杂粮复合粉的制备工艺优化及体外消化特性研究

聂迪，鹿保鑫

（黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319）

全谷物及杂粮与大宗主粮相比，不但具有高蛋白质、碳水化合物等营养物质[1-2]，且富含膳食纤维、多酚、抗性淀粉等功能性成分[3-4]，具有显著的抗氧化性，对慢性病预防和治疗起到关键作用[5-6]，比如谷物多酚可以显著降低高脂小鼠血清中总胆固醇（TC）、丙二醛水平（MDA），上调SOD、NQO1、Nrf2 抗氧化基因表达水平[7-9]。近年来我国已认识到全谷物及杂粮膳食的重要性，消费者已经逐渐改变饮食习惯并且提高其在膳食结构中的比例，相关科研人员和食品企业也正在全力推进全谷物及杂粮食品的开发。比如研发受青睐的杂粮粉、杂粮粥等方便快捷食品[10-12]，既方便大家补充营养，又满足个性化饮食需求的特殊人群食用。然而，随着消费需求以及对杂粮粉品质营养的增加，现有的杂粮粉种类少以及复配配方较单一，难以满足需求[13]。因此，优化杂粮复配粉配方比例，改善杂粮的适口性，提高杂粮产品功能性价值是扩大中国杂粮产业优势、发展杂粮加工行业的关键。

相关研究证实，目前我国慢性病发病人数逐年增加的一个主要因素与长期单一食用精细化主粮相关性较大，正面临着营养和慢性病的双重负担[14]，因此，低GI 值食品成为功能食品的发展趋势。虽然杂粮食品不一定都是低GI 食品，但其中多数的GI 值都低于大米、面粉等精细化加工的主食[15]。例如，通过体内实验证明以绿豆为原料开发的绿豆冲调粉为低血糖生成指数食品，适合糖尿病人食用[16]。添加挤压豌豆粉于小麦面团中，可提高复配粉的营养品质对调控血糖及体重起到积极作用[17]。常见的杂粮其GI值在不同的加工方式和复配等条件下，GI 值均有所变化[18-19]。但是，目前将常见的冲调粉原料科学化复配的研究较少。同时，也有研究指出杂粮粉加工后存在食用后不易被消化吸收，使得营养粉末未能很好地吸收等不良因素，并且杂粮质地紧密且不易熟化[20]，导致其功能价值并未得到充分利用。

为满足人们对低GI 食品的诉求，丰富消费者选择多样性，促进杂粮谷物更快地走上人们的餐桌，推进杂粮主食化进程。故而，研究以燕麦、绿豆、小米、荞麦四种低GI 值的日常杂粮为研究对象，利用D-最优混料设计优化杂粮配比，以eGI 值为测定指标，制备品控俱佳的杂粮复配粉，并对熟化杂粮粉体外消化特性进行评价。为制备利于消化的杂粮粉提供理论依据，同时也为预防调控慢性病合理膳食提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 原料及主要试剂

小米产自大庆肇源，绿豆产自大庆杜尔伯特，豌豆、燕麦产自山西，购于大庆市北京华联超市；α-淀粉酶（10 U·mL-1）、胰蛋白酶（80 U·mL-1）、胃蛋白酶（100 U·mL-1），武汉博士康生物工程有限公司；Ca、Mg、Fe、Cu、Zn 标准液，国药集团化学试剂有限公司；福林酚试剂、没食子酸，上海源叶生物技术公司；盐酸、三氯乙酸、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸、无水乙醇，珠海丽珠试剂股份有限公司。

1.2 主要仪器

FW100 高速万能粉碎机，济南海博实验仪器有限公司；ARIUM 新型纯水器，赛多利斯有限公司；UV759 紫外可见分光光度计，聚仪惠科学仪器有限公司；SLG35-A 双螺杆挤压膨化机，济南大亿膨化机械有限公司；DGG-9070A 电热恒温鼓风干燥箱，海森信实验仪器有限公司；FD-1A-50 真空冷冻干燥机，江苏天翎仪器有限公司；PHS.2C 型精密酸度计，美国METTLERTOLEDO 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 D-Optional 混料设计

实验借助Design expert 软件，对4 中种杂粮进行D-Optional 混料设计，以复配物eGI 为衡量指标，以燕麦、绿豆、小米、荞麦质量比为自变量，在前期查阅文献基础上，确定4 种杂粮原料限定质量比范围如下：豌豆（A）为20%～30%，绿豆（B）为10%～20%，小米（C）为20%～30%，燕麦（D）为25%～40%。

1.3.2 熟化粉的制备

按照D-Optional 混料设计确定的最佳复配比例，采用挤压熟化处理，工艺条件为物料含水率17%、挤压温度170 ℃、螺杆转速190 r·min-1，热风干燥温度70 ℃，干燥时间为6 h，然后通过体外消化模拟实验评价杂粮熟化粉的消化特性。

1.3.3 体外消化模拟

小米、燕麦、绿豆、豌豆体外消化试验参照康晶燕[18]和王贵一[21]的方法，每个杂粮样品模拟处理3次，整个体外模拟过程温度恒定为37 ℃，详细操作如下：

（1）口腔消化模拟：称取四种杂粮样品各5 g，放置在100 mL 烧杯中，分别添加入6 mL α-淀粉酶（10 U·mL-1），消化处理时间为2 min；

（2）胃部消化模拟：杂粮经口腔消化后，进一步加入4 mL 胃蛋白酶（100 U·mL-1），并用盐酸调节pH至3.0，此阶段消化时间延长至120 min；

（3）小肠消化模拟：在胃蛋白酶消化处理后的杂粮酶解样品中模加入2 mL 胰蛋白酶（80 U·mL-1），用氢氧化钠分别调节酶解物的pH 至中性，消化过程中分别于0、10、20、40、60、90、120 和180 min 处，摇匀后取3 mL 酶解物，在100℃热水中保持6 min，待酶解物完全冷却，测定其还原糖含量。

1.3.4 估计血糖生成指数

小米、燕麦、绿豆和豌豆eGI 值评估参照Goni I[22]的方法。根据不同浓度葡萄糖值绘制标准曲线，用3，5-二硝基水杨酸法对杂粮中还原糖含量进行分析。结果数据用于计算淀粉水解率（HRS），计算公式如（1）：

式中，m 代表杂粮中总淀粉含量，mg；

m1不同时间点样品消化的葡萄糖当量，mg。

以各杂粮淀粉水解率数值为纵坐标，以时间为横坐标绘制杂粮样品水解曲线。根据水解曲线计算白面包标准食物和杂粮复配样品的水解面积（AUC样品和AUC 参考），求出水解曲线面积后可进一步计算出淀粉水解指数（Hydrolysis Index，HI），进而计算得出杂粮样品的eGI 值。公式（2）为HI 计算方法，公式（3）为eGI 计算方法：

杂粮中淀粉含量高达60%以上，且不同种类淀粉的消化率也不同，基于上述还原糖含量的测定，可进一步计算RDS、SDS 和RS 三种淀粉消化率，具体公式如下：

公式（4）、（5）和（6）中各符号含义如下：

G20表示20 min 内杂粮样品水解转化的还原糖质量，mg；

G120表示120 min 内杂粮样品水解转化的还原糖质量，mg；

FG 表示杂粮中总还原糖质量，mg；

TS 表示杂粮中总淀粉质量，mg；

TG 表示杂粮酶解前游离还原糖质量，mg。

1.4 数据分析方法

实验单因素数据采用SPSS 20.0 软件进行方差分析。混料设计采用Design Expert 10 进行优化及分析。

2 结果与分析

2.1 杂粮混料设计方案及结果

采用D-Optional 混料设计对四种杂粮复配比例进行优化研究，以燕麦、小米、绿豆和豌豆添加比例为混料设计的自变量，以杂粮复合粉的估计血糖生成指数（eGI）为评价指标，其中混料设计方案及结果见表1 所示。采用Design-expert 对杂粮不同配比所对应的eGI 值变化情况进行多元回归拟合分析，建立杂粮复合粉估计血糖生成指数的回归模型，拟合回归模型方程如下：

表1 D-最优设计方案及试验结果Table 1 D-optimal design scheme and test results

Y=72.16×A+70.15×B+50.47×C+78.61×D-37.87×AB+55.80×AC-13.40×AD+28.27×BC-28.51×BD+33.53×CD

2.2 杂粮复合粉混料设计方差分析

对上述建立模型进行回归与方差分析，其结果见表2 所示。由表2 可知，以燕麦、小米、绿豆和豌豆不同比例为自变量建立的回归模型差异极显著（P＜0.01），并且模型中多元决定系数R2=0.817 8，且失拟项P 值0.053 8 大于0.05 不显著，表明建立的回归模型适用于实验设计，具有较好的拟合性，说明所选的燕麦、小米、绿豆和豌豆自变量与响应值eGI 值之间存在显著的线性关系；观察二次项P 值，发现AC 交互项显著，表明燕麦和绿豆2 种成分对杂粮复合粉的血糖指数有直接影响。

表2 回归与方差分析结果Table 2 Results of regression and analysis of variance

根据杂粮不同配比所对应的血糖生成指数的变化情况，表明四种杂粮配比对杂粮复合粉的eGI 有较大影响。响应值eGI 在60.12～74.56 之间变化。为进一步明确杂粮添加量与杂粮复合粉的eGI 值关联性，利用响应跟踪图来直观描述各因素对响应值的影响，四个因素跟踪图如1 所示。由图1 可知，B 是小米添加量范围在30%～40%之间，其中响应值eGI 随着小米比例的增加，出现逐渐增大的趋势。燕麦和豌豆添加比例超出中心偏差后，eGI 值缓慢下降。绿豆添加量对eGI 影响较高，随着添加量的增加，eGI 值呈现显著增加，当添加量达到中心偏差水平后出现急速下降。

图1 自变量与eGI 之间的响应跟踪图Fig.1 Response tracking diagram between independent variable and eGI

为进一步评估燕麦、小米、绿豆和豌豆四个自变量之间的交互作用，按D-最优混料设计绘制四个因素对eGI 值协同作用的响应曲面及三元等值图（图2）。由图2（a）和（b）可知，固定因素D（豌豆添加量），对比燕麦（A）、小米（B）和绿豆（C）3 种原料添加比例对杂粮复合粉eGI 值的影响，当燕麦（A）添加量为15%时，随着绿豆（B）添加量的增加，eGI 值出现明显下降趋势。由图2（c）和（d）可知，当小米（B）添加量为30%时，燕麦（B）随着添加的增加，eGI 值呈现缓慢下降趋势。由图2（e）和（f）可知，当绿豆（C）添加量固定为10%时，小米（B）随着添加的增加eGI 值明显增加。由图2（g）和（h）可知，固定绿豆C 添加量，比较小米（B）和豌豆（D）添加量对eGI 值的影响，发现随着小米和豌豆添加的增加，eGI 值在一定范围内出现增加。综合以上结果，杂粮复合粉最优配比为燕麦15%，小米35%，绿豆30%和豌豆20%，此条件下模型响应值最低为63.38，此状态下杂粮复合粉eGI 值较低，对人体控制膳食摄入后血糖变化影响不显著，为后续研究功能性变化提供理论依据。

图2 自变量对响应值eGI 影响的响应曲面及三元等值图Fig.2 Response surface and ternary isogram of the influence of independent variables on response value eGI

2.3 杂粮复合比例优化验证

根据建立回归模型，通过混料最优设计得出杂粮复合粉的最佳配比为燕麦15%、小米35%、绿豆30%和豌豆20%，此条件下，杂粮复合粉血糖生成指数为63.38，属于中GI 食品。为了验证优化参数预测值是否与实际值相符，对四个最优参数进行5 次平行验证。经验证后发现杂粮复合粉实际平均eGI 值为64.28，这与预测值相之间差异较小，说明该预测模型可用，且模型拟合度较好。

2.4 杂粮复合粉体外消化特性研究

2.4.1 杂粮复合粉熟化前后RDS、SDS、RS 含量分析

杂粮复合粉经熟化处理后，其中三种淀粉含量检测结果见表3 所示。由表3 可知，杂粮复合粉熟化前后不同淀粉（RDS、SDS 和RS）含量均有显著差异。其中变幅最大的是快消化淀粉RDS 含量，杂粮复合生粉中RDS 为9.63%，经挤压熟化处理后增加了5.95 倍。熟化后的杂粮复合粉中抗性淀粉（RS）含量显著下降（P＜0.05）。经分析发现熟化后杂粮复合粉中可消化淀粉（RDS+SDS） 含量比熟化前生粉高出42.32%。因此，从消化性角度来讲，熟化杂粮复合粉的消化性显著提高。

2.4.2 杂粮复合粉熟化前后淀粉水解曲线

杂粮复合粉熟化前后酶解曲线如图3 所示。由图3 可知，杂粮复合生粉的淀粉消化曲线在3 h 内趋于线性，淀粉在前30 min 内消化速度不断升高，水解时间达到60 min 时，淀粉水解率达到最大值。之后随着随着时间延长，消化速度缓慢增加。杂粮熟化粉在前30 min 内，淀粉水解速度呈直线上升趋势，相比杂粮生粉而言，杂粮熟化粉中淀粉水解速度显著高于生粉（P＜0.05），当消化时间延长至60 min 时，淀粉水解率已达到70.15%，并趋于稳定。同时，杂粮生粉中淀粉水解率和水解程度显著低于杂粮熟化粉，其中熟化淀粉前30 min 内的水解速度显著高于生淀粉，水解时间为10 min 时，熟化淀粉的水解速度比生粉高出2.58 倍。因杂粮复合生粉中含有较多的慢消化淀粉及抗性淀粉，这也是熟化粉与生粉水解程度不同的一个因素[23]。Sandhu K S 和Hoover R C 等[24-25]认为生豆粉的消化性还与淀粉来源、淀粉特性及结构等因素有一定关联。

图3 杂粮复合生粉中淀粉体外消化曲线Fig.3 Digestion curve in vitro of starch in coarse cereals composite raw meal

3 结论

采用D-Optional 混料设计对杂粮复配比例进行优化研究，确定杂粮复合粉的最佳配比为燕麦15%、小米35%、绿豆30%和豌豆20%，获得品质较高，状态细腻的杂粮复合粉，其eGI 为63.38，属于中GI 食品，丰富特殊人群饮食的多样性选择。此外，杂粮复合粉熟化前后不同淀粉（RDS、SDS 和RS）含量均有显著差异，RDS 为9.63%，经挤压熟化处理后为57.34%，然而，熟化后RS 含量显著下降至34.83%（P＜0.05）。杂粮生粉中淀粉水解率和水解程度显著低于熟化挤压粉，熟粉水解时间为60 min，淀粉的水解速度为70.15%，熟化后的杂粮复合粉的消化特性优于生粉，确保了后续的产品加工（例如速溶营养粉或作为面制品的预混粉等），也为开发全营养便捷控糖食品提供理论依据。