不同添加物對擠壓重組米血糖生成指數和理化性質的影響

劉成梅 方 沖 劉云飛 吳建永 胡秀婷 葉江平 羅舜菁

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室 南昌330047）

血糖生成指數（GI）是反映食物中碳水化合物升高血糖能力的指標，它的高、低直接影響餐后血糖應答，對預防和控制慢性病有重要指導作用[1]。米飯作為我國人民主食之一，其GI 值范圍為83～88[2]，會引起較高的血糖反應，對糖尿病患者和高血糖人群的健康不利。制備一種GI 值低于普通米飯的新型米制品具有重要意義。目前，已有人將擠壓重組技術用于新型大米產品的制備，研究主要涉及工藝優(yōu)化、品質改良、營養(yǎng)強化[3-5]等，對擠壓重組米GI 值的研究尚欠缺。王嫻等[6]研究了添加菊粉、大豆多糖和燕麥麩對擠壓重組米熟化前的GI 值的影響，而未研究擠壓重組米蒸煮后的GI值。然而，研究表明食物在高溫熟化前、后其GI 值有顯著差異[7]。如Allen 等[8]發(fā)現甘薯經蒸煮、烤制等熱處理后，GI 值升高。大部分食物需經過高溫熟化后才能食用，研究擠壓重組米蒸煮熟化后的GI 值更具實際意義。

食物組成是影響食物GI 值的重要因素，包括膳食纖維含量、蛋白質含量、直鏈/支鏈淀粉比例等[7]。Schulz 等[9]研究發(fā)現包括大米在內的33 種食物的GI 值與膳食纖維含量呈顯著正相關。Gulliford 等[10]發(fā)現添加25 g 蛋白質后，土豆泥的GI 值降低。Akerberg 等[11]研究發(fā)現，采用高比例的直鏈/支鏈淀粉制作的面包的GI 值較低?；谝陨涎芯楷F狀，本研究以燕麥膳食纖維、大米蛋白和高直鏈玉米淀粉為添加物，以雙螺桿擠壓技術[12]為手段制備擠壓重組米，研究3 種添加物對擠壓重組米熟化后的GI 值的影響及機理，比較3 種擠壓重組米的微觀結構、蒸煮性質和質構特性，為制備較低GI 值且食用品質較好的擠壓重組米做出初步探索。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：早秈米，江西奉新縣應星大米加工廠；大米蛋白，江西金農生物科技有限公司；燕麥膳食纖維，陜西慈緣生物技術有限公司；高直鏈玉米淀粉（Hi-maize 260，HM），美國國民淀粉公司。

試劑：豬胰α-淀粉酶（16 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（300 U/mL），美國Sigma 公司；葡萄糖試劑盒，愛爾蘭Megazyme 公司。

主要儀器：錘片式粉碎機，江西紅星機械公司；75 型雙螺桿擠壓機，武漢江聲科技有限公司；VIS-7200 紫外可見分光光度儀，北京普析通用公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 擠壓重組米的制備 工藝流程：秈米粉、添加物→調質→擠壓→造?！稍铩善贰?/p>

大米蛋白、燕麥膳食纖維或高直鏈玉米淀粉添加量占進料濕基的質量分數均為20。擠壓條件：物料濕基含水率30%，螺桿轉速120 r/min，喂料轉速60 r/min，機筒從出料端到進料端的溫度分別為1 區(qū)70 ℃，2 區(qū)90 ℃，3 區(qū)105 ℃，4 區(qū)95℃，5 區(qū)85 ℃，6 區(qū)75 ℃。制備成4 組樣品，分別為燕麥膳食纖維擠壓重組米（DFER）、大米蛋白重組米（RPER）、高直鏈玉米淀粉重組米（HMER）、擠壓空白米（ER）。以原大米（NR）和擠壓空白米（ER）作為對照組。將制備好的樣品在50 ℃烘箱中干燥12 h，冷卻包裝待用。

1.2.2 淀粉含量測定 參照GB/T 5009.9-2008[13]。

1.2.3 血糖指數測定 采用Connolly[14]和Frei[15]的方法并稍加修改。稱取100 mg 樣品置于50 mL 離心管中，加入2 mL 水，沸水浴15 min 糊化，再添加13 mL pH 5.2 的0.2 mol/L 乙酸緩沖液，在37℃恒溫水浴下平衡10 min，再加0.2 mL 混合酶液（胰α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶15 U/mL），在37 ℃恒溫水浴下振蕩（轉速為150 r/min）并準確計時。振蕩反應0，30，60，90，120，180 min 后分別取0.1 mL 上清液加入至2 mL 無水乙醇進行滅酶處理，用GOPOD 葡萄糖試劑盒在510 nm 處比色測定葡萄糖含量，每個樣品平行測定3 次取平均值，繪制淀粉水解曲線。

對重組米淀粉水解率曲線進行一級動力學擬合，其方程為Ct=C∞（1-e-kt），用Origin 軟件進行擬合得到水解動力學常數k。水解曲線下的面積AUC 由以下公式得出：

式中：Ct——在t 時間時樣品中淀粉的水解比例；C∞——反應180 min 后淀粉的水解比例；tf——最終反應時間 （180 min）；t0——最開始反應時間（0 min）；k——動力學常數。

水解指數（HI）由以下公式得到：Goni 等[16]得出HI 與GI 存在高度的相關性（r=0.894），根據HI 來預測GI 的計算公式如下：

GI=39.71+0.549HI

1.2.4 淀粉長程和短程結構 分別采用X 射線衍射法（WXRD）[17]和衰減全反射傅里葉變換紅外光譜法（ATR-FTIR）[18]分析重組米淀粉的長程結構和短程結構。

1.2.5 體視顯微鏡和掃描電鏡觀察 取原大米和擠壓重組米樣品進行體式顯微鏡觀察和拍照。用掃描電鏡觀察各樣品蒸煮前和蒸煮凍干后的截面。

1.2.6 蒸煮品質 參考Wu[19]的測定方法，測定米樣的熟化時間、水分吸收率、體積膨脹率。

1.2.7 質構測定 參考米飯質構特性的測定方法[20]，測定得到重組米飯的硬度、黏度。

2 結果與分析

2.1 血糖生成指數

在0～180 min 內，HMER 的淀粉水解速率曲線最低，NR 次之，ER 最高。對比NR 和ER 可知，擠壓加工會加快米樣淀粉水解速率[21]。原因可能是擠壓過程中的高溫、高壓和高剪切作用導致淀粉分子間的氫鍵斷裂，發(fā)生降解和部分糊化，增加了淀粉對消化酶的敏感性[22]。對比HAER 和NR可知，添加高直鏈玉米淀粉可明顯延緩米樣淀粉水解速率。另一方面，RPER 和DFER 的淀粉水解速率曲線略低于ER，但均高于NR，表明添加燕麥膳食纖維和大米蛋白可略微降低米樣的淀粉水解速率，但效果較弱，不及擠壓加工提高米樣淀粉水解速率的效果。

圖1 不同米樣的淀粉水解速率曲線Fig.1 Starch hydrolysis curve of different rice samples

由表1可知，HAER 蒸煮熟化后的GI 值最低（84.5），NR 次之（89.5），ER 最高（95.4），該結果和圖1中的淀粉水解速率變化規(guī)律一致。對比NR和ER 可知，擠壓會顯著增加米樣的GI 值（P＜0.05），與圖1中的淀粉水解速率結果一致。對比HMER 和NR 可知，表明以高直鏈玉米淀粉作為添加物，能制備出熟化后GI 值顯著低于天然大米的擠壓重組米。另一方面，RPER 和DFER 的GI值略低于ER，但三者無顯著性差異 （P＞0.05），且三者均顯著高于NR（P＜0.05），表明添加20%比例的燕麥膳食纖維和大米蛋白不能制備出熟化后GI 值低于普通大米的擠壓重組米。

表1 不同米樣的消化模型參數、血糖生成指數Table 1 Digest model parameters，estimated glycemic index of different rice samples

2.2 淀粉長程結構和短程結構

圖2展示了各米樣的X 衍射圖（圖2a）和相對結晶度（圖2c）。從圖2a 可以看出，NR 在15°和23°位置上有兩個單峰，在17°和18°位置有一個未分開的雙峰，屬于典型的A 型淀粉結晶峰[23]。ER、DFER、RPER 和HAER 沒有發(fā)現A 型淀粉結晶峰，但在13°和20°位置上出現新峰，表明這4 組擠壓重組米中的淀粉形成了V 型結晶。V 型結晶被認為是直鏈淀粉和脂類物質的復合物，溶解溫度高且難以消化[24-25]，屬于RS3 型抗性淀粉。HMER 的V 型結晶峰最高，這可以解釋為何HMER 在熟化后的GI 值最低。

由 圖2c 可 知，NR、DFER、HAER、ER、RPER的相對結晶度呈降序排列，分別為19.6%，5.66%，5.26%，4.57%和2.99%。擠壓重組米的相對結晶度均顯著低于原米（NR）（P＜0.05），這是由于擠壓過程中的高溫作用使淀粉發(fā)生了糊化。淀粉糊化后，在冷卻的過程中又會發(fā)生老化，重新形成結晶，使淀粉結晶度再次升高。DFER 和HAER 的結晶度比ER 高，表明添加燕麥膳食纖維和高直鏈玉米淀粉會促進擠壓重組米的淀粉老化。相反，RPER的結晶度比ER 低，表明添加大米蛋白會抑制擠壓重組米的淀粉老化。從圖2c 中可以看出，NR、DFER、HAER、ER、RPER 的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值分別為1.85，1，0.869，0.8，0.69，該結果也與結晶度結果一致。

圖2 不同米樣中淀粉的長程結構（a）、短程結構（b）和結構參數（c）Fig.2 Long-range order （a），short-range order （b）and structural parameters （c）of starches from different rice samples

2.3 外觀形貌和微觀結構

圖3 不同米樣的體視顯微鏡圖和電鏡圖Fig.3 Stereomicroscope and scanning electron microscope of different rice samples

圖3a、3d、3g、3j、3m 分別展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 的外觀形貌圖。HMER 和ER 在透明度和顏色上與NR 接近，而DFER 和RPER 均呈現黃棕色，與NR 差別較大。圖3b、3e、3h、3k、3n 分別展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 蒸煮前的微觀結構圖，各米樣之間存在顯著差異。在NR 的斷面中可觀察到淀粉顆粒（圖3b中粗箭頭所指）和胚乳細胞壁（圖3b 中細箭頭所指）[26]，而在擠壓重組米的斷面中觀察不到，原因是擠壓過程中的高溫、高壓和高剪切力作用使淀粉顆粒發(fā)生糊化，細胞壁被破壞。此外，ER、DFER和RPER 的斷面均凹凸不平，而HMER 斷面平整光 滑。圖3c、3f、3i、3l、3o 分別展示了NR、ER、DFER、RPER 和HMER 蒸煮后的微觀結構圖。各米樣蒸煮后截面呈蜂窩狀，有密集的微孔，其中NR 的微孔最大且數量最多，而ER 的微孔最小且數量最少，DFER、RPER 和HMER 的微孔數量和大小介于NR 和ER 之間，三者無明顯差異。這些微孔由米樣凍干時水分蒸發(fā)而產生，可反映大米蒸煮時的水分吸收率和體積膨脹率。蒸煮后的微觀結構圖表明NR 的水分吸收率和體積膨脹率最大，ER 的水分吸收率和體積膨脹率最小，而DFER、RPER 和HMER 的水分吸收率和體積膨脹率相近，并介于NR 和ER 之間。

2.4 蒸煮和質構性質

由表2可知，4 組擠壓重組米的蒸煮性質和質構性質均與NR 有明顯差異。4 組重組米的熟化時間、水分吸收率、體積膨脹率、硬度和黏度均顯著低于NR（P＜0.05）。與ER 相比，DFER、RPER、HMER 的水分吸收率、體積膨脹率和黏度沒有顯著差別（P＞0.05），且熟化時間相差也較小，表明添加燕麥膳食纖維、大米蛋白和高直鏈玉米淀粉對擠壓重組米的蒸煮性質和黏度影響很小。DFER、RPER 的硬度顯著低于ER（P＜0.05），而HMER 和ER 的硬度之間無顯著性差別（P＞0.05），表明添加燕麥膳食纖維和大米蛋白會顯著降低擠壓重組米的硬度，而添加高直鏈玉米淀粉對擠壓重組米的硬度影響不大。

表2 不同米樣的蒸煮和質構性質Table 2 Cooking and textural properties of different rice samples

3 結論

添加高直鏈玉米淀粉可明顯降低大米的淀粉水解速率和蒸煮后的GI 值，因為高直鏈玉米淀粉重組米形成了更多難消化的V 型淀粉結晶，且在透明度和顏色上與天然大米（NR）相近。而添加燕麥膳食纖維和大米蛋白的擠壓重組米GI 值顯著高于天然大米略小于擠壓空白米，且在顏色上與NR 差別較大。由于擠壓過程中發(fā)生的淀粉糊化作用使得各擠壓重組米蒸煮前后的微觀結構、蒸煮性質和質構性質與NR 相比均存在顯著差異 （P＜0.05）。添加燕麥膳食纖維、大米蛋白和高直鏈玉米淀粉對擠壓重組米的蒸煮性質和蒸煮后的黏度影響很小。添加燕麥膳食纖維和大米蛋白會顯著降低擠壓重組米蒸煮后的硬度，而添加高直鏈玉米淀粉對擠壓重組米蒸煮后的硬度影響不大。燕麥膳食纖維和高直鏈玉米淀粉會促進擠壓重組米的淀粉老化，而大米蛋白會抑制重組米的淀粉老化。本研究所制備的高直鏈玉米淀粉擠壓重組米雖然食用品質不同于原大米，但在熟化后仍具有較低的GI 值并與原大米有相近的外觀，可作為高血糖人群的大米替代物。