低血糖生成指数紫薯河粉的最优生产工艺

范会平， 司艺蕾,3， 李真， 马晨晨， 艾志录

(1.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002; 2.农业农村部大宗粮食加工重点实验室，河南 郑州 450002; 3.郑州西亚斯学院, 河南 新郑 451100)

血糖生成指数(glycemic index，GI)是指某种食物升高血糖效应与标准食品(通常为葡萄糖)升高血糖效应的比值。高GI食物(GI值>70)进入人体后，经消化快速进入人体血液系统，升高胰岛素，进而导致慢性病的发生[1-2]。而低GI食物(GI值<55)的摄入不仅可以有效预防2型糖尿病[3]，而且对早期肥胖人群和糖尿病病人有逆转作用。目前，全球糖尿病患者急剧增加[4]，而摄入低GI食物在降低糖尿病发病风险、改善糖尿病患者并发症等方面效果显著[4-6]。河粉是将浸泡的大米进行粉碎或磨浆处理，然后经蒸片、切条等一系列复杂工序制成的米制品，既可以作为主食，也可作为小吃，具有广阔的消费市场。然而，作为传统的高淀粉食品，河粉营养结构相对单一[7]。添加紫薯全粉可以在一定程度上解决该问题。以紫薯为主要原料制成的紫薯全粉中富含花青素、硒元素和膳食纤维等营养物质，具有抗氧化、降血压、降血脂以及抑制胆固醇的功能，是营养全面的食品加工材料[8]。常用的高淀粉类原料的物理改性方法有韧化处理、微波处理和干热处理等。闫巧珍[9]发现韧化处理会降低马铃薯全粉的结晶度，改变其糊化特性，提高马铃薯全粉内慢消化淀粉和抗性淀粉的含量。微波处理会引起淀粉分子的重排，以及结晶类型、相对结晶度和形态的变化，从而改变诸如溶解度、膨胀度、流变学特性及糊化特性等理化特性[10]。干热处理包括原淀粉直接干热处理和食用胶辅助干热处理2种方法。秦洋等[11]研究发现，直接干热处理使稻米复配粉的黏度显著增加。食用胶辅助干热处理是指在将一定量的胶体与淀粉共混进行干热处理从而达到改变淀粉性质的方法。曾绍校等[12]研究发现，黄原胶协同干热变性处理紫薯淀粉后，其热稳定性提高，吸水率降低，淀粉颗粒的冻融稳定性加强。与微波处理和韧化处理相比，干热处理更加高效、简单且无污染，适合工业化生产，同时可以有效降低紫薯全粉消化速率[13]。陈梦雪[14]在研究果胶协同干热处理甘薯淀粉时发现，果胶协同干热处理后甘薯淀粉水解速率降低，抗消化淀粉含量增高。

本研究结合工业化生产的需求，将紫薯全粉协同黄原胶进行120 ℃、2 h的干热处理，以处理后的紫薯全粉和大米粉原料，以水分添加量、紫薯全粉添加量及黄原胶添加量为主要因素，根据单因素和响应面试验优化紫薯河粉的制作工艺，得到感官评分较好的低GI紫薯河粉，从而优化河粉生产工艺，均衡营养结构，丰富产品种类，拓展营养健康食品市场潜力，推进营养健康食品创新发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫薯全粉，购自河南天豫薯业股份有限公司；瑞田精制水磨粘米粉，购自河南黄国粮业股份有限公司；黄原胶，购自河南万邦化工科技有限公司；绿豆淀粉，购自新乡市新良粮油加工有限公司。食用盐、食用植物油均为食品级。α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、胃蛋白酶和胰脂肪酶，购自美国Merck公司，分析纯。

1.2 仪器与设备

CR-5色差仪，日本美能达公司；TA-XA PLUS质构仪，英国Stable Micro System公司；体外模拟消化系统，GI 20 Artificial Gut Analyser，澳大利亚NI公司NutraScan。

1.3 试验方法

1.3.1 紫薯河粉的制作方法 参照杜瑾等[7]的方法并稍加修改。将黄原胶与紫薯全粉混合，在120 ℃下干热处理2 h，之后将黄原胶-紫薯全粉混合物和大米粉、绿豆淀粉混合并搅拌均匀；加入一定量的水，将混合米浆搅拌均匀至无颗粒状，静置1 h，加入食用盐并过40目筛。在蒸盘底部涂抹食用植物油，待蒸锅中水完全煮沸5 min后，取米浆放入蒸盘并置入沸水表面，同时旋转以使米皮薄厚均匀一致。大火蒸煮2～3 min，至盘中起明显的大泡即可。基础配方为大米粉100 g，绿豆淀粉10 g，紫薯全粉添加量为15%(占大米粉质量比例，下同)，黄原胶添加量为0.5%(占全部粉质量比例，下同)，水分添加量为250%(占全部粉质量比例，下同)。

1.3.2 紫薯河粉断条率测定 参考罗文波等[15]的方法并稍作修改。选择长度为10 cm以上的紫薯河粉3份，每份100 g，分别放入1 000 mL沸水中煮2 min，用筷子将河粉搅散，滤去汤汁，过冷水滤干，倒入瓷盘中，将长度不足6 cm和6 cm以上的河粉分开，分别记质量为m1和m2，并按如下公式计算断条率。

1.3.3 紫薯河粉质构分析测定 参考王东坤等[16]的方法并稍作修改。将紫薯河粉切为3 cm×3 cm的方块，每个样品测定8次，取平均值。质构分析(texture profile analysis，TPA)试验参数：探头为P50；测前速度为1.0 mm·s-1；测试速度为1.0 mm·s-1；测后速度为1.0 mm·s-1；压缩比例为70%；触发力为5×g。

1.3.5 感官的测定 本研究以煮制后的紫薯河粉为感官评价对象，由10名专业的品评人员组成评审小组[18]，按照表1的标准进行评分，取平均值即为紫薯河粉的感官评分。

表1 紫薯河粉感官评定表Table 1 Sensory evaluation table of purple sweet potato-rice noodles

1.3.6 血糖生成指数的测定 准确称取相当于50.00 mg碳水化合物的样品于样品杯中，加入α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶混合液进行反应5 min，再加入5 mL胃蛋白酶液反应30 min，之后加入5 mL胰脂肪酶液。此时，体外模拟消化仪器开始自动取样并测定样品的GI值，取样时间分别为10、60、120、180、240、300 min。

1.3.7 低GI紫薯河粉工艺方案 基于基础配方考察水分添加量(230%、240%、250%、260%、270%)、紫薯全粉添加量(5%、10%、15%、20%、25%)、黄原胶添加量(0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%)对低GI紫薯河粉品质的影响。根据单因素试验结果，利用Box-Behnken对紫薯河粉的品质进行优化，选取紫薯全粉添加量、黄原胶添加量和水分添加量为自变量，以感官评分、断条率和GI值为响应值，确立自变量与响应函数之间的统计模型并进行优化[19-20]。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Microsoft Office Excel、SPSS 23.0、Origin 2020和Design-Expert 8.0.6.1软件处理分析。显著性检验采用Duncan’s法，P<0.05差异显著，P<0.01差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同因素对低GI紫薯河粉品质影响

由表2可知，水分添加量对紫薯河粉品质有显著影响。随着水分添加量的增加，紫薯河粉的硬度、咀嚼性和断条率先减小后增加，弹性、胶黏性和感官评分先增加后减小，导致紫薯河粉难以成型。在水分添加量为260%时，紫薯河粉的弹性最大，胶黏性最小，感官评分最高，断条率最低，此时紫薯河粉的品质最好。随着紫薯全粉添加量的增加，紫薯河粉的断条率先减小后增加，回复性、胶黏性和感官评分先增加后减小。在紫薯全粉添加量为15%时，紫薯河粉的硬度、回复性和咀嚼性达到最大值，感官评分最高，断条率降至最低，色差适中，此时紫薯河粉品质最好。紫薯全粉添加量不同，制得的紫薯河粉成品色差明显。随着紫薯全粉添加量的增加，色差逐渐下降，产品色泽更符合感官要求。随着黄原胶含量的增加，紫薯河粉的回复性逐渐增加，感官评分先增加后减小。随着黄原胶含量的增加，紫薯河粉的GI值先减小后增加。在黄原胶添加量为0.4%时GI值达到最低值，感官评分达到最高值，其他指标适中，此时紫薯河粉品质最好。

表2 水分添加量、紫薯全粉添加量和黄原胶添加量对紫薯河粉品质的影响Table 2 Effect of water, purple sweet potato whole powder and xanthan gum addition on the quality of purple sweet potato-rice noodles

2.2 低GI紫薯河粉的工艺优化

2.2.1 低GI紫薯河粉感官评分响应面分析 用Design-Expert 8.0.6.1中的Box-Behnken程序进行试验及结果处理，试验设计与试验评定结果见表3。

表3 响应曲面试验设计及评价指标Table 3 Response surface experimental design and evaluation index

通过Design-Expert 8.0.6.1 软件对不同因素进行回归拟合，得到不同因素对紫薯河粉感官评分的回归方程：

感官评分=90.00+0.87A-1.50B-0.13C-4.75A2-2.00B2-2.75C2+0.25AB-0.50AC-0.25BC

由表4可得，该模型的P<0.01，呈极显著水平，失拟项P值为0.147 3>0.05，说明模型的失拟不显著，拟合程度好，误差较小，能够较好对低GI紫薯河粉的品质进行预测；模型中一次项B极显著(P<0.01)，A显著(P<0.05)；交互项AB、AC、BC均极显著(P<0.01)，这表明不同因素之间的交互作用会显著影响紫薯河粉的感官评分。影响紫薯河粉感官评分大小的因素顺序为B>A>C。由图1可知，3个因素两两之间的等高线图均呈椭圆形，说明这些因素之间交互作用显著，会显著影响紫薯河粉的感官评分。

表4 紫薯河粉感官评分优化分析结果Table 4 Results of optimization analysis of sensory scores of purple sweet potato rice noodles

图1 不同因素交互项对紫薯河粉感官评定影响的曲面图及等高线图Fig.1 Surface maps and contour plots of the effects of interactions of different factors on sensory

2.2.2 低GI紫薯河粉断条率响应面分析 根据表3，通过Design-Expert 8.0.6.1软件对不同因素进行回归拟合，得到不同因素对紫薯河粉断条率的回归方程：

断条率=17.28-0.60A+0.74B-0.24C+1.17A2+1.15B2+1.20C2-0.25AB-0.10AC+0.88BC

由表5可知，断条率模型的P=0.000 3<0.01，呈极显著，失拟项的P=0.134 6>0.05，模型的失拟不显著，说明数学模型与试验结果拟合度比较好且试验误差比较小，可以用此模型来预测紫薯河粉的断条率。模型一次项A、B、二次项C2和交互项AB、AC、BC均极显著(P<0.01)，说明不同因素之间的交互作用会显著影响紫薯河粉的断条率。影响紫薯河粉断条率的因素顺序为B>A>C。由图2可知，3个因素两两之间的等高线图分别呈椭圆形，说明这些因素之间交互作用显著，会显著影响紫薯河粉的断条率。

表5 紫薯河粉断条率回归模型方差分析Table 5 Analysis of variance of breaking rate regression model of purple sweet potato rice noodles

图2 不同因素交互项对紫薯河粉断条率影响的曲面图及等高线图Fig.2 Surface maps and contour plots of the effects of interactions of different factors on breaking rate of purple sweet potato rice noodles

2.2.3 低GI紫薯河粉GI值响应面优化 根据表3，通过Design-Expert 8.0.6.1 软件对不同因素进行回归拟合，得到不同因素对紫薯河粉GI值影响的回归方程：

GI=36.55-0.37A+0.30B-1.20C+2.26A2+2.07B2+1.02C2+0.54AB+0.79AC-0.17BC

由表6可知，GI值模型的P=0.001<0.01，呈极显著，失拟项P=0.13>0.05呈不显著，说明数学模型与试验结果拟合度比较好且试验误差比较小，可以用此模型来预测紫薯河粉的GI值。模型一次项C和交互项AB、AC极显著，BC显著，说明不同因素之间的交互作用对紫薯河粉的GI值影响显著。影响紫薯河粉GI值大小因素顺序为C>A>B。由图3可知，3个因素两两之间的等高线图分别呈椭圆形，说明这些因素之间的交互作用显著，会显著影响紫薯河粉的GI值。

表6 紫薯河粉GI值回归模型方差分析Table 6 Analysis of variance of GI value regression model of purple sweet potato rice noodles

图3 不同因素交互项对紫薯河粉GI值影响的曲面图及等高线图Fig.3 Surface maps and contour plots of the effects of interactions of different factors on GI value of purple sweet potato rice noodles

2.2.4 低GI紫薯河粉最优生产工艺验证试验 为了验证回归模型的有效性，根据优化得到的最优生产工艺以及实际操作的可行性进行试验，当水分添加量为264%，紫薯全粉添加量为13.47%和黄原胶添加量为0.46%时，得到紫薯河粉的感官评分为88，断条率为17%，GI值为36，与理论预测值接近，重复性好，证实了该模型的可靠性。

3 结论与讨论

传统河粉的主要原料为大米，含有较多的碳水化合物，容易引起餐后血糖的急剧上升。为了满足人们的健康需求，扩大河粉市场，研制低GI河粉非常必要。紫薯是天然营养保健食品[21]。本研究在河粉制作过程中加入黄原胶协同干热处理后的紫薯全粉，以感官评分、断条率和GI值为响应值，根据单因素的试验结果进行响应面优化试验，得到最终优化生产工艺为水分添加量为264%，紫薯全粉添加量为13.47%，黄原胶添加量为0.46%，经验证，此时紫薯河粉的感官评分为88，断条率为17%，GI值为36。该研制所得的紫薯河粉GI值远低于55，属于低GI产品。

快消化淀粉是指在较短的时间内就完全被人体消化的淀粉，吸收率非常高，会导致人体内的血糖浓度快速升高，不利于身体健康。而慢消化淀粉在体内消化吸收的速率相对缓慢，人体吸收后可以基本保持体内血糖浓度。本研究发现，随着黄原胶含量的增加，紫薯河粉的GI值先减小后增加，这与陈梦雪[14]研究的果胶协同甘薯淀粉对甘薯淀粉消化特性的研究结果一致。本研究所用紫薯全粉属于高碳水物质，但经与适量的黄原胶混合后进行干热处理，则会显著降低紫薯全粉的消化速度，从而降低紫薯河粉的GI值，促进了紫薯全粉在保健价值方向的开发。此外，黄原胶使河粉的胶黏性先增加后减小，当黄原胶添加过多时，黄原胶会吸附更多的水分，从而使凝胶网状结构形成不完全，产品感官品质较差[22-23]。因此，黄原胶的添加需要适量。水分添加量在食品加工过程中对原料的加工起着重要作用。本研究中随着水分添加量的增加，紫薯河粉的硬度、咀嚼性和断条率先减小后增加，弹性、胶黏性和感官评分先增大后减小。当河粉水分添加量较低时，自由水分子含量较少，不足以使氢键完全断裂，使得淀粉分子链的迁移受到抑制[24]，河粉进行有限吸水膨胀，糊化不均匀，凝胶结构较差，导致河粉断条率高，感官品质差[25]。当河粉中水分添加量过多时，会使凝胶体系中游离水含量增多，不利于河粉凝胶的形成，导致紫薯河粉难以成型[26]。此外，食物的色泽也是食品品质感官评价和影响食物摄入的重要因素。紫薯全粉中富含花青素，因此具有鲜亮的紫色。添加适量的紫薯全粉，可以有效改善紫薯河粉的色泽，本研究中随着紫薯全粉添加量的增加，色差逐渐下降，产品色泽更符合感官要求。低GI紫薯河粉的开发不仅有助于河粉制品市场的拓展以及营养健康食品种类的丰富，也能够为薯类精深加工及附加值提升提供参考。