挤压杂粮重组米体外消化特性研究

邓慧清， 吴卫国， 廖卢艳， 李兆钊

(湖南农业大学食品科学技术学院1，长沙 410128)

杂粮和杂豆作为一类重要的食品原料不仅具有丰富的营养价值，同时还具有许多生理功能，经常食用杂粮可以预防热性疾病和心脑血管疾病，还具有调节血糖等作用[1]。燕麦麸皮是燕麦加工中产生的副产物，燕麦中具有调节血糖作用的功效成分主要包括燕麦β-葡聚糖等多糖类和多肽类物质，对提高胰岛素敏感性及改善胰岛素抵抗有重要影响，而燕麦中的膳食纤维主要存在于燕麦麸皮中[2-6]；荞麦中主要的调节功效成分为荞麦碱和黄酮类、皂苷类物质，可通过调节糖代谢过程中酶和激素的变化，抑制氧化作用，保护胰岛细胞达到调节血糖的目的[7-12]；藜麦中主要调节血糖的功效成分是黄酮类化合物[13]；青稞中调节血糖的功效成分主要为青稞β-葡聚糖[14,15]；鹰嘴豆中具有调节血糖作用的功效成分主要是黄酮类物质和D-松醇等[16]。非当季籼米是指籼稻谷储存期超过一年后所加工的大米。一些稻谷在储藏过程中，受到湿度、温度、虫蚀等因素的影响，出现不同程度的色泽变暗、营养品质下降、香味消失、食用品质降低等现象[17,18]，因此也影响大米的外观、气味、营养品质和食用品质。

食用较低血糖生成指数的杂粮等粗粮食品具有辅助调节血糖水平，平衡膳食等功效，但杂粮由于口感差导致人们接受程度低。挤压蒸煮技术是一种强迫物料以预定速率通过挤压机模头得到各种产品的加工技术，在挤压过程中，由于高剪切力、高温高压的作用，食物中的酶被钝化、抗营养因子被破坏，是提高食品营养品质的一种有效途径。因此，利用挤压加工技术将杂粮杂豆与非当季籼米进行复配得到挤压杂粮重组米，既能改善杂粮口感粗糙不受欢迎的缺陷，满足人们健康饮食的需求，又能提高非当季籼米的营养价值，对实现健康饮食和非当季籼米资源的有效利用具有重要意义。

本研究以非当季籼米、燕麦麸皮、鹰嘴豆、荞麦、藜麦、青稞为原料，制作挤压杂粮重组米，并以非当季籼米为对照，通过淀粉体外消化实验对比各米样的快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)、淀粉消化水解率之间的差异，计算米样预测血糖生成指数(GI)，研究不同杂粮及其添加比例对挤压杂粮重组米体外消化特性的影响。并通过对比其微观结构、晶体结构等变化，探索杂粮添加影响重组米体外消化的可能作用机理，以期为挤压杂粮重组米的进一步开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

非当季籼米、荞麦、燕麦麸皮、藜麦、青稞、鹰嘴豆。所有原料均经粉碎处理后过60目筛，装袋密封。

1.2 试剂

猪胰α-淀粉酶100 00 U/g；淀粉葡萄糖苷酶70 U/mg；其他试剂均为分析纯。

1.3 仪器与设备

GTS75型双螺杆挤压膨化机，XH-C旋涡混合器，SYWF-50水浴恒温振荡培养箱，DK-98-Ⅱ恒温水浴锅，UV-1200紫外可见分光光度计，TDZ5台式低速离心机；PHS-25pH计，101-2AB型电热鼓风干燥箱，CFXB16YA3-30电饭煲，XRD-6000X射线衍射分析仪，IRAffinity-1傅里叶变换红外光谱仪，SEM-6380LV型扫描电镜。

1.4 方法

1.4.1 配料设计

对照组：非当季籼米粉(过筛60目)。实验组：在对照组的基础上，分别添加占进料干基质量分数为5%、10%、15%、20%、25%的荞麦粉、燕麦麸皮粉、藜麦粉、青稞粉、鹰嘴豆粉(过60目筛)。

1.4.2 杂粮重组米挤压设备

碎米→粉碎过筛(80目)→按比例混合→喂料→挤压蒸煮→切割造粒→干燥→冷却→成品

设置双螺杆挤压机的挤压参数：喂料速度为15 kg/h，物料加水量为26%，螺杆转速为150 r/min，挤压温度依次为60、140、150、70、60。制备的挤压重组米放于温度为45 ℃的流化床中初步干燥10 min，再置于烘箱中40 ℃烘干，待重组米含水量低于12%取出备用。

医院进一步科普规范化，对队员进行徒手心肺复苏术，创伤、突发事件、突发疾病时的紧急救护技术等统一培训，定期考核，确保培训水平同质化。

1.4.3 消化性能测定

淀粉消化性能测定根据Englyst等[19]的方法稍加修改。准确称取200 mg样品置于离心管中，加入5颗玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸钠缓冲液，混匀后加入10 mL猪胰α-淀粉酶(290 U/ mL)和糖化酶(15 U/mL)混合液，置于37 ℃水浴恒温振荡培养箱中(转速150 r/min)开始酶解，并准确计时，水解不同时间(0、20、120 min)后取0.5 mL反应液加入至含有4 mL无水乙醇中终止酶反应，然后采用DNS法在波长540 nm处比色测定产生的葡萄糖含量，快消化淀粉(RDS)，慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)计算公式为：

RDS=(G20-FG)×0.9/TS×100%

SDS=(G120-G20)×0.9/TS×100%

RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100%

式中：G20为淀粉酶水解20 min后产生的葡萄糖含量/mg；FG为酶水解处理前淀粉中游离葡萄糖含量/mg；G120为淀粉酶水解120 min后产生的葡萄糖含量/mg；TS为样品中总淀粉含量/mg。

1.4.4 淀粉的酶水解动力学

参照Englyst等[19]和缪铭[20]的方法并进行部分改进，称取200 mg样品置于50 mL离心管中，加入5颗玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸钠缓冲液，冷却至室温后加入10 mL的猪胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)，置于 37 ℃水浴恒温振荡培养箱中进行振荡(转速150 r/min)并准确计时，分别在水解不同时间(0、20、30、60、90、120、180 min)定点取1 mL 反应液加入4 mL无水乙醇停止酶反应，然后采用3,5-二硝基水杨酸法(DNS)法在540 nm波长处测定反应液中还原糖含量并计算水解率。通过3次平行实验取平均值，绘制淀粉水解曲线。以取样的时间(t)为横坐标，淀粉消化水解率为纵坐标绘制出淀粉体外消化曲线图。淀粉消化水解率的计算公式为：

式中：Gt为水解t时间后产生的葡萄糖含量/mg；M为样品的总淀粉含量/mg。

1.4.5 预测血糖生成指数

使用一级动力学方程C=C∞(1-e-kt)对淀粉水解曲线进行拟合，得到常数k值，计算出0～180 min的淀粉体外消化曲线下的面积(AUC)，计算公式为：

式中：C∞为水解180 min后淀粉水解率的平衡值；t0为开始消化时间(0 min)；tf为最终消化时间(180 min)；k为一级反应动力学常数。

通过换算得出淀粉水解氢化指数(hydrolysis index，HI)，计算得出GI值[21]。计算公式为：

HI=AUC样品/AUC白面包×100%

GI=39.71+0.549HI

1.4.6 扫描电镜观察

取样品用刀片在1/3和2/3处沿着横轴方向切断，用双面胶将米粒粘于载物台上，米粒断裂面朝上，进行喷金处理，电压15 kV，放大200倍。

1.4.7 X-衍射测定

将样品粉末放于检测片后上，测试条件设置为：电压：40 kV，电流：30 mA，衍射角：2θ，扫描范围：5°～40°，连续扫描速度：2(°)/min，采样间距：0.02°。最后利用Origin软件分析并计算样品淀粉无定形区域和结晶区域的面积。淀粉颗粒的相对结晶度计算公式为[22]：

式中：RC为相对结晶度；Ac为结晶区域面积；Aa为无定形区域面积。

1.4.8 傅里叶变换红外光谱测定

将样品与充分干燥的溴化钾按1∶100的比例混合并充分研磨、压片，将压片后的样品置于傅里叶红外光谱仪上测定。以空气为扫描空白背景，扫描波谱范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，得到样品的红外光谱图。用Omnic软件对红外光谱图进行分析，选取波数为1 200～800 cm-1区域的光谱图，进行基线校正，设置好半峰宽和增强因子，进行去卷积，获得去卷积波谱，记录谱图中1 022、1 047 cm-1位置上的峰高，计算1 047/1 022 cm-1峰强度比值，淀粉结晶区和无定形区的比值以1 047 cm-1与1 022 cm-1的峰强度比值代表。

1.5 数据统计与分析

除特殊说明外，所有指标测定均重复3次。采用SPSS20、Excel、Omnic软件进行数据处理分析，采用Origin软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 淀粉营养片段分析

根据淀粉的生物可利用性以及淀粉的消化时间可以将淀粉分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)等3种营养片段。表1为不同添加量的燕麦麸皮、荞麦、藜麦、青稞、鹰嘴豆等挤压杂粮重组米与非当季籼米的RDS、SDS、RS的比例大小存在显著性差异。挤压后的各重组米样的RDS片段含量均显著高于非当季籼米，SDS片段含量显著低于非当季籼米，这可能与挤压过程中高温高压以及强剪切力作用下淀粉的糊化降解有关。添加了燕麦麸皮、荞麦粉、藜麦粉、青稞粉和鹰嘴豆粉后均能降低重组米RDS含量，提高SDS和RS含量，说明5种杂粮添加均能降低挤压杂粮重组米在体内的消化速率，且随着杂粮添加量的增加，挤压杂粮重组米的消化速率也随之降低，其中添加燕麦麸皮对挤压杂粮重组米的影响最大。

表1 不同杂粮添加量对淀粉营养片段的影响

2.2 体外消化的水解曲线

相同条件下非当季籼米与各挤压杂粮重组米在0～180 min内的淀粉消化水解曲线如图1所示。不同米样的淀粉消化水解的整体趋势基本一致，在体外模拟消化过程中，前20 min淀粉的消化水解速度最快，在20～120 min时间段内淀粉的消化水解速率不断下降，在120 min后淀粉消化水解率增长缓慢并逐渐达到平衡。其中燕麦麸皮挤压重组米、鹰嘴豆挤压重组米和藜麦挤压重组米的淀粉消化水解率分别在添加量≥10%、≥15%和≥20%时均低于非当季籼米的淀粉消化水解率，荞麦挤压重组米和青稞挤压重组米在添加量为25%时，其淀粉消化水解率和非当季籼米接近。

淀粉酶水解动力学得到的淀粉消化水解速率更加适合反映淀粉的慢消化性能，因此添加燕麦麸皮、鹰嘴豆粉、荞麦粉、藜麦粉、青稞粉等5种杂粮可以降低挤压杂粮重组米的淀粉消化水解速率，提高挤压杂粮重组米的慢消化性能，其中添加燕麦麸皮对挤压杂粮重组米的影响最大。

2.3 预测血糖生成指数

由图2可知，经过挤压加工后，燕麦麸皮、鹰嘴豆粉、荞麦粉、藜麦粉、青稞粉等5种杂粮添加均可显著影响挤压杂粮重组米的体外消化预测GI值，随着杂粮添加量的增加，GI值显著降低。其中，添加燕麦麸皮和鹰嘴豆粉对挤压杂粮重组米的GI值影响最为显著，而且当添加量≥15%时，燕麦麸皮挤压重组米和鹰嘴豆挤压重组米的GI值显著低于非当季籼米，这可能是由于鹰嘴豆和燕麦麸皮中含有丰富的膳食纤维，能显著降低重组米的GI值。而荞麦、青稞和藜麦在添加量较低时对GI值影响较小，当藜麦添加量达到25%时，重组米的体外消化预测GI值接近70。

图2 不同米样的GI值

2.4 微观结构分析

由图3、图4可知，未经挤压加工的非当季籼米中具有明显的有规则的排列紧密的复合淀粉颗粒和完整平滑的胚乳细胞壁[23]，而挤压杂粮重组米中的淀粉颗粒被破坏，整个米粒截面表面呈糊状，其原因可能是由于挤压过程中的高温、高压和高剪切力作用使淀粉颗粒发生糊化，细胞壁被破坏，淀粉结构发生改变。而添加杂粮后的挤压重组米内部均可观察到细小孔隙，且随着添加量的增大，细小孔隙增多，其中燕麦麸皮添加组和荞麦添加组复配米的内部细小孔隙少，结构较为致密。

图3 非当季籼米扫描电镜图

注：a、b中从上至下杂粮质量分数依次为5%、10%、15%、20%、25%。图4 挤压后不同米样的扫描电镜图

2.5 X-衍射分析

淀粉主要以颗粒形式存在，由直链淀粉和支链淀粉组成。淀粉的结晶性质会影响淀粉产品的应用性能，根据粉末的X-衍射波谱可以将天然淀粉的结晶结构分成A、B和C 3种类型。由图5可知，非当季籼米和挤压杂粮重组米的衍射峰数量、位置以及强度存在明显差异。非当季籼米在2θ为15°和23°的位置附近均存在明显的衍射峰，在2θ为17°和18°附近有两个相连的衍射峰，是典型的A-型晶体淀粉的特征。挤压杂粮重组米的X-衍射图谱上均没有发现A型淀粉结晶峰，但是在13°、20°的位置出现特征单峰，这属于V型结晶的特征，这表明了挤压杂粮重组米中产生了淀粉-脂质复合物，又称为RS5型抗性淀粉，属于一种新型抗性淀粉[24,25]。

由图6可知，各挤压杂粮重组米的相对结晶度均小于非当季籼米。单因素方差分析的结果表明，不同杂粮的添加量对挤压重组米的相对结晶度均具有显著性影响(P<0.05)。添加燕麦麸皮、藜麦粉可以显著提高挤压重组米的相对结晶度，且随着添加量的增加而增加；随着添加量的增加，荞麦挤压重组米和鹰嘴豆挤压重组米的相对结晶度显著增加，呈现先升高后降低的趋势，在添加量为5%时最高，分别为7.14%和7.784%；添加青稞粉会显著提高挤压重组米的相对结晶度，但与添加量无线性关系。结果表明，添加杂粮能显著提高挤压重组米的相对结晶度，促进挤压重组米淀粉的结晶老化，提高挤压重组米的抗消化性。

图6 不同米样中淀粉的相对结晶度

2.6 红外光谱分析

在红外光谱图中，吸收峰的强度和淀粉的种类与数量均有关系[26]。淀粉短程有序结构的构象可以通过红外光谱图对淀粉的有序区域和无定形区的比值进行分析[27]。1 047 cm-1和1 022 cm-1附近的吸收峰分别代表了淀粉的有序结构区域和无定形结构区域，1 047/1 022 cm-1的峰强度比值表示了淀粉中有序结构区域与无定形结构区域的比例[28]。由图7可以看出，不同米样的1 047/1 022 cm-1的峰强度比值存在明显差异。各重组米的1 047/1 022 cm-1比值均小于非当季籼米。随着添加量的增加，燕麦麸皮和藜麦挤压重组米的1 047/1 022 cm-1比值增加，且与添加量呈依赖关系，当质量分数为25%时，其1 047/1 022 cm-1比值最大，分别为0.870、0.856；荞麦挤压重组米的1 047/1 022 cm-1比值的大小与添加量无明显线性关系；随着添加量的增加，青稞挤压重组米的1 047/1 022 cm-1比值先升高后降低，在质量分数为10%时最高为0.880；随着添加量的增加，鹰嘴豆挤压重组米的1 047/1 022 cm-1比值先增加后降低，在添加为5%时最高为0.862。结果表明，添加燕麦麸皮、鹰嘴豆粉、荞麦粉、藜麦粉、青稞粉等5种杂粮可以提高挤压重组米中淀粉分子的有序程度，提高对水解酶的抗性，提高挤压重组米的抗消化性。

图7 不同米样的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值

3 结论

研究挤压杂粮重组米的体外消化特性，结果发现，挤压处理会显著提高非当季籼米的RDS含量，降低SDS和RS含量，提高消化性；而添加杂粮会显著提高挤压杂粮重组米的RS含量，降低重组米在体内的消化速率以及淀粉消化水解率，在燕麦麸皮的质量分数≥10%、鹰嘴豆的质量分数≥15%时，重组米的淀粉消化水解率低于非当季籼米。挤压处理会显著提高大米的GI值，添加杂粮粉均能显著降低重组米的GI值，当燕麦麸皮和鹰嘴豆粉的质量分数≥20%时，挤压杂粮重组米的体外消化预测GI值<70，属于中GI食物。同时，挤压处理明显破坏了淀粉的结构，降低了大米内部微观结构致密性，挤压空白重组米和各挤压杂粮重组米中均出现了V型结晶淀粉，其中燕麦麸皮挤压重组米的V型结晶峰最高，提高了挤压重组米的抗消化性。