燕子豪,汪丽萍,谭 斌,刘艳香,乔聪聪,田晓红,郑先哲
(1.国家粮食和物资储备局科学研究院,北京 100037;2.东北农业大学 工程学院,黑龙江 哈尔滨 150030)
血糖生成指数(glycemic index,GI)是反映食物餐后血糖应答的生理学特征性指标[1]。由加拿大多伦多大学的 Jenkins博士于1981年首次提出。GI值表示当食用含50 g有价值的碳水化合物的食物后,在一定时间内(一般为2 h)体内血糖水平应答与食用相当量的葡萄糖或白面包引起的血糖应答水平的比值。根据GI值的不同,食物被分为高 GI食物(GI>70),中 GI食物(55<GI≤70),低 GI 食物(GI≤55)[2]。1997年,联合国粮食及农业组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)赞成使用 GI方法对富含碳水化合物的食物进行分类,并建议将食物的GI值与有关食物组成的信息一起使用,以指导食物的选择[3]。
研究表明,食物GI与人体健康息息相关。高GI食物可以引起胰岛素效应下降,造成胰岛素抵抗,不利于 II型糖尿病的预防和治疗[4]。Asma等[5]通过DSFFQ方法分析发现,饮食GI与腹部肥胖之间存在显著的正相关。Castro-Quezada等[6]研究发现,高GI饮食容易增加老年人患心血管疾病的风险。Mirrahimi等[7]通过 Meta分析方法发现高 GI饮食也容易导致女性群体心血管疾病的发生。此外,食物GI与结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、子宫癌等癌症也存在着正相关性[8-11]。相比而言,长期食用低GI食物对于调节和控制人体血糖,改善Ⅱ型糖尿病,降低心血管疾病患病风险,抑制肥胖、抗高血压等有重要作用[12]。
近年来,随着人们生活水平的提高与生活节奏的改变,谷物摄入量减少且从粗粮向精米精面转变,谷物精细加工导致谷物部分营养元素的流失,引起谷物血糖生成指数的变化,从而导致糖尿病、肥胖症、心血管疾病、高血压等慢性疾病的高发。谷物食品是我国居民主要的膳食来源,与人体健康密切相关。研究发现,谷物食品的GI值受多种因素共同影响,包括谷物基本组分、谷物加工方式等。本文综述了近年来谷物食品 GI值的主要影响因素及低GI谷物食品的研究进展,并对低GI谷物食品的未来发展加以展望,以期为低GI谷物食品开发提供参考。
谷物含有大量的碳水化合物(70%~80%),丰富的蛋白质(8%~12%),少量的脂肪(2%~3%)及微量的维生素与无机盐。研究表明谷物原料的基本组分对其 GI值有较大影响,但不同组分对GI值的影响不同。
淀粉为高分子碳水化合物,是谷物最主要的组成部分,对谷物食品的GI值起决定性作用。淀粉按其结构特性可分为直链淀粉与支链淀粉两类。直链淀粉与支链淀粉相比,分子量小,分支程度轻,淀粉酶作用位点少,空间构象卷曲成螺旋形,结构更加致密。Annor等[13]研究发现,直链淀粉可以与脂类形成抗消化的复合物,降低淀粉消化率。Zeng等[14]发现,直链淀粉可以降低淀粉糊化度,提升结晶度,促进淀粉老化,因此,直链淀粉含量越高,谷物GI值通常越低[15]。
Englyst[16]从消化特性角度将淀粉分为快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch,RDS)、慢消化淀粉(Slowly Digestible Starch,SDS)以及抗性淀粉(Resistant Starch,RS)。RDS是指在小肠内能够在20 min之内被消化吸收的淀粉,SDS指在小肠中20~120 min被完全消化吸收的淀粉,RS指在人体小肠内不能被消化吸收[17],但是可以在大肠内被肠道微生物部分发酵的淀粉[18]可以有效降低GI值。
因此,在低GI食品生产中,可优先选择直链淀粉与抗性淀粉含量高的谷物作为食品原料。
谷物麸皮、胚乳与胚芽均含有一定量的蛋白质,是谷物的重要组成部分。研究表明,谷物蛋白质对其消化特性具有重要影响。
现阶段研究蛋白质对谷物食品消化特性的影响主要有两种方法,第一种是向谷物食品中添加外源性蛋白质,另一种方法是向谷物食品中添加蛋白酶去除其内源性蛋白。尹显婷等[19]为改善小麦面条品质,在小麦粉中添加大豆蛋白(全脂豆粉、脱脂豆粉、大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白)。研究发现,添加不同大豆蛋白均能抑制淀粉的水解率。在小麦粉中添加大豆浓缩蛋白、大豆分离蛋白、大豆组织蛋白后,面条的GI值降低,面条血糖生成指数依次为:大豆组织蛋白>大豆浓缩蛋白>大豆分离蛋白。Singh等[20]去除玉米粉与小麦粉中的蛋白质,研究蛋白质对玉米粉、小麦粉体外消化率的影响,结果表明,这两种处理均会导致淀粉体外消化率的显著提高。Ye等[21]为评价内源性组分对米粉消化特性的影响,对米粉进行去蛋白质处理,发现与原米粉相比,去蛋白质组米粉GI值显著升高。张慧等[22]对小麦进行脱蛋白处理后,发现淀粉酶与淀粉接触变的更容易,小麦消化特性大大提升。
目前,蛋白质降低淀粉消化率的机制主要包括以下几方面:蛋白质形成网络结构,对淀粉紧密包裹,淀粉酶水解淀粉前,需要蛋白酶首先对其外层的蛋白质进行水解[23],从而延缓淀粉酶对淀粉的水解作用,使双糖和单糖释放速度减慢,GI下降。蛋白质中白蛋白、球蛋白和谷蛋白等被粘在淀粉颗粒周围的基质中作为淀粉消化的屏障,阻断淀粉酶在淀粉颗粒表面的催化结合[24];蛋白质与α-淀粉酶间存在相互作用,Bhattarai等[25]研究发现,蛋白质可以与α-淀粉酶部分结合,从而降低酶的利用率。此外,蛋白质可以刺激人体分泌胰岛素,降低血糖应答水平[26]。
谷物脂肪含量偏低,只占2%左右,但其对谷物食品的消化特性同样有重要影响,甚至在某些研究中,脂肪对GI值的影响要高于蛋白质[27]。
Annor等[13]研究了脱脂小米粉、小米粉和小米淀粉的体外消化率,研究发现,体外消化率为:小米淀粉>脱脂小米粉>小米粉,脱脂后的小米粉GI值明显升高。Srikanlaya 等[28]在制作面包过程中加入黄油,当黄油添加量分别为(10、20、30 g)/(100 g面粉)时,面包的 GI值分别为83.10、80.27、76.80。潘海坤等[29]以粳糯米和籼糯米为原料制成的米饭、年糕、油饭、油糕均为高 GI食物,加入猪油制成的油饭、油糕GI值略微降低,但无显著性差异。在食品中加入油脂或对食品原料进行脱脂处理均会影响食品的GI值,但不同脂类对不同原料的影响不同。虽然添加油脂可以在一定程度上降低谷物食品GI值,但高脂肪食品并不适合糖尿病患者食用,较多的脂肪会降低胰岛素敏感性,不利于长期血糖控制。
目前的研究表明,脂肪能够降低食品GI值主要包含以下几个方面的原因:一是脂肪与直链淀粉形成复合物,减缓淀粉消化速度、降低淀粉在小肠中的吸收率、降低餐后血糖反应[27]。其中,单甘酯/游离脂肪酸能与直链淀粉形成复合物,但三甘酯或二甘酯不易与直链淀粉形成复合物;二是脂肪能够降低淀粉的凝胶化,延缓食物在胃内的排空,降低 GI值[30]。三是脂肪对淀粉酶产生一定抑制作用,阻碍淀粉与淀粉酶的结合,从而影响体内血糖反应[31];四是脂肪能够刺激肠抑胃肽的释放,进而使胰岛素分泌增强来降低人体餐后血糖[32]。此外,脂肪的疏水性可以在一定程度上阻止淀粉与水的接触,降低了淀粉的糊化度,影响淀粉的消化率[33]。
膳食纤维对谷物食品GI值的影响并不绝对,受来源与种类的影响,在大部分的研究中,膳食纤维具有降低GI值的功效。
Kurek等[34]研究燕麦、亚麻及苹果的膳食纤维作为强化剂对小麦面包品质的影响。与对照组面包估计血糖生成指数(Expected Glycemic Index,eGI)值76.38相比,加入燕麦、亚麻及苹果膳食纤维的面包eGI值分别为38.58、25.06及32.80。三种膳食纤维的加入均显著降低小麦面包的eGI值。膳食纤维对谷物GI值的影响还与膳食纤维的添加量有关。王娴[35]通过在原料粉中加入有降血糖功能的菊粉、大豆多糖及燕麦麸等辅料来制备复配米,探讨3种辅料添加对复配米的食用品质及体外消化率的影响。研究发现菊粉、燕麦麸、大豆多糖等辅料添加可显著影响复配米的体外消化GI,随着辅料添加量的增加,体外预测GI降低。其中,大豆多糖对复配米的GI影响最为显著,当大豆多糖添加量大于35%时,复配米的体外预测GI降至55%以下,属于低GI食物。菊粉及燕麦麸在添加量较低时,对复配米体外预测GI的影响较小,但当添加量大于50%时,菊粉及燕麦麸添加组复配米的体外预测 GI均降至55%以下,达到低GI食物范围。另有研究发现[36],当使用燕麦麸替代面粉时,在较低的替代水平下,淀粉水解率降低,当添加量为10.0 g/100 g时,淀粉水解率反而升高。刘成梅等[37]在挤压重组米中加入燕麦膳食纤维,研究表明,燕麦膳食纤维的加入会降低重组米的GI值,但效果并不明显。
Regand等[38]研究发现,膳食纤维可以提高消化体系黏度,降低淀粉流动性[39],进而降低淀粉的消化速率,减慢葡萄糖的释放;膳食纤维的添加可改变淀粉比例,Reshmi等[40]和Borczak等[41]在研究中都发现,在谷物制品中加入膳食纤维制剂可导致抗性淀粉含量的增加。Oh等[42]研究比较了可溶性与不溶性膳食纤维对于面包消化特性的影响,发现增加不溶性膳食纤维比率,慢消化淀粉含量增加,快消化淀粉含量降低,从而降低整个淀粉基质的消化率。可溶性膳食纤维含有大量亲水基团,这些基团与淀粉竞争性吸水,导致淀粉糊化程度下降,消化率降低[43]。Bernabé等[44]发现,部分膳食纤维可以通过影响胰岛素敏感性进而影响人体血糖含量。在物理结构方面,膳食纤维也可以形成空间网络支架,对淀粉颗粒进行包裹,阻碍淀粉酶对淀粉的水解[45]。
除以上基本组分外,谷物中的一些糖原、抗营养素、矿物质等也会影响其 GI值。Srikaeo[46]研究了棕榈糖与普通蔗糖、椰子糖及山梨醇对小麦粉体外淀粉消化率的影响。结果显示向小麦粉中添加四种甜味剂均会对产品的GI值产生影响。Sharma[47]研究不同水稻品种植酸含量对其 GI的影响。结果表明植酸含量越高,淀粉水解速率越小。植酸能结合 Ca+离子,通过与一些氨基酸残基结合影响淀粉酶活性,降低淀粉消化率,此外,植酸还可以通过与淀粉相关的蛋白质结合或通过结合消化酶来影响淀粉的消化率。张瑞等[48]研究发现,异槲皮素具有抑制α-葡萄糖苷酶的作用,可降低小鼠血糖应答水平。此外,相关研究表明,铬、锌等矿物质可以密切影响人体胰岛素的合成、分泌以及在体内的含量,对人体血糖水平同样具有重要影响[49-50]。
除谷物基本组分对其GI值有影响外,谷物的加工方式同样对GI值有重要影响。在不同的加工方式下,谷物淀粉的糊化程度、蛋白质的变性程度、脂肪的水解程度等均不相同,因此,研究不同加工方式对谷物GI值的影响具有重大意义。
蒸煮是一种公认的健康烹调方式,整个过程在较低的温度下完成,在杜绝病原微生物危害的同时,可使食品的营养素比较完整地保留下来,是谷物食品加工的常用方式。
Tian等[51]研究煮制对马铃薯微观结构和消化率变化的影响。研究发现,煮制可以显著影响马铃薯的微观结构,引起细胞的断裂和破碎,使淀粉颗粒的表面变得粗糙和扁平[52],同时,煮制能影响淀粉消化率和体内葡萄糖反应,可提高马铃薯的GI值。谷物在蒸煮过程中与水分充分接触,淀粉颗粒糊化充分,原料消化率会大大提高,但在实际加工过程中,蒸煮对不同的谷物GI值的影响情况有所不同。崔亚楠等[53]研究不同加工方式对谷物和豆类血糖生成指数的影响,蒸煮后谷物和豆类 eGI变化由高到低为:黑麦>薏米>燕麦>花芸豆>鹰嘴豆。同一种谷物或豆类经蒸煮、挤压、滚筒干燥3种加工方式加工后其eGI由高到低依次为:滚筒干燥>挤压>蒸煮。另有研究发现,玉米淀粉[54]、大米淀粉[55]、青稞[56]在蒸煮加工后所得抗性淀粉含量高于其他加工方式,eGI值较低。
蒸煮加工对谷物GI值的影响与谷物种类、加工条件密切相关。蒸煮加工可以显著改变谷物微观结构,使淀粉充分糊化,提高谷物GI值,但同样可以改变谷物淀粉结构比例,促进抗性淀粉的生成。
挤压膨化加工是一种高温短时加工,对食品营养成分破坏少,经挤压膨化后的原料适用性广,目前已广泛应用于谷物食品的加工,常见的原料有大豆、玉米、糙米、燕麦等[57]。物料在挤压膨化过程中受到热能、压力和机械力的综合作用,质构与品质产生明显变化,不仅钝化抗营养因子,还可以杀灭致病菌等有害微生物进而提高产品稳定性,使产品更加健康安全[58]。Bouasla[59]研究发现挤压加工会加快大米淀粉水解速率,升高米产品GI值。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,大分子物质降解,增加了淀粉对消化酶的敏感性[60]。冯进[61]等以混合杂粮粉(蚕豆粉:荞麦粉:魔芋精粉质量比10 : 9 : 1)为原料,在物料含水量 16%,Ⅲ区挤压温度142 ℃,螺杆转速146 r/min条件下制备的杂粮膨化营养粉其估计血糖生成指数显著低于杂粮原料粉。他分析可能的原因是膨化处理提高了可溶性膳食纤维含量,或淀粉发生了回生,增加了抗性淀粉含量[62]。研究中还发现挤压膨化过程的工艺参数显著影响谷物消化特性,与韩玲玉[63]研究结果一致。此外,对原料的一些预处理同样会降低产品的 GI值。赵志浩等[64]研究发现预酶解(α-淀粉酶)–挤压膨化处理可以使糙米粉的淀粉含量和糊化度显著降低,还原糖、可溶性蛋白含量显著提高,淀粉体外消化速率减慢,快消化淀粉比例显著降低,产品GI值降低。
挤压膨化加工与其他加工方式一样,会改变谷物的消化特性,但由于某些原料特性与工艺参数的不同,某些谷物在加工后可实现 GI值的降低,这是其他加工方式难以实现的。
焙烤是一种利用热辐射的干热加工方式,在热辐射的作用下,食品物料发生蛋白质凝固和淀粉糊化,进而使食品达到熟化的目的。在焙烤过程中,食品物料会产生复杂的成色反应与香味物质的生成,是面包、蛋糕类产品制作不可缺少的步骤,也是玉米、马铃薯等加工的重要方式。在对甘薯的研究中,Allen等[65]发现在焙烤后甘薯的GI值比焙烤前明显增加。这是因为在焙烤过程中,淀粉糊化分解成糊精和麦芽糖,更有利于人体的消化吸收。Bosmans[66]在对面包的焙烤中发现,焙烤时间会影响淀粉的回生程度与网络结构,适当延长焙烤时间有助于降低产品的GI值。焙烤中的高温使谷物蛋白质变性、淀粉糊化,更容易被消化吸收,提升了谷物的GI值,但在加工中,同样可以通过控制工艺参数来适当减缓谷物 GI值的改变。
油炸是将食品置于较高温度的油脂中,使其加热快速熟化的一种加工方法。油炸具有改善食品风味、杀灭微生物、延长食品的货架期等优点。Perceval[67]等探讨了不同传统烹饪方法对牙买加常见10个甘薯品种血糖指数的影响。研究发现与烤制相比,油炸甘薯拥有更低的GI值。Odenigbo等[68]研究油炸对不同品种甘薯淀粉消化特性与估计血糖生成指数的影响,发现油炸后的马铃薯均为中低GI食品。由此可见,油炸并不会显著提高谷物GI值,一方面可归因于脂肪含量的增加,导致淀粉凝胶化迟缓,从而延缓胃排空和血糖反应[69],另一方面,与蒸煮相同,油炸加工增加了抗性淀粉含量,降低了总淀粉水解率[70]。
目前,根据人们的饮食习惯已在多种日常食品中进行了低GI谷物食品的研发。
挂面是以小麦粉为主要原料,是我国及亚洲其他国家的主食之一,挂面的GI值比较高,不适合糖尿病患者食用,近些年,随着消费者健康意识的提高,低GI挂面的研发成为研究的热点。
Beniwal等[71]以农产品加工的副产物碎孟家拉豆与碎米为原料生产挂面,所得产品GI值仅为45.8,属于低GI食品。Suk等[72]在小麦粉中加入家蚕粉制备家蚕粉面条,并与纯小麦粉制备的对照组面条对比测定其对人体血糖值的影响。实验受试者为13名成年男性,在进食两种面条的第0、15、30、45、60、90、120、180 min 后测定其血糖浓度,发现食用家蚕粉面条的受试者在各个阶段的血糖浓度均低于对照组,且血糖浓度变化较为平缓,食用对照组面条的受试者其血糖浓度存在急升急降变化,不利于人体的血糖控制。李勇等[73]以小麦鲜湿面为对照,比较评价添加板栗全粉对鲜湿面体外淀粉模拟消化特性的影响,研究发现添加板栗全粉鲜湿面的eGI值显著低于纯小麦鲜湿面,并且随着板栗全粉添加量的增大,鲜湿面的eGI值逐渐降低。
饼干是我国最重要的焙烤食品之一,具有营养价值高、食用方便、价格低廉、易于携带等优点,适合社会各阶层消费,但日常食用的饼干拥有较高的GI值,不利于人体血糖管理。
Jariyah等[74]进行单因素五水平实验探究Pedada粉添加量对饼干 GI值的影响,最终确定Pedada粉与芋头淀粉比例为2 : 8,实验制备的饼干GI值为48.83。Gbenga[75]探究树豆粉替代部分小麦粉对饼干GI值的影响,研究发现,树豆粉的加入可显著降低面包GI值,随着树豆粉添加量的增加,饼干 GI值不断降低,当添加量达到 75%时,饼干GI值为51.67。彭辉等[76]以低血糖生成指数原料–抗性糊精部分替代低筋面粉、低聚异麦芽糖替代蔗糖研制低血糖生成指数的饼干。按照抗性糊精替代30%低筋面粉、低聚异麦芽糖添加量15%的条件下,可以得到色香味俱全的抗性糊精饼干,产品的GI值为39.6。
米饭是中国、东亚、东南亚人民喜爱的一种主食,研究表明,我们日常摄入的白米饭GI值通常高于 80,属于高 GI食品,长期摄入,不利于糖尿病患者的血糖管理。因此,根据原料性质开发低GI值米饭成为研究的热点。
刘成梅等[37]以燕麦膳食纤维、大米蛋白和高直链玉米淀粉为添加物,以双螺杆挤压技术为手段制备挤压重组米,研究发现以高直链玉米淀粉作为添加物,制备的挤压重组米GI值显著低于天然大米。Ryu等[77]在米饭中添加海带和橄榄油以降低米饭血糖生成指数,配方为34.8%大米、2.8%海带、61.9%水和 0.5%橄榄油,低血糖生成指数配料的加入使米饭的血糖生成指数由 70.94降至52.9。李小玲等[78]以萌动苦荞全粉、燕麦麸皮粉、燕麦全粉为原料制备高纤苦荞再造米,经试验测得其GI值为47.8,远远低于我们日常食用白米饭。
面包口感松软,携带方便,是一种深受消费者青睐的方便食品。但其制作通常以小麦粉为主要原料,以白糖、油等为辅料,具有较高的 GI值。近些年,随着粗细粮合理搭配食用新思路的提出,低GI面包的研制同样成为食品研究的热点之一。
闫晨苗[79]研制低GI马铃薯面包,最佳配方条件为:80目马铃薯蒸干粉以20%的比例替代高筋粉制作面包,添加菊粉9%,赤藓糖醇4%,甘蔗提取物2%,此时马铃薯面包体外GI值为31.08。张英慧等[80]利用海带和黑米两种原料的功能特性,研制一种低血糖生成指数的黑米海带面包,所研制面包的血糖生成指数为 47.4,显著低于普通面包的71.3。杨雯珺[81]以55%高筋粉+20%黄豆粉+15%燕麦粉+10%杏仁粉为原料,研制一种GI值为48的新型低血糖生成指数杂粮杂豆面包,适合糖尿病患者食用。
除以上主食外,雷激等[82]、黄秋云[83]制备了低GI馒头。Tawheed等[84]制备低GI米粉。陈艳等[85]研制的糙米蛋糕 GI值仅为 21.3,显著低于市售面粉蛋糕的平均值。此外,近些年还有对休闲食品松饼[86]、无糖苦荞沙琪玛[87]、八宝粥[88]等低血糖指数食品的研制。
城市化的高速发展、不健康的饮食习惯与长期久坐的生活方式导致糖尿病的高发,已成为影响社会公共健康的重要因素。从饮食上预防与改善糖尿病现状是有效手段,随着人们健康意识的不断提高,食品GI值概念正在被越来越多的人关注。科研工作者已在原料特性与加工方式方面做了大量的工作,但对谷物食品GI值的研究仍需要从以下几方面进一步完善研究。一是食品GI值测定方法的标准化。体内消化与体外消化方法影响因素众多,需要加强国际交流,联合相关权威机构,根据受试人体状况或可利用碳水化合物,建立统一方法与标准;二是继续加强相关机理的研究,进一步明确谷物基本组分与GI值相关性,探究大分子物质与淀粉、淀粉酶相互作用,阐明谷物组分对淀粉水解与人体血糖的影响机理,建立基本组分–加工方式–消化特性数据库,建立谷物食品GI值预测模型,指导低GI食品原料与加工方式的选择;三是加强食品 GI宣传,推广食品GI标识并建立使用体系,正确引导消费者对低GI食品的选购;四是研究与开发适合糖尿病患者食用的谷物食品,结合谷物特性与加工方式改善低GI食品可接受性差的问题,制备营养、健康、美味、低GI食品。