

1.2.2 淀粉含量测定 参照GB/T 5009.9-2008[13]。

1.2.3 血糖指数测定 采用Connolly[14]和Frei[15]的方法并稍加修改。称取100 mg 样品置于50 mL 离心管中，加入2 mL 水，沸水浴15 min 糊化，再添加13 mL pH 5.2 的0.2 mol/L 乙酸缓冲液，在37℃恒温水浴下平衡10 min，再加0.2 mL 混合酶液（胰α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶15 U/mL），在37 ℃恒温水浴下振荡（转速为150 r/min）并准确计时。振荡反应0，30，60，90，120，180 min 后分别取0.1 mL 上清液加入至2 mL 无水乙醇进行灭酶处理，用GOPOD 葡萄糖试剂盒在510 nm 处比色测定葡萄糖含量，每个样品平行测定3 次取平均值，绘制淀粉水解曲线。

对重组米淀粉水解率曲线进行一级动力学拟合，其方程为Ct=C∞（1-e-kt），用Origin 软件进行拟合得到水解动力学常数k。水解曲线下的面积AUC 由以下公式得出：

式中：Ct——在t 时间时样品中淀粉的水解比例；C∞——反应180 min 后淀粉的水解比例；tf——最终反应时间 （180 min）；t0——最开始反应时间（0 min）；k——动力学常数。

水解指数（HI）由以下公式得到：Goni 等[16]得出HI 与GI 存在高度的相关性（r=0.894），根据HI 来预测GI 的计算公式如下：

GI=39.71+0.549HI

1.2.4 淀粉长程和短程结构 分别采用X 射线衍射法（WXRD）[17]和衰减全反射傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）[18]分析重组米淀粉的长程结构和短程结构。

1.2.5 体视显微镜和扫描电镜观察 取原大米和挤压重组米样品进行体式显微镜观察和拍照。用扫描电镜观察各样品蒸煮前和蒸煮冻干后的截面。

1.2.6 蒸煮品质 参考Wu[19]的测定方法，测定米样的熟化时间、水分吸收率、体积膨胀率。

1.2.7 质构测定 参考米饭质构特性的测定方法[20]，测定得到重组米饭的硬度、黏度。

2 结果与分析

2.1 血糖生成指数

在0～180 min 内，HMER 的淀粉水解速率曲线最低，NR 次之，ER 最高。对比NR 和ER 可知，挤压加工会加快米样淀粉水解速率[21]。原因可能是挤压过程中的高温、高压和高剪切作用导致淀粉分子间的氢键断裂，发生降解和部分糊化，增加了淀粉对消化酶的敏感性[22]。对比HAER 和NR可知，添加高直链玉米淀粉可明显延缓米样淀粉水解速率。另一方面，RPER 和DFER 的淀粉水解速率曲线略低于ER，但均高于NR，表明添加燕麦膳食纤维和大米蛋白可略微降低米样的淀粉水解速率，但效果较弱，不及挤压加工提高米样淀粉水解速率的效果。

图1 不同米样的淀粉水解速率曲线Fig.1 Starch hydrolysis curve of different rice samples

由表1可知，HAER 蒸煮熟化后的GI 值最低（84.5），NR 次之（89.5），ER 最高（95.4），该结果和图1中的淀粉水解速率变化规律一致。对比NR和ER 可知，挤压会显著增加米样的GI 值（P＜0.05），与图1中的淀粉水解速率结果一致。对比HMER 和NR 可知，表明以高直链玉米淀粉作为添加物，能制备出熟化后GI 值显著低于天然大米的挤压重组米。另一方面，RPER 和DFER 的GI值略低于ER，但三者无显著性差异 （P＞0.05），且三者均显著高于NR（P＜0.05），表明添加20%比例的燕麦膳食纤维和大米蛋白不能制备出熟化后GI 值低于普通大米的挤压重组米。

表1 不同米样的消化模型参数、血糖生成指数Table 1 Digest model parameters，estimated glycemic index of different rice samples

2.2 淀粉长程结构和短程结构

图2展示了各米样的X 衍射图（图2a）和相对结晶度（图2c）。从图2a 可以看出，NR 在15°和23°位置上有两个单峰，在17°和18°位置有一个未分开的双峰，属于典型的A 型淀粉结晶峰[23]。ER、DFER、RPER 和HAER 没有发现A 型淀粉结晶峰，但在13°和20°位置上出现新峰，表明这4 组挤压重组米中的淀粉形成了V 型结晶。V 型结晶被认为是直链淀粉和脂类物质的复合物，溶解温度高且难以消化[24-25]，属于RS3 型抗性淀粉。HMER 的V 型结晶峰最高，这可以解释为何HMER 在熟化后的GI 值最低。

由 图2c 可 知，NR、DFER、HAER、ER、RPER的相对结晶度呈降序排列，分别为19.6%，5.66%，5.26%，4.57%和2.99%。挤压重组米的相对结晶度均显著低于原米（NR）（P＜0.05），这是由于挤压过程中的高温作用使淀粉发生了糊化。淀粉糊化后，在冷却的过程中又会发生老化，重新形成结晶，使淀粉结晶度再次升高。DFER 和HAER 的结晶度比ER 高，表明添加燕麦膳食纤维和高直链玉米淀粉会促进挤压重组米的淀粉老化。相反，RPER的结晶度比ER 低，表明添加大米蛋白会抑制挤压重组米的淀粉老化。从图2c 中可以看出，NR、DFER、HAER、ER、RPER 的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值分别为1.85，1，0.869，0.8，0.69，该结果也与结晶度结果一致。

图2 不同米样中淀粉的长程结构（a）、短程结构（b）和结构参数（c）Fig.2 Long-range order （a），short-range order （b）and structural parameters （c）of starches from different rice samples

2.3 外观形貌和微观结构

图3 不同米样的体视显微镜图和电镜图Fig.3 Stereomicroscope and scanning electron microscope of different rice samples

图3a、3d、3g、3j、3m 分别展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 的外观形貌图。HMER 和ER 在透明度和颜色上与NR 接近，而DFER 和RPER 均呈现黄棕色，与NR 差别较大。图3b、3e、3h、3k、3n 分别展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 蒸煮前的微观结构图，各米样之间存在显著差异。在NR 的断面中可观察到淀粉颗粒（图3b中粗箭头所指）和胚乳细胞壁（图3b 中细箭头所指）[26]，而在挤压重组米的断面中观察不到，原因是挤压过程中的高温、高压和高剪切力作用使淀粉颗粒发生糊化，细胞壁被破坏。此外，ER、DFER和RPER 的断面均凹凸不平，而HMER 断面平整光 滑。图3c、3f、3i、3l、3o 分别展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 蒸煮后的微观结构图。各米样蒸煮后截面呈蜂窝状，有密集的微孔，其中NR 的微孔最大且数量最多，而ER 的微孔最小且数量最少，DFER、RPER 和HMER 的微孔数量和大小介于NR 和ER 之间，三者无明显差异。这些微孔由米样冻干时水分蒸发而产生，可反映大米蒸煮时的水分吸收率和体积膨胀率。蒸煮后的微观结构图表明NR 的水分吸收率和体积膨胀率最大，ER 的水分吸收率和体积膨胀率最小，而DFER、RPER 和HMER 的水分吸收率和体积膨胀率相近，并介于NR 和ER 之间。

2.4 蒸煮和质构性质

由表2可知，4 组挤压重组米的蒸煮性质和质构性质均与NR 有明显差异。4 组重组米的熟化时间、水分吸收率、体积膨胀率、硬度和黏度均显著低于NR（P＜0.05）。与ER 相比，DFER、RPER、HMER 的水分吸收率、体积膨胀率和黏度没有显著差别（P＞0.05），且熟化时间相差也较小，表明添加燕麦膳食纤维、大米蛋白和高直链玉米淀粉对挤压重组米的蒸煮性质和黏度影响很小。DFER、RPER 的硬度显著低于ER（P＜0.05），而HMER 和ER 的硬度之间无显著性差别（P＞0.05），表明添加燕麦膳食纤维和大米蛋白会显著降低挤压重组米的硬度，而添加高直链玉米淀粉对挤压重组米的硬度影响不大。

表2 不同米样的蒸煮和质构性质Table 2 Cooking and textural properties of different rice samples

3 结论

添加高直链玉米淀粉可明显降低大米的淀粉水解速率和蒸煮后的GI 值，因为高直链玉米淀粉重组米形成了更多难消化的V 型淀粉结晶，且在透明度和颜色上与天然大米（NR）相近。而添加燕麦膳食纤维和大米蛋白的挤压重组米GI 值显著高于天然大米略小于挤压空白米，且在颜色上与NR 差别较大。由于挤压过程中发生的淀粉糊化作用使得各挤压重组米蒸煮前后的微观结构、蒸煮性质和质构性质与NR 相比均存在显著差异 （P＜0.05）。添加燕麦膳食纤维、大米蛋白和高直链玉米淀粉对挤压重组米的蒸煮性质和蒸煮后的黏度影响很小。添加燕麦膳食纤维和大米蛋白会显著降低挤压重组米蒸煮后的硬度，而添加高直链玉米淀粉对挤压重组米蒸煮后的硬度影响不大。燕麦膳食纤维和高直链玉米淀粉会促进挤压重组米的淀粉老化，而大米蛋白会抑制重组米的淀粉老化。本研究所制备的高直链玉米淀粉挤压重组米虽然食用品质不同于原大米，但在熟化后仍具有较低的GI 值并与原大米有相近的外观，可作为高血糖人群的大米替代物。