低GI淀粉原料的筛选及理化特性和体外消化特性的研究

徐箐，柳嘉，林静，丁方莉，段盛林，朱守创

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北邯郸056038；2.中国食品发酵工业研究院有限公司功能主食创制与慢病营养干预北京市重点实验室，北京100015）

淀粉是食物的重要组成成分，咀嚼米饭时，唾液中的淀粉酶可将淀粉水解成单糖，因此有甜味。食物进入胃肠后，还能被胰脏分泌的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小肠壁吸收，成为血糖。糖尿病等慢性疾病患者需要注意碳水化合物的摄入，食用能够缓慢释放的淀粉制品能有效控制餐后血糖水平，减少发病机会。因此筛选缓慢消化及预测血糖生成指数（expected glycemic index，eGI）较低的淀粉原料是开发慢消化淀粉制品的一个重要途径。

淀粉组分、直链淀粉含量、加工工艺等均会显著影响食物的GI值。Englyst等[1]根据淀粉在人体小肠中消化速度的差异将食物中的淀粉分为快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）。研究显示，SDS可以缓慢消化并持续释放能量，GI值较低，以SDS、RS和膳食纤维为主要原料制作食品可以显著降低食物的消化速度，降低餐后血糖，并能够减少饥饿感[2-4]。Wolver等[5]的研究结果表明：马铃薯、大米、意大利面和大麦中直链淀粉含量较高，食用这些食品制品的餐后血糖值也较低。此外，淀粉GI值大小与工艺糊化程度有关，食物经过蒸煮处理后，水分的介入和热胀作用会使淀粉颗粒膨胀，更易于消化，GI值也会显著升高。赵凯等[6]发现可通过抑制淀粉颗粒糊化和促进淀粉老化，来降低淀粉消化速率，进而降低GI值，淀粉颗粒大小和黏度也会影响其GI值。近些年来，通过研究低GI淀粉，研发和生产适合慢性病患者食用的产品，已成为国内外科研机构、生产企业和学者们追逐的热点。

为筛选出可以缓慢消化吸收、降低餐后血糖应答的淀粉，本文探究了不同来源的淀粉如玉米淀粉、大米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的基本组成、颗粒形貌、粒径分布、糊化特性、直链淀粉含量、淀粉组分等理化特性及体外消化特性，并计算eGI值。分析不同种类的淀粉理化特性与体外消化特性的关系，并筛选出适合糖尿病人群食用的慢消化淀粉原料，以提高淀粉的附加值，拓展淀粉的应用范围，对于开发调节血糖和控制糖尿病的主食类产品具有重要意义。此外，由于GI测试一个食物样品至少需要10个志愿者进行3次以上的测试，试验过程繁琐，测试费用昂贵，而且影响因素较为复杂，而通过体外消化模型研究食物的水解情况，并比较其eGI值，可快速大量地进行原料筛选，且对GI值有一定的预测性。本文首次对不同来源淀粉的理化特性与体外消化特性展开分析，旨在为后续的低GI产品开发的原料筛选提供一定的研究思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豌豆淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉：新乡良润全谷物食品有限公司；木薯淀粉：宜佳国际贸易有限公司；大米淀粉：广州海希生物科技有限公司；小麦淀粉、鹰嘴豆淀粉：中国食品发酵工业研究院功能主食创制与慢病营养干预北京市重点实验室自制。α-淀粉酶（≥120 U/mg）、胰酶（4×USP）、转化酶（≥300 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（120 U/mg）、胃蛋白酶（≥250 U/mg）：美国Sigma公司；标准直链淀粉、标准支链淀粉：北京索莱宝科技有限公司；葡萄糖测定试剂盒：南京建成泰浩生物科技有限公司；其他化学试剂均为化学分析纯。

1.2 仪器设备

PL203分析天平：梅特勒-托利多仪器有限公司；MYP11-2A磁力搅拌器：上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；SHA-B水浴恒温振荡器：金坛精达仪器制造有限公司；HC-3018R离心机：安徽中科中佳科学仪器有限公司；Phenom ProX台式扫描电子显微镜：荷兰Delmic公司；754紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；Spectra Max i3酶标仪：美国MD公司；S3500激光粒度分析仪：美国麦奇克有限公司；RVA-TecMaster快速粘度分析仪：瑞典Perten Instruments公司；CA-HM差式扫描卡路里仪：北京盈盛恒泰科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉制备

1.3.1.1 鹰嘴豆淀粉碱法提取

挑选颗粒饱满的鹰嘴豆→除杂→温水浸泡→磨碎→经胶体磨打浆，反复加水匀浆→静置取上清→过滤（沉淀用0.4% NaOH脱蛋白）→烘干→粉碎过100目筛→粗淀粉。

1.3.1.2 小麦淀粉提取

小麦面粉加水揉团→静置→加适量食盐→反复揉洗，得到淀粉乳→烘干→粉碎过100目筛→粗淀粉。

1.3.2 样品基本组分分析

采用食品热量成分检测仪对7种淀粉的基本组成成分进行分析，首先预热机器30 min，打开样品仓，放置反射空白板，待软件提示后放置样品，将混好的样品（约3 g），铺平，放入样品后开始测试，每个样品测定3次。

1.3.3 X射线台式能谱扫描电镜观察淀粉颗粒微观结构

用双层导电胶将各淀粉粉末固定于电镜载物台上，用氮吹系统除去易滑落颗粒，显微镜使用5 kV的激光光源，在Image模式下拍照。通过台式扫描电子显微镜观察不同淀粉样品在1 000倍和2 000倍电镜下的表观和形态特征。

1.3.4 颗粒粒径分布的测定

采用激光粒度仪测定淀粉颗粒粒度。首先打开激光粒度仪进样器及检测器，启动激光粒度仪软件，设定FIEX干法程序，校准后称取2 g的淀粉样品按操作提示开始进样测定。

1.3.5 淀粉糊化特性分析

取3.0 g淀粉样品，加入25 mL蒸馏水，于专用容器中混匀。通过快速粘度分析仪RVA-Tec Master对谷物粉、豆类粉进行糊化特性的测定并采用TCW软件记录数据，每个样品测3次[7-8]。

1.3.6 淀粉直链淀粉的测定

参照NY/T 55-1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》，根据不同直链、支链比例的淀粉与碘试剂显色结果不同，在620 nm读取OD值，制作混合校准曲线，后测定各淀粉样品的OD值，并参照标准曲线计算直链淀粉含量[9]。

式中：G为从相应的混合校准曲线求出的直链淀粉含量，mg；m为称取样品中所含粗淀粉的质量，100 mg。

1.3.7 淀粉组分的测定

在Englyst方法基础上进行调整，确定合适的酶用量及其比例、反应pH值等[10]。

1.3.7.1 游离葡萄糖的测定

取1 g淀粉的待测样品，加入20 mL去离子水和转子沸水浴糊化30 min。冷却至37℃，加入3 mL转化酶，37℃水浴振荡30 min→取1 mL上清液加4 mL无水乙醇，离心，采用葡萄糖氧化酶法测葡萄糖含量。

1.3.7.2 淀粉各组分含量的测定

取1 g淀粉样品→加10 mL去离子水，沸水糊化30 min→于37℃水浴中平衡温度，放入转子和10 mL新鲜制备的胃蛋白酶-瓜尔豆胶溶液，在37℃摇床孵育30 min→加5 mL pH=5.2醋酸钠缓冲液，调pH值至5.0→加5 mL混酶，补水至50 mL，此时作为孵育的时间零点且不中断→在20、120 min时分别取1 mL样品加入4 mL无水乙醇，离心。采用葡萄糖氧化酶法测葡萄糖，得 G20、G120。

式中：RDS为20 min内水解的淀粉含量；SDS为20 min～120 min内水解的淀粉含量；RS为120 min内仍不能水解的淀粉含量；G20为酶解20 min后产生的葡萄糖含量，mg；G120为酶解120 min后产生的葡萄糖含量，mg；FSG为酶解前游离葡萄糖含量，mg；W为总淀粉量，mg。

1.3.8 淀粉体外消化试验

取可利用碳水化合物为1 g的玉米淀粉（1.29 g）、马铃薯淀粉（1.29 g）、豌豆淀粉（1.27 g）、木薯淀粉（1.25 g）、小麦淀粉（1.15 g）、鹰嘴豆淀粉（1.29 g）和大米淀粉（1.15 g）样品，分别加入10 mL去离子水，沸水浴15 min，期间不断进行磁力搅拌后置于37℃水浴中，待温度平衡。参考已报道方法[11-13]，通过建立体外消化模型，测定7种淀粉的水解率，并绘制水解率和时间关系图。

1.3.9 淀粉eGI的计算方法

参照 Ackerberg 等[14]及 Granfeldt等[15]的方法，通过绘制淀粉水解率和时间的标准曲线，模拟方程，曲线下面积表示食物消化后对血糖的影响。以白面包为参考标准，定义白面包的水解率为100，按照eGI与氢化指数（hydrogenated index，HI）的关系式，计算出样品的eGI值。

HI=不同淀粉的消化曲线下面积（0～120 min）×100/标准物质消化曲线下面积（0～120 min）；

1.3.10 数据处理

试验数据采用Origin 9.1作图。试验重复3次，结果用x±SD表示。用SPSS 20.0和Excel 2016处理试验数据并对试验结果进行单因素方差（One-Way ANOVA）分析，p＜0.05 表示显著差异。

2 结果与讨论

2.1 样品基本组分分析

7种淀粉的基本组分测定结果见表1。

表1 7种淀粉营养成分表Table 1 Nutrients of 7 types of starch

结果表明：玉米淀粉、小麦淀粉和鹰嘴豆淀粉中蛋白质含量较高；鹰嘴豆淀粉和大米淀粉含有较高的脂肪；豌豆淀粉中蛋白质和脂肪含量最低；而玉米淀粉和鹰嘴豆淀粉中的碳水化合物含量最低。

2.2 颗粒形貌分析

食物颗粒大小会影响食物的消化速度，也会影响糊化程度。对所选几种淀粉颗粒微观结构进行观察，结果如图1所示。

图1 7种淀粉颗粒超微形貌分析Fig.1 Analysis of the ultrafine morphology of seven starch granules

各试样在扫描电镜下的图像清晰度高，三维立体感强。不同植物来源的淀粉颗粒，大小和形貌上均有不同的表征。大米淀粉颗粒最小，多为多边形，表面较粗糙；玉米淀粉为多角形，表面具有多个棱角且光滑；小麦淀粉颗粒表面不光滑多呈褶皱块状，可能是由于表面附有杂质造成的，但不影响观察；马铃薯淀粉和木薯淀粉颗粒形态接近，绝大多数颗粒呈球形，颗粒大小不一，表面光滑；鹰嘴豆淀粉和豌豆淀粉形态接近，呈肾型，部分颗粒的纵向侧面有赤道凹槽结构，表面光滑。本试验所得的几种淀粉颗粒的表观结果与王绍清[16]的研究结果描述基本一致。

2.3 颗粒粒度分析

不同淀粉颗粒粒度分布分析见图2。

由图2可知，7种淀粉颗粒的粒度均呈正态分布。马铃薯淀粉、玉米淀粉、豌豆淀粉、鹰嘴豆淀粉和木薯淀粉颗粒粒度分布比较集中，仅出现一个峰，说明其淀粉粒径大小较均匀；豌豆淀粉、鹰嘴豆淀粉和木薯淀粉的粒度分布范围相对较窄，其中豌豆淀粉粒度分布最窄，说明豌豆淀粉粒度分布最均匀；小麦淀粉颗粒分布出现3个峰，粒度分布最为分散，说明其颗粒有明显的大小差异[17]，以上结果与扫描电镜图显示的结果一致。

图2 不同淀粉颗粒粒度分布分析Fig.2 Analysis of particle size distribution of different starch granules

2.4 淀粉糊化性质分析

不同淀粉糊化特征参数见表2。

表2 不同淀粉糊化特征参数Table 2 Different starch gelatinization parameters

通过淀粉的糊化温度、峰值黏度、衰减值及回升值对其糊化特性进行评定，由表2可知，7种淀粉的成糊温度均在60℃～80℃之间。木薯淀粉和马铃薯淀粉糊化温度相对较低，易于糊化。大米淀粉和玉米淀粉糊化温度相对较高，难于糊化。糊化温度因直链淀粉含量、结晶度和支链淀粉结构等的不同而存在差异，一般来说，小颗粒淀粉的糊化温度高于大颗粒淀粉的糊化温度[18]。

大米淀粉和玉米淀粉的衰减值低，糊化温度高，表明其溶胀后的淀粉颗粒强度大，不易破裂；马铃薯淀粉的峰值黏度和衰减值都远大于其他几种淀粉，且其回生值也较小，说明马铃薯淀粉的热稳定性和凝胶强度较差；豌豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的回生值较高，说明颗粒易于老化，冷糊稳定性差。豆类淀粉回生值均大于谷物淀粉回生值，说明豆类淀粉更容易老化，这与豆类淀粉中直链淀粉含量较高有关。豆类淀粉最终黏度显著高于谷物淀粉（p＜0.05），这是由于直链淀粉聚集引起的[19]。

2.5 直链淀粉和淀粉组分的测定

用一定浓度两种标准淀粉溶液与碘反应，以直链淀粉毫克数为横坐标，OD值为纵坐标，得到混合标准曲线方程：y=0.105 4x+0.090 6（R2=0.997），代入可计算出直链淀粉含量[20]。

将直链淀粉含量代入标准曲线方程：y=0.003 7x+0.151（R2=0.992），并利用 Englyst法，计算得到不同种类淀粉的RDS、SDS以及RS含量[21]，淀粉组分的结果如表3所示。

玉米淀粉RDS含量最高，马铃薯淀粉SDS含量最高，鹰嘴豆淀粉的RS含量最高。淀粉的消化性能主要取决于直链淀粉和支链淀粉的比例，比例均衡会利于消化，豌豆淀粉和鹰嘴豆粉淀粉的消化性较低，其次是马铃薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和小麦淀粉，而大米淀粉消化性最好。Wolver等[5]发现，直链淀粉含量与GI值有关，直链淀粉含量越高，GI值越低。豌豆淀粉中直链淀粉虽略高于鹰嘴豆淀粉，但其RSD含量也高，因此相比之下鹰嘴豆淀粉更适合作为低GI淀粉制品原料。

表3 不同淀粉的直链淀粉含量和淀粉组分Table 3 Amylose content and starch component of of different starches

2.6 淀粉体外消化特性分析

通过体外模拟法对7种淀粉体外消化过程中不同时间点水解率的变化进行检测。结果如图3所示。

图3 不同淀粉体外消化率Fig.3 In vitro starch digestibility of different starches

对照组白面包的水解率明显高于淀粉组。消化0～45 min内，谷类淀粉除马铃薯淀粉外，水解率均高于鹰嘴豆淀粉，所有淀粉在水解90 min后水解率趋于平稳，消化计时结束时，鹰嘴豆淀粉的水解率最低。鹰嘴豆淀粉能缓慢水解，对葡萄糖浓度影响较小，这与缪铭等在对鹰嘴豆淀粉结构与性质的探讨中得到的结论一致[22]。鹰嘴豆淀粉体外葡萄糖水解浓度增加速度比较缓慢，可作为食品原料添加到易引起人体血糖升高的食物中，适合作为原料开发糖尿病病人食品。

最终水解率大小顺序为：白面包＞玉米淀粉＞大米淀粉＞木薯淀粉＞马铃薯淀粉＞豌豆淀粉＞小麦淀粉＞鹰嘴豆淀粉。Kate等总结了已发表和未发表的不同种类食物的GI值，发现豆类及豆类制品均具有较低的GI值，大米谷物类GI值比较高，这与本试验结果一致，豆类由于自身含有抗酶解的物质所以难于消化[23]。淀粉分为A、B、C 3种类型：谷类淀粉通常为A型淀粉颗粒，其热力学性质最稳定；在薯类淀粉中B型淀粉颗粒比较常见；豆类淀粉通常为C型淀粉颗粒。A型比B型和C型淀粉颗粒容易消化，这也是大多豆类比谷物类GI低的原因之一[24]。李恒等[25]探讨了淀粉颗粒大小对其水解特性的影响，得出颗粒越大越难消化，颗粒越小越难糊化，这与本文得出的大米淀粉颗粒最小，最易消化的结果一致，表明颗粒大小与水解性存在一定相关性。

2.7 不同种类淀粉eGI

不同淀粉样品的eGI值见表4。

表4 不同淀粉样品的HI、eGITable 4 HI，eGI of different starches

计算得出，鹰嘴豆淀粉eGI值为48.9，与缪铭等的研究中鹰嘴豆淀粉[22]的eGI值46.9差异不大，豌豆淀粉eGI值为59.9，两种豆类的eGI值均显著低于白面包的eGI值，且鹰嘴豆淀粉的eGI值最低，适合作为糖尿病人食品原料。大米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉均为高eGI食物，小麦淀粉和玉米淀粉谷物类淀粉属于中eGI食物，此结果与杨月欣等[26]研究结果[白面包GI为 87.9，马铃薯（煮）GI为 66.4，糯米饭 GI为 88]略有出入，这可能是因为淀粉制品GI值低于淀粉eGI值，体内外试验略有差异。通过模拟人体口腔咀嚼、胃部消化和小肠消化的体外消化模型，可用于预测食物的血糖应答，并可通过计算得到食物的eGI值。相关研究结果还表明，通过人体试验得出的GI值较体外模拟更为准确，但体外模拟试验时间短、成本低，在前期筛选具有优势[27-28]。

3 结论

通过测定玉米淀粉、大米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的理化特性和体外消化性，得出不同淀粉的颗粒的形态和大小有所差异，同种类淀粉颗粒形貌具有相似性。快速粘度仪分析可得木薯淀粉和马铃薯淀粉糊化温度相对低，易于糊化；而大米淀粉和玉米淀粉糊化温度相对较高，难于糊化。鹰嘴豆淀粉和豌豆淀粉中直链淀粉和RS含量高，水解率增幅比较缓慢，水解反应终止时水解率比其它5种谷物淀粉要低。采用体外消化法测得的豌豆淀粉eGI值为59.90，鹰嘴豆淀粉eGI值为48.89，显著低于白面包的eGI值，属于低eGI淀粉。淀粉的颗粒大小、直链淀粉含量与糊化特性均存在一定正相关性，直链淀粉含量，RS和SDS含量与淀粉体外消化特性存在一定的正相关性。该研究对于低GI淀粉类制品的开发具有一定指导意义，为开发适合糖尿病等人群食用的低GI食品奠定了基础。