低血糖指数冲调粉配方和加工工艺研究
2018-01-02崔亚楠吴港城齐希光钱海峰
崔亚楠, 张 晖,*, 马 毓, 吴港城, 齐希光, 王 立, 钱海峰
(1.江南大学 食品学院， 江苏 无锡 214122; 2.江南大学 国家功能食品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)
专题研究专栏
编者按：杂粮及豆类含有丰富的蛋白质、膳食纤维、矿物质及维生素等营养物质，具有调节血糖、改善脂质代谢等生物功效，因此杂粮及豆类产品的开发得到了越来越广泛的关注。本期选择以杂粮杂豆及豆渣为研究对象的2篇研究论文，分别研究了以燕麦、鹰嘴豆和花芸豆为原料具有低GI值的冲调粉的加工工艺以及豆渣挤压膨化的工艺条件。希望此方面的研究能为杂粮杂豆食品的加工以及产品评价等方面的工作提供借鉴。
(主持人：王静教授)
低血糖指数冲调粉配方和加工工艺研究
崔亚楠1, 张 晖1,*, 马 毓2, 吴港城2, 齐希光2, 王 立2, 钱海峰2
(1.江南大学 食品学院， 江苏 无锡 214122; 2.江南大学 国家功能食品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)
在筛选出制备低血糖生成指数(glycemic index，GI)冲调粉原料的基础上，对低GI冲调粉配方进行设计，然后考察了不同加工工艺及参数对冲调粉估计血糖生成指数(expected glycemic index，eGI)和溶解度指数(drying-matter solubility index，DSI)的影响，确定了低GI冲调粉的优化加工工艺及参数，并对制得的冲调粉进行了人体餐后血糖响应研究。结果表明，燕麦、鹰嘴豆、花芸豆在经过蒸煮、挤压或滚筒干燥加工后eGI值均较低。以燕麦、鹰嘴豆、花芸豆为原料，配比为16.43∶76.35∶7.22，采用挤压工艺(机筒升温程序60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃，水分添加量25%，螺杆转速100 r/min)可制得高DSI、低eGI的冲调粉(DSI和eGI分别为16.45%和57.41)。该冲调粉经人体餐后血糖响应研究测得GI为52.13(以葡萄糖GI为100)，属于低GI食品。
冲调粉； 加工工艺； 消化特性； 估计血糖生成指数
随着生活节奏的加快、饮食习惯的改变及人口老龄化的进一步突出，糖尿病、心血管疾病、肥胖症等胰岛素抵抗相关的慢性疾病比例不断上升。据国际糖尿病联盟(international diabetes federation，IDF)统计资料显示，20世纪末全世界糖尿病患者约为1亿人，2007年全世界糖尿病患者人数已增至2.46亿，2010年这一数字为2.8亿人次，2014年全世界糖尿病患者人数为3.87亿[1]。糖尿病已成为目前全球性重大的公共卫生问题。
血糖生成指数(glycemic index，GI)是衡量人体摄入食物后血糖浓度变化的一项有效指标。1997年，FAO/WHO将GI定义为：含50 g可利用碳水化合物的食物餐后血糖应答曲线下增值面积与含等量可利用碳水化合物的标准食物(葡萄糖或白面包，将其血糖生成指数定为100)餐后血糖应答曲线下增值面积之比。根据GI值大小可将含碳水化合物的食物划分为3个等级：GI≤55，为低血糖生成指数食物；55
食品经加工后，质构、营养特性、消化特性均会发生变化[6-10]。淀粉是食品中的重要组成成分，且在食品加工及贮藏过程中较易发生变化，因此研究不同加工工艺对食品中淀粉消化速率的影响意义重大。本研究在探究了不同加工方式对5种常见谷物和豆类eGI影响的基础上，研究了不同加工工艺及参数对冲调粉eGI和DSI的影响，确定了低GI冲调粉的优化加工工艺及参数，研制出方便食用的低GI冲调粉。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
薏米、黑麦、燕麦、鹰嘴豆及花芸豆，枣庄七珍坊食品有限公司；猪胰α-淀粉酶、淀粉转葡萄糖苷酶、胃蛋白酶、胰酶，Sigma(中国)有限公司。
1.2 仪器与设备
T6型新世纪紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；还原糖测定仪，山东省科学院生物研究所；SH220N型石墨消解仪、SOX406型脂肪测定仪，海能仪器股份有限公司；HP1100型氨基酸专用高效液相色谱，美国安捷伦公司。
1.3 实验方法
1.3.1原料处理
原料均粉碎过60目筛，装入封口袋，于-20 ℃贮存。
1.3.2基本成分分析
淀粉含量的测定：按GB/T 5514—2008操作。膳食纤维含量的测定：按GB/T 5009.88—2008操作。
1.3.3原料eGI测定
参考Englyst[11]的方法。准确称量含600 mg淀粉的样品，加入10 mL去离子水，沸水浴加热30 min。加入5个玻璃珠，10 mL醋酸钠缓冲液(0.2 mol/L，pH值5.2)，摇匀后37 ℃振荡水浴30 min。加入新鲜制备的混合酶溶液5 mL，水浴振荡，于20，30，60，90，120，180 min分别取1 mL水解液沸水浴灭酶，用还原糖测定仪测定其葡萄糖含量。以白面包为标准参考物，参考Goni等[12]的方法计算eGI，eGI=39.71+0.549HI。
1.3.4氨基酸组成分析
准确称量100 mg待测样品，加入6 mol/L HCl 8 mL，轻微晃动，避免形成较大结块。吹氮3 min，水解管密封，120 ℃恒温水解22 h。在水解液中加入5 mol/L NaOH中和，冷却后定容至25 mL。取1 mL水解滤液10 000 r/min离心10 min，取400 μL上清液用氨基酸全自动分析仪检测。
1.3.5挤压工艺
双螺杆挤出系统，挤压机机筒升温程序：70 ℃-90 ℃-110 ℃-130 ℃，水分添加量25%，螺杆转速100 r/min。将挤出物于40 ℃恒温干燥12 h，粉碎后密封保存，备用。
1.3.6滚筒干燥工艺
取500 g样品与适量去离子水充分混匀，胶体磨胶磨1 min，调节滚筒干燥器转速为100 r/min，以适当流速将物料浇于滚筒干燥器表面，收集物料，干燥粉碎后密封保存，备用。
1.3.7蒸煮工艺
取原料500 g，加入3 000 mL去离子水，30 ℃水浴5 h，沥干水分，用适量去离子水洗涤3次。常压蒸30 min后40 ℃恒温干燥12 h，粉碎后密封保存，备用。
1.3.8溶解度指数测定
溶解度指数(drying-matter solubility index，DSI)的测定参照王素雅等[13]提供的方法进行适当调整。称样5 g加入去离子水30 mL，室温下磁力搅拌30 min。将溶液完全转移至50 mL容量瓶，定容摇匀。取10 mL该液体3 000 r/min离心10 min，将上清液完全转入已知质量的称量瓶中，105 ℃烘干至恒重，冷却后准确记录质量。
1.3.9冲调粉eGI的测定
参考Wallis等[14]的方法。准确称量含500 mg可利用碳水化合物的样品，加入1 mL包含猪胰α-淀粉酶的人体唾液，15～20 s后加入5 mL胃蛋白酶悬浮液；混合物37 ℃恒温震荡30 min，用5 mL 0.02 mol/L的氢氧化钠中和，加入25 mL 0.2 mol/L的醋酸钠缓冲液，5 mL胰酶，继续在37 ℃振荡水浴锅中温育。其余实验步骤参照1.3.3。以葡萄糖为标准参考物，参考Goni等[12]的方法计算样品eGI。
1.3.10冲调粉感官评定标准
参照GB/T 18738—2006，建议冲调粉感官评定标准如表1。称取10 g样品，加入60 mL 70 ℃的热水，搅拌1 min，请10名评价员进行感官评价。其中1代表最差，10代表最好。
1.3.11低eGI冲调粉的人体餐后血糖响应
实验对象为10名健康志愿者，包括7名女生、3名男生，年龄在22～27岁，BMI 19～23 kg/m2，饮食、作息习惯规律，无代谢性疾病及慢性病家族史，近期无服药史、胃肠道消化性疾病。实验对象于实验前12 h禁食禁水，实验当天缓步至实验室，通过指尖采血测定空腹血糖浓度。实验对象分别食用包含50 g可利用碳水化合物的葡萄糖粉、普通冲调粉、低血糖指数冲调粉，于餐后15，30，45，60，90，120，180 min测定血糖浓度。以时间为横坐标，血糖浓度变化值为纵坐标，绘制餐后血糖浓度变化曲线，实验结果以GI表示。
表1 感官评定标准
1.3.12数据统计与分析
所有样品均进行3次重复测定，并采用SPSS 19.0和Origin 8.0对数据进行处理和统计分析。
2 结果与分析
2.1 冲调粉配方设计
以薏米、黑麦、燕麦、鹰嘴豆、花芸豆为原料，研究了蒸煮、挤压、滚筒干燥3种加工工艺对原料eGI的影响。结果表明，燕麦、鹰嘴豆、花芸豆经3种方式加工后eGI均较低，故选择燕麦、鹰嘴豆和花芸豆为低GI冲调粉的原料[15]。
燕麦、鹰嘴豆、花芸豆的必需氨基酸评分如表2。以赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸为待平衡氨基酸，参考迟展忠[16]的配方设计方法，确定原料配比为，燕麦∶鹰嘴豆∶花芸豆=16.43∶76.35∶7.22。以第一限制性氨基酸- 蛋氨酸为待平衡氨基酸进行复配，当添加0.66%的蛋氨酸，挤压制得的冲调粉氨基酸评分为70.95，达到营养平衡的目的。
2.2 不同加工工艺对冲调粉DSI和eGI的影响
经蒸煮、挤压、滚筒干燥加工后冲调粉的DSI和eGI如表3，感官评定结果如表4。蒸煮和挤压加工后，冲调粉具有较低的eGI。滚筒干燥冲调粉呈黄褐色，香味浓郁，冲调后有少量团块，有轻微颗粒感，总体可接受性最好；挤压冲调粉呈均匀浅黄褐色，有豆香或谷物香味，冲调性最好，有轻微颗粒感，总体可接受性较好；蒸煮冲调粉颜色偏黄，豆香或谷物香味较淡，冲调后有团块出现，有颗粒感，口感一般，总体可接受性最差。为制备高DSI、低eGI、感官品质较好的冲调粉，选择挤压作为加工方式。
表2 燕麦、花芸豆、鹰嘴豆和挤压冲调粉的必需氨基酸评分
Tab.2 Essential amino acid scores of oat, kidney, chickpea,and extruding mixing powder
氨基酸燕麦鹰嘴豆花芸豆挤压冲调粉冲调粉(添加蛋氨酸)异亮氨酸107 21112 04104 97113 91117 88亮氨酸107 85101 77104 04105 33110 34赖氨酸70 31109 12107 13103 49102 87苏氨酸67 3171 4872 7373 0474 09色氨酸79 7271 6166 8774 2578 21缬氨酸116 92103 85101 15116 4998 01蛋氨酸86 6157 5269 4962 9470 95苯丙氨酸122 06120 4115 01118 74115 87
表3 不同加工工艺对冲调粉DSI和eGI的影响
数值为平均值±标准误差(n=3)，同列中不同字母表示有显著性差异(p<0.05)，a为最小值。
2.3 挤压工艺优化
2.3.1温度对冲调粉DSI和eGI的影响
不同温度下冲调粉的DSI和eGI分别如图1、图2。随着挤压温度的升高，淀粉糊化度增大，低分子量可溶性糖含量增加，DSI和eGI上升。温度继续升高，eGI下降可能是因为挤压作用下甘油三酯部分水解，产生单甘油和游离脂肪酸同直链淀粉形成复合物，影响其在挤压过程中的膨化，导致最终产品淀粉溶解性和消化率下降[17]。挤压产物DSI随温度的变化趋势与许亚翠[18]的研究结果一致。
综合考虑DSI和eGI，选择120 ℃作为冲调粉挤压温度，机筒各段温度分别为60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃。
表4 不同加工工艺冲调粉感官评定结果
图1 温度对冲调粉DSI的影响Fig.1 Effect of temperature on DSI of powder
图2 温度对冲调粉eGI的影响Fig.2 Effect of temperature on eGI of powder
2.3.2水分添加量对冲调粉DSI和eGI的影响
图3 水分添加量对冲调粉DSI的影响Fig.3 Effect of water content on DSI of powder
以60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃为挤压机机筒升温程序，研究水分添加量对冲调粉DSI和eGI的影响，结果分别如图3、图4。水分添加量为15%时，含水量低，挤压不充分，冲调粉DSI、eGI均较低。随着水分的添加，淀粉经剪切生成低分子量可溶性糖，冲调粉DSI、eGI升高。水分添加量进一步增大，冲调粉DSI增大，与Govindasamy等[19]提出的当水分添加量为22%～38%时，挤压产物DSI随着水分添加量增加而增大的研究结果一致。水分添加量为30%制得的冲调粉DSI较高、eGI较低，但实际生产中为节约干燥成本，水分添加量一般在30%以下，所以选择水分添加量为25%制备挤压冲调粉。
图4 水分添加量对冲调粉eGI的影响Fig.4 Effect of water content on eGI of powder
2.3.3螺杆转速对冲调粉DSI和eGI的影响
以60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃为挤压机机筒升温程序，25%为水分添加量，研究螺杆转速对冲调粉DSI和eGI的影响，结果分别如图5、图6。螺杆转速为80 r/min时，原料所受的剪切作用较小，淀粉降解程度较低，DSI较低；原料在机筒内滞留时间长，糊化充分，eGI较高。当螺杆转速增加至100 r/min时，原料与螺杆、机筒间的摩擦和剪切作用逐渐增强，淀粉颗粒降解增强，DSI达到最大值。同时，转速增加，原料在机筒内滞留时间缩短，糊化度减小，eGI降低。转速增加至120，140 r/min时，物料滞留时间进一步减少，DSI下降，同时剪切和摩擦作用增强可能导致淀粉脂肪络合物的减少，eGI提高。综合考虑冲调粉DSI和eGI，将螺杆转速确定为100 r/min。
图5 螺杆转速对冲调粉DSI的影响Fig.5 Effect of screw speed on DSI of powder
图6 螺杆转速对冲调粉eGI的影响Fig.6 Effect of screw speed on eGI of powder
确定冲调粉加工条件为挤压机机筒升温程序：
60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃，水分添加量25%，螺杆转速100 r/min。在此条件下制备的冲调粉DSI为16.45%，eGI为57.41。
2.4 低GI冲调粉的餐后血糖响应及感官评定
人体摄入经优化工艺制备的冲调粉后血糖浓度变化如图7。低GI冲调粉餐后血糖峰值在45 min出现，与葡萄糖餐后血糖峰值在30 min出现相比有统计学意义(p<0.05)，这说明在人体内低GI冲调粉消化慢于葡萄糖。低GI冲调粉达到血糖峰值后餐后血糖浓度下降缓慢表明其餐后血糖波动小，餐后血糖动态平衡能力强。
图7 低GI冲调粉的人体餐后血糖响应Fig.7 Blood glucose response curves for low GI mixing powder
以葡萄糖GI为100，经人体实验测得由优化条件制备的冲调粉GI为52.13，为低GI食品,与普通冲调粉(GI=69.36)具有显著性差异。该冲调粉呈均匀黄褐色，有豆香或谷物香味，冲调性好，总体可接受性较好，感官评分详见表5。
表5 低GI冲调粉感官评定结果
3 结 论
以燕麦、鹰嘴豆、花芸豆为原料研发低血糖生成指数冲调粉，以赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸为待平衡氨基酸设计产品配方，确定原料配比：燕麦、鹰嘴豆、花芸豆配比为16.43∶76.35∶7.22。第一限制性氨基酸为蛋氨酸，氨基酸评分为62.94。添加0.66%蛋氨酸后，冲调粉氨基酸评分为70.95，达到营养平衡目的。经蒸煮、挤压、滚筒干燥后冲调粉eGI分别为59.43，60.35，68.04，DSI分别为14.51%，18.72%，20.11%。综合考虑产品eGI、DSI及感官品质，选择挤压加工(挤压机机筒升温程序为60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃，水分添加量为25%，螺杆转速为100 r/min)作为优化工艺，在此条件下制备的冲调粉DSI为16.45%，eGI为57.41。以葡萄糖GI为100，经人体实验测得该冲调粉GI为52.13，确定该产品为低血糖生成指数食品。
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StudyonFormulaandProcessingTechnologyofLow-Glycemic-IndexMixingPowder
CUI Yanan1, ZHANG Hui1,*, MA Yu2, WU Gangcheng2,QI Xiguang2, WANG Li2, QIAN Haifeng2
(1.SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforFunctionalFood,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)
Materials of low-glycemic-index mixing powder were screened, on this basis, the formula of low-glycemic-index mixing powder was designed. Then, the effects of different processing methods (steaming, extruding and roller-drying) on expected glycemic index (eGI) and the solubility index (drying-matter solubility index, DSI) were investigated and the optimal processing method and parameters were obtained. Finally, theinvivoglycemic response to mixing powder was measured. The results showed that after cooking, extrusion, or roller-drying, oats, chickpeas, and bean had lower eGI. The optimal ratio of oat∶ chickpea∶ colored kidney bean was 16.43∶76.35∶7.22 in the mixing powder. The mixing powder with high DSI (16.45%) and low eGI (57.41) was achieved using extruding with terminal barrel temperature procedure of 60 ℃-80 ℃-100 ℃-120 ℃, water content of 25%, and screw speed of 100 r/min. When glucose was regarded as 100, the glycemic index (GI) of mixing power was 52.13, suggesting the mixing powder belonged to low-GI foods.
mixing powder; processing technology; digestibility properties; expected glycemic index
叶红波)
10.3969/j.issn.2095-6002.2017.06.004
2095-6002(2017)06-0021-07
崔亚楠，张晖，马毓，等. 低血糖指数冲调粉配方和加工工艺研究[J]. 食品科学技术学报，2017,35(6):21-27.
CUI Yanan, ZHANG Hui, MA Yu, et al. Study on formula and processing technology of low-glycemic-index mixing powder[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(6):21-27.
TS201.4; TS210.1; TS210.4
A
2017-11-02
国家高技术发展计划资助项目(863计划)(2013AA102207)。
崔亚楠，女，硕士研究生，研究方向为健康食品、谷物加工；*张 晖，女，教授，博士，主要从事谷物功能成分及健康食品的研究，通信作者。
