粮谷类低血糖生成指数食品研究进展

丛海花, 张紫薇, 宋雪琳, 雷惠雯, 周 倩,逯晓燕, 杨玉斌, 孔霜霜, 陈晓东

(苏州农业职业技术学院食品科技学院1,苏州 215008)(大连海洋大学食品科学与工程学院2,大连 116023)(中粮粮谷控股有限公司3,北京 100020)(北京富美特信息科技有限公司4,北京 100097)(苏州大学化工与环境工程学院5,苏州 215123)

伴随着经济与社会的高速发展,我国居民膳食生活历经3个发展阶段:从“吃不饱”,到“基本吃得饱”,再到“吃太好”。数十年的时间发生膳食转变从植物性饮食结构转变为高能量、高脂肪和高动物性的膳食结构,加上体力活动的缺乏,导致与膳食失衡相关的慢性代谢性疾病的发病率快速增长。2021年国际糖尿病联盟发布的全球糖尿病地图显示:20～79岁的成年人中有5.37亿糖尿病患者,占该年龄段总人口数的10.5%;每10个成年人中就有1个罹患糖尿病;我国糖尿病患者约为1.419亿人[1]。

为预防疾病和超重的现象,在膳食管理中将血糖生成指数(GI)应用于饮食指导,利用GI值作为饮食参考。GI值是基于碳水化合物对餐后血糖影响而生成的概念,反映了血糖升高的程度。消化代谢快的食物是高GI食物(GI≥70),其特点是葡萄糖释放快,进入血液后血糖峰值高;消化代谢速度中等的食物为中GI食物(55

在开发新产品时,发现GI值会因食品本身的营养成分、含量高低以及加工方式均对GI值产生显著(P<0.05)的影响[3]。因此,在开发设计低GI产品,需进行综合考量。文章对食品原料中不同的营养成分和加工方式讨论,同时对食品GI值的检测方法进行综述,旨在通过对比讨论为开发低GI食品提供理论参考。

1 原料对GI值的影响

1.1 碳水化合物对GI值的影响

因碳水化合物是我国居民每日膳食的主要组成部分,占膳食总能量的一半以上,极易影响血糖及胰岛素水平[4]。《中国居民膳食指南(2022)》相较旧版指出,每日碳水化合物中薯类食物(50～100 g)占比增加,全谷物和薯类占到谷类食物摄入量的1/3～5/6。这也侧面反映出,在开发低GI食品时原材料可选用杂豆、杂粮、全谷物等有助于维持血糖的稳态。这些具有低GI属性的原材料常被开发设计为代餐粉、面条、面包、饼干、八宝粥等方便快捷的产品。

1.2 不同的营养成分对GI值的影响

1.2.1 淀粉对GI值的影响

淀粉是食物中最大的碳水化合物来源,由于血糖和胰岛素受到淀粉颗粒水解的影响,淀粉在人体小肠中的消化情况分为快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉。快消化淀粉消化快,吸收效率高,血糖变化快;慢消化淀粉消化慢、吸收速率慢、血糖变化缓慢;抗性淀粉不消化[5]。所以有研究者通过调整原料的比例,改变产品的抗性淀粉含量,设计出一款低GI值的八宝粥(2 g燕麦,1 g鹰嘴豆、2 g魔芋丁、3 g白芸豆)[6]。因不同食物的GI值各不相同,进一步研究了不同来源的淀粉其GI值也有明显的不同,其中最常食用的淀粉产品GI值排序是:大米淀粉>马铃薯淀粉>木薯淀粉>玉米淀粉>豌豆淀粉>小麦淀粉>鹰嘴豆淀粉[7]。此外,淀粉颗粒的大小对GI值也有影响,大颗粒淀粉与消化率之间呈负相关[8];不同的小、中、大天然马铃薯淀粉颗粒在酶解时存在显著差异(P<0.05)[9]。淀粉颗粒大小影响GI值是因为大颗粒组分的水解率低于中、小颗粒组分,大颗粒淀粉对酶水解的敏感性较低、比表面积较小,这会降低酶结合的程度,最终导致水解程度低于小颗粒淀粉[10]。这个现象也在苋菜淀粉中得到证实[11],苋菜淀粉因其粒径分布在1～3 mm之间,体外消化率较高。

1.2.2 蛋白质对GI值的影响

研究发现,蛋白质可以影响食物的血糖生成指数,对淀粉具有包埋作用,限制了淀粉酶与淀粉的接触使淀粉难以消化吸收,例如在意大利面等产品中由于存在连续蛋白质基质,从而夹带淀粉颗粒限制淀粉酶对淀粉的水解[12];通过在苋菜淀粉中添加链霉蛋白酶进行水解证实淀粉颗粒周围存在蛋白质屏障,水解后,体外淀粉消化率显著提高[13]。此外,淀粉和蛋白质会产生相互作用从而显著影响消化率(P<0.05),即使存在少量蛋白质也会影响淀粉的功能特性和消化率[14]。蛋白质不单影响消化率,还会降低α-淀粉酶的活性[15];崔亚楠[16]用复合蛋白酶分离kodo米中的蛋白质后其快消化淀粉含量增加,慢消化淀粉含量和抗性淀粉含量下降,GI值增加。以上论据证明,蛋白质的存在可以影响淀粉的消化。

1.2.3 脂质对GI值的影响

由于支链淀粉较短的侧链和其高度分支造成的空间位阻,阻碍其与脂质形成单螺旋复合物[17],所以淀粉-脂质复合物的形成主要发生在直链淀粉和脂质之间,脂质的存在会影响淀粉的凝胶、糊化和消化特性。例如,马铃薯的直链淀粉在探究淀粉-脂质复合物作用机制中被广泛使用,因天然存在该复合物不能在大鼠体内消化吸收[18],除天然存在的复合物外,Crowe等[19]报道了外源添加的游离脂肪酸(月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、溶血磷脂、胆固醇)对水解淀粉、直链淀粉和支链淀粉的影响,结果显示直链淀粉呈螺旋构象,可与疏水性小分子形成包合物。脂质与直链淀粉形成的复合物有助于降低消化率,脂质的合理复配或利用将有助于开发低GI值食品。

1.2.4 功能性成分对GI值的影响

随着化学分析和药理试验技术的发展,越来越多的功能性成分作为降糖资源被开发研究,从中发现了具有降血糖活性的成分如多酚、膳食纤维、多糖等(见表1)。这些功能性成分的普遍特点是改善糖耐量,缓解GI值上升,作用温和持久,性质稳定,几乎无毒性反应,适于口服。相关研究多集中在功能性成分延缓消化和降低血糖的分子机制方面。影响GI值的主要原因是不同营养成分之间发生的协同和抑制:快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉的含量、淀粉颗粒大小;蛋白质、脂类和非淀粉多糖之间发生的变化和反应;功能性成分延长淀粉消化率,抑制淀粉水解和酶解,改变食物的物理质地从而影响淀粉的消化速度。

表1 不同功能性成分对GI值的影响

2 加工方式对GI值的影响

食品的GI值还受加工和储藏过程的影响[33],当下主流的加工方式包括发酵、热处理、微波、超声波、挤压膨化、酶解等,以及新兴的加工方式:射频、红外加热、欧姆加热、冷等离子体等应该从加工方式角度,选择最有利于降低食品GI值的加工方式和恰当工艺参数。

2.1 不同加工方式对食品GI值的影响

研究表明高水分、高温、高压和机械能的组合几乎能将所有慢消化的淀粉和快消化的淀粉转化为抗性淀粉[34]。现有的研究工作大多都集中在优化技术条件,以有效降低淀粉和淀粉类食物的GI值。表2总结了比较有代表性的加工方式在粮谷类食品中的应用。

表2 不同的加工方式对食品GI值的影响

2.2 其他新兴技术

目前的生产趋势是在食品工业中使用新兴技术,使生产过程更高效、能耗更低、更环保,更好地应用于粮谷类食品加工中。

射频、红外加热、欧姆加热等新型加工方式可以降低食品的GI值。射频技术属于介电加热,大米进行加热射频处理后提高抗性淀粉含量,降低快速消化淀粉的含量,提升对酶水解的抗性[50],在结构上引起淀粉颗粒聚集,导致粒径增大,因此推测射频处理可降低淀粉的GI值;红外加热是利用辐射和传导传热机制来产生和传递热量[51],对高粱籽粒进行红外处理后导致结构改变,因此淀粉消化率低[52],对复合玉米淀粉处理后,抗性淀粉和慢性淀粉含量增加,加热过程中由于氢键增加,淀粉分子将具有更少的分子空间,这有助于降低淀粉的GI值[53];欧姆加热的原理是利用食品具有的抵抗电流通过的特点,当交变电流通过食物时,其内部产生热量。例如Bender等[54]运用欧姆加热,降低了面包的淀粉消化率,由于该技术会令面包中直链淀粉重组、支链淀粉回生或淀粉颗粒再结晶、淀粉结构改变,令较多的直链淀粉浸出,因此推测欧姆加热对降低GI值是有利的。射频技术、红外加热和欧姆加热同属热加工,这类技术在研究粮谷类食品的营养特性上应用较多针对降低GI值的研究有限。冷等离子体技术因其不含化学物质、无毒、环保而备受关注。冷等离子体被认为是物质的第四种状态,它由电子、离子、自由基、自由态和激发态的原子以及大量未电离的中性分子组成[55]。在使用冷等离子体处理的淀粉时,可能引起淀粉分子链的交联[56],在冷等离子体苦荞淀粉-槲皮素复合物的研究中,抗性淀粉质量分数从20%增加到44%,原因是出现小的淀粉碎片,可能会增加淀粉和多酚之间的结合[57]。

因此,不同的加工方式会明显影响GI值,主要集中在通过改变淀粉的结构,增加抗性淀粉或慢消化淀粉的含量,降低消化率或延长消化时间,从而影响GI值的变化。这类研究缺乏对最佳工艺参数和GI值测定的数据,可以考虑进一步优化现有加工技术的有效可控参数,实现规范化加工流程和建立标准化方法等。

3 GI值的测定方法

我国2019年出台血糖测试预测GI值推荐性标准WS/T 652—2019《食物血糖生成指数测定方法》,是根据葡萄糖反应曲线下的增量面积测定的被测食物的血糖值[58],但在测试的过程中发现,由于存在个体差异、费用较高、时间较长、效率不高的缺点,无法规模性地应用于GI值的测定。因此,科学研究者们开发利用体外消化模型估测GI值,在体外消化模型中常使用预估血糖生成指数值与碳水化合物为标准计算GI值,前者是根据葡萄糖含量换算成淀粉含量后计算淀粉的水解率,后者是利用二硝基水杨酸测定还原糖的含量。目前,有两类体外消化模型:第一种是静态的,这类模型主要适用于简单食品和分离纯化后的营养物质,但也局限于无法模拟体内消化时的动态物理过程(如剪切、混合、水合等作用);另一种是动态的,这类模型可以模拟体温、胃和肠道pH值曲线、蠕动混合、胃排空、消化液分泌和葡萄糖吸收,与静态模型相比可能具有更大的生理相关性,能较为准确预测食品的GI值,还可以反映食品的餐后血糖反应曲线。相比之下,体外动态消化系统可以作为监测消化食物这一复杂行为更好的工具,是代替体内测定的良好候选者。

4 总结和展望

文章综述了食品原料和不同加工方式导致食品GI值的变化,同时对食品GI值的检测方法进行阐述。基于此,在设计开发低GI食品时需从原料和加工方式入手:考虑食品原料固有的GI值;分析不同消化速度淀粉的占比、颗粒大小,营养成分之间发生的互作;探究功能性成分对淀粉消化时间,水解、酶解或改变食物的物理质地从而影响GI值;利用有效的加工方式降低GI值,如发酵、螺旋挤压、酶解等传统工艺或红外、微波、射频等新型加工技术,然而这些技术仍需要更准确的工艺设计来开发从试点到工业规模的低GI食品。所以研究者在开发时有必要了解研究工艺设计的精确参数,促进新兴技术发展,开发低GI产品。在验证产品的GI值时因为在体内进行研究有着重重困难,导致作为体内实验替代品的体外消化模型的发展,且体外模拟消化系统对于GI值的研究、预测,新产品的研发,营养的评定具有更大的意义。

因此,GI值在评估功能食品方面发挥了更大的作用。但对于GI值的研究还需继续完备:不同的营养成分对GI值产生的影响和作用机制需继续完善;多种加工工艺经过协同作用后对GI值产生的影响需补充研究;低GI食品的相关生理研究也需深入;对低GI食品开发应从三方面入手,原料碳水化合物的基础研究、原料与其他食品组分(蛋白质、脂质等)的交互作用基础研究、添加功能性成分的复配产品的GI值研究;开发适用人群更广的低GI产品,为广大居民提供多样的产品选择。