一款用于医学营养减重的低GI代餐粉的开发与评价

刘义凤,熊菲菲,李克文,贾福怀,段盛林,韩晓峰,*

(1.中国食品发酵工业研究院有限公司,北京 100015; 2.功能主食创制与慢病营养干预北京市重点实验室,北京 100015; 3.宁波御坊堂生物科技有限公司,浙江宁波 315012; 4.保龄宝生物股份有限公司,山东德州 251200)

随着社会经济的快速发展,中国居民饮食结构和生活方式在改革开放以后发生了重大变化[1],使中国近几十年的疾病谱也发生了很大变化。肥胖症、糖尿病和心脑血管疾病等慢性病的比例不断上升[2]。科学研究和临床实践表明:预防和控制慢性病发生的关键在于合理的膳食结构和科学的生活方式。为更好地发挥医学营养治疗在预防肥胖中的作用,《中国超重肥胖医学营养治疗专家共识》[3]等标准和共识相继出台。

血糖生成指数(Glycemic index,GI)是反映含有碳水化合物的食物对餐后血糖影响程度的指标,是一种全新的分析和评价食物的方法[4]。肥胖与食物的GI密切相关。低GI饮食能增强饱腹感,延缓饥饿,所引发餐后血糖的波动较小。胰岛素的分泌量较低,有助于控制体重。胰岛素是葡萄糖代谢的主要调节因子,同时在脂肪代谢中也起着关键作用,能促进脂肪的储存[5]。现阶段代餐粉种类繁多,品质参差不齐,在原理上多数具有低能量、高饱腹的特点,通过减少食物的摄入而降低体重。但存在有代餐粉营养结构不合理,缺乏维生素及矿物质的摄入等情况,长期食用这类代餐粉,反而会出现营养素缺乏而导致营养不良,给身体带来不利影响。

为了帮助肥胖人群安全合理地减重,降低代谢类慢性疾病的发生几率[6],本文以“专家共识”中的限能量平衡膳食模式为指导[3],开发一款适用于医学营养减重的代餐粉(简写为代餐粉)产品。结合科学的体重管理方法[7],旨在让超重及肥胖人群实现科学健康减重,并且逐渐养成良好的饮食生活习惯。本文将特定的复配脂质微胶囊化,作为目标代餐粉的脂肪来源,筛选蛋白粉原料,设计供能比,最终得到基础配方;采用制粒的加工方式实现代餐粉的速溶;最后通过人体GI的测定,评价代餐粉餐后2 h血糖应答。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

精炼大豆油、精炼菜籽油 益海嘉里有限公司;紫苏籽油 河北欣奇典生物科技有限公司;中链甘油三酯 丹尼斯克有限公司;辛烯基琥珀酸淀粉钠(HI-CAP 100) 国民淀粉(上海)有限公司;茶多酚棕榈酸酯(Tea Polyphenol Palmitate,TP) 河南瑞仁生物工程有限公司;L-抗坏血酸棕榈酸酯(L-Ascorbgyl Palmitate,L-AP) 武汉浩荣生物科技有限公司;营养谷物粉、南瓜粉、葛根粉 天津富海泰技术有限公司;菊粉、抗性糊精 保龄宝生物股份有限公司;乳清浓缩蛋白 天津银河伟业进口有限公司;大豆分离蛋白 杜邦郑州蛋白有限公司;奇亚籽、大白芸豆粉、水解小麦蛋白肽粉 中食营科生物科技有限公司;魔芋粉 浙江上方生物科技有限公司;左旋肉碱、三氯蔗糖 郑州百斯特食品添加剂有限公司;复合维生素、复合矿物质 上海励成营养科技有限公司。

PL203电子精密天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;T25基本型ULTRA-TURRAX分散机 德国IKA公司;HomoLab高压均质机 意大利FBF公司;B-290小型喷雾干燥机 瑞士步琦实验室仪器公司;Phenom ProX型台式能谱扫描电镜 荷兰Delmic公司;Turbiscan Tower多重光散射仪 法国Formulaction公司;S3500激光粒度分析仪 美国麦奇克有限公司;BT-1001智能粉体特性测试仪 丹东百特仪器有限公司;2-10-15高速混合制粒机 常州市佳发制粒干燥设备有限公司;WBF-1多功能流化床实验机 重庆英格制药机械有限公司;MA150快速水分测定仪 德国Sartorius公司;AU480全自动生化分析仪 贝克曼库尔特实验系统(苏州)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复配油脂的组成 研究显示,ω-3 多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acids,PUFAs)有重要的营养价值和功能性作用[8-10],如防治心血管疾病等[11]。紫苏籽油不饱和程度高,其含有约60%的α-亚麻酸,因此可作为ω-3 PUFAs 的重要来源[12]。大豆油含有约50%的亚油酸,菜籽油含有较多的单不饱和脂肪酸;另外中链甘油三酯(Medium-chain triglyceride,MCT)作为一种独特的油脂,能够快速供能,在临床上也常用于减重,其中MCT占总脂肪的20%。本文依据中国居民膳食指南2016[13]中常见油脂中脂肪酸组成图进行计算,得出的复配脂质可专用于肥胖人群,保障其基本的供能,而且还具有减少慢性炎症累积和降低心脑血管发病风险的作用。复配油脂的组成及含量见表1。

表1 复配油脂的组成Table 1 Composition of compound oil

1.2.2 脂肪微胶囊的制备方法 将HI-CAP 100作为壁材搅拌溶解于60 ℃蒸馏水中,壁材比例为15%,形成水相;按比例混合均匀的复配油脂作为芯材,添加比例为15%,加入抗氧化剂TP和L-AP,热油溶解形成油相;TP与0.15%的L-AP进行复配,复配抗氧化剂添加量为0.3%,芯壁比为1∶1,然后在高速剪切(10000 r/min)的过程中将油相缓慢加入水相中,剪切10 min,形成粗乳液,根据预实验得出,乳状液的固形物含量为30%;将粗乳液经高压均质机(35 MPa)均质2次,均质后的乳液经喷雾干燥塔喷粉,喷雾干燥进风温度为140 ℃,出风温度为85 ℃,进料温度40 ℃，制得脂肪微胶囊[14-15]。具体工艺流程见图1。

图1 喷雾干燥法制备复配油微胶囊的工艺流程图Fig.1 Process of preparing fat microcapsules by spray drying

1.2.3 脂肪微胶囊表面结构的观察 利用扫描电镜对脂肪微胶囊的表面结构进行观察,加速电压5 kV,放大倍数为3600倍。将微胶囊分散于导电胶上,吹去多余粉末后进行观察并拍照。

1.2.4 脂肪微胶囊氧化稳定性测定 对脂肪微胶囊进行(65±2) ℃加速保藏试验,湿度75%。采用铝箔袋密封包装,放于恒温培养箱中静置,分别在0、5、10、15、20、25、30 d取出三袋,测定过氧化值[16]。混合油提取方法:参考《GB 5009.6-2016食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》,采用碱法提油。过氧化值测定方法:参考《GB 5009.227-2016食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》,采用电位滴定法。

1.2.5 代餐粉的制备 对于医学营养减重而言,肥胖人群膳食结构的调整是非常重要的一个环节,因此三大营养素的供能比应当分别设计为碳水化合物40%～55%,蛋白质20%～30%,脂肪25%～30%[13]。通过前期对蛋白粉进行溶解性筛选,选择出溶解性较好的大豆分离蛋白和乳清浓缩蛋白作为蛋白质来源;按照中国居民膳食指南的推荐,增加谷薯类的摄入,选择营养型谷物粉、南瓜粉、葛根粉和山药粉作为碳水化合物的主要来源;本文制备的脂肪微胶囊作为脂肪的主要来源。同时,添加了足量的膳食纤维(抗性糊精、菊粉和魔芋粉等)有助于促进胃肠道蠕动,增强饱腹感和减少热量摄入;左旋肉碱等功能性成分能够促进脂质代谢[17];另外,肥胖与某些微量营养素的代谢异常相关,尤其是钙、铁、锌、维生素A、维生素D及叶酸的缺乏[3],因此专门强化添加了复合维生素和复合矿物质。经过多次的试验筛选,最终代餐粉配方如表2所示。

表2 代餐粉的配方Table 2 Formula of meal replacement powder

将表2中各原料混合均匀后,通过湿法高速制粒,经流化床干燥后得到成品。高速制粒技术参数为:高速制粒机搅拌桨转速110 r/min,混合时间3 min;制粒刀转速2800 r/min,压缩空气气压0.15 MPa,蠕动泵初始转速30 r/min,流化床压力-4或-5 kPa,进风温度50 ℃(即物料温度38～40 ℃),风机频率38 Hz,直到将代餐粉的水分含量降至5%以内。

1.2.6 代餐粉粒径的测定 利用激光粒度分析仪测定代餐粉的平均粒径及粒度分布,采用干法分析[18-19]。

1.2.7 代餐粉粉体特性测定 经过智能粉体特性测定仪的操作步骤,分别安装不同的配件,依次测出代餐粉的休止角、崩溃角、差角、平板角、振实密度、松装密度等参数。

1.2.8 代餐粉的溶解性测定 采用多重光散射技术测定粉体的溶解性。向样品池中加入15 mL蒸馏水,水温控制在25 ℃。将2 g代餐粉倒入水面之上,同时利用Turbiscan进行实时多次的近红外光源(波长880 nm)扫描,每个样品的扫描时间为1 h。

1.2.9 代餐粉GI值人体测试方法 依据国际标准ISO26642:2010[20]的要求,设计GI值人体测试实验方案。

受试对象:本次测试受试者12人,身体健康,无糖代谢相关疾病,身体质量指数(Body Mass Index,BMI)18.5～23.9。受试者在试验前均签署知情同意书。

测定方法:受试者手指经消毒挥干后,用无菌采血针指尖采血,全自动生化分析仪测定血糖浓度,共计测试四次:三次饮用葡萄糖水,一次食用代餐粉。具体过程为:测定两次空腹血糖(0 min)后,饮用含25 g葡萄糖的水或食用等量可利用碳水化合物的代餐粉(须在12～15 min内用完);于0、15、30、45、60、90及120 min各采血一次,测定血糖,并记录结果。

GI值计算公式:

GI=受试物餐后2 h内血糖曲线下增值面积IUAC/等量葡萄糖餐后2 h内血糖曲线下增值面积IUAC×100

根据GI值的分类标准,低于55为低GI,55～70为中GI,高于70为高GI[20]。

1.3 数据处理

利用Origin 8.5软件对数据进行单因素方差分析,显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 脂肪微胶囊的特性

2.1.1 脂肪微胶囊的微观结构 本实验以HI-CAP 100作为壁材制备脂肪微胶囊。微胶囊的表面形态结构能够反映壁材在喷雾干燥过程中的包覆特性。如图2所示,微胶囊颗粒主要呈球形,小颗粒会吸附在大颗粒表面,颗粒表面较完整、光滑致密,表明其具有较好的完整性和致密性,能够避免氧气与油脂的接触,减少油脂氧化[11]。微胶囊表面出现的凹槽,可能是由于在喷雾干燥过程中颗粒发生皱缩而引起的,这在一定程度上影响了产品的流动性。

图2 微胶囊的表面结构Fig.2 Surface structure of microcapsules

2.1.2 脂肪微胶囊的氧化稳定性 参考实验室长期对天然抗氧化剂在油脂中抗氧化效果的研究成果[21-22],选择TP与0.15%的L-AP复配作为脂肪微胶囊的抗氧化剂,抗氧化剂按油脂的0.03%添加。植物油、脂肪微胶囊及添加抗氧化剂的脂肪微胶囊在(65±2) ℃贮存条件下的过氧化值变化如图3所示。在高温加速贮藏条件下,植物油及其微胶囊产品的过氧化值均有不同程度的上升。植物油经喷雾干燥制成微胶囊后,其过氧化值上升的幅度降低。这是由于油脂被壁材包裹,微胶囊形成的致密球状结构能较好地阻止氧气与之接触,使油脂与外部环境相对隔绝。添加复合抗氧化剂TP+0.15%L-AP的微胶囊样品的过氧化值上升幅度最小,说明复合抗氧化剂的添加可进一步提高植物油的氧化稳定性。

图3 植物油及其微胶囊在(65±2) ℃贮存条件下过氧化值的变化图Fig.3 The change of peroxide value ofoil and its microcapsules at(65±2) ℃

2.2 代餐粉的特性

2.2.1 高速制粒前后的粒径分布 通过激光粒度仪测出制粒前后代餐粉的粒径分布。从图4可知,制粒前的粒径分布有三个较明显的峰,分别在50、100、250 μm左右,而制粒后的代餐粉粒径普遍增大且分布均匀,主要在600 μm左右,部分颗粒接近或达到1 mm。粒径的增大而均匀,可以大大减少包装与使用过程中粉尘飞扬的程度,避免损失。

图4 代餐粉制粒前后的粒径分布Fig.4 Particle size distribution before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.2 代餐粉制粒前后的粉体特性 通过智能粉体特性测定仪和激光粒度仪的联合使用,评价代餐粉制粒前后的粉体特性差异。从表3可以看出,未制粒的粉体粒度较小且较分散,制粒后的粉体粒度增大且分布集中。产品的流动性指数由休止角、平板角、均齐度和压缩度共同决定[23],制粒后粉体的均齐度比制粒前有所降低,压缩度从未制粒的30.88%降低至制粒后的4.62%,这主要是由于制粒后粉体颗粒增大,颗粒间的孔隙度增大造成的,压缩度越小,粉体的流动性越好。由于粒径增大且趋于均匀,其流动性指数从59.0提高至77.5,有利于生产过程中产品的罐装[24]。

表3 代餐粉制粒前后的粉体特性Table 3 Powder parameters before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.3 代餐粉制粒前后的溶解性 运用Turbiscan多重光散射仪对代餐粉制粒前后的溶解性进行测试。由图5背散射光强度随时间的变化可以看出,制粒前的粉体随着时间的延长,其背散射光强度缓慢增大,表明未制粒的粉体缓慢地溶解到水中;而制粒后的背散射光强度自测试开始阶段就高于制粒前,且在溶解过程中背散射光强度无明显变化,表明粒径增大且均匀度提高明显改善了代餐粉的润湿性、沉降性和分散性;在投入水中时,大颗粒可以更快地与水接触,同时水分可通过制粒过程中形成的毛细管空隙快速润湿粉体,即加速了产品在水中的溶解和分散[25-26]。

图5 代餐粉制粒前后的光扫描图Fig.5 Light scanning image of meal replacement powder before and after granulation

2.2.4 代餐粉餐后2 h血糖应答结果与分析 经过测定,代餐粉的营养成分见表4。营养素参考值是通过国家标准GB 28050 附录A的要求计算得出。从表4得出代餐粉的三大供能营养素比例均衡,能量较低,蛋白质含量丰富,经过特定油脂的复配,脂肪中富含多不饱和脂肪酸,且强化了ω-3多不饱和脂肪酸的含量,可有助于减轻慢性炎症[27-28]。食用代餐粉可使肥胖人群减轻体重,且能适当补充减重过程中损失的蛋白质。

表4 代餐粉的营养成分Table 4 Nutritional ingredients for meal replacement powder

经测定,可利用碳水化合物折算为等量25 g碳水化合物的代餐粉为55.6 g。代餐粉与葡萄糖两者之间的血糖应答统计学分析结果见表5。

表5 餐后血糖反应对照Table 5 Blood glucose analysis

表6 代餐粉的GI值计算结果Table 6 GI value of meal replacement powder measured by the subjects

根据葡萄糖和代餐粉的各个时间节点血糖平均值绘制餐后2 h的血糖应答曲线[29-30],如图6所示。葡萄糖和代餐粉的空腹血糖(0 min)均在正常值范围内,且两者的血糖值均在30 min 达到峰值,随后持续下降;餐后15～45 min,代餐粉的血糖值低于葡萄糖组,且在15、30 min时两组之间均差异显著(P<0.05);餐后60～120 min,两组的血糖值均降至空腹血糖值水平,且在90、120 min时两组之间均差异显著(P<0.05)。从整体趋势来看,代餐粉的餐后血糖应答曲线较葡萄糖平稳,可以较好地稳定餐后血糖。

图6 受试物餐后2 h血糖应答曲线Fig.6 The blood glucose responsecurve of the test samples

2.2.5 代餐粉的GI测定结果 按照ISO26642:2010的标准[20],受试者GI值在AV±2 SD范围之内,视为合格,否则视为不合格并予以剔除。代餐粉的GI值测试结果见表6。GI平均值AV为52.2,标准差SD值为17.7,AV±2 SD=52.2±35.4,则GI值在16.8～87.6之间为合格。本实验所测定的12个数据均合格,代餐粉的GI值为52.2±5.1,表明代餐粉属于低GI食品。

3 结论

本文首先通过设计脂肪酸组成且采用喷雾干燥法制得脂肪微胶囊,作为用于医学营养减重代餐粉的脂肪组件。微胶囊颗粒的表面结构完整、致密,能够减少油脂氧化;添加复合抗氧化剂TP+0.15% L-AP的微胶囊可进一步提高植物油的氧化稳定性,延长微胶囊的货架期。其次,经过对三大营养素供能比进行设计,最终得到代餐粉的配方组成。第三,通过高速制粒的生产工艺显著提高了粉体的流动性,流动性指数从59.0上升到77.5;制粒后的粉体粒径主要分布在600 μm左右,且具有一定的速溶性,粉体溶解性得到明显改善。最后,对产品进行GI人体测试,表明代餐粉的餐后血糖应答较葡萄糖更平稳,食用后能起到平稳血糖的效果;并且其GI值为52.2±5.1,属于低GI食品。因此,本文开发的代餐粉营养结构均衡合理,也具有很好的稳定性和溶解性,可以作为超重/肥胖人群的理想代餐食品,能够在执行科学减重方案的过程中帮助其控制热量的过多摄入,减轻体重,逐步恢复健康的生活方式。