湿热处理对糯米粉血糖生成指数值及相关指标的影响

王东旭，郭美玲，刘一锐，郭 宇，叶 华，郭元新

（江苏科技大学粮食学院，江苏镇江 212100）

糯米作为稻米的一个品种，约含蛋白质9%、脂肪1%、碳水化合物75%，并含有钙、磷、铁、B族维生素等多种营养物质，可作为食疗药补的辅料，具有暖胃止寒、补气养血等功效，深受广大消费者喜爱[1-2]。糯米淀粉中支链淀粉含量达95%以上，有独特的口感和黏性，常被磨成糯米粉制作各种食品，如麻球、糍粑、汤圆、年糕等[3]。糯米制品在人体内消化速度快，血糖反应高，是典型的高血糖生成指数（glycemic index，GI）值食品[4-5]。所以高血糖患者、幼童及老人等特殊人群不宜过多食用糯米制品，这严重限制了糯米的应用范围[6-7]。如何在糯米粉制备过程中降低其GI值，已成为近年来糯米高值化开发领域的研究热点。

湿热处理是一种物理改性淀粉的方法，可以使淀粉的结构及功能特性发生有利的变化[8]。周显青等[9]分析了不同制粉工艺对糯米粉理化性质、热力学特性及质构的差异，发现湿热处理的糯米粉品质最好。杨风等[10]研究发现利用湿热处理会明显降低直链淀粉浸出值及淀粉颗粒膨胀度，淀粉颗粒将更耐高温，剪切力更加稳定。对淀粉含量比较高的山药、大米进行湿热处理时，其颗粒外形变化不显著[11]，而对玉米和甘薯进行湿热处理时，其淀粉结晶度增加[12]，说明不同类型的淀粉进行湿热处理，其结构变化不同。这可能是因为在对淀粉进行湿热处理时，水分子可以破坏淀粉结晶结构，使其分子链发生移动，而无定形区的淀粉分子更易重排产生更多的结晶[13]。湿热处理参数对糯米粉血糖生成指数值及相关指标的影响研究还未见报道。直链淀粉含量测定方便，且与抗消化淀粉（resistant starch，RS）显著正相关，直链淀粉含量越高，对酶的抗性越强，酶对淀粉的水解就越慢，淀粉的GI值则越低[14]。采用直连淀粉的含量间接反应糯米粉GI值的变化，可以大大减少实验量。因此本研究以水分含量、温度、处理时间为考察因素，直链淀粉含量为指标，通过Box-Behnken响应面法确定其最佳湿热处理条件；经过响应面优化工艺所得的糯米粉，将其和普通糯米粉（WR）、仅进行酶解后的糯米粉（ER）进行对比研究，分别进行消化性能测定、水解指数（hydrolysis index, HI）及GI值测定，验证了湿热处理对糯米粉GI值的降低效果，为低GI糯米粉的开发提供可靠的数据资料。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试粳糯米（镇糯20） 2021年2月由常州金坛江南制粉有限公司出品；中性蛋白酶（50 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（10×104U/mL）、3,5-二硝基水杨酸

上海麦克林生化科技有限公司；猪胰腺α-淀粉酶（2000 U/g） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碘化钾、氢氧化钠、95%乙醇、乙酸（冰醋酸）、无水乙醇、无水亚硫酸钠、无水葡萄糖、苯酚、酒石酸钾钠、无水乙酸钠 分析纯，国药集团化学试剂有限公司；直链淀粉标准样品 源叶生物科技有限公司。

TU-1810紫外可见分光光度计 屹谱仪器制造（上海）有限公司；DHG-9240A电热鼓风干燥箱、HWS-26电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司；DF-101T集热式磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司；5810R高速冷冻离心机 德国Eppendorf公司；PHSJ-4F pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；MB25谷物水分测定仪 宁波奥克斯集团有限公司；L18-Y22高速破壁调理机 九阳股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 糯米粉的制备 参考前期的研究成果[15]，将糯米和纯水按1:3（w/v）在45 ℃条件下浸泡1 h，随后利用破壁调理机制成米浆，使用25%稀盐酸和20%氢氧化钠溶液调节pH至6.5后，按4000 U/g（以大米质量计算）的比例加入中性蛋白酶，在50 ℃水浴条件下按160 r/min搅拌3 h进行酶解反应，而后利用4000 r/min离心10 min，取出沉淀物，通过调节烘干时间，利用水分测定仪分别获得10%、15%、20%、25%和30%水分含量的糯米粉样品，研磨后过100目筛，密封后置于4 ℃冰箱中平衡水分24 h备用。

1.2.2 糯米粉湿热处理的单因素实验

1.2.2.1 不同水分含量对直链淀粉含量的影响 按1.2.1糯米粉的制备方法操作得到备用样品，实验时将样品放入温度110 °C的鼓风干燥箱中（下同）处理2 h，研究糯米粉水分含量（10%、15%、20%、25%和30%）对直链淀粉含量的影响，并对比未处理糯米粉（WR）和不同水分含量湿热处理样品。

1.2.2.2 湿热处理温度对直链淀粉含量的影响 按1.2.1糯米粉的制备方法操作得到备用样品，固定糯米粉水分含量为20%，处理时间为2 h，研究湿热处理温度（90、100、110、120和130 °C）对直链淀粉含量及体外消化特性的影响。

1.2.2.3 湿热处理时间对直链淀粉含量的影响 按1.2.1糯米粉的制备方法操作，固定糯米粉水分含量为20%，处理温度110 °C，研究湿热处理时间（1、2、3、4和5 h）对直链淀粉含量及体外消化特性的影响。

1.2.3 糯米粉湿热处理条件的响应面试验设计 为选择最佳试验条件，以水分含量、处理温度、处理时间为独立变量，糯米粉的直链淀粉含量为响应变量，采用Design Export 8.0.6的Box-Behnken响应面方法（RSM）优化过程。各组平行3次，响应面试验因素和水平见表1。

表 1 响应面因素水平设计Table 1 Response surface factor and level coding table

1.2.4 不同处理糯米粉消化性能、HI指数及GI值的比较 将经过响应面优化工艺所得的糯米粉命名为HMT-R（湿热和酶解联合处理），并和普通糯米粉（WR）、仅进行酶解后的糯米粉（ER）进行对比研究，处理方法同1.2.1，分别进行消化性能、HI指数及GI值的测定，进而对比湿热处理对糯米粉GI值及理化性质的影响。

1.2.4.1 直链淀粉含量的测定 参考王肇慈[16]的碘比色法，称取40±0.2 mg直链淀粉标准样品，加入1 mL的95%乙醇和9 mL的NaOH（1 mol/L）溶液，在沸水浴中糊化10 min，冷却至室温后转入100 mL容量瓶定容，分别吸取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL上述溶液于100 mL容量瓶中，分别加入醋酸（1 mol/L）溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，而后分别加入2 mL碘液定容。在室温下静置30 min后，在620 nm处测定溶液的吸光度，绘制直链淀粉的标准曲线为：y=0.2371x+0.0234（R2=0.9965）。准确称取100±0.2 mg淀粉样品按上述步骤利用标准曲线计算其直链淀粉含量。

1.2.4.2 糯米粉消化性能的测定 淀粉根据其生物可利用性被分为三类[17]：快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）是指在20 min内能在小肠内被迅速消化吸收的淀粉；慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）指在20～120 min内能在小肠被完全吸收但吸收速度比较慢的淀粉；抗性淀粉（resistant starch，RS）是指120 min内未被人体小肠消化。吸收的淀粉参考ENGLYST等[18]的测定方法，称取淀粉样品200 mg加入15 mL 0.2 moL的醋酸钠缓冲溶液（pH5.2），沸水浴处理30 min，然后向样品中加入5 mL混合酶液（1 mL 15 U/mL淀粉葡萄糖苷酶和4 mL 290 U/mL猪胰腺α-淀粉酶）于37 ℃水浴下进行酶解，测定吸光度值并计算葡萄糖含量，并带入公式计算营养片段RDS、SDS和RS的含量。其中葡萄糖含量标准曲线回归方程为：y=0.9055x+0.0163（R2=0.9988）。具体计算公式如下：

式中：G20：淀粉样品酶水解20 min后产生的葡萄糖含量（mg）；FG：酶水解前淀粉样品中游离的葡萄糖含量（mg）；G120：淀粉样品酶水解120 min后产生的葡萄糖含量（mg）；TS：总淀粉干基重（mg）。

1.2.4.3 糯米粉GI值的测定 参照王东旭等[15]和ENGLYST等[17]的方法，分别在水解时间为10、20、40、60、90、120、180 min时取样，取样时间点的葡萄糖含量（Gt）可以由葡萄糖标准曲线计算得出，并根据以下公式计算水解率（%）并绘制出水解曲线。以白面包为参考标准，定义白面包的水解率为100，按照GI与HI的关系式，计算出样品的GI值。

HI=样品消化（水解）曲线下面积/参比标准样品消化（水解）曲线下面积×100

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 水分含量对糯米粉直链淀粉含量及消化特性的影响

如图1所示，直链淀粉含量随水分含量的增大而增大。在一定范围内，增大水分含量，因高温状态下水分使淀粉结构发生变化，使直链淀粉含量增加[19]。随着湿热处理水分含量进一步增加到20%后，直链淀粉含量增加缓慢。水分含量在湿热处理过程中对糯米粉的消化性能有较大影响，可不同程度提高糯米粉的抗消化性能。在10%～25%水分含量范围内，随着水分含量增加，SDS+RS的含量上升，水分含量在25%时，RS含量达到峰值53.72%±0.86%，比普通糯米粉（WR）RS含量增加27.54%。这种现象产生的原因可能是随着水分含量的增加，运动到淀粉颗粒内部的数量较多，在热力作用下能更大程度地破坏氢键，使得分子链的束缚不如之前紧密而发生断裂，导致淀粉酶的作用受阻[18]。综合考虑，选取水分含量为15%～25%进行响应面法优化试验。

2.2 湿热处理时间对糯米粉直链淀粉含量及消化特性的影响

从湿热和酶解联合处理（图2）可见，直链淀粉含量随处理时间的增大而增大。在1～3 h之间糯米粉直链淀粉含量增加最快，处理时间3 h时达到3.05%±0.08%，是处理1 h时含量的1.20倍，继续增加时间，糯米粉直链淀粉含量趋于平缓。随着处理时间的延长，SDS+RS含量增加，RS含量在处理3 h后变化平缓，且4 h后有降低趋势。适当延长湿热处理时间有利于淀粉分子间重排形成新的有序化结构，这与HOOVER等[20]报道的结果一致。综合考虑成本及生产的可控制性，选取处理时间1～3 h进行响应面法优化试验。

图 1 水分含量对糯米粉直链淀粉含量和消化特性的影响Fig.1 Effects of moisture content on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

2.3 湿热处理温度对糯米粉直链淀粉含量及消化特性的影响

从图3可见，糯米粉中直链淀粉的含量随着温度的升高呈增加趋势。在110 ℃的温度下进行HMT处理后的糯米粉直链淀粉含量达到3.18%±0.19%，比90℃处理组糯米粉直链淀粉含量（2.42%±0.13%）升高了31.40%。再升高处理温度，直链淀粉含量变化缓慢，且在温度达到120和130 °C时，糯米粉色泽发黄并发生结块现象，这可能是因为温度过高会导致淀粉在处理过程中产生局部糊化。对消化特性而言，相比于普通糯米粉（WR），不同湿热处理温度对糯米粉的RS含量有较大影响，RS含量在温度为110 ℃时达到最大值55.38%±0.67%，表明在湿热处理过程中糯米粉中的RDS逐渐转变为RS。温度高于110 ℃后，RS含量变化平缓且有降低趋势。有研究表明热处理破坏了淀粉的颗粒、片层、分子秩序，从而经分子重排得到更加有序的结构增强了热稳定性[21]。综合考虑，选取处理温度100～120 ℃进行响应面法优化试验。

图 2 湿热处理时间对糯米粉直链淀粉含量和消化特性的影响Fig.2 Effects of treatment time on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

图 3 湿热处理温度对糯米粉直链淀粉含量和消化特性的影响Fig.3 Effects of treatment temperature on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

图 4 湿热处理时间与湿热处理温度相互作用的等高线图与响应面图Fig.4 Contour map and response surface map of the interaction between time and temperature of heat-moisture treatment

图 5 湿热处理时间和水分含量相互作用的等高线图与响应面图Fig.5 Contour map and response surface map of the interaction between time and moisture content of heat-moisture treatment

2.4 响应面分析湿热处理工艺试验结果

2.4.1 响应面法优化试验设计及结果 应用Design Expert 8.0.6软件进行响应面设计。经回归分析得拟合方程为：y=3.66+0.23A+0.28B+0.26C+0.020AB-0.12AC-0.22BC-0.41A2-0.22B2-0.56C2。结果及拟合方程预测值如表2所示。

表 2 响应面试验方案与结果Table 2 Response surface test scheme and results

2.4.2 方差分析结果 如表3所示，回归模型极显著（P＜0.0001），失拟项不显著（P=0.0873＞0.05），说明该回归模型合理，方程能够反映糯米粉湿热处理后的直链淀粉含量与各因素之间的关系；R2=0.9932，R2Adj=0.9844，即该模型能解释98.44%，该模型预测值和实际值拟合度高。A、B、C、A2、B2、C2、AC、BC对应的P值小于0.01，影响极其显著，对糯米粉湿热处理后的直链淀粉含量的影响大；由F值的大小可知，3个因素对湿热处理后的糯米粉的直链淀粉含量影响从高到低依次为：湿热处理温度、水分含量、湿热处理时间。

表 3 响应面方差分析Table 3 Response surface test variance analysis

2.4.3 因素交互作用 经回归方程生成等高线和响应面图见图4～图6。在响应面图中，曲线变化越陡峭，说明交互影响越显著。湿热处理温度不变时，湿热处理时间与水分含量等高线的形状呈椭圆形，等高线排列较为密集，其交互作用极显著（P=0.0073＜0.01）。湿热处理时间一定时，湿热处理温度与水分含量的等高线形状为椭圆形，等高线扁平，其交互作用极显著（P=0.0003＜0.01）。因此AC、BC交互作用极显著（P＜0.01），这与F值结果一致。

图 6 水分含量与湿热处理温度相互作用的等高线图与响应面图Fig.6 Contour map and response surface map of the interaction between moisture content and temperature of heat-moisture treatment

2.4.4 验证实验 经软件分析，该模型得到的最优条件为：水分含量为20.40%、湿热处理时间为2.29 h、湿热处理温度为116.16 ℃，且糯米粉直链淀粉含量理论值为3.62%。考虑到实际操作的可能性，将实验条件修正为：水分含量为20%、湿热处理时间为2.3 h、湿热处理温度为116 ℃。在该修正条件下进行3次提取实验，平均直链淀粉含量为3.62%±0.01%，接近理论值，表明该数学模型可用于优化糯米粉湿热处理过程。

2.5 湿热处理优化条件下糯米粉的体外消化特性

通过最佳湿热处理工艺条件得到的糯米粉样品，进行体外消化实验，结果见图7，湿热和酶解联合处理糯米粉（HMT-R）中的RS含量明显高于普通糯米粉（WR）和酶解糯米粉（ER），其含量比普通糯米粉高出30.46%，而RSD含量却是比普通糯米粉减少了31.23%。这可能是由于淀粉在热处理过程中被糊化，发生了晶体结构的破坏和分子有序结构的破坏，这使得淀粉更容易被淀粉酶消化[22-23]。因此，湿热处理促使了支链淀粉向直链淀粉的转变，增加了糯米粉中直链淀粉的含量，同时也提高了糯米粉的抗消化性。

图 7 不同处理下糯米粉的体外消化特性比较Fig.7 Comparison of in vitro digestion characteristics of glutinous rice flour under different treatments

2.6 湿热处理优化条件下糯米粉的HI值及GI值

分别将普通糯米粉（WR）、酶解糯米粉（ER）和湿热和酶解联合处理糯米粉（HMT-R）进行水解并进行HI指数及GI值的测定，结果见图8。实验表明，HMT-R样品的HI指数及GI值最低，二者的变化趋势一致。相比于WR样品，GI值从102.3降低至71.5，降低了30.1%。这说明糯米粉经酶解后再进行湿热处理，糯米粉中的RS含量增加，使得糯米粉的抗消化性增加，降低了糯米粉的GI值。糯米粉在经过酶解后能够降低糯米粉的水解率，使其不易被消化，而再进一步湿热处理后水解率更低，糯米粉的抗消化能力增强，使其水解更慢，更不易被淀粉酶所水解[24-25]。

图 8 不同处理糯米粉的HI指数和GI值比较Fig.8 Comparison of HI index and GI value of glutinous rice flour with different treatments

3 结论

本研究利用单因素结合响应面试验优化糯米粉湿热处理工艺。研究表明，经Box-Behnken设计试验得到的回归方程极显著（P＜0.0001），失拟项不显著（P＞0.05），回归方程拟合度好。在水分含量为20%、湿热处理时间为2.3 h、湿热处理温度为116 ℃条件下，糯米粉直链淀粉含量最高（3.62%±0.01%），实测值与理论值较为接近，表明该模型可用于优化糯米粉湿热处理工艺。将优化后的糯米粉与其它处理的体外消化特性、HI值及GI值进行了比较，得出最优条件下制备的糯米粉RDS含量下降，SDS和RS含量上升；水解指数（HI）明显降低，同时GI值降低了30.1%，本研究为低GI糯米粉的进一步研发提供了实验思路，为其进一步研究提供了一定的理论基础。糯米粉为高血糖食物，GI值一般在98以上。湿热处理可以改变糯米淀粉的结构及消化特性，对降低糯米粉的GI值有显著作用，但对其影响糯米粉GI值的作用机理尚不完全清楚，对其进行工业化应用还需要生产实践的检验。