加工方式对红小豆粉理化性质及预估血糖生成指数的影响

杨小雪 王丽丽 丁 岚 周闲容 李春红 周素梅

(中国农业科学院农产品加工研究所；农业农村部农产品加工重点实验室，北京 100193)

红小豆(Vignaangularis)又称赤小豆或饭豆，营养价值较高，是蛋白质、碳水化合物以及维生素和矿物质的良好来源[1]，且含有抑菌[2]、抗癌[3]、降高血压[4]和胆固醇[5]等作用的多种生物活性物质。近年来，研究发现红小豆属于低血糖生成指数食物[6，7]，可有效改善餐后血糖负荷。刘芳等[8]研究发现红小豆与粳米混合蒸煮食用，能显著降低粳米淀粉消化速度，不同的加工处理会引起红小豆的血糖指数变化，其中，烹调前的粉碎处理和采用高压烹调方式均会升高红小豆的血糖反应，但仍显著低于粳米。

目前，红小豆的加工方式主要包括蒸煮加工、微波加工、滚筒加工和挤压加工。在加工过程中，豆类食品中的各物质会发生许多物理化学变化，淀粉主要发生糊化。不同加工方式可能导致淀粉不同的糊化程度，如即食麦片[9]，由于水分含量有限或加热不充分终产物会残留未完全糊化的淀粉。一般，淀粉的消化速度随糊化度升高而升高，完全糊化淀粉的消化速度显著高于生淀粉的消化速度，而淀粉在不完全的糊化时，其消化速度和血糖反应也较之完全糊化淀粉低[10]，所以加工方式可能通过影响淀粉的糊化程度影响淀粉的消化性。另外，豆类食品所含抗性淀粉为物理包埋淀粉，其淀粉颗粒被蛋白质或细胞壁包围，致使淀粉较难被消化，所以在加工过程造成的产品不同的颗粒形态也可能对淀粉消化性产生影响。因此，探讨不同加工方式对红小豆eGI值的影响及其机理，对于开发低GI食品的研究方向有指导作用。

本研究拟选取即食红小豆粉，比较研究4种加工方式对产品的理化性质和eGI，并从淀粉的糊化性质与结晶结构变化、红小豆粉的颗粒状态与微观结构变化等方面，揭示不同加工方式下红小豆淀粉消化性和血糖生成指数的影响因素。对于科学指导红小豆食品的后期加工以及为糖尿病、肥胖症患者提供低GI食品具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红小豆(冀红0015，河北农科院)、总淀粉检测试剂盒、葡萄糖检测试剂盒、淀粉葡萄糖苷酶(AMG，3 260 U/mL)、α-淀粉酶(10 U/mg)、胃蛋白酶(3 200 U/mg)、猪胰酶(4×USP)。

1.2 仪器与设备

SU8010扫描电子显微镜，Motic BA310Pol偏光显微镜，D8 ADVANCE X-射线衍射仪，TA Q200差示扫描量热仪，M1-L213B微波炉，DSE-25型双螺杆挤压机，HG-800型滚筒干燥机。

1.3 方法

1.3.1 红小豆粉加工工艺

采取4种加工方式对红小豆进行加工，产品达到95 ℃以上热水冲泡即食的要求，或称即食红小豆粉。

微波加工工艺(MC)：取100 g红小豆，以红小豆∶水为1∶3的比例在4 ℃浸泡12 h；沥干水分，置于微波炉中，在700 W功率下加热7 min；冷却、粉碎，过60目筛，得MC法即食红小豆样品。

蒸煮加工工艺(SC)：取100 g红小豆，以红小豆∶水为1∶3的比例在4 ℃浸泡24 h；沥干水分，入蒸锅蒸制30 min，取出冷却、冷冻干燥；粉碎，过60目筛，得SC法即食红小豆样品。

滚筒加工工艺(RC)：取100 g红小豆，经干法粉碎后过60目筛；加水调浆(40%料液浓度)，胶体磨均质；经滚筒干燥机(150 ℃)加工，物料收集，冷却、粉碎，过60目筛，得RC法即食红小豆样品。

挤压加工工艺(EC)：取100 g红小豆，经干法粉碎后过60目筛；加水调质(添加～20%水分)，经双螺杆挤出系统，挤压机升温程序：50 ℃—60 ℃—70 ℃—80 ℃—100 ℃，螺杆转速：160 r/min；收集挤出物，于40 ℃的恒温烘箱中干燥12 h，冷却、粉碎，过60目筛，得EC法即食红小豆样品。

对照样品的制备：取100 g红小豆原料，经干法粉碎后过60目筛，即得生红小豆粉(FC)。另采用Chung等[11]的方法提取红小豆淀粉(S)。

1.3.2 扫描电镜观察

将不同的红小豆粉末样品直接涂在覆盖有双面粘合碳带的圆形金属短棒上，然后通过溅射涂布机涂铂金，放入扫描电镜样品室，电子枪加速电压为10 kV，在100倍及1 000倍放大倍数下观察。以FC作为对照样品。

1.3.3 光学显微镜观察

将样品加入蒸馏水制成悬浊液，吸取1滴液体于载玻片上并盖上盖玻片放置于显微镜载物台，选择放大倍数为100倍，并调节至合适的光亮度，在正常光以及偏振光下观察并拍摄样品。以FC作为对照样品。

1.3.4 热特性分析(DSC)

使用差示扫描量热法检测样品的热特性。将3 mg样品(淀粉干基)样品与去离子水混合，水分比例为70%，密封在铝盘中，室温下平衡12 h。以空铝盘为参比，以10℃/min的速度从25℃到100℃扫描。以FC作为对照样品。

1.3.5 结晶特性分析

将样品预先平衡水分的待测粉末样品平铺于样品池中，放入X射线衍射仪样品台中进行测试，采用波长为 0.1542 nm的单色 Cu-Kα射线。测试管压为40 kV、管流为40 mA，扫描区域2θ=4°～40°，步长0.013 1°，连续扫描，扫描速度为2( °)/min。以S作为对照样品。

1.3.6 体外血糖生成指数的测定

按照Sopade等[12]描述的方法，对样品进行体外淀粉消化。FC预先进行20 min蒸煮作为对照样品。将混合物在37 ℃的水浴中以300 r/min搅拌孵育。加入α-淀粉酶(250 U)孵育2 min，再加入胃蛋白酶溶液(16 000 U)孵育30 min，在加入胰酶溶液(胰酶12 450 U，AMG 140 U)后于5、15、30、45、60、90、120、180 min收集消化物(0.5 mL)，加入0.5 mL的95%乙醇终止反应。在3 000 r/min离心10 min，测定上清液中释放的葡萄糖量计算红小豆粉中淀粉的消化率，转换因子为0.9。将淀粉的消化动力学曲线拟合至一阶方程(1)，以获得表观消化速率系数(k，min-1)[13, 14]。

C=C∞(1-e-kt)

(1)

式中：C、C∞和k分别是时间t的浓度，平衡浓度和动力学常数。使用水解曲线(0～180 min)，水解指数(HI)计算为样品中释放的总葡萄糖与白面包中释放的总葡萄糖的百分比。 根据式(2)估算样品的血糖指数。

eGI=39.71+0.549HI

(2)

2 结果与分析

2.1 不同加工方式下即食红小豆粉的体外消化特性比较

不同加工后红小豆粉的消化动力学曲线如图1所示，不同加工方式下的样品显示出不同的消化趋势，滚筒加工红小豆粉与对照样品豆粉消化曲线始终高于其他样品，淀粉消化速率最高；而微波加工红小豆粉的消化速率最低。消化曲线可以进一步拟合成一个一级动力学方程。结果表明，与对照样品相比，微波加工、蒸煮加工及挤压加工处理的红小豆粉最终淀粉消化率及eGI值明显降低，而滚筒加工处理的红小豆粉无明显差异。加工过程中淀粉分子的糊化程度[15]以及细胞壁和其他物质形成的物理屏障作用都将是影响酶与淀粉反应速率的因素[16]。因此，本文进一步分析了不同加工方式下，红小豆粉的微观结构、糊化特性、淀粉结构等相关因素，以期详细阐明不同加工方式对红小豆粉体外血糖生成指数的影响机制。

注：FC为生豆粉，MC、SC、RC、EC分别为微波法、蒸煮法、滚筒法、挤压法，余同。图1 不同加工的红小豆粉消化动力学曲线图

表1 不同加工的红小豆粉的预估血糖生成指数

2.2 不同加工方式下即食红小豆粉的微观结构比较

不同加工处理后红小豆粉的光学显微镜观察结果如图2所示，扫描电镜观察结果如图3所示。生豆粉中可观察椭球状的淀粉[16]与其他小分子物质，未观察到明显的子叶细胞结构，与Berg[17]研究结果一致，在干磨过程中，豆类子叶细胞被破坏，所以豆粉由游离淀粉、蛋白体和细胞壁碎片组成。在偏光显微镜结果中，生豆淀粉拥有完整的偏光十字，而加工后的样品淀粉的偏光十字都有不同程度的消失，根据Wang[18]的研究，淀粉偏光十字的消失程度能反映糊化程度，所以不同加工处理的样品糊化程度不同。微波加工红小豆粉能观察到部分细胞壁的存在(图2-MC)，说明保持了部分细胞完整性，其中部分淀粉并未失去偏光十字(图2-mc)，说明未完全糊化。

注：左侧为偏光显微镜，右侧为光学显微镜。 图2 不同加工方式制备红小豆粉的光学显微图

蒸煮加工红小豆粉能观察到颗粒外面包裹着透明的细胞壁(图2-SC)，在电镜下中也可观察到外层细胞壁(图3-SC)，细胞内只有少部分偏光结构(图3-sc)，说明样品糊化较为完全。这两种加工方式原料为整豆，保持了加工前细胞的完整性，而根据Dhital等[19]的研究，完整细胞加热后仍能观察到细胞壁，且对淀粉酶有一定的物理屏障作用，所以推测整豆加工最大程度保持了细胞完整性，使eGI值降低。挤压加工红小豆粉(图2-EC)呈规则扁圆型，长条状，结构比较致密。滚筒加工红小豆粉(图2-RC)呈不规则薄片状，二者均几乎无偏光结构，样品完全糊化。滚筒加工红小豆粉物质间结合较为松散，淀粉更易与酶接触，而挤压加工红小豆粉形成的结构更加致密，各物质间团聚结合，酶与淀粉接触的机会更少，从而导致eGI值的差异。

图3 不同加工方式制备红小豆粉的扫描电镜图

2.3 不同加工方式下即食红小豆粉的热力学性质比较

不同加工处理后红小豆粉的糊化温度以及焓值结果如表2所示。对照样品的To和Tp分别为64.06、71.48 ℃，ΔH为10.18 J/g。Reddy[20]等研究表明红小豆淀粉的To、Tp和ΔH分别为57.03 ℃、80.13 ℃和11.63 J/g，结果相似。微波加工红小豆粉和蒸煮加工红小豆粉与对照样品相比，To和Tp均增大，ΔH减小，结合显微观察结果，可确定淀粉发生了部分糊化，但仍残余部分未糊化样品，这可能是因为样品保持整豆形态加工时，淀粉与水分接触不充足，导致淀粉双螺旋结构未得到充分解旋，限制了淀粉吸水糊化。二者初始水分相同，但微波加工时水分处于减少的状态，而蒸煮加工时，由于有水蒸气存在，水分减少量较少，水分与淀粉的接触更充分，所以蒸煮加工红小豆糊化程度更高。滚筒加工红小豆粉和挤压加工红小豆粉的红小豆粉在25～100 ℃范围内已检测不到糊化峰，在偏光显微镜观察中也观察不到偏光十字，说明淀粉已被完全糊化。说明红小豆磨成粉进行加工时，淀粉能与水充分接触，最终达到完全糊化。这些结果说明红小豆在加工过程中水分含量会影响淀粉的糊化程度，进而影响红小豆粉样品的eGI值。

表2 不同加工方式制备红小豆粉的热力学性质

2.4 不同加工方式下即食红小豆粉的淀粉结晶结构比较

图4为天然红小豆淀粉和通过加工处理的红小豆粉样品的X射线衍射图。天然红小豆淀粉(S)在5.7°，15.0°，17.3°和23.0°(2θ)处有强峰，表现出典型的CB型XRD曲线[21]。与天然淀粉相比，微波加工红小豆粉在15.0°, 23.0°的峰强减小，17.3°峰被分成双峰，结晶度减小，这是淀粉部分糊化的结果[18]；蒸煮加工红小豆粉无15.0°淀粉结晶峰，17.3°为单峰，23.0°变成双峰，结晶度较微波豆粉低，说明其受破坏程度更高；滚筒加工红小豆粉和挤压加工红小豆粉无明显淀粉结晶峰，糊化完全，与DSC结果一致。微波加工和蒸煮加工方式由于在整豆状态下，杂豆的细胞壁以及蛋白质等组分在一定程度上可以限制淀粉颗粒的糊化程度，从而使得细胞内部的淀粉颗粒内部有序结晶结构得以部分保留，结晶结构保持较为完整。而滚筒加工和挤压加工由于红小豆粉与水分接触面积大，淀粉糊化程度高，所以结晶结构几乎完全被破坏。

注：S为对照样品红小豆淀粉MC、SC、RC、EC分别为微波法、蒸煮法、滚筒法、挤压法制备的豆粉。图4 不同加工方法制备红小豆粉的X-射线衍射图

3 结论

本研究以低消化性和血糖生成指数的即食红小豆粉为目标对象，证实了不同的加工方式可通过影响红小豆淀粉的糊化、结晶程度以及淀粉颗粒的完整性，对最终产品淀粉的消化性能与eGI值产生显著影响。微波加工和蒸煮加工在加工过程中保持了整豆状态，加工后细胞壁对消化酶仍然能够形成物理屏障作用。而且微波加工时，有限的水分使淀粉分子在高温加热过程中无法充分展开，糊化程度降低，造成有限的α-淀粉酶水解，也因此微波加工红小豆粉的eGI值最低。滚筒加工和挤压加工前红小豆粉碎成了豆粉，细胞结构被破坏，且有充足的水分接触，其淀粉糊化完全，eGI较高。但挤压处理的红小豆粉在高温高压状态下，淀粉与其他物质相互结合或包裹，形成致密的组织结构，降低了淀粉与酶的接触，因此其eGI值较滚筒干燥豆粉低。因此，采用湿法加工的整豆加工再粉碎或者干法的微波加工方法，均可得到较低eGI值的即食红小豆粉。另考虑到微波加工兼有的快捷、高效、经济、节能等优点，在针对糖尿病或肥胖人群等有低血糖指数特殊营养需求食品的开发上，可优先考虑微波熟化加工技术。