7种杂粮抗氧化活性及其挤压杂粮粉体外消化特性研究

韩玲玉 汪丽萍 谭 斌 刘艳香 刘 明 田晓红 高 琨 孙 勇 郑先哲

(东北农业大学工程学院1，哈尔滨 150030)(国家粮食和物资储备局科学研究院2，北京 100037)

近年来，随着人们对杂粮营养健康价值的深入认识，杂粮产品得到了人们的广泛关注，发展潜力巨大。杂粮中含有丰富的多酚类物质，酚类化合物可通过阻断自由基导致的链式反应延缓或抑制脂质及其他生物膜氧化的过程，起到预防衰老和辅助治疗慢性疾病的保健作用[1]。此外，体内和体外消化实验证实表明，燕麦、荞麦等杂粮淀粉消化速度要慢于玉米淀粉和小麦淀粉，可抑制餐后血糖升高的速度[2]，对于肥胖、糖尿病等慢性疾病起一定调控作用[3]。但杂粮存在蒸煮性、适口性差等问题[4]，一定程度上限制了其食用与消费。挤压是近年来广泛应用于杂粮食品的一种加工技术，可将输送、蒸煮、杀菌、膨化等多种操作单元同时完成，在挤压过程中形成的高温、高压、高剪切环境，会发生淀粉裂解、糊化，蛋白质变性等[5-7]反应，同时挤压能钝化酶，破坏抗营养因子，是提高营养品质的一种有效途径。

目前，针对杂粮抗氧化活性及产品消化特性的研究日益受到关注，不同的加工方式对谷物制品餐后消化规律及eGI值有不同的影响。崔亚楠[8]研究不同加工方式对于薏米、黑麦、燕麦、鹰嘴豆及花芸豆eGI的影响，发现挤压有利于杂粮中淀粉脂肪形成复合物，从而显著降低淀粉消化速率。高晶晶等[9]研究表明添加一定量的燕麦粉可以提高馒头提取物清除DPPH·自由基能力，降低淀粉体外消化性。已有的研究多集中于加工方式对杂粮多酚物质及抗氧化活性的影响或添加杂粮谷物对其产品抗氧化活性的影响，对于多种杂粮谷物原料的抗氧化活性比较研究及挤压杂粮粉体外消化特性的影响研究还鲜有报道。本研究针对燕麦、薏苡、小米、绿豆、豌豆、藜麦、青稞7种杂粮谷物，通过测定其多酚含量、组成、抗氧化能力及其挤压杂粮粉体外消化特性，系统比较多种杂粮原料的抗氧化能力，挤压杂粮粉的体外消化特性，旨在为建立谷物品质特性与产品体外消化特性间的相关性，筛选出抗氧化能力强，血糖指数较低的杂粮种类，为开发多谷物挤压杂粮功能产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦、小米、青稞、藜麦、薏苡、豌豆、绿豆市售(所有杂粮原料粉碎过60目筛，装袋塑封)。

1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、福林酚试剂、没食子酸(纯度>99%)、水溶性VE(Trolox)、芦丁(纯度>99%)、α-淀粉酶(160 U/mg)、α-葡萄糖苷酶(160 U/mg)、胃蛋白酶(250 U/mg)、脂肪酶(100 U/mg)、胰蛋白酶(10 000/mg)、胆盐。

葡萄糖、氯化钾、磷酸二氢钾、碳酸氢钠、氯化钠、六水合氯化镁、碳酸铵、二水合氯化钙、3，5—二硝基水杨酸、苯甲酸、酒石酸钾钠、苯酚、氢氧化钠、亚硫酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、乙酸钠、甲醇、乙酸乙酯、亚硝酸钠、硝酸铝等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SB 25-12DTDN型超声波清洗机；SC-3610型低速离心机；RE-3000型旋转蒸发器；SHZ-22型恒温水浴振荡器；SLG30-IV型双螺杆挤压实验机；漩涡混匀器；DGG-9000 型电热恒温鼓风干燥箱；快速定氮仪；2055型脂肪检测仪；T6紫外可见分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 基本组分

水分含量的测定：采用AACC 44-19，135 ℃烘箱干燥法(AACC，2000)；总淀粉含量测定：采用 Megazyme 总淀粉测定试剂盒(K-TAST 04 /2009)测定；直链淀粉含量测定：采用Megazyme 直链淀粉测定试剂盒(K-AMYZ 07 /11)测定；蛋白质含量测定：采用GB /T 24318—2009，杜马斯燃烧法；脂肪含量测定：采用AACC 30-25，测定粗脂肪含量；膳食纤维含量测定：参照AOAC 985.29 和AACC 32-05的方法，利用福斯分析有限公司Fibertec E系统，采用食品和食物制品中总膳食纤维(TDF)的测定-磷酸盐缓冲液法进行膳食纤维总含量的测定。

1.3.2 多酚的提取

参照蔡亭[10]的方法。游离酚提取：称取2 g样品加入40 mL甲醇，超声提取，离心取上清液，重复3次合并上清液，40 ℃旋转蒸干后甲醇定容至2 mL。结合酚提取：提取游离酚后所剩的残渣中，加入15 mL 2 mol/L氢氧化钠，室温避光均匀消化1 h，调节pH至中性， 加入等体积乙酸乙酯提取3次，合并上清液，45 ℃旋转蒸干后甲醇定容至2 mL。在-20 ℃保存备用，每个样品平行提取3次。

1.3.3 总酚含量

采用Folin-Ciocalteu法[11]测定样品的总酚含量。将250 μL 样品稀释液与500 μL 蒸馏水和250 μL福林酚试剂混合反应6 min，加入2.5 mL 7 g/100 mL Na2CO3溶液和2 mL蒸馏水室温下避光反应90 min，765 nm波长处测定吸光度。根据没食子酸为标样制定标准曲线，酚含量以mg没食子酸当量/100 g(干基)。

1.3.4 黄酮含量

采用NaNO2-Al(NO3)3方法[12]测定试样的黄酮含量。取100 μL样品提取液加入200 μL 5 g/100 mL NaNO2溶液混合均匀后避光反应6 min，再加200 μL 10 g/100 mL的 Al(NO3)3溶液反应6 min，再加入2 mL 4 g/100 mL的NaOH溶液和2.5 mL 蒸馏水混匀后室温下避光反应15 min，510 nm波长处测定吸光度。芦丁为标样制定标准曲线，黄酮含量以mg芦丁当量/100 g(干基)。

1.3.5 抗氧化活性

总抗氧化能力按照总抗氧化能力检测试剂盒(南京建成生物工程研究所)要求测定。

DPPH·自由基清除能力测定：参照Kaur等[13]的方法。

ABTS+·自由基清除能力测定：参照Lan等[14]和Shen等[15]的方法。

1.3.6 挤压工艺流程及参数

挤压工艺：优质杂粮原料→粉碎(过60目筛)→水分调整→挤压膨化→粉碎(100目)→冷藏备用

挤压参数：机筒Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区温度分别60、90、130、170 ℃，物料水分为17%，螺杆转速275 r/min。

1.3.7 消化过程的体外模拟

食物在人体口腔和胃肠道消化过程的三段式体外模拟参照Minekus等[16]的方法并稍作改动，每组平行实验3次。称取5 g 待测杂粮挤压粉，口腔模拟阶段加入α-淀粉酶(7.5 U/mL)，体系温度37 ℃，消化时间2 min。胃部模拟阶段加入胃蛋白酶(100 U/mL)，用1 mol/L HCl调pH至3.0，体系温度37 ℃，消化时间为2 h。肠道模拟阶段加入α-淀粉酶(10 U/mL)、胰蛋白酶(5 U/mL)和脂肪酶(10 U/mL)，用1 mol/L NaOH调节pH至7.0，体系温度37 ℃，分别于消化时间为0、10、20、40、60、90、120、180 min时均匀取样3 mL，于沸水浴中灭酶5 min后，冷却至室温，用于还原糖测定。

1.3.8 估计血糖生成指数

杂粮血糖生成指数参考Goni等[17]的方法。以葡萄糖为标准品，采用3,5-二硝基水杨酸法测定消化液中还原糖的含量，按照式(1)计算淀粉的水解率。

(1)

以淀粉水解率为纵坐标，时间为横坐标绘制水解曲线。计算各个样品和参考食品(白面包)在0～180 min期间淀粉水解曲线下的面积(AUC样品和AUC参考)，得出样品淀粉水解指数(hydrolysis index，HI)。样品的估计血糖生成指数(eGI)按照式(3)计算。

HI= AUC样品/AUC参考

(2)

eGI=39.71+0.549×HI

(3)

淀粉的消化特性通过快消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)和抗性淀粉(resistant starch，RS)来表征计算公式如下[18]：

快消化淀粉RDS =[(G20-FG)×0.9/TS]×100 %

(4)

慢消化淀粉SDS =[(G120-G20)×0.9/TS]×100 %

(5)

抗性淀粉RS=[(TG-FG)×0.9/TS]×100%-RDS-SDS

(6)

式中：G20和G120分别表示20 min和120 min内水解产生的还原糖含量/mg；TG表示样品中总还原糖含量/mg；TS表示总淀粉含量/mg；FG表示酶水解前样品中游离还原糖含量/mg。

1.4 数据处理

所有数据均测定3次，所测数值均以平均值±标准差表示，并采用统计学软件SPSS 21对数据进行差异显著性分析；用Origin 8.0对数据作图分析。

2 结果与分析

2.1 基本组分分析

几种杂粮的基本组分分析结果如表1所示。不同杂粮间的总淀粉、直链淀粉、蛋白质、脂肪、膳食纤维含量存在差异性。谷类与豆类相比，杂豆淀粉、脂肪含量明显低于谷类。谷类杂粮淀粉含量在56.73～76.86 g/100 g，其中小米最高，为76.86 g/100 g，藜麦最低。杂豆淀粉含量在40.61～44.76 g/100 g之间，豌豆略高。杂粮脂肪含量在0.92～6.38 g/100 g之间，燕麦最高，豌豆含量最低。杂豆中蛋白质、膳食纤维含量明显高于谷物类，特别是绿豆，其蛋白含量为25.62 g/100 g。豌豆中膳食纤维含量最高为20.08 g/100 g。小米的蛋白质、膳食纤维含量均为最低，分别是10.61 g/100 g和1.24 g/100 g。

表1 100克杂粮中基本组分物质含量

注：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)。下同。

2.2 总酚含量

不同杂粮的游离型、结合型多酚和总酚含量如图1，游离型多酚含量在14.12～101.65 mg/100 g之间，占总酚含量的百分比例在31.54%～86.64%之间，其中藜麦含量最高。藜麦中提取的总酚主要以游离酚为主，这与Repo-Carrasco-Valencia等[19]研究结果相同，是其他杂粮的2～5倍。绿豆、青稞、薏苡和燕麦中游离酚含量是小米和豌豆的1.5～2倍左右，这几种杂粮游离酚含量有显著差异。结合酚含量介于4.97～88.21 mg/100 g之间。含量最高的是绿豆，绿豆中多酚提取物主要是结合酚。青稞，藜麦、燕麦、小米三种杂粮的结合酚含量没有显著差异(P>0.05)，豌豆中结合酚含量最低。薏苡、小米结合酚和游离酚含量相当，无显著差异。总酚含量最高的是绿豆，其次是藜麦和青稞，这三种杂粮总酚含量显著高于其他杂粮的含量(P<0.05)。

图1 杂粮提取物游离酚、结合酚和总酚的含量

2.3 黄酮含量

由图2可知，7种杂粮豆中黄酮含量与总酚含量分布趋势有明显差异，总黄酮含量从大到小的顺序依次为燕麦>青稞>藜麦>绿豆>薏苡>豌豆>小米，且燕麦总黄酮含量显著高于其他样品(P<0.05)，青稞、藜麦、绿豆和薏苡总黄酮含量无显著差异，豌豆、小米含量略低分别为198.91、169.58 mg/100 g。实验结果与王鹏等[20]测定结果基本一致。游离黄酮含量在127.86～278.25 mg/100 g，占总黄酮比例为47.39%～88.09%。燕麦含量最高为278.25 mg/100 g，藜麦次之，两者含量无显著差异。结合黄酮含量在23.69～165.68 mg/100 g，其中以青稞中含量最高为165.68 mg/100 g，燕麦、绿豆次之。其他4种杂粮结合酚含量偏低，且无显著差异。除青稞中黄酮类物质以结合态为主，其他杂粮中黄酮物质主要以游离态为主要形式。

2.4 杂粮抗氧化能力

分别测定了不同杂粮的游离型和结合型多酚提取液的自由基清除能力和总抗氧化能力，结果如表2所示，其中青稞游离态提取物和结合态提取物DPPH·清除能力较强，分别为269.92、226.29 μmol Trolox/100 g，显著高于其他杂粮。绿豆结合酚提取物DPPH·自由基清除能力仅次于青稞，但其游离酚含量最低，仅为69.06 μmol Trolox /100 g。7种杂粮多酚提取物中总酚含量和黄酮含量存在差异，如青稞、燕麦中主要的酚类物质是黄酮类物质[21-22]，绿豆中主要是酚酸类物质[23]，这也就解释了图1中酚含量不高的样品在表2中抗氧化能力却很强。7种杂粮多酚提取物存在型态主体亦不同，如藜麦中两种型态的酚DPPH·自由基清除能力有显著差异，游离酚DPPH·自由基清除能力是结合酚的4倍多。薏苡和豌豆主要是游离酚起主要清除作用，结合酚中未检测到DPPH·自由基清除能力。杂粮提取物游离酚中ABTS+·清除能力同样是青稞最高，显著高于其他杂粮样品，而结合酚提取物中ABTS+·清除能力最高的是绿豆，燕麦次之。可见青稞、藜麦、薏苡、豌豆在清除ABTS+·过程中游离酚提取物起主要作用，而绿豆、燕麦、小米在清除ABTS+·能力上结合酚起主要作用，这一结论与徐元元[24]测定结果基本一致。薏苡提取物中结合酚ABTS+·清除能力微弱，几乎没有。7种杂粮游离型提取物中除了青稞、燕麦总抗氧化能力显著高于其他样品，是其两倍多，其余杂粮间没有显著差异。而结合型提取物总抗氧化能力具有显著性差异，青稞总抗氧化能力最高，绿豆次之，薏苡最低。除了青稞、绿豆结合酚抗氧化能力高于游离酚，其他样品游离酚抗氧化能力均不同程度的高于结合酚。

图2 杂粮提取物游离黄酮、结合黄酮和总黄酮的含量

表2 多酚提取物抗氧化能力

注： “—”为未检测出。

2.5 杂粮酚类含量与抗氧化能力之间的相关性分析

对7种杂粮酚类物质含量与其抗氧化能力进行相关性分析，结果见表3。由表3可知，结合总酚、结合黄酮和总黄酮含量与DPPH·自由基清除能力、ABTS+·清除能力和总抗氧化能力之间存在良好的相关性。其中，结合黄酮和总黄酮与DPPH·自由基清除能力间存在极显著相关性，相关系数分别为0.832和0.821。而提取的游离总酚、游离黄酮与抗氧化活性的相关性较低。

表3 杂粮酚类含量与抗氧化能力之间的相关性分析

注：*相关性在0.05水平(双侧)上显著相关，**为极显著相关。余同。

2.6 杂粮的体外消化特性

2.6.1 不同杂粮淀粉体外消化进程

图3 杂粮淀粉水解曲线

由图3可知，所有样品和参照食品在体外模拟消化过程中，淀粉水解速率在前60 min增长较快，特别是在前20 min的快消化阶段淀粉的水解速率最快，而后杂粮豆水解速率在60 min以后趋于稳定，且淀粉水解速率都小于参照食品。60 min时所有谷物、豆类体外消化基本完成，这与韩小存[25]在豆类体外消化进程中观察到的结果相同。在消化过程前40 min内，藜麦、豌豆、小米的淀粉水解速率相同，相互之间的差异不显著(P>0.05)，但燕麦、青稞与薏苡间存在显著差异(P<0.05)。模拟消化180 min时淀粉水解速率由高到低依次是小米>豌豆>藜麦>燕麦>绿豆>青稞>薏苡。结果表明，杂粮因碳水化合物和膳食纤维等含量不同致使杂粮淀粉消化率之间存在较大区别。

7种杂粮制品的RDS、SDS和RS的含量如表4所示，小米RDS含量最多，SDS含量最少，RS含量最少；薏苡的RDS最少，SDS含量最多，RS含量最多。由此可知，小米初期消化速率相对较快，但后期消化速率相对较慢，这主要是小米中RDS 含量相对较多，RS相对较少的原因。而薏苡后期消化速率相对较慢，主要是其慢消化淀粉和抗性淀粉较多有关。这一结果与付蕾等[26]研究结果相一致。

表4 不同杂粮RDS、SDS和RS的质量分数/%

2.6.2 估计血糖生成指数

由表5血糖生成指数可以看出，除了小米估计血糖生成指数为82.49>75属于高GI值食品，其他杂粮血糖生成指数均处于55豌豆>藜麦>绿豆>燕麦>青稞>薏苡。

表5 杂粮血糖生成指数

2.6.3 杂粮基本组分与eGI值之间的相关性分析

杂粮基本组分与eGI值之间的相关性如表6所示。蛋白质含量与eGI值呈极显著负相关，这主要是因为杂粮淀粉与蛋白质结合较紧密，淀粉被蛋白质紧密包裹，蛋白酶等首先要对淀粉外层的蛋白质进行分解，延缓了酶对淀粉的水解作用，从而使双糖和单糖释放速度减慢eGI值下降[25]。eGI值与膳食纤维呈显著负相关。膳食纤维可以通过抑制淀粉酶的作用，降低淀粉的消化率，从而使葡萄糖的释放速率降低[27-28]。Weickert等[29]通过人体实验，证明谷物膳食纤维可以改善末梢组织对胰岛素的受性，降低机体对胰岛素的需求，从而降低糖尿病患者的血糖水平。脂肪含量与eGI值无显著相关性，这一结论与崔亚楠[30]研究蛋白质、脂肪对豆类体外消化特性研究结果相一致。

表6 杂粮基本组分与eGI值相关性分析

3 结论

在所选7种杂粮中，不同杂粮之间的酚类物质含量及组成存在显著差异，7种杂粮总酚含量介于(19.09～128.85 mg/100 g)，黄酮含量介于(169.58～390.11 mg/100 g)，其中青稞、燕麦、藜麦、绿豆多酚类物质较高，通过抗氧化能力测定，杂粮抗氧化能力与黄酮含量有显著正相关(r>0.7，P<0.05)，与总酚含量相关性不高。其中青稞、燕麦、藜麦、绿豆抗氧化能力尤为突出。除了绿豆、青稞抗氧化活性物质主要以结合态存在，其他杂粮以游离态为主。同时对这几种杂粮挤压后的体外消化的测定结果表明，薏苡估计血糖生成指数明显低于其他杂粮，小米eGI值最高，属于高GI食品，其余都属于中GI食品。对其基本组分与eGI值相关性分析发现，蛋白质和膳食纤维与eGI值呈显著负相关。酚类物质对eGI值影响不显著，但也会降低eGI值。