D-最优混料设计优化低GI藜麦杂粮粥配方

于振，曹雨露，韩冬，朱圆圆，吴聪，余永建*，康文斌

（1.江苏科技大学粮食学院，江苏 镇江 212100；2.镇江恒顺米业有限责任公司，江苏 镇江 212100）

近年来，糖尿病患病率逐年增加，已经严重威胁到社会公众的健康。根据国际糖尿病联盟发布的最新全球糖尿病地图（第9版）显示，2019年全球成人糖尿病患者约为4.63亿。最新流行病学调查研究表明，我国成人糖尿病患病率高达12.8%[1]。控制糖尿病，刻不容缓。

以血糖生成指数（glycemic index，GI）理论为指导的饮食治疗在糖尿病治疗中具有积极的意义。对超重或肥胖人群的流行病学研究发现，限脂低GI膳食可控制超重或肥胖人群体重，并降低血液中的胆固醇和甘油三酯含量[2]。GI是指食用含50 g碳水化合物的食物与食用同等质量葡萄糖在一定时间内引起的体内血糖应答水平的百分比值[3]。将葡萄糖GI值定为100，并以此为对照，食物的GI值可以分为低GI食物（GI≤55），中 GI食物（55＜GI≤70）和高 GI食物（GI＞70）3 个等级。高GI值食物易消化、吸收率高，可使血糖快速升高，而低GI食物在胃肠停留时间长、消化缓慢、吸收利用率低，血糖升高的速度和幅度较小，可降低餐后胰岛素的分泌，有利于人体血糖的控制[3]。

目前，市场上现有的低GI食品以糕点和面点等焙烤类食品为主，种类单一，价格较高，且口感普遍不佳，无法满足消费人群的选择需求，需继续开发更多种的低GI食品。杂粮通常是指水稻、小麦、玉米、大豆和薯类五大作物以外的粮豆作物，其中含有多种能调节血糖的生物活性成分。研究表明，藜麦中的多糖类化合物[4-5]具有良好的降糖活性。荞麦中的荞麦碱和黄酮类、皂苷类物质[6-7]可通过降低肠道对糖的吸收效率、改善胰岛素敏感性及抗氧化作用等途径调节血糖。燕麦中的燕麦β-葡聚糖[8]和燕麦多肽[9]，以及薏米中的薏米多糖[10]等均具有调节血糖功效。杂粮粥具有原料种类繁多、营养涵盖全面，煮后口感黏软细烂，暖胃易于消化等诸多优点，深受消费者的喜爱。因此，低GI杂粮粥可作为膳食血糖控制以及预防糖尿病的选择食品。

本研究以藜麦为主要原料，以燕麦、薏米和荞麦为辅料进行低GI高食味值杂粮粥的开发。研究以感官评分和GI值为指标，采用D-最优混料设计低GI杂粮粥配方，并利用响应曲面法进行优化，以期获得低GI高食味值杂粮粥配方，满足糖尿病人群及膳食血糖改善人群对低GI食品的选择需求。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

藜麦、燕麦、薏仁、荞麦：市售；酒石酸钾钠、氢氧化钠、硫酸铜、无水葡萄糖、乙醇、石油醚、亚铁氰化钾（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；猪胰腺α-淀粉酶（12 U/mg）、高峰氏 α-淀粉酶（4 000 U/g）：上海素培生物科技中心；糖化酶（100 000 U/mL）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

5810R高速冷冻离心机：德国Eppendorf公司；HWS-26型电热恒温水浴锅、THZ-98A型恒温振荡器：上海一恒科学仪器有限公司；FA214AI型电子天平：常州市幸运电子设备有限公司；DL-I-15型电炉：沪兴电热电器厂。

1.2 方法

1.2.1 试验用酶溶液配制

高峰氏α-淀粉酶溶液（5 g/L）：称取高峰氏α-淀粉酶（4 000 U/g）0.5 g，加 100 mL 超纯水进行溶解，滴加三氯甲烷防止长霉，置于4℃冰箱中储存待用。

猪胰腺 α-淀粉酶（290 U/mL）：称取 1.208 g猪胰腺α-淀粉酶（12 U/mg），溶于50 mL超纯水，滴加三氯甲烷防止长霉，置于4℃冰箱中储存待用。

糖化酶（2 500 U/mL）：量取1 mL糖化酶，超纯水稀释至2 500 U/mL。

1.2.2 D-最优混料设计

分别以藜麦添加量（A）、燕麦添加量（B）、薏仁添加量（C）、荞麦添加量（D）为变量，混合原料的感官评分（R1）和估计血糖生成指数（estimated glycemic index，eGI）值（R2）为响应指标进行D-最优混料设计，A+B+C+D=100 g。

参考《中国食物成分表（2017）》[11]分别查找藜麦、燕麦、薏仁和荞麦等原料的参考基本营养成分和eGI值，根据格鲁宾（Grubben）的平均营养价值计算公式分别计算藜麦、燕麦、薏仁和荞麦的平均营养价值（average nutritional value，ANV）[11]，结果见表1。以混料高ANV值以及低eGI值为标准，并根据预试验结果确定混料水平，结果见表2。

表1 杂粮原料ANV值和eGI值Table 1 The ANV and eGI value of coarse cereals materials

表2 混料试验因素和水平Table 2 Mixing experimental factors and levels

1.2.3 杂粮粥感官评价

根据预试验结果，选择料液比1∶12（g/mL）对杂粮粥进行常压蒸煮。选择10名食品质量与安全专业品评人员对不同原料配比下的藜麦杂粮粥进行感官评价。参考GB/T 15682—2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》[12]及吴练军[13]的方法制定的藜麦杂粮粥的感官评分标准见表3。

表3 感官评分标准Table 3 Sensory evaluation criteria

1.2.4 估计血糖生成指数检测

采用GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》[14]中的酶水解法测定粥样中的淀粉含量。采用Englyst法[15]检测粥样的eGI值，具体操作如下：准确称量含600mg淀粉的粥样于锥形瓶中，加入10mL磷酸盐缓冲溶液（0.2 mol/L、pH 5.2），摇匀后置于37℃恒温振荡器中，200 r/min条件下振荡30 min。然后加入4 mL猪胰腺α-淀粉酶（290 U/mL）和1 mL糖化酶（2 500 U/mL），37℃振荡水解，分别于 20、30、60、90、120 min时取1mL水解液，置于沸水浴中灭酶，以4 000 r/min离心10 min后取上清液，采用GB 5009.7—2016《食品安全国家标准食品中还原糖的测定》[16]中的直接滴定法检测上清液中还原糖含量。以白面包为标准参照物，计算样品中淀粉水解率（hydrolysis index，HI），HI=样品水解曲线与时间X轴的面积/白面包水解曲线与时间X轴的面积，按照Englyst方法[15]计算粥样中的 eGI值，eGI=39.71+0.549HI。

1.3 数据处理

样品感官评价的综合得分为各感官指标分项得分之和，即气味+色泽+外观结构+适口性+滋味及分层，并对10位品评人员感官评分取平均值。采用软件Design Expert（V.10.0.3）进行数据处理，确定最优配方。

2 结果分析

2.1 模型及回归方程建立

杂粮粥配方的混料设计及试验结果见表4。

表4 杂粮粥配方的混料设计及试验结果Table 4 Mixture design and experimental results of coarse cereals porridge formula

20组杂粮粥配方感官评分为79.42～86.00，eGI值范围为49.48～65.51。采用Design Expert推荐特殊立方（Special Cubic）模型对表4中20组试验的感官评分及eGI值分别进行拟合方程分析，结果见表5。

表5 响应值的预测模型Table 5 Prediction model of response value

感官评分拟合方程相关系数R2值为0.90，eGI值相关系数为0.96，二者均在0.90以上，表明两个拟合方程均拟合度良好。

感官评分方差分析见表6。

表6 感官评分方差分析Table 6 Variance analysis of sensory evaluation

由表6可知，感官评分拟合方程模型P=0.042＜0.05，说明模型显著，且模型失拟项不显著（P=0.58＞0.05），说明模型方程拟合良好，可以采用该数学模型来推测试验结果。此外，BC、BD交互作用显著，ACD交互作用极显著。

对以eGI值为响应值的拟合方程进行方差分析结果见表7。

表7 eGI值方差分析Table 7 Variance analysis of eGI value

由表7可知，eGI值拟合方程模型P=0.004 1＜0.01，说明模型极显著，且模型失拟项不显著（P=0.77＞0.05），说明模型方程拟合良好，可以采用该数学模型来推测试验结果。此外，BD、CD、ABC交互作用显著，AB、BCD交互作用极显著。

2.2 杂粮组分配比对感官评分及eGI值的影响

表6感官评分方差分析可知，ACD交互作用极显著，即藜麦添加量（A）、薏仁添加量（C）和荞麦添加量（D）交互作用对感官评分影响极显著。藜麦添加量、薏仁添加量和荞麦添加量配比对感官评分影响的3D响应面图谱及等高线图见图1。

图1 藜麦、薏仁和荞麦添加量配比对感官评分影响的3D响应面图谱及等高线图Fig.1 3D response surface map and contour map of the effect of the addition ratio of quinoa，coix seed and buckwheat on sensory evaluation

由图1可知，荞麦添加量固定为16.44 g，响应面为曲面，说明3种组分配比对感官评分具有很强的交互作用，与表6感官评分方差分析结果保持一致。当藜麦添加量为35.00 g、燕麦添加量为31.81 g、薏仁添加量为16.75 g时，感官评分可达到最大值为86.00。

表7 eGI值方差分析可知，BCD交互作用极显著，即燕麦添加量（B）、薏仁添加量（C）和荞麦添加量（D）交互作用对eGI值影响极显著。燕麦添加量、薏仁添加量和荞麦添加量配比对eGI值影响的3D响应面图谱及等高线图见图2。

图2 燕麦、薏仁和荞麦添加量配比对eGI值影响的3D响应面图谱及等高线图Fig.2 3D response surface map and contour map of the effect of the addition ratio of oat，coix seed and buckwheat on the eGI value

由图2可知，荞麦添加量固定为16.44 g。响应面为曲面，说明3种组分配比对eGI值同样具有很强的交互作用，与表7 eGI值方差分析结果保持一致。当藜麦添加量为35.00 g、燕麦添加量为31.81 g、薏仁添加量为16.75 g时，eGI值可达到最小值49.48。

2.3 配方优化及验证试验

对配方进行优化时，考虑成本因素，二者均选择最低值。综合感官评分结果，燕麦添加量选择20 g～35 g，荞麦添加量选择10 g～20 g。本研究的目的是获得低eGI值的藜麦杂粮粥，故设定响应指标eGI值为最小，并要求在eGI值最低的情况下，感官评分最高。运用Desigin Expert软件进行优化，获得7个组合配方，见表8。

表8 最优配方筛选Table 8 Screening of optimal formula

由表8可知，可行性系数越接近1，综合评价越好，故选择优化配方1，具体藜麦杂粮粥配方（100 g）为藜麦添加量为35.00 g、燕麦添加量为31.81 g、薏仁添加量为16.75 g、荞麦添加量为16.44 g。感官评分预测值为86.00，eGI预测值为49.48。对配方1进行验证试验，结果表明，配方1的试验感官评分为87.03，eGI值为50.77，均与预测值差异不显著。

3 结论

藜麦、燕麦、薏仁和荞麦等杂粮中均含有多种可调节血糖的生物活性成分。本研究以藜麦为主要原料，以燕麦、薏仁和荞麦为辅料，采用D-最优混料设计低GI藜麦杂粮粥配方，并采用响应曲面法进行优化。结果表明，低GI藜麦杂粮粥的最优配方（100 g）为藜麦添加量35.00 g、燕麦添加量31.81 g、薏仁添加量16.75 g、荞麦添加量16.44 g。该混料配方制作的杂粮粥口感良好，感官评分为87.03，eGI值为50.77＜55，符合低GI食品要求。