混合膳食組成對體外消化過程中GI與食物消解的影響

康晶燕，傅楠，王勇，董志忠，陳曉東

（1.蘇州大學材料與化學化工學部化工與環(huán)境工程學院，江蘇蘇州 215123）（2.中糧營養(yǎng)健康研究院，營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209）

碳水化合物是人體能量的主要來源，被人體消化吸收轉(zhuǎn)化為葡萄糖。因此碳水化合物消化后會對人體中的血糖產(chǎn)生直接的影響[1～3]。血糖生成指數(shù)是評價碳水化合物的生糖能力的重要參數(shù)。根據(jù)引起餐后血糖的升高程度將碳水化合物食物分類，高 GI的食品能夠迅速消化，使餐后的血糖快速升高然后快速降低；低GI的食品含有消化慢的成分，餐后血糖漸漸升高，引起相對較低的血糖應(yīng)答[4,5]。目前，根據(jù)GI的不同，將含有碳水化合物的食品分為三類：以葡萄糖為標準物（定GI值為100），將GI<55的食物作為低GI食物，GI值在55～70的食物作為中GI食物，GI>70的食物作為高GI食物[6～8]。通過對不同食物GI的測定，可以有效的指導人們在日常飲食中的合理性，在預(yù)防和改善糖尿病、心臟病、肥胖和腫瘤等慢性疾病中具有重要的指導意義[9,10]。

測定膳食和食物中的 GI需要花費大量的人力和物力，體外消化法由于成本低廉，操作簡單，受到相關(guān)研究者的廣泛青睞[11～14]。我國膳食結(jié)構(gòu)不同于歐洲國家，含有很多食物成分和多種食物的配搭，所以了解不同食物和混合食物的在食用后的 GI變化會對糖尿病和其他慢性非傳染病的膳食預(yù)防和控制提供理論和技術(shù)支持[15,16]。

本文利用體外消化模擬實驗測定了日常生活中常見的五種主食（大米、小米、玉米、掛面和饅頭），五種蔬菜（西紅柿、西蘭花、香菇、杭白菜和土豆），一種肉類（豬肉），一種蛋類（雞蛋），兩種水果（蘋果、香蕉）等14種食物單品的GI值，并且進一步研究了這 14種食物按照平常飲食習慣搭配后得到的混合膳食的 GI值，通過分析不同搭配膳食和單品在消化過程中 GI變化和主食消解過程的差異，分析了不同食物成分會對于GI和食物結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 試劑

消化酶：淀粉葡萄糖苷酶（amyloglucosidase）、轉(zhuǎn)化酶（invertase）、胰酶（pancreatin）、蛋白酶（pepsin）均由sigma-aldrich公司購買；瓜爾豆膠由TCI公司購買；3,5-二硝基水楊酸、醋酸鈉）由國藥公司購買。

工作酶液：由1.2 g胰酶與10 mL超純水混合后，在37 ℃水浴中磁力攪拌10 min，離心（3000 r/min，20 min），取8 mL上清液，加入3 mL淀粉葡萄糖苷酶，轉(zhuǎn)化酶5 mg配置而成，現(xiàn)配現(xiàn)用。

胃蛋白酶-瓜爾膠溶液：0.1 g胃蛋白酶和0.1 g瓜爾膠用0.05 mol/L HCl配置至20 mL，現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.2 實驗方法

1.2.1 體外法測定食物消化過程中的葡萄糖含量

精確稱量一定量的食物（根據(jù)食物成分計算CHO為50 g），樣品加入50 mL蒸餾水進行定容，加入100 mL胃蛋白酶-瓜爾膠溶液，37 ℃水浴振蕩30 min，加入50 mL醋酸鈉緩沖溶液，利用HCl調(diào)節(jié)pH至5.0，加入50 mL工作酶液，5顆玻璃珠，37 ℃水浴回旋振蕩（200次/min），在加入酶液后的0、10、20、30、45、60、90、120、180、240 min取0.2 mL試樣，加入4 mL冰水終止反應(yīng)，離心（3000 r/min，20 min），取上清液，再用3.0 mL蒸餾水洗滌沉淀，離心，取上清液，合并上清液，振蕩均勻，利用 DNS還原法測定還原糖的含量。

1.2.2 DNS溶液測定還原糖的方法

1.2.2.1 標準曲線的測定

（a）分別取葡萄糖的標準液（1 mg/mL）0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于15 mL試管中，用蒸餾水補充到1 mL（即依次加入1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0 mL蒸餾水），分別準確加入DNS溶液2 mL，沸水浴加熱2 min（嚴格計時），流水冷卻至室溫，分別加入12 mL的蒸餾水，混合均勻，在540 nm波長下測定其吸收度。

（b）以葡萄糖濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，建立標準曲線，測定其相關(guān)系數(shù)，若相關(guān)系數(shù)大于0.998，則該標準曲線可以使用。

1.2.2.2 樣品的測定方法

取適量的樣品，進行適當?shù)南♂專ūＷC測定的數(shù)據(jù)在線性范圍內(nèi)），取稀釋后的溶液1.0 mL于15 mL的試管中，加入DNS溶液2.0 mL，沸水浴2 min，冷卻后用超純水補足到15 mL，在540 nm波長下測定吸光度，從標準曲線中計算出樣品中的還原糖的濃度，即為樣品中還原糖的濃度。

1.3 食物

實驗過程中用到的食品：小米、玉米、掛面、饅頭、土豆、西蘭花、西紅柿、杭白菜、香菇、豬肉、雞蛋、蘋果和香蕉等均購買于超市，主食主要進行蒸煮，蔬菜會加入少量的植物油進行翻炒至熟，肉用少量食物油炒熟，雞蛋水煮。

1.4 GI計算方法

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

原始數(shù)據(jù)以雙錄入法輸入Microscoft Excel 2000軟件，GI值的計算由軟件完成。

14種單品食物和8種混合膳食經(jīng)過消化后的葡萄糖水平以及食物GI值均以平均值±標準方差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單品食物在消化過程中的GI變化

圖1 不同食物單品的體外消化過程中血糖的變化曲線Fig.1 Glycemic curves during in vitro digestion of 14 kinds of single food

根據(jù)GI<55的食物為低GI食物，GI值在55～70的食物為中GI食物，GI>70的食物為高GI食物，則在14種食物單品中，屬于低GI的食物有小米、玉米、西紅柿、西蘭花、香菇、杭白菜、豬肉，雞蛋、蘋果和香蕉，中GI的食物有掛面條和土豆，高GI的食物有大米和饅頭（表1）。14種食物單品在消化過程中的葡萄糖變化情況見圖 1，從實驗結(jié)果可以看出，含有50 g碳水化合物的不同食物中，依據(jù)不同的食物類型，消化過程中的葡萄糖含量變化有很大的區(qū)別。在主食中，大米和饅頭都屬于高 GI的食物，從消化曲線中也可以看出，加入胰液之后大米和饅頭開始快速進行消化，葡萄糖的含量在短時間內(nèi)迅速增加，在30 min之后葡萄糖的含量基本達到平衡，屬于快速消化淀粉類食物[17,18]；而小米、玉米和掛面在消化過程60 min甚至更長時間才能達到葡萄糖含量的平衡，說明小米、玉米和掛面在食用之后能夠緩慢的消化吸收，持續(xù)釋放能量，維持血糖的平衡[19,20]。在蔬菜類的食品中，西紅柿、西蘭花、杭白菜和香菇等的GI都屬于低GI食物，而土豆屬于中GI的食物，在消化45 min左右，葡萄糖的含量就可以達到接近平衡，說明土豆能夠在短時間內(nèi)迅速消化，屬于較快速消化的食物，和主食的消化過程比較相似[21]。水果中，蘋果屬于低 GI食品，而香蕉屬于中 GI的食品。水果都是在消化開始后60 min左右達到葡萄糖含量的平衡。

表1 實驗過程中的食物成分表（單品）Table 1 The composition of food used in the experiments (single type)

2.2 混合膳食在消化過程中的GI變化

為了更好地實現(xiàn)對日常膳食的指導意義，我們研究了以米飯和掛面為基礎(chǔ)的混合膳食消化過程的GI，并通過改變膳食中的蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維的配比，觀察不同食物成分對GI變化的影響[22,23]。例如，米飯和杭白菜代表碳水化合物和膳食纖維的混合；米飯、豬肉和杭白菜的組合代表在碳水化合物和膳食纖維的基礎(chǔ)上增加了脂肪；米飯、西紅柿的組合代表碳水化合物和膳食纖維的混合；米飯、西紅柿和雞蛋的組合代表在淡水化合物和膳食纖維的基礎(chǔ)上增加了蛋白質(zhì)[24]。

表2 實驗過程中的食物成分表（混合膳食）Table 2 The composition of food used in the experiments (composite food)

2.2.1 脂肪、蛋白質(zhì)及膳食纖維對體外消化過程中葡萄糖含量的影響

通過對單品米飯、米飯和杭白菜、以及米飯、杭白菜和豬肉的組合進行對比（圖2），可以看出，在加入杭白菜的混合膳食中 GI明顯下降，從食物成分表中也可以看出，加入杭白菜后，混合食物中的膳食纖維明顯增多，說明膳食纖維在消化過程中對大米的GI具有較明顯的抑制作用，再進一步加入豬肉后，混合膳食中的蛋白質(zhì)顯著增多，而 GI也會進一步降低，說明蛋白質(zhì)在消化過程中對葡萄糖生成的過程同樣有抑制作用。由于蛋白質(zhì)的增多可以促進胰島素的分泌，使葡萄糖的濃度降低，從而影響GI的變化[1]。

圖2 以米飯為基礎(chǔ)的混合膳食中，膳食纖維和脂肪對消化后葡萄糖含量的影響Fig.2 Effects of dietary fiber and fat on the glucose content after in vitro digestion of rice-based food

圖3 以米飯為基礎(chǔ)的混合膳食中，兩種膳食纖維對消化后葡萄糖含量的影響Fig.3 Effects of two kinds of dietary fiber on the glucose content after in vitro digestion of rice-based food

如圖3所示，土豆本身是含碳水化合物較多的食物，在米飯和土豆的混合膳食中，對比純米飯，雖然混合膳食的 GI也有所下降，但因為土豆也能夠在短時間內(nèi)快速釋放葡萄糖，使葡萄糖的濃度在短時間內(nèi)迅速升高，所以，這種混合搭配并不是低 GI混合食物組合。在米飯和土豆的混合膳食中加入西蘭花后，食物釋放葡萄糖的過程相對變得緩慢，說明西蘭花的加入能夠減緩淀粉類食物的消化吸收，使得消化過程中的葡萄糖能夠緩慢釋放。在西蘭花中有大量的膳食纖維，膳食纖維由于具有高持水性，在胃腸道遇水形成黏膠，延緩胃排空，阻隔營養(yǎng)素在胃腸道的吸收，引起機體血糖和胰島素水平下降，同時可以顯著改善體內(nèi)多種酶的活性，降低血糖水平[25]。

圖4 以米飯為基礎(chǔ)的混合膳食中，蛋白質(zhì)和膳食纖維對消化后葡萄糖含量的影響Fig.4 Effects of protein and dietary fiber on the glucose content after in vitro digestion of rice-based food

在米飯和西紅柿的組合里（圖4所示），混合食物的GI較米飯單獨的GI較低，而加入雞蛋后進一步降低了GI水平。通過成分表（表1）可以看出，雞蛋中蛋白質(zhì)的含量很高，說明蛋白質(zhì)對米飯消化過程中葡萄糖的釋放含量也是有影響的[1]，這個結(jié)果與第一組的實驗結(jié)果是一致的，豬肉和雞蛋中的蛋白質(zhì)能同樣地降低混合膳食中的GI指數(shù)。

掛面屬于中GI的食物，其GI指數(shù)顯著低于米飯，如圖5所示，在掛面與香菇的混合膳食中，食物的葡萄糖釋放過程有稍微的減緩，但是葡萄糖的總量基本沒有變化，在加入杭白菜以后，由于膳食纖維的增加，無論是在葡萄糖的釋放時間還是在最終葡萄糖的總量方面都有明顯的改變，與圖3中基于米飯的混合膳食的實驗結(jié)果也很吻合[29]。

圖5 以面條為基礎(chǔ)的混合膳食中蛋白質(zhì)和膳食纖維對消化后葡萄糖含量的影響Fig.5 Effects of protein and dietary fiber on the glucose content after in vitro digestion of noodle-based food

2.2.2 食物中不同的成分對消化過程中食物消解的影響

為了明確消化過程中不同食物成分對食物消解過程的影響，我們利用宏觀變倍顯微鏡測定了單品食物與混合食物在模擬胃部消化和模擬小腸消化過程中的形貌變化[26～28]。圖6顯示了以米飯為基礎(chǔ)的不同膳食組合的食物形貌變化。米飯與雞蛋的組合代表碳水化合物與蛋白質(zhì)的混合，米飯與香菇代表碳水化合物與膳食纖維的混合，米飯與豬肉代表的是碳水化合物與脂肪的混合。

圖6 以米飯為基礎(chǔ)的混合膳食和單品米飯的在消化過程中的形貌對比Fig.6 Comparison of morphological changes in rice during in vitro digestion of single rice and mixed diet

圖7 以面條為基礎(chǔ)的混合膳食和面條的在消化過程中的結(jié)構(gòu)對比Fig.7 Comparison of morphological changes in noodles during in vitro digestion of single rice and mixed diet

從圖6可以看出，單品米飯以及米飯和雞蛋、香菇、豬肉的各自組合在加入胃液后30 min內(nèi)，米飯的結(jié)構(gòu)都比較完整，但在加入胰液后，食物的結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯的變化，單獨的米飯加入胰液后30 min，米飯的結(jié)構(gòu)開始破壞，米飯顆粒變小，90 min時，米飯的顆粒已經(jīng)變?yōu)樵瓉淼奈宸种蛔笥遥?20 min基本糊化。由于胃液中主要含有鹽酸和胃蛋白酶，酶具有專一性，所以只能對米飯進行簡單的消化，而在胰液中含有胰蛋白酶，胰淀粉酶，胰脂肪酶等豐富的消化酶，能夠?qū)⒚罪垙氐椎叵纸鉃榘被幔咸烟呛椭舅醄28]。在米飯和雞蛋的組合中，米飯在加入胰液30 min左右開始糊化，但是相比單獨的米飯，其結(jié)構(gòu)更完整。在接下來的消化過程中也可以看出，同樣時間 30～120 min時，與雞蛋組合的米飯其結(jié)構(gòu)會更完整，說明蛋白質(zhì)對米飯的消化有保護作用，能夠減緩淀粉食物消化速度即葡萄糖的釋放速率，一定程度上抑制米飯的消化過程。

同樣，在香菇和米飯的組合中，加入胃液后，米飯顆粒仍然保持相對的完整，即使在加入胰液120 min后，米飯顆粒依舊相對保持完整，說明膳食纖維對食物消化的過程有抑制作用，而且作用比較明顯。而與米飯和雞蛋組合中的米飯相比較，與豬肉組合中米飯的顆粒也相對比較完整。根據(jù)上述情況，我們可以推測，膳食纖維、脂肪和蛋白質(zhì)對淀粉類食物的消化有抑制作用，而且作用依次減弱[29,30]。

此外，我們以掛面作為主食，同樣測定了單品面條以及其分別于與雞蛋、香菇和豬肉的組合在消化過程中發(fā)生的面條形貌變化（圖7），從圖7中可以看出，同樣因為胰液的成分比胃液的成分豐富，更能將面條進行徹底消化，所以面條在加入胃液30 min內(nèi)結(jié)構(gòu)比較完整，但是在加入胰液后面條開始逐漸消化，面條開始變細。在加入胰液60 min后，與雞蛋組合的面條和與豬肉組合的面條已經(jīng)基本消化完成，而在與香菇的組合中，面條結(jié)構(gòu)相對更完整一些，但是與單獨的掛面相比，其結(jié)構(gòu)仍然不夠完整[31]。由于膳食纖維的高持水性，在胃中容易形成粘稠狀，影響主食的消化過程，所以膳食纖維比蛋白質(zhì)和脂肪更能夠抑制食物消化過程或者葡萄糖的釋放過程，而混合膳食的消化過程比單獨的面條消化過程都快的原因有待于進一步的研究。然而，雖然單獨的掛面消化最慢，但 GI結(jié)果顯示（圖5），純掛面消化后的GI仍然略高于掛面與香菇組合的GI?？梢?，在與雞蛋或者豬肉共同消化時，降解后的面條也許并未全部轉(zhuǎn)化為還原糖。

3 結(jié)論

本課題采用體外消化實驗測定了 14種單品食物和8種混合膳食的GI，通過比較不同食物搭配在消化過程中葡萄糖含量的變化，分析了不同食物成分對GI的影響，并研究了不同食物在消化不同階段時的形貌變化。實驗結(jié)果表明，在主食中加入含有膳食纖維、蛋白質(zhì)和脂肪的食物可以減緩食物的 GI釋放速率，降低 GI水平，說明膳食纖維、蛋白質(zhì)和脂肪都可以在不同程度上抑制食物的消化過程以及葡萄糖的釋放過程。

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