低GI淀粉原料的篩選及理化特性和體外消化特性的研究

徐箐，柳嘉，林靜，丁方莉，段盛林，朱守創(chuàng)

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北邯鄲056038；2.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司功能主食創(chuàng)制與慢病營養(yǎng)干預北京市重點實驗室，北京100015）

淀粉是食物的重要組成成分，咀嚼米飯時，唾液中的淀粉酶可將淀粉水解成單糖，因此有甜味。食物進入胃腸后，還能被胰臟分泌的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小腸壁吸收，成為血糖。糖尿病等慢性疾病患者需要注意碳水化合物的攝入，食用能夠緩慢釋放的淀粉制品能有效控制餐后血糖水平，減少發(fā)病機會。因此篩選緩慢消化及預測血糖生成指數（expected glycemic index，eGI）較低的淀粉原料是開發(fā)慢消化淀粉制品的一個重要途徑。

淀粉組分、直鏈淀粉含量、加工工藝等均會顯著影響食物的GI值。Englyst等[1]根據淀粉在人體小腸中消化速度的差異將食物中的淀粉分為快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）。研究顯示，SDS可以緩慢消化并持續(xù)釋放能量，GI值較低，以SDS、RS和膳食纖維為主要原料制作食品可以顯著降低食物的消化速度，降低餐后血糖，并能夠減少饑餓感[2-4]。Wolver等[5]的研究結果表明：馬鈴薯、大米、意大利面和大麥中直鏈淀粉含量較高，食用這些食品制品的餐后血糖值也較低。此外，淀粉GI值大小與工藝糊化程度有關，食物經過蒸煮處理后，水分的介入和熱脹作用會使淀粉顆粒膨脹，更易于消化，GI值也會顯著升高。趙凱等[6]發(fā)現可通過抑制淀粉顆粒糊化和促進淀粉老化，來降低淀粉消化速率，進而降低GI值，淀粉顆粒大小和黏度也會影響其GI值。近些年來，通過研究低GI淀粉，研發(fā)和生產適合慢性病患者食用的產品，已成為國內外科研機構、生產企業(yè)和學者們追逐的熱點。

為篩選出可以緩慢消化吸收、降低餐后血糖應答的淀粉，本文探究了不同來源的淀粉如玉米淀粉、大米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的基本組成、顆粒形貌、粒徑分布、糊化特性、直鏈淀粉含量、淀粉組分等理化特性及體外消化特性，并計算eGI值。分析不同種類的淀粉理化特性與體外消化特性的關系，并篩選出適合糖尿病人群食用的慢消化淀粉原料，以提高淀粉的附加值，拓展淀粉的應用范圍，對于開發(fā)調節(jié)血糖和控制糖尿病的主食類產品具有重要意義。此外，由于GI測試一個食物樣品至少需要10個志愿者進行3次以上的測試，試驗過程繁瑣，測試費用昂貴，而且影響因素較為復雜，而通過體外消化模型研究食物的水解情況，并比較其eGI值，可快速大量地進行原料篩選，且對GI值有一定的預測性。本文首次對不同來源淀粉的理化特性與體外消化特性展開分析，旨在為后續(xù)的低GI產品開發(fā)的原料篩選提供一定的研究思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉：新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；木薯淀粉：宜佳國際貿易有限公司；大米淀粉：廣州海希生物科技有限公司；小麥淀粉、鷹嘴豆淀粉：中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院功能主食創(chuàng)制與慢病營養(yǎng)干預北京市重點實驗室自制。α-淀粉酶（≥120 U/mg）、胰酶（4×USP）、轉化酶（≥300 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（120 U/mg）、胃蛋白酶（≥250 U/mg）：美國Sigma公司；標準直鏈淀粉、標準支鏈淀粉：北京索萊寶科技有限公司；葡萄糖測定試劑盒：南京建成泰浩生物科技有限公司；其他化學試劑均為化學分析純。

1.2 儀器設備

PL203分析天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；MYP11-2A磁力攪拌器：上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；SHA-B水浴恒溫振蕩器：金壇精達儀器制造有限公司；HC-3018R離心機：安徽中科中佳科學儀器有限公司；Phenom ProX臺式掃描電子顯微鏡：荷蘭Delmic公司；754紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；Spectra Max i3酶標儀：美國MD公司；S3500激光粒度分析儀：美國麥奇克有限公司；RVA-TecMaster快速粘度分析儀：瑞典Perten Instruments公司；CA-HM差式掃描卡路里儀：北京盈盛恒泰科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉制備

1.3.1.1 鷹嘴豆淀粉堿法提取

挑選顆粒飽滿的鷹嘴豆→除雜→溫水浸泡→磨碎→經膠體磨打漿，反復加水勻漿→靜置取上清→過濾（沉淀用0.4% NaOH脫蛋白）→烘干→粉碎過100目篩→粗淀粉。

1.3.1.2 小麥淀粉提取

小麥面粉加水揉團→靜置→加適量食鹽→反復揉洗，得到淀粉乳→烘干→粉碎過100目篩→粗淀粉。

1.3.2 樣品基本組分分析

采用食品熱量成分檢測儀對7種淀粉的基本組成成分進行分析，首先預熱機器30 min，打開樣品倉，放置反射空白板，待軟件提示后放置樣品，將混好的樣品（約3 g），鋪平，放入樣品后開始測試，每個樣品測定3次。

1.3.3 X射線臺式能譜掃描電鏡觀察淀粉顆粒微觀結構

用雙層導電膠將各淀粉粉末固定于電鏡載物臺上，用氮吹系統(tǒng)除去易滑落顆粒，顯微鏡使用5 kV的激光光源，在Image模式下拍照。通過臺式掃描電子顯微鏡觀察不同淀粉樣品在1 000倍和2 000倍電鏡下的表觀和形態(tài)特征。

1.3.4 顆粒粒徑分布的測定

采用激光粒度儀測定淀粉顆粒粒度。首先打開激光粒度儀進樣器及檢測器，啟動激光粒度儀軟件，設定FIEX干法程序，校準后稱取2 g的淀粉樣品按操作提示開始進樣測定。

1.3.5 淀粉糊化特性分析

取3.0 g淀粉樣品，加入25 mL蒸餾水，于專用容器中混勻。通過快速粘度分析儀RVA-Tec Master對谷物粉、豆類粉進行糊化特性的測定并采用TCW軟件記錄數據，每個樣品測3次[7-8]。

1.3.6 淀粉直鏈淀粉的測定

參照NY/T 55-1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》，根據不同直鏈、支鏈比例的淀粉與碘試劑顯色結果不同，在620 nm讀取OD值，制作混合校準曲線，后測定各淀粉樣品的OD值，并參照標準曲線計算直鏈淀粉含量[9]。

式中：G為從相應的混合校準曲線求出的直鏈淀粉含量，mg；m為稱取樣品中所含粗淀粉的質量，100 mg。

1.3.7 淀粉組分的測定

在Englyst方法基礎上進行調整，確定合適的酶用量及其比例、反應pH值等[10]。

1.3.7.1 游離葡萄糖的測定

取1 g淀粉的待測樣品，加入20 mL去離子水和轉子沸水浴糊化30 min。冷卻至37℃，加入3 mL轉化酶，37℃水浴振蕩30 min→取1 mL上清液加4 mL無水乙醇，離心，采用葡萄糖氧化酶法測葡萄糖含量。

1.3.7.2 淀粉各組分含量的測定

取1 g淀粉樣品→加10 mL去離子水，沸水糊化30 min→于37℃水浴中平衡溫度，放入轉子和10 mL新鮮制備的胃蛋白酶-瓜爾豆膠溶液，在37℃搖床孵育30 min→加5 mL pH=5.2醋酸鈉緩沖液，調pH值至5.0→加5 mL混酶，補水至50 mL，此時作為孵育的時間零點且不中斷→在20、120 min時分別取1 mL樣品加入4 mL無水乙醇，離心。采用葡萄糖氧化酶法測葡萄糖，得 G20、G120。

式中：RDS為20 min內水解的淀粉含量；SDS為20 min～120 min內水解的淀粉含量；RS為120 min內仍不能水解的淀粉含量；G20為酶解20 min后產生的葡萄糖含量，mg；G120為酶解120 min后產生的葡萄糖含量，mg；FSG為酶解前游離葡萄糖含量，mg；W為總淀粉量，mg。

1.3.8 淀粉體外消化試驗

取可利用碳水化合物為1 g的玉米淀粉（1.29 g）、馬鈴薯淀粉（1.29 g）、豌豆淀粉（1.27 g）、木薯淀粉（1.25 g）、小麥淀粉（1.15 g）、鷹嘴豆淀粉（1.29 g）和大米淀粉（1.15 g）樣品，分別加入10 mL去離子水，沸水浴15 min，期間不斷進行磁力攪拌后置于37℃水浴中，待溫度平衡。參考已報道方法[11-13]，通過建立體外消化模型，測定7種淀粉的水解率，并繪制水解率和時間關系圖。

1.3.9 淀粉eGI的計算方法

參照 Ackerberg 等[14]及 Granfeldt等[15]的方法，通過繪制淀粉水解率和時間的標準曲線，模擬方程，曲線下面積表示食物消化后對血糖的影響。以白面包為參考標準，定義白面包的水解率為100，按照eGI與氫化指數（hydrogenated index，HI）的關系式，計算出樣品的eGI值。

HI=不同淀粉的消化曲線下面積（0～120 min）×100/標準物質消化曲線下面積（0～120 min）；

1.3.10 數據處理

試驗數據采用Origin 9.1作圖。試驗重復3次，結果用x±SD表示。用SPSS 20.0和Excel 2016處理試驗數據并對試驗結果進行單因素方差（One-Way ANOVA）分析，p＜0.05 表示顯著差異。

2 結果與討論

2.1 樣品基本組分分析

7種淀粉的基本組分測定結果見表1。

表1 7種淀粉營養(yǎng)成分表Table 1 Nutrients of 7 types of starch

結果表明：玉米淀粉、小麥淀粉和鷹嘴豆淀粉中蛋白質含量較高；鷹嘴豆淀粉和大米淀粉含有較高的脂肪；豌豆淀粉中蛋白質和脂肪含量最低；而玉米淀粉和鷹嘴豆淀粉中的碳水化合物含量最低。

2.2 顆粒形貌分析

食物顆粒大小會影響食物的消化速度，也會影響糊化程度。對所選幾種淀粉顆粒微觀結構進行觀察，結果如圖1所示。

圖1 7種淀粉顆粒超微形貌分析Fig.1 Analysis of the ultrafine morphology of seven starch granules

各試樣在掃描電鏡下的圖像清晰度高，三維立體感強。不同植物來源的淀粉顆粒，大小和形貌上均有不同的表征。大米淀粉顆粒最小，多為多邊形，表面較粗糙；玉米淀粉為多角形，表面具有多個棱角且光滑；小麥淀粉顆粒表面不光滑多呈褶皺塊狀，可能是由于表面附有雜質造成的，但不影響觀察；馬鈴薯淀粉和木薯淀粉顆粒形態(tài)接近，絕大多數顆粒呈球形，顆粒大小不一，表面光滑；鷹嘴豆淀粉和豌豆淀粉形態(tài)接近，呈腎型，部分顆粒的縱向側面有赤道凹槽結構，表面光滑。本試驗所得的幾種淀粉顆粒的表觀結果與王紹清[16]的研究結果描述基本一致。

2.3 顆粒粒度分析

不同淀粉顆粒粒度分布分析見圖2。

由圖2可知，7種淀粉顆粒的粒度均呈正態(tài)分布。馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、豌豆淀粉、鷹嘴豆淀粉和木薯淀粉顆粒粒度分布比較集中，僅出現一個峰，說明其淀粉粒徑大小較均勻；豌豆淀粉、鷹嘴豆淀粉和木薯淀粉的粒度分布范圍相對較窄，其中豌豆淀粉粒度分布最窄，說明豌豆淀粉粒度分布最均勻；小麥淀粉顆粒分布出現3個峰，粒度分布最為分散，說明其顆粒有明顯的大小差異[17]，以上結果與掃描電鏡圖顯示的結果一致。

圖2 不同淀粉顆粒粒度分布分析Fig.2 Analysis of particle size distribution of different starch granules

2.4 淀粉糊化性質分析

不同淀粉糊化特征參數見表2。

表2 不同淀粉糊化特征參數Table 2 Different starch gelatinization parameters

通過淀粉的糊化溫度、峰值黏度、衰減值及回升值對其糊化特性進行評定，由表2可知，7種淀粉的成糊溫度均在60℃～80℃之間。木薯淀粉和馬鈴薯淀粉糊化溫度相對較低，易于糊化。大米淀粉和玉米淀粉糊化溫度相對較高，難于糊化。糊化溫度因直鏈淀粉含量、結晶度和支鏈淀粉結構等的不同而存在差異，一般來說，小顆粒淀粉的糊化溫度高于大顆粒淀粉的糊化溫度[18]。

大米淀粉和玉米淀粉的衰減值低，糊化溫度高，表明其溶脹后的淀粉顆粒強度大，不易破裂；馬鈴薯淀粉的峰值黏度和衰減值都遠大于其他幾種淀粉，且其回生值也較小，說明馬鈴薯淀粉的熱穩(wěn)定性和凝膠強度較差；豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的回生值較高，說明顆粒易于老化，冷糊穩(wěn)定性差。豆類淀粉回生值均大于谷物淀粉回生值，說明豆類淀粉更容易老化，這與豆類淀粉中直鏈淀粉含量較高有關。豆類淀粉最終黏度顯著高于谷物淀粉（p＜0.05），這是由于直鏈淀粉聚集引起的[19]。

2.5 直鏈淀粉和淀粉組分的測定

用一定濃度兩種標準淀粉溶液與碘反應，以直鏈淀粉毫克數為橫坐標，OD值為縱坐標，得到混合標準曲線方程：y=0.105 4x+0.090 6（R2=0.997），代入可計算出直鏈淀粉含量[20]。

將直鏈淀粉含量代入標準曲線方程：y=0.003 7x+0.151（R2=0.992），并利用 Englyst法，計算得到不同種類淀粉的RDS、SDS以及RS含量[21]，淀粉組分的結果如表3所示。

玉米淀粉RDS含量最高，馬鈴薯淀粉SDS含量最高，鷹嘴豆淀粉的RS含量最高。淀粉的消化性能主要取決于直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，比例均衡會利于消化，豌豆淀粉和鷹嘴豆粉淀粉的消化性較低，其次是馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和小麥淀粉，而大米淀粉消化性最好。Wolver等[5]發(fā)現，直鏈淀粉含量與GI值有關，直鏈淀粉含量越高，GI值越低。豌豆淀粉中直鏈淀粉雖略高于鷹嘴豆淀粉，但其RSD含量也高，因此相比之下鷹嘴豆淀粉更適合作為低GI淀粉制品原料。

表3 不同淀粉的直鏈淀粉含量和淀粉組分Table 3 Amylose content and starch component of of different starches

2.6 淀粉體外消化特性分析

通過體外模擬法對7種淀粉體外消化過程中不同時間點水解率的變化進行檢測。結果如圖3所示。

圖3 不同淀粉體外消化率Fig.3 In vitro starch digestibility of different starches

對照組白面包的水解率明顯高于淀粉組。消化0～45 min內，谷類淀粉除馬鈴薯淀粉外，水解率均高于鷹嘴豆淀粉，所有淀粉在水解90 min后水解率趨于平穩(wěn)，消化計時結束時，鷹嘴豆淀粉的水解率最低。鷹嘴豆淀粉能緩慢水解，對葡萄糖濃度影響較小，這與繆銘等在對鷹嘴豆淀粉結構與性質的探討中得到的結論一致[22]。鷹嘴豆淀粉體外葡萄糖水解濃度增加速度比較緩慢，可作為食品原料添加到易引起人體血糖升高的食物中，適合作為原料開發(fā)糖尿病病人食品。

最終水解率大小順序為：白面包＞玉米淀粉＞大米淀粉＞木薯淀粉＞馬鈴薯淀粉＞豌豆淀粉＞小麥淀粉＞鷹嘴豆淀粉。Kate等總結了已發(fā)表和未發(fā)表的不同種類食物的GI值，發(fā)現豆類及豆類制品均具有較低的GI值，大米谷物類GI值比較高，這與本試驗結果一致，豆類由于自身含有抗酶解的物質所以難于消化[23]。淀粉分為A、B、C 3種類型：谷類淀粉通常為A型淀粉顆粒，其熱力學性質最穩(wěn)定；在薯類淀粉中B型淀粉顆粒比較常見；豆類淀粉通常為C型淀粉顆粒。A型比B型和C型淀粉顆粒容易消化，這也是大多豆類比谷物類GI低的原因之一[24]。李恒等[25]探討了淀粉顆粒大小對其水解特性的影響，得出顆粒越大越難消化，顆粒越小越難糊化，這與本文得出的大米淀粉顆粒最小，最易消化的結果一致，表明顆粒大小與水解性存在一定相關性。

2.7 不同種類淀粉eGI

不同淀粉樣品的eGI值見表4。

表4 不同淀粉樣品的HI、eGITable 4 HI，eGI of different starches

計算得出，鷹嘴豆淀粉eGI值為48.9，與繆銘等的研究中鷹嘴豆淀粉[22]的eGI值46.9差異不大，豌豆淀粉eGI值為59.9，兩種豆類的eGI值均顯著低于白面包的eGI值，且鷹嘴豆淀粉的eGI值最低，適合作為糖尿病人食品原料。大米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉均為高eGI食物，小麥淀粉和玉米淀粉谷物類淀粉屬于中eGI食物，此結果與楊月欣等[26]研究結果[白面包GI為 87.9，馬鈴薯（煮）GI為 66.4，糯米飯 GI為 88]略有出入，這可能是因為淀粉制品GI值低于淀粉eGI值，體內外試驗略有差異。通過模擬人體口腔咀嚼、胃部消化和小腸消化的體外消化模型，可用于預測食物的血糖應答，并可通過計算得到食物的eGI值。相關研究結果還表明，通過人體試驗得出的GI值較體外模擬更為準確，但體外模擬試驗時間短、成本低，在前期篩選具有優(yōu)勢[27-28]。

3 結論

通過測定玉米淀粉、大米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的理化特性和體外消化性，得出不同淀粉的顆粒的形態(tài)和大小有所差異，同種類淀粉顆粒形貌具有相似性?？焖僬扯葍x分析可得木薯淀粉和馬鈴薯淀粉糊化溫度相對低，易于糊化；而大米淀粉和玉米淀粉糊化溫度相對較高，難于糊化。鷹嘴豆淀粉和豌豆淀粉中直鏈淀粉和RS含量高，水解率增幅比較緩慢，水解反應終止時水解率比其它5種谷物淀粉要低。采用體外消化法測得的豌豆淀粉eGI值為59.90，鷹嘴豆淀粉eGI值為48.89，顯著低于白面包的eGI值，屬于低eGI淀粉。淀粉的顆粒大小、直鏈淀粉含量與糊化特性均存在一定正相關性，直鏈淀粉含量，RS和SDS含量與淀粉體外消化特性存在一定的正相關性。該研究對于低GI淀粉類制品的開發(fā)具有一定指導意義，為開發(fā)適合糖尿病等人群食用的低GI食品奠定了基礎。