可溶性膳食纖維對(duì)玉米淀粉體外消化的抑制作用

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(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海食品微生物工程技術(shù)研究中心,上海 200093;2.山東省內(nèi)分泌與代謝病研究所,山東濟(jì)南 250062)

淀粉是日常膳食中不可或缺的成分,并且是主要的供能物質(zhì),其消化性與人體健康息息相關(guān),淀粉的快速消化會(huì)促使餐后血糖水平迅速升高,從而誘發(fā)某些代謝性疾病,如胰島素耐受和糖尿病等[1-3]。眾多研究表明,可溶性膳食纖維能在一定程度上抑制淀粉水解,從而控制食物的血糖指數(shù)(Glycemic index,GI),降低食物的餐后血糖反應(yīng)[4-8]。可溶性膳食纖維的高黏度特性被認(rèn)為是影響淀粉水解和葡萄糖擴(kuò)散速率的主要原因[9-11]。2011年,歐洲食品安全管理局(European Food Safety Authority,EFSA)發(fā)表聲明:攝入30 g碳水化合物的同時(shí)攝入4 g谷物β-葡聚糖有助于降低餐后血糖響應(yīng),并且這與延遲胃排空、增加飽腹感等有關(guān)[12]。Fabek等[13]發(fā)現(xiàn)黃原膠能增加含原生木薯淀粉的消化體系的黏度,從而降低淀粉水解程度和餐后血糖水平。也有研究者認(rèn)為,可溶性膳食纖維能通過增加胃腸道黏度阻礙消化酶與反應(yīng)性底物的接觸,降低葡萄糖等小分子的擴(kuò)散速率[14]。由此可見,可溶性膳食纖維的高黏度特性對(duì)降低淀粉水解速率和餐后血糖水平具有重要作用,然而黏度是否是降低餐后血糖響應(yīng)的關(guān)鍵因素還亟待驗(yàn)證,如何通過膳食纖維在胃腸道消化體系中的表觀黏度來預(yù)測(cè)GI值也還需進(jìn)一步研究。

本文通過體外模擬人體胃腸道消化過程,研究青稞β-葡聚糖(BBG)、黃原膠(XG)、魔芋膠(KGM)和羅望子膠(TSP)四種可溶性膳食纖維對(duì)玉米淀粉水解的抑制作用,建立膳食纖維在胃腸道模擬體系下的表觀黏度與pGI值之間的關(guān)系,探究可溶性膳食纖維干預(yù)淀粉消化的機(jī)理,為可溶性膳食纖維在降血糖方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(CS) 江蘇省昆山市淀山湖鎮(zhèn);白面包 當(dāng)?shù)爻?青稞仁 青海貴南市的肚里黃品種;黃原膠(XG) 斯比凱克(山東)生物制品有限公司;魔芋膠(KGM) 寶雞康迪特生化有限公司;羅望子 云南貓哆哩公司;胃蛋白酶(豬胃粘膜) 酶活力30 U/mg,上海源葉生物公司;胰酶(豬胰腺) 胰淀粉酶酶活力≥7 U/mg,上海源葉生物公司;D-麥芽糖(Mal) 美國(guó)Sigma公司;所有分析用有機(jī)溶劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

ML204分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;磁力攪拌器 德國(guó)IKA公司;BECKMAN COULTER離心機(jī) 美國(guó)貝克曼庫爾特公司;Discovery HR-3流變儀 美國(guó)TA儀器公司;752型紫外分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 青稞β-葡聚糖(BBG)的制備 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室之前的方法從青稞仁中提取BBG[15]。青稞仁經(jīng)粉碎過60目篩處理后,用0.5 mol/L NaOH溶液(1∶20,W/V)在25 ℃下振蕩提取,提取時(shí)間為180 min,然后通過去除蛋白質(zhì)、蒸餾水透析、乙醇沉淀等步驟對(duì)提取物進(jìn)行純化,最后冷凍干燥,得到BBG樣品。

1.2.1.2 羅望子膠(TSP)的制備 TSP從羅望子種仁粉中提取[16]。羅望子經(jīng)粉碎過篩處理后,用檸檬酸溶液(1∶45,W/V,pH3.5)在80 ℃下提取,提取時(shí)間為30 min,然后用無水乙醇1∶1醇沉,沉淀真空干燥后得到TSP樣品。

1.2.2 模擬胃腸道消化液的配制 人工胃液的配制參照2010年《中國(guó)藥典》二部附錄XA中的方法[17]。在約800 mL水中加入16.4 mL(9.5%～10.5%)的稀鹽酸,調(diào)節(jié)pH為1.5±0.1,加入10 g胃蛋白酶溶解,加水定容至1 L。人工腸液的配制參照2010年《中國(guó)藥典》二部附錄XVD中的方法[17]。稱取K2HPO46.8 g加水溶解,再加NaOH,調(diào)節(jié)pH為6.8±0.1,后加10 g胰酶溶解,加水定容至1 L。

1.2.3 麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 參考Miller[18]的二硝基水楊酸(DNS)法測(cè)定消化體系中生成的麥芽糖含量。分別取麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)足至2.0 mL,分別準(zhǔn)確加入2 mL DNS試劑(0.5%(W/V)二硝基水楊酸,0.1%(W/V)苯酚,0.5%(W/V)氫氧化鈉,10%酒石酸鈉和0.015%(W/V)亞硫酸鈉),將試管置于100 ℃水浴鍋中沸水浴5 min后,流水冷卻試管,將反應(yīng)液體積用蒸餾水定容至10 mL。用分光光度計(jì)在540 nm處測(cè)定樣品的吸光度,得到麥芽糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。

1.2.4 體外模擬消化

1.2.4.1 消化基質(zhì)的準(zhǔn)備 準(zhǔn)確稱取125 mg白面包于離心管中,加入5 mL蒸餾水和6顆玻璃珠,置于37 ℃水浴搖床中備用,作為對(duì)照組。準(zhǔn)確稱取125 mg玉米淀粉(CS)于離心管中,向每支離心管中分別加入BBG(2.5、12.5、25、125和250 mg),XG(2.5、7.5、12.5、17.5和25 mg),KGM(2.5、12.5、22.5、25和30 mg)和TSP(2.5、12.5、25、75和125 mg)四種可溶性膳食纖維,向每支離心管中加入5 mL蒸餾水和6顆玻璃珠,待樣品溶解后將離心管放入沸水浴中,糊化20 min。糊化結(jié)束后將離心管置于37 ℃水浴搖床中備用。

1.2.4.2 體外模擬消化實(shí)驗(yàn) 參考Guraya等[19]的方法測(cè)定淀粉體外消化率:分別于每支備好的離心管中加入人工模擬胃液10 mL(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。再加入醋酸鹽緩沖液5 mL(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),繼續(xù)置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。最后,向每支離心管中加入5 mL模擬腸液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)開始反應(yīng),繼續(xù)放入37 ℃振蕩水浴鍋振蕩(170 r/min),分別于0、1、5、10、15、20、30、60、90、120、150和180 min時(shí)取0.5 mL水解液,加2 mL乙醇滅酶并沉淀多糖,離心(8000×g,20 min)取上清液,即為待測(cè)消化液樣品。

1.2.4.3 消化參數(shù)的測(cè)定與分析 消化液樣品中的麥芽糖含量用二硝基水楊酸(DNS)法測(cè)定。分別取消化液樣品0.5 mL于15 mL試管中,用蒸餾水補(bǔ)足至2.0 mL,再分別準(zhǔn)確加入2 mL DNS試劑,將試管置于100 ℃水浴鍋中沸水浴5 min后,流水冷卻試管,將反應(yīng)液體積用蒸餾水定容至10 mL。用分光光度計(jì)在540 nm處測(cè)定樣品的吸光度,再根據(jù)麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到消化體系中的麥芽糖含量。利用積分法計(jì)算淀粉水解反應(yīng)曲線下面積(Area under the curve,AUC),再根據(jù)下面公式計(jì)算并進(jìn)行水解參數(shù)分析:

式(1)

式(2)

pGI(%)=39.71+54.9×pHI

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

式中:C為淀粉水解度,%;R180為180 min 時(shí)淀粉分解的麥芽糖含量,mg;D為消化體系中游離的麥芽糖含量,mg;W,總淀粉含量,mg;pHI為預(yù)測(cè)淀粉水解指數(shù)(樣品與白面包AUC的比值);pGI為預(yù)測(cè)血糖指數(shù);SDS為慢消化淀粉;R120為120 min時(shí)淀粉分解的麥芽糖含量,mg;R20為20 min 時(shí)淀粉分解的麥芽糖含量,mg;RDS為快消化淀粉;RS為抗性淀粉。

1.2.5 可溶性膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度測(cè)定 分別稱取一定量的BBG、XG、KGM和TSP溶于3.5 mL水中,再分別加入7 mL人工模擬胃液(10 mg/mL,pH=1.5±0.1),置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。再加入5 mL醋酸鹽緩沖液(0.5 mol/L,pH=5.2±0.1),繼續(xù)置于37 ℃水浴搖床中振蕩(170 r/min,30 min)。最后,向每支離心管中加入3.5 mL模擬腸液(10 mg/mL,pH=6.8±0.1)。此時(shí),BBG在胃腸道消化液中的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.20%、0.34%、0.50%、0.67%、1.00%、1.34%和1.50%(W/V),XG的終濃度分別為0.01%、0.03%、0.04%、0.05%、0.07%、0.10%、0.20%、0.50%、0.80%和1.00%(W/V),KGM的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.06%、0.08%、0.10%、0.16%、0.40%、0.60%、1.00%和2.00%(W/V),TSP的終濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.21%、0.31%、0.41%、0.51%、0.70%、0.80%和1.00%(W/V)。用Discovery HR-3流變儀分別測(cè)定四種膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度,所用夾具為雙壁同心圓筒(內(nèi)徑16 mm,外徑 17.5 mm,高度53 mm),測(cè)試溫度為37 ℃,測(cè)試間隙為5917.1 μm,從低剪切速率以指數(shù)形式上升至高剪切速率(1～200 s-1)。實(shí)驗(yàn)過程中用帕爾貼控溫裝置控制溫度為37 ℃。

1.2.6 可溶性膳食纖維在胃腸液中的表觀黏度與pGI值之間關(guān)系的建立 為了進(jìn)一步研究可溶性膳食纖維的黏度對(duì)餐后血糖水平的影響,分別建立不同濃度的BBG(0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1%,W/V)、XG(0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.1%,W/V)、KGM(0.01%、0.05%、0.09%、0.1%和0.12%,W/V)和TSP(0.01%、0.05%、0.1%、0.31%和0.51%,W/V)在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間的關(guān)系。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3次,采用Excel、SPSS、Origin 8.5等軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥芽糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線

麥芽糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示,標(biāo)準(zhǔn)方程為y=1.4465x-0.0355(R2=0.9911),通過麥芽糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程可以確定消化體系中淀粉水解生成的麥芽糖含量。

圖1 麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of maltose

2.2 體外模擬消化過程中淀粉水解程度的變化

分別添加不同濃度的四種SDF對(duì)CS體外消化性的影響情況如圖2所示。與之前的研究結(jié)果[20]相近,參照食物白面包消化180 min后的水解度達(dá)到45%。由圖2可知,大多數(shù)CS在前30 min內(nèi)被消化完成。在模擬腸道消化180 min后,空白組淀粉的最終水解度達(dá)到90.59%,添加0.01%的BBG、XG、KGM和TSP實(shí)驗(yàn)組的淀粉的最終水解度分別為81.46%、80.27%、80.56%和80.96%,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP實(shí)驗(yàn)組的淀粉的最終水解度分別為79.00%、54.69%、60.05%和70.97%。由此可見,SDF的添加能夠抑制淀粉的水解,并且隨著同種SDF添加濃度的增加,CS的最終水解度逐漸降低。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP對(duì)淀粉水解的抑制率分別達(dá)到11.59%、35.90%、30.54%和19.62%。因此,在添加SDF的濃度相同的情況下,XG抑制淀粉水解的效果最好,其次是KGM,BBG效果最差。

圖2 腸消化過程中不同膳食纖維食物基質(zhì)淀粉水解度變化Fig.2 Hydrolysis changes of food matrix with different dietary fibers during intestinal digestion注:a:白面包、空白組和添加青稞β-葡聚糖(BBG)的樣品組;b:白面包、空白組和添加黃原膠(XG)的樣品組;c:白面包、空白組和添加魔芋膠(KGM)的樣品組;d:白面包、空白組和添加羅望子膠(TSP)的樣品組。

為了進(jìn)一步研究腸道消化過程中可溶性膳食纖維對(duì)CS的消化特性和pGI值的影響,根據(jù)公式(2～6),將圖2中添加SDF濃度分別為0.01%、0.05%和0.1%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。由表1中可以看出,與空白組相比,總體上添加同種膳食纖維之后,CS的RDS片段含量降低,SDS和RS片段的含量增加,并且具有濃度依賴性[21-22]。

表1 膳食纖維對(duì)淀粉消化的參數(shù)分析Table 1 Parametric analyses of dietary fibers on starch digestion

注:同列不同字母表示具有顯著差異(P<0.05)。

這表明膳食纖維添加量越大,CS消化越慢,膳食纖維能夠提高CS的抗消化性。與空白組的pGI值(150.78±1.87)相比,添加不同濃度的BBG、XG、KGM和TSP實(shí)驗(yàn)組的pGI值均有所降低。這表明膳食纖維的添加能夠在一定程度上降低餐后血糖水平,并且隨著同種膳食纖維添加濃度的增加,pGI值逐漸降低。與空白組相比,添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能將淀粉的pGI值分別降低12.05、45.54、38.90和15.00。由此可見,在膳食纖維添加的濃度相同的情況下,XG和KGM降低餐后血糖響應(yīng)的效果比BBG和TSP要好。這可能是由于XG的黏度較高,整個(gè)消化體系的黏度變大,流動(dòng)性降低,α-淀粉酶與淀粉顆粒的接觸受到阻礙,從而導(dǎo)致消化程度降低,血糖響應(yīng)減弱[23-25]。

2.3 可溶性膳食纖維在模擬胃腸道體系下的表觀黏度

不同濃度的BBG、XG、KGM和TSP在模擬腸道消化體系中的表觀黏度如圖3所示。隨著質(zhì)量濃度的增加,同種多糖溶液在胃腸道體系下的表觀黏度呈上升趨勢(shì)。在BBG、KGM和TSP溶液的濃度分別低于0.67%、0.1%和0.51%時(shí)均表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì),即各多糖溶液的表觀黏度維持不變。然而,隨著質(zhì)量濃度或剪切速率的逐漸加大,各多糖溶液均表現(xiàn)出假塑性流體的性質(zhì),即各多糖溶液的表觀黏度隨著剪切速率的增大而逐漸減小。并且,四種可溶性膳食纖維溶液的假塑性流體性質(zhì)均具有濃度依賴性,隨樣品質(zhì)量濃度的增大,假塑性流體的性質(zhì)越明顯。這是因?yàn)榫酆衔锶芤嘿|(zhì)量濃度的增加會(huì)導(dǎo)致多糖分子鏈重疊程度的增加,從而導(dǎo)致較高的剪切速率下多糖分子鏈相互纏繞被破壞的程度增加[26]。

圖3 不同濃度的可溶性膳食纖維在模擬腸道消化體系中的表觀黏度Fig.3 Apparent viscosity of different concentrations of soluble dietary fiber in simulated intestinal digestive system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黃原膠(XG);c:魔芋膠(KGM);d:羅望子膠(TSP)。

圖4 模擬腸道消化過程中可溶性膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度與pGI值的關(guān)系Fig.4 The relationships between pGI values and the apparent viscosities of soluble dietary fibers in the simulated gastrointestinal system注:a:青稞β-葡聚糖(BBG);b:黃原膠(XG);c:魔芋膠(KGM);d:羅望子膠(TSP)。

2.4 可溶性膳食纖維在胃腸液中的表觀黏度與pGI值之間的關(guān)系

研究表明,消化產(chǎn)物在小腸內(nèi)的生理剪切速率大約為60 s-1[5,27-29]。四種可溶性膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間的關(guān)系如圖4所示。在BBG、XG、KGM和TSP的濃度分別低于1%、0.1%、0.12%和0.51%時(shí),四種膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度(60 s-1)與pGI值之間均存在一定的非線性關(guān)系,且均滿足一元二次方程(y=ax2+bx+c)。四種SDF中,BBG的表觀黏度對(duì)pGI值的影響最接近線性關(guān)系,因此與其他三種膳食纖維相比,其添加量的增多對(duì)pGI值的控制具有較明顯的作用。對(duì)比四種膳食纖維在胃腸道體系中的表觀黏度和對(duì)應(yīng)的pGI值分別擬合得到系數(shù)a、b、c,XG樣品擬合得到的c值最小(121.7510),且當(dāng)XG的濃度僅為0.01%時(shí),其在消化液中的表觀黏度能達(dá)到2.01 mPa·s,對(duì)應(yīng)CS的pGI值為118.17。由此可見,XG抑制淀粉消化的能力最好,在添加濃度較低的情況下就能達(dá)到比較高的表觀黏度,從而起到控制淀粉pGI值的效果。此外,KGM和TSP的pGI值隨表觀黏度的變化也較大,在表觀黏度低于4 mPa·s時(shí),血糖值的變化較大,并且當(dāng)表觀黏度超過4 mPa·s后,血糖值的減小趨勢(shì)愈加平緩,黏度對(duì)血糖值的作用也達(dá)到極限。綜上,對(duì)同種膳食纖維而言,在胃腸道消化體系中添加膳食纖維的表觀黏度越大,體外模擬消化后的血糖響應(yīng)越低。因此,同種膳食纖維的黏度對(duì)抑制淀粉消化和降低餐后血糖響應(yīng)起重要作用,這可能是由于可溶性膳食纖維能夠增加消化液體系的黏度,并通過與淀粉分子的相互纏繞作用,阻礙消化酶與淀粉顆粒之間相互接觸,從而干預(yù)淀粉消化。

3 結(jié)論

本研究通過體外模擬人體胃腸道消化過程發(fā)現(xiàn),BBG、XG、KGM和TSP四種可溶性膳食纖維的添加均能夠增加CS的SDS和RS片段的比例,減少RDS片段的比例,從而降低淀粉的水解度和餐后血糖水平。當(dāng)濃度和剪切速率相同時(shí),XG和KGM在模擬胃腸道消化體系下的表觀黏度比BBG和TSP高。添加0.1%的BBG、XG、KGM和TSP能夠使淀粉的pGI值分別降低12.05、45.54、38.90和15.00,并且pGI值隨著可溶性膳食纖維在胃腸道體系下表觀黏度的增大而下降。可溶性膳食纖維的黏度是影響淀粉水解和餐后血糖響應(yīng)的重要因素。