不同谷物粉的粉体特性及血糖生成指数体外评价

王宗玄，桑若杰，李旭燕，王永霞，李海枝,3，熊菲菲，袁媛，刘磊，夏凯,3*

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北邯郸 056038）（2.中国食品发酵工业研究院有限公司，北京100015）（3.功能主食创制与慢病营养干预北京市重点实验室，北京 100015）（4.宁波御坊堂生物科技有限公司，浙江宁波 315012）（5.神威药业集团有限公司 河北三河 065201）

如今糖尿病、肥胖症等慢性疾病患者数量大幅上升，已成为目前全球性重大的公共卫生问题。这些疾病的发病机理与血糖和胰岛素水平的异常有很大联系[1,2]，很多年轻患者因为生活节奏较快，养成了不健康的饮食习惯，导致血糖、胰岛素水平长时间处于异常状态。营养治疗是糖尿病预防和控制过程中不可或缺的一部分[3]，其中代餐食品不仅能够快速、便捷地为人体提供各种必要的营养物质，还易使人达到饱腹的效果有助于减轻体重，在年轻人群中很受欢迎。

谷物代餐粉，是由谷物、豆类等农产品为主要原料，一种或者多种原料混合制成的粉剂产品，食用便捷且饱腹感强。另外谷物中含有丰富的蛋白质、维生素和膳食纤维等营养素和功能性成分，对降低血糖、调节肠道等有一定的作用[4]。比如白芸豆不仅营养丰富，还含有天然的α-淀粉酶抑制剂，可以阻碍或延缓食物中碳水化合物的水解，极具加工利用价值[5]。其他的谷物包括薏米、燕麦等在降低人们餐后血糖浓度方面都有一定的效果[6-8]。

代餐粉的品质评价方法多种多样，其中以粉体特性作为评价指标来筛选粉体原料是极其重要的。对于代餐粉的生产、食用来说，物料的流动性、冲调性等粉体学性质直接影响到产品的生产工艺、传输、储存。粉体粒径的变化会导致粉体表面积的改变，影响物料的填充性、流动性、润湿性等粉体特性进而影响产品品质[9]。另一方面，食物血糖生成指数（Glycemic Index，GI）是反映食物中碳水化合物餐后血糖应答水平的特征性指数[10]，糖尿病、肥胖症等许多慢性疾病的发生、发展都与长期食用高GI食物有一定的关系[11]。通过体外模拟消化试验对代餐粉血糖生成指数的研究可以帮助改良代餐粉产品的配方[12]。与人体消化试验相比，体外消化具有成本低、实验周期短、可重复性强等优点，在前期原料筛中选具有明显的优势[13,14]。综上所述，粉体特性和体外消化特性都会影响代餐粉的品质，但以粉体特性为评价指标结合体外消化评价筛选代餐粉的研究还未见报道。

为筛选出粉体流动性、冲调性较好，且可以降低餐后血糖应答的代餐粉原料，本文对5种市售谷物粉的粒径分布、流动性和消化特性三个方面，采用激光粒度分析仪和智能粉体物性测试仪进行了粉体特性研究，运用体外模拟消化试验对谷物粉的GI值进行预测，计算为体外模拟血糖生成指数（Estimated Glycemic Index，eGI）值。对产品的粉体特性和eGI进行比较，筛选出粉体流动性、冲调性良好，且eGI较低的谷物粉，可直接冲调食用，也可用于糖尿病的研发。

1 材料与方法

1.1 试验材料

糙米粉、苦荞麦粉、薏米粉、白芸豆粉、燕麦粉，山东多麦食品有限公司；NaOH标准溶液、KCl、浓盐酸，北京化工厂有限责任公司；无水CaCl2，天津市塘沽邓中化工厂；NaCl、CaCl₂·2H₂O，西陇化工股份有限公司；乙酸钠、NaHCO3，北京化工厂；无水乙醇，天津市致远化学试剂有限公司；胃蛋白酶、胰酶、3号胆盐、淀粉葡萄糖苷酶，西格玛奥德里齐（上海）贸易有限公司；葡萄糖（Glu）试剂盒，南京建成。

1.2 主要仪器设备

SHA-B水浴恒温振荡器，常州金坛精达仪器制造有限公司；HC-3018R高速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；Spectra Max i3多功能读板机，美谷分子仪器（上海）有限公司；LDZX-0FB立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；S3500激光粒度分析仪，美国Microtrac；BT-1001型智能粉体物性测试仪，丹东百特仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 粒度大小的测定

使用S3500激光粒度分析仪测定各谷物粉的粒径，将样品放到测定样品专用小型钥匙中，选用干法测定。

1.3.2 润湿时间的测定

称取2 g的样品均匀平铺到盛有200 mL蒸馏水（水温达40 ℃）的烧杯中，记录从样品加入到完全沉降的时间（s），每个样品3个平行。

1.3.3 粉体流动性评价

1.3.3.1 压缩度的计算

使用BT-1001型智能粉体物性测试仪，按说明组装仪器组件，称量空杯质量及样品松装、振实后的质量，测定各原料的松装密度及振实密度，测定三次。

式中：

Cp——压缩度，%；

ρp——振实密度，g.cm-3；

ρa——松装密度，g.cm-3。

1.3.3.2 凝集度、均齐度的选择

根据松装密度的测定值，按表1选择筛网。再在表中所示的筛网上加少量粉体，稍加振动，观察是否全部通过，以此来确定该粉体适用测量凝聚度还是均齐度。

表1 凝集度、均齐度的适用标准Table 1 Applicable standards for agglutination degree and homogeneity

1.3.3.3 均齐度的测定

使用S3500激光粒度分析仪测出各谷物粉的D60和D10，根据公式计算均齐度。

式中：

Ch——为均齐度，%；

D60——为累计粒度分布百分数达到60%时所对应的粒径，μm；

D10——为累计粒度分布百分数达到10%时所对应的粒径，μm。

1.3.3.4 休止角和平板角的测定

使用BT-1001型智能粉体物性测试仪，根据不同的测定指标按说明组装组件，测定各原料的休止角及平板角。

1.3.3.5 流动性指数的计算及评价

根据休止角、平板角等粉体特性指标，计算出均齐度、压缩度结合流动性指数表进行打分并进行流动性评价[15]。

1.3.4 体外模拟血糖生成指数的测定

1.3.4.1 模拟口腔液的配制

口腔电解质溶液：分别称取1.126 5 g KCl，0.503 2 g KH2PO4，1.142 4 g NaHCO3，0.030 5 g MgCl2(H2O)6，0.005 76 g (NH4)2CO3，0.220 5 g CaCl2(H2O)2，用去离子水定容于1 000 mL容量瓶中，调pH值至7.0。

口腔液：每100 mL口腔电解质中加入7 500 U的唾液淀粉酶。

1.3.4.2 模拟胃液的配制

胃电解质溶液：分别称取3.1 g NaCl，1.1 g KC1，0.15 g CaCl2，0.6 g NaHCO3，去离子水定容于1 000 mL容量瓶中，调pH值至2.0。

胃液：150 mL胃电解液添加35.4 mg胃蛋白酶，加入1.5 mL CH3COONa缓冲液（1 mol/L，pH值5.0）。室温下磁力搅拌10 min，调pH值至2.0。

1.3.4.3 模拟小肠液的配制

肠电解质溶液：5.4 g NaCl，0.65 g KCl，0.33 g CaCl2·2H2O，去离子水定容于1 000 mL容量瓶中，调pH值至7.0。

胰液：7 g胰酶溶于100 mL去离子水，室温下磁力搅拌10 min，离心10 min（4 800g），取上清液100 mL。

胆汁液：8 g 3号胆盐溶于200 mL去离子水。

小肠液（400 mL）：100 mL小肠电解质液，200 mL胆汁液，100 mL胰液（按1:2:1比例配制），加入0.8 g淀粉葡萄糖苷酶，调pH值至7.0。

1.3.4.4 白面包制作工艺

参照柳芳伟等[16]的方法制作白面包，冷却后保存。

1.3.4.5 体外模拟消化

参照体外模拟食物消化的标准化方法[17]进行调整，取含150 mg可利用碳水化合物的样品，加入等质量的口腔消化液旋涡振荡使样品润湿，反应5 min。加入10 mL的胃液，转入溶出杯中在37 ℃下孵育1 h。胃部模拟消化结束后，加入NaOH搅拌均匀，再加入10 mL肠液，使消化体系pH值7。于37 ℃下振荡孵育，分别于肠消化阶段0、20、60、90、120、150、180 min时间点取样品100 μL，立即加入900 μL无水乙醇灭酶处理，混匀，离心（5 000 r/min，5 min），取上清液20 μL，加入葡萄糖试剂盒检测液1 mL混匀，37 ℃孵育10 min，测定各时间点消化液中的葡萄糖浓度，绘制水解率曲线[18]。

1.3.4.6 体外模拟血糖生成指数的计算

通过绘制水解率-时间曲线，模拟方程，曲线下面积表示食物消化后对血糖的影响。以白面包为参考标准，按照eGI与氢化指数（Hydrogenated Index，HI）的关系式，定义白面包的HI为100，计算出样品的eGI值[19]。

式中：

eGI——为体外模拟血糖生成指数；

HI——为水解指数，是指被测食物体外水解曲线下面积与等量标准食物（白面包）体外水解曲线下面积之比，%。

1.4 数据处理

实验结果用三次重复实验的平均值与标准差来表示，用Excel和SPSS 20进行数据整理和显著性分析（P＜0.05），作图采用Origin 2017。

2 结果与讨论

2.1 不同谷物粉的粒径分布

固体颗粒是组成粉体的基本单元，用S3500激光粒度分析仪测定的不同粒径区间内的颗粒体积占总量的百分数称为粒度分布。颗粒粒度大、形态致密的粉体通常流动性较好，并且能够有效降低粉体扬尘性，提高粉体溶解性[20]，粒径越小说明粉体在水中的分散性能越高，分散的溶液越稳定[21]。从粒度分布图曲线坡度及坡峰说可以大致判断粉体的均匀程度，由图1可知，燕麦粉的粒径大都分布在250 μm和1 000 μm，出现了两个明显峰值，说明燕麦粉的颗粒大小差异较大，粒径分布不均匀影响其流动性，冲调易结块。苦荞麦粉、薏米粉和白芸豆粉的粒径分布出现两个坡峰但相差不大，说明颗粒分布较均匀。糙米粉粒径大都分布在90 μm左右，只有一个坡峰且坡度很陡，表示粒径相差无几，颗粒大小很均匀。

图1 谷物粉粒径分布Fig.1 Grain size distribution of grain powder

2.2 不同谷物粉的冲调性比较

冲调性与颗粒分布均匀性、粒径大小、润湿时间具有相关性，当颗粒分布均匀且粒径较大时，润湿时间短，冲调性能好[22]。由表2可以看出谷物粉在40 ℃水温下的润湿时间都存在显著性差异（P＜0.05），其中燕麦粉是5种谷物粉中粒径最大、润湿时间最短的，平均粒径为315.87 μm，润湿时间为16.86 s。苦荞麦粉粒径最小，润湿时间为88.75 s，不易溶解。谷物粉润湿时间短说明易冲调，5种谷物粉润湿时间由短到长依次为：燕麦粉＞糙米粉＞薏米粉＞白芸豆粉＞苦荞麦粉，苦荞麦粉最难冲调可能是由于其平均粒径较小，且粒径分布不均匀造成的。

表2 谷物粉粒径与润湿时间Table 2 Grain size and wetting time

2.3 不同谷物粉的粉体流动性比较

粉体流动性是冲调粉产品性能重要指标，提高粉体流动性，对其生产工艺、运输、储存和填充具有重要意义[23]。使用BT-1001型智能粉体物性测试仪和S3500激光粒度分析仪，评价各谷物粉的粉体特性差异。经2.3的方法确定了各粉体原料都适用测量均齐度，所以根据粉体粒径的D60和D10计算出了各粉体原料的均齐度，由表3可以看出燕麦粉的均齐度最大，为23.61；糙米粉均齐度最小，为3.29。休止角和平板角最大的都是苦荞麦粉，分别为52.99 °和80.16 °，休止角和平板角最小的分别是白芸豆粉和薏米粉，为48.43 °和65.65 °。通过松装密度和振实密度计算压缩度，薏米粉的压缩度最大，为44.02%；苦荞麦粉压缩度最小，为36.65%。将休止角、平板角、压缩度和均齐度按照流动性指数表的得分标准进行打分，计算出流动性指数，根据流动性指数表分的7个等级：最良好（90～100）、良好（80～89）、相当良好（70～79）、一般（60～69）、不大好（40～59）、不良（20～39）、非常差（0～19）可以看出燕麦粉的流动性不良，流动性指数仅为30.5，糙米粉流动性指数为52，是这些谷物粉中流动性最好的。流动性评分结果由低到高依次为燕麦粉＜薏米粉＜白芸豆粉＜苦荞麦粉＜糙米粉。从表3来看，燕麦粉的流动性最差，主要是由于均齐度大造成的，说明粒径分布不均匀是导致其流动性差的主要原因。

表3 谷物粉流动性指数Table 3 Liquidity index of grain flour

2.4 不同谷物粉的体外消化率比较

采用体外实验的方法对白面包和谷物粉进行模拟消化，其淀粉水解率分析结果如图2所示，肠模拟消化初始阶段苦荞麦粉的葡萄糖释放速度快，含量快速增加，导致淀粉水解率快速上升，在20 min时就达到了45%，0～20 min阶段消化速率最快，说明含有较多的快消化淀粉；燕麦粉在60 min时就达到了最大水解率，之后趋于平缓。白芸豆粉的水解率从消化初始阶段一直缓慢上升，在消化终点才达到60%，消化速率最缓慢。薏米粉的水解率曲线也比较平缓，但最终水解率较高，达到了80%。根据结果显示，反应时间120 min时5种谷物粉水解率由低到高依次为：白芸豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麦粉＜苦荞麦粉。

图2 不同谷物粉体外消化率Fig.2 External digestibility of different grain powders

2.5 不同谷物粉eGI的比较

通过计算水解率的曲线下面积得到食物的HI、eGI值。eGI可以在一定程度上反应不同食物对血糖的调控作用[24]。结果如表4所示，白芸豆粉的eGI为60.62，处在55＜eGI＜70范围内，对餐后血糖反应影响较小；薏米粉、糙米粉、燕麦粉和苦荞麦粉eGI值分别为73.39、76.24、85.87和88.17，会造成较大的餐后血糖反应。五种谷物粉eGI由低到高依次为：白芸豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麦粉＜苦荞麦粉。白芸豆粉的eGI最低说明在体外消化的过程中释放的的葡萄糖量最少，可能是白芸豆中影响碳水化合物水解的物质造成的。

表4 各谷物粉的HI、eGITable 4 HI, eGI of each grain meal

3 结论

通过对5种谷物粉粒径分布的比较，发现燕麦粉平均粒径最大、润湿时间最短，但其粒径分布图出现了多个明显峰值，粒径分布很不均匀；其他四种谷物粉原料粒径分布比较均匀，大都分布在73.99～209.3 μm，但苦荞麦粉润湿时间较长，不易冲调。流动性评价结果显示，燕麦粉流动性最差可能是其粒径分布差异较大造成的，不便于生产传输；糙米粉的流动指数为52，是这些谷物粉中流动性最好的，其次是苦荞麦粉和白芸豆粉，分别为49和46，可以用于新产品研发。体外模拟消化的试验结果显示，五种谷物粉eGI由低到高依次为：白芸豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麦粉＜苦荞麦粉。白芸豆粉的体外消化率曲线上升最缓慢，反应终点时的水解率也比其他4种谷物粉低，eGI值为60.62比较适合糖尿病产品的研发。

通过对5种市售冲调粉的粉体特性研究和体外消化评价，发现白芸豆粉是一种粉体流动性较好，方便冲调且体外模拟血糖生成指数较低的产品，这是一种可直接冲泡食用的谷物熟粉，也可用于和其他原料复配，研发营养更全面的代餐粉。