低血糖生成指数谷物及其制品研究进展与法规管理现状

陈静茹,孟庆佳,*,康 乐,陈 然,王梦倩,应 剑,王黎明,邵丹青,向雪松

(1.中粮营养健康研究院有限公司,北京 102209;2.营养健康与食品安全北京市重点实验室,北京 102209;3.老年营养食品研究北京市工程实验室,北京 102209;4.中国疾病预防控制中心营养与健康所,北京100050)

谷物是我国的主要粮食作物,品种繁多,包括稻谷、小麦、玉米、高粱、大麦、青稞、荞麦等。《中国居民膳食指南(2016)》中推荐我国居民膳食应以谷物为主[1]。而随着农业科学技术的发展,研究发现,谷物的精细化加工在一定程度上降低了某些矿物质和维生素的含量,可能导致膳食结构失衡,同时增加糖尿病等慢性疾病的发生风险[2]。其中,与胰岛素抵抗相关的慢性疾病,如糖尿病、心血管疾病、肥胖、高血压等患者比例不断上升,目前成为全球公共卫生问题[3]。我国是全球糖尿病患病率增长最快的国家之一,政府对糖尿病的防治越来越重视,在《健康中国行动(2019～2030年)》中专门将糖尿病防治工作列为重点工作[4]。谷物与健康关联的一个重要指标是食物血糖生成指数(glycemic index,GI),用于衡量食物引起的餐后血糖反应,是评价碳水化合物的生理学参数,在预防和治疗糖尿病方面具有重要作用[5-6]。

目前国内外对食物血糖生成指数的研究主要通过分析食物成分[7-8],淀粉的结构与含量[9-11]、食物的加工方式[12-13]等因素与GI值的关系,进而研发低GI值食物。谷物作为主要食物来源,其合理选择、适度加工与人类营养健康的需求密切相关。本文主要综述了低血糖生成指数谷物及其制品的研究进展,并简要介绍了开发与推广低血糖生成指数谷物及其制品和建设更加健全的食品法规的前景展望。

1 谷物及其制品的血糖生成指数

1.1 血糖生成指数概念

食物血糖生成指数是1981年由加拿大学者Jenkins博士[14]首次提出,是食物的一种生理学参数,用于衡量食物引起的餐后血糖反应。1997年,FAO/WHO将血糖生成指数定义为,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参考食物餐后血糖应答曲线下增值面积之比[15]。国际上公认的国际标准化组织ISO 26641:2010中规定:GI≤55,为低GI食物;5570,为高GI食物。

GI值高的食物,进入胃肠后消化快、吸收率高,葡萄糖释放快,葡萄糖进入血液后峰值高;GI值低的食物,在胃肠中停留时间长,吸收率低,葡萄糖释放缓慢,葡萄糖进入血液后的峰值低,下降速度慢,有助于维持血糖的稳态,因此GI可以用于对糖尿病患者[16]、高血压患者和肥胖者的膳食管理[17]。

1.2 谷物及其制品的血糖生成指数特点

谷物作为重要的主食来源,了解其营养成分含量和血糖生成指数大小对慢性病防治具有重要意义。谷物由谷皮、胚乳、胚芽三个主要部分组成,分别占谷粒总重量的13%～15%、83%～87%、2%～3%。谷皮为谷粒的最外层,主要由纤维素、半纤维素等组成。含有一定量的蛋白质、脂肪、维生素以及较多的无机盐。糊粉层在谷皮和胚乳之间,含有较多的磷、丰富的B族维生素及无机盐,可随加工流失到糠麸中。胚乳是谷类的主要部分,含淀粉(约74%)、蛋白质(10%)及很少量的脂肪、无机盐、维生素和纤维素等[18]。谷物及其制品提供了人类所需的50%～80%的热能、40%～70%的蛋白质和60%以上的维生素B1,是人类营养摄入的主要来源[19]。部分谷物及其制品的GI值[11-16],如表1所示。

表1 谷物及其制品GI值Table 1 GI of grain and its products

续表

谷物及其制品的种类十分丰富,主要有面条、面包、馒头和米饭等。同种加工方式下,不同品种的谷物制品的GI值不同,如精制小麦粉馒头GI值为85,荞麦面馒头为67;不同种类米饭的GI值也不同,黑米饭GI值为55属于低GI食物,而糙米籼米饭GI值为71,糙米粳米饭GI值为78,精米籼米饭GI值为82,糯米饭GI值为87,精米粳米饭GI值为90,均属于高GI食物。同一品种,不同加工方式下的谷物制品GI值也不同,同是精制小麦粉制品,挂面的GI值为55,馒头的GI值为85;同一稻米品种,但是制作成的米粥和米饭的GI值不同,如糯米粥和黑米粥GI值分别为65和42,而糯米饭和黑米饭的GI值分别为87和55。另外,许多全麦食品的GI值也很高,比如全麦面包的GI值74仍然属于高GI食物;杂粮品种中,燕麦和荞麦的GI值分别为42和54,莜麦饭(整粒)的GI值为49,都属于低GI食物。

选择谷物及其制品时,除考虑产品的GI值外,还应充分考虑食物的营养成分。一些低GI的食物的脂肪含量较高,不利于预防慢性疾病[25];因此谷物的血糖生成指数与摄入量应结合考虑,对指导糖尿病和肥胖人群的饮食具有十分重要的意义[26]。

2 影响谷物及其制品GI值的因素

2.1 食物的成分与理化性质

谷物是由多种成分组成的复杂体系,其中包括脂肪、蛋白质、膳食纤维、抗营养素以及有机酸等。这些化学成分对碳水化合物的消化速度起着一定的作用。

淀粉是谷物及其制品中的重要成分,淀粉的来源[27-28]、淀粉颗粒的大小[29]、淀粉分子之间的互相作用、直链淀粉/支链淀粉比例[30]、糊化程度等都影响着谷类及制品的血糖生成指数。Englyst等[31]根据淀粉在人体小肠中的消化速率将食物中的淀粉分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。慢消化淀粉是指在小肠内缓慢吸收的淀粉,抗性淀粉是不能在小肠内吸收的淀粉,这两种淀粉对降低谷物及其制品血糖生成指数具有重要作用[32]。

蛋白质对淀粉消化特性的影响主要是通过蛋白质与淀粉之间的相互作用。Annor等[33]研究发现,用复合蛋白酶脱出kodo米中的蛋白质后,kodo米的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,血糖生成指数增加。张慧等[34]研究发现小麦粉中蛋白质主要以膜的形式覆盖在淀粉颗粒的表面,从而阻碍了小麦粉中淀粉的消化;Moghaddam等[35]在50 g葡萄糖中加入0～30 g蛋白质和脂质,结果发现蛋白质和脂肪都有良好的降低血糖反应的能力,并且发现相同质量的条件下,蛋白质降低血糖反应的能力是脂肪的2倍。

脂肪主要通过延迟胃排空刺激肠抑胃肽的释放,进而促进胰岛素的分泌。另外,脂肪可以与直链淀粉形成淀粉-脂肪复合物,减缓淀粉消化速度,降低餐后血糖反应[32]。张慧等[34]通过扫描电镜和差示扫描量热仪等分析仪器发现苦荞粉中的脂质可与淀粉形成复合结构,降低淀粉的消化速率。

其他成分,如可溶性膳食纤维可以增加小肠内容物的粘度,阻碍葡萄糖的吸收和扩散[36]。另外,食物中含有的功能性成分如多酚、多糖等可以抑制淀粉酶活性,减缓淀粉在小肠内的消化速率[37-38]。单宁[39]和植酸[40]等抗营养因子可以抑制淀粉酶的活性,降低淀粉的消化吸收速度。

2.2 食物加工烹调方式

食物加工烹调方式主要会对食物质构、营养特性以及消化特性造成影响,进而影响食物的GI值。疏松多孔的发酵类谷物制品如面包等能快速生成葡萄糖,具有较高的GI值[41];谷物加工的精细化程度也是重要因素之一,如不同碾减率会导致食物与淀粉酶接触的表面积不同,提高碳水化合物的水解率[42],从而使GI值升高。不同烹调的温度、时间、压力等会影响淀粉糊化程度、食物颗粒大小、淀粉和水解酶接触机会等,进而对食物的GI值产生影响[43],如烹调的温度越高,时间越长,淀粉的消化速率增加,引起较高的血糖反应;与其他烹调方式相比,压力烹调可以破坏包裹淀粉的细胞壁,减弱淀粉与蛋白质等其他成分的作用力,提高糊化程度,增加食品的血糖生成指数[44-45]。另外,烹调前处理也会影响食品的GI值,如减少用水量可以减少淀粉颗粒的膨胀、破解,使淀粉酶不易接触淀粉内部,从而降低淀粉的消化率[46],烹调前研磨[47]可以一定程度上提高碳水化合物的消化速度,提高食品的GI值。

3 低GI谷物产品开发

3.1 选择低GI的谷物原料

碳水化合物的来源影响着谷物及其制品的血糖生成指数。从表1可以看出,不同的谷物原料的GI值不同,在开发低GI谷物的过程中,可以选择低GI的谷物原料。由表1可知,低GI的食品原料有黑米、燕麦、荞麦;中GI的食品原料有小麦粉粗粉、玉米面粗粉、大麦粉等。王鹏等[48]在杂粮淀粉体外消化特性的分析中也发现黑米、荞麦、燕麦的体外血糖生成指数均低于主粮大米。张文青等[49]测出苦荞面条的GI值为48.8,燕麦面条的GI值为40.6,苦荞养生粥的GI值为47.9,均属于低GI食品。另外,同一类谷物的不同品种的血糖生成指数也不同,王新坤等[50]对13份青稞品种的碳水化合物成分和血糖生成指数进行了分析,研究发现黑色品种青稞的GI值比棕色品种和紫色品种高,棕色品种GI值最低。因此,在开发低GI谷物产品时,应充分考虑碳水化合物的来源,尽量选择低GI的谷物原料。

3.2 改变食品配方

谷类及制品的营养成分,包括蛋白质、脂肪、膳食纤维、葡萄糖、果糖、乳糖等均会对GI产生一定的影响。其中一般燕麦、荞麦等杂粮的膳食纤维、慢消化淀粉等营养成分含量较高,GI值较低,但是适口性较差,可以通过在面包、米饭等传统谷物制品中添加部分杂粮,来适当降低产品GI值,并减少对口感的影响。徐小娟[51]添加5%的藜麦粉制作出一款面包产品,面包的消化率显著降低且对感官品质影响很小。丁慧[52]利用富含荞麦碱的荞麦米与大米制得一种复配米饭,显著性地降低了米饭的GI值,具有良好的降低餐后血糖的功效。

除此之外可以向食品中添加降低GI值的成分:a.向食品中添加可溶性膳食纤维、抗性淀粉和环糊精等,这些添加物通过减缓肠道对碳水化合物的消化吸收速率来降低餐后血糖水平,从而降低食品GI值[53],但是需要注意添加物对食品口感,滋味的影响,以及考虑对肠道是否产生副作用;b.向食品中添加天然来源的淀粉酶或糖苷酶抑制剂。这些抑制剂通过抑制肠道内淀粉酶的活力,延缓或阻碍碳水化合物的分解,减少葡萄糖的生成,从而降低食品GI值[54]。马艳丽等[21]研究了α-淀粉酶抑制剂对不同方便粥血糖生成指数的影响,发现添加5.0%白芸豆α-淀粉酶后,GI值由86.03降至32.03;将白芸豆α-淀粉酶抑制剂按3.0%的添加量添加到方便粥(燕麦粥、青稞粥和莲子粥)中,方便粥的GI值均降低至55以下。

3.3 改变食品加工方式

食物经加工后,质构、营养特性、消化特性均会发生变化,进而影响食物的GI值。一方面加工精度越高,膳食纤维含量越低,而膳食纤维可以减缓对碳水化合物的消化吸收速率。其中小麦的膳食纤维含量为10.8 g/100 g,但小麦粉的膳食纤维含量仅为0.8 g/100 g[18],可以通过降低加工精度的方法,提高谷物制品的膳食纤维含量,从而降低全谷物食品的GI值。全谷物食品可以降低患肥胖、心脑血管以及糖尿病得风险,受到全世界越来越多人的欢迎[55]。Bae等[56]研究发现用50%的全谷物粉(全谷物荞麦粉和全谷物小麦粉)代替普通小麦粉可保持蛋糕的制定,并显著降低蛋糕的消化速率。

另一方面,不同的加工方式可使产品有不同的GI值。有学者[57]对薏米、黑麦、燕麦三种谷物进行蒸煮,挤压、滚筒干燥三种加工方式的处理,研究发现同一种谷物经过3种加工方式后GI值由高到底依次为:滚筒干燥>挤压>蒸煮。因此可以通过改变谷类制品的加工方式,来达到降低GI值的需求。

3.4 合理烹调方式

食物在烹调过程中,可以采用适当降低烹调时间的方法来降低食物的GI值。比如,蒸煮较烂的米饭,在餐后0.5～1 h内血糖水平明显高于干米饭[26]。另外,应尽量采用常压蒸煮方式,减少加压对消化速率的影响,并减少烹调前的研磨和浸泡。同时建议生产厂家在不同品种谷物产品的包装上推荐合适的烹调方式。

4 国内外谷物及其制品血糖生成指数相关法规

4.1 GI测定标准

目前国内外测定食品GI的标准方法最主要的是人体试验,主要依据GI的概念,即测定被测对象食用含50 g可利用碳水化合物的食物后血糖变化情况。人体检测GI的方法受到多个因素的影响,包括受试时间、受试食物、受试份量、参考食物、受试对象身体健康状况、测试过程等[58]。应用最广泛的是国际标准化组织ISO测定GI值的方法—ISO 26642:2010《Food products-Determination of the glycaemic index(GI)and recommendation for food classification》[59]。我国在2019年6月19日正式发布了卫生行业标准WS/T 652-2019《食物血糖生成指数测定方法》,该标准在2019年12月1日正式实施,其中明确规定了GI值的测定方法,且测量方法更为严格[60],如我国标准中要求受试者人群不少于12人,ISO标准中要求不少于10人;我国标准中参考食物为葡萄糖,ISO标准中要求是葡萄糖或白面包。

4.2 “低GI”标识

GI是食物重要的指标,一些国家已制定GI值标识规范,指导消费者选择合理膳食,尤其是日常生活中对于谷物及其制品的选择。澳大利亚是应用GI标识最广泛的国家,该标识已经在澳大利亚、新西兰、日本和美国成为注册商标。其规定了包括谷物在内的11类食品的营养素限值,并要求必须满足GI≤55,才能标注特定的低GI标识[61]。新加坡健康促进委员会的Healthier Choice Symbol(HCS)规定包括谷物在内的三类食品可以在标签上标示“低血糖指数健康选择标志”信息[62]。美国、欧盟、加拿大、日本等目前尚未批准GI标识相关法规[41]。

我国尚未建立有关低GI食品标识的相关法规标准,低GI谷物及其制品的规模化开发与推广仍然存在较大的限制,因此推动GI标识相关法规的建立具有重要意义。

5 展望

随着人们饮食习惯的改变和自身运动的减少,我国糖尿病发病率显著增长,目前糖尿病患者超过9700万,这对国民健康水平造成巨大的危害。谷物是我国居民膳食中的重要部分,其血糖生成指数的研究受到越来越多的重视。我国低GI食品的开发与推广是当今社会发展的需求,低GI食品标准的研究也将成为相关产品健康、规模化发展的有力的推手。在对食品GI广泛研究的基础上,结合目前市场产品情况,推动标准的出台,将成为践行《健康中国》规划的重要举措。