一款用于醫(yī)學(xué)營養(yǎng)減重的低GI代餐粉的開發(fā)與評價(jià)

劉義鳳,熊菲菲,李克文,賈福懷,段盛林,韓曉峰,*

(1.中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司,北京 100015; 2.功能主食創(chuàng)制與慢病營養(yǎng)干預(yù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015; 3.寧波御坊堂生物科技有限公司,浙江寧波 315012; 4.保齡寶生物股份有限公司,山東德州 251200)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國居民飲食結(jié)構(gòu)和生活方式在改革開放以后發(fā)生了重大變化[1],使中國近幾十年的疾病譜也發(fā)生了很大變化。肥胖癥、糖尿病和心腦血管疾病等慢性病的比例不斷上升[2]?？茖W(xué)研究和臨床實(shí)踐表明:預(yù)防和控制慢性病發(fā)生的關(guān)鍵在于合理的膳食結(jié)構(gòu)和科學(xué)的生活方式。為更好地發(fā)揮醫(yī)學(xué)營養(yǎng)治療在預(yù)防肥胖中的作用,《中國超重肥胖醫(yī)學(xué)營養(yǎng)治療專家共識》[3]等標(biāo)準(zhǔn)和共識相繼出臺。

血糖生成指數(shù)(Glycemic index,GI)是反映含有碳水化合物的食物對餐后血糖影響程度的指標(biāo),是一種全新的分析和評價(jià)食物的方法[4]。肥胖與食物的GI密切相關(guān)。低GI飲食能增強(qiáng)飽腹感,延緩饑餓,所引發(fā)餐后血糖的波動較小。胰島素的分泌量較低,有助于控制體重。胰島素是葡萄糖代謝的主要調(diào)節(jié)因子,同時(shí)在脂肪代謝中也起著關(guān)鍵作用,能促進(jìn)脂肪的儲存[5]。現(xiàn)階段代餐粉種類繁多,品質(zhì)參差不齊,在原理上多數(shù)具有低能量、高飽腹的特點(diǎn),通過減少食物的攝入而降低體重。但存在有代餐粉營養(yǎng)結(jié)構(gòu)不合理,缺乏維生素及礦物質(zhì)的攝入等情況,長期食用這類代餐粉,反而會出現(xiàn)營養(yǎng)素缺乏而導(dǎo)致營養(yǎng)不良,給身體帶來不利影響。

為了幫助肥胖人群安全合理地減重,降低代謝類慢性疾病的發(fā)生幾率[6],本文以“專家共識”中的限能量平衡膳食模式為指導(dǎo)[3],開發(fā)一款適用于醫(yī)學(xué)營養(yǎng)減重的代餐粉(簡寫為代餐粉)產(chǎn)品。結(jié)合科學(xué)的體重管理方法[7],旨在讓超重及肥胖人群實(shí)現(xiàn)科學(xué)健康減重,并且逐漸養(yǎng)成良好的飲食生活習(xí)慣。本文將特定的復(fù)配脂質(zhì)微膠囊化,作為目標(biāo)代餐粉的脂肪來源,篩選蛋白粉原料,設(shè)計(jì)供能比,最終得到基礎(chǔ)配方;采用制粒的加工方式實(shí)現(xiàn)代餐粉的速溶;最后通過人體GI的測定,評價(jià)代餐粉餐后2 h血糖應(yīng)答。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

精煉大豆油、精煉菜籽油 益海嘉里有限公司;紫蘇籽油 河北欣奇典生物科技有限公司;中鏈甘油三酯 丹尼斯克有限公司;辛烯基琥珀酸淀粉鈉(HI-CAP 100) 國民淀粉(上海)有限公司;茶多酚棕櫚酸酯(Tea Polyphenol Palmitate,TP) 河南瑞仁生物工程有限公司;L-抗壞血酸棕櫚酸酯(L-Ascorbgyl Palmitate,L-AP) 武漢浩榮生物科技有限公司;營養(yǎng)谷物粉、南瓜粉、葛根粉 天津富海泰技術(shù)有限公司;菊粉、抗性糊精 保齡寶生物股份有限公司;乳清濃縮蛋白 天津銀河偉業(yè)進(jìn)口有限公司;大豆分離蛋白 杜邦鄭州蛋白有限公司;奇亞籽、大白蕓豆粉、水解小麥蛋白肽粉 中食營科生物科技有限公司;魔芋粉 浙江上方生物科技有限公司;左旋肉堿、三氯蔗糖 鄭州百斯特食品添加劑有限公司;復(fù)合維生素、復(fù)合礦物質(zhì) 上海勵成營養(yǎng)科技有限公司。

PL203電子精密天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;T25基本型ULTRA-TURRAX分散機(jī) 德國IKA公司;HomoLab高壓均質(zhì)機(jī) 意大利FBF公司;B-290小型噴霧干燥機(jī) 瑞士步琦實(shí)驗(yàn)室儀器公司;Phenom ProX型臺式能譜掃描電鏡 荷蘭Delmic公司;Turbiscan Tower多重光散射儀 法國Formulaction公司;S3500激光粒度分析儀 美國麥奇克有限公司;BT-1001智能粉體特性測試儀 丹東百特儀器有限公司;2-10-15高速混合制粒機(jī) 常州市佳發(fā)制粒干燥設(shè)備有限公司;WBF-1多功能流化床實(shí)驗(yàn)機(jī) 重慶英格制藥機(jī)械有限公司;MA150快速水分測定儀 德國Sartorius公司;AU480全自動生化分析儀 貝克曼庫爾特實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(蘇州)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)配油脂的組成 研究顯示,ω-3 多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acids,PUFAs)有重要的營養(yǎng)價(jià)值和功能性作用[8-10],如防治心血管疾病等[11]。紫蘇籽油不飽和程度高,其含有約60%的α-亞麻酸,因此可作為ω-3 PUFAs 的重要來源[12]。大豆油含有約50%的亞油酸,菜籽油含有較多的單不飽和脂肪酸;另外中鏈甘油三酯(Medium-chain triglyceride,MCT)作為一種獨(dú)特的油脂,能夠快速供能,在臨床上也常用于減重,其中MCT占總脂肪的20%。本文依據(jù)中國居民膳食指南2016[13]中常見油脂中脂肪酸組成圖進(jìn)行計(jì)算,得出的復(fù)配脂質(zhì)可專用于肥胖人群,保障其基本的供能,而且還具有減少慢性炎癥累積和降低心腦血管發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的作用。復(fù)配油脂的組成及含量見表1。

表1 復(fù)配油脂的組成Table 1 Composition of compound oil

1.2.2 脂肪微膠囊的制備方法 將HI-CAP 100作為壁材攪拌溶解于60 ℃蒸餾水中,壁材比例為15%,形成水相;按比例混合均勻的復(fù)配油脂作為芯材,添加比例為15%,加入抗氧化劑TP和L-AP,熱油溶解形成油相;TP與0.15%的L-AP進(jìn)行復(fù)配,復(fù)配抗氧化劑添加量為0.3%,芯壁比為1∶1,然后在高速剪切(10000 r/min)的過程中將油相緩慢加入水相中,剪切10 min,形成粗乳液,根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)得出,乳狀液的固形物含量為30%;將粗乳液經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)(35 MPa)均質(zhì)2次,均質(zhì)后的乳液經(jīng)噴霧干燥塔噴粉,噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為140 ℃,出風(fēng)溫度為85 ℃,進(jìn)料溫度40 ℃，制得脂肪微膠囊[14-15]。具體工藝流程見圖1。

圖1 噴霧干燥法制備復(fù)配油微膠囊的工藝流程圖Fig.1 Process of preparing fat microcapsules by spray drying

1.2.3 脂肪微膠囊表面結(jié)構(gòu)的觀察 利用掃描電鏡對脂肪微膠囊的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,加速電壓5 kV,放大倍數(shù)為3600倍。將微膠囊分散于導(dǎo)電膠上,吹去多余粉末后進(jìn)行觀察并拍照。

1.2.4 脂肪微膠囊氧化穩(wěn)定性測定 對脂肪微膠囊進(jìn)行(65±2) ℃加速保藏試驗(yàn),濕度75%。采用鋁箔袋密封包裝,放于恒溫培養(yǎng)箱中靜置,分別在0、5、10、15、20、25、30 d取出三袋,測定過氧化值[16]?；旌嫌吞崛》椒?參考《GB 5009.6-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》,采用堿法提油。過氧化值測定方法:參考《GB 5009.227-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測定》,采用電位滴定法。

1.2.5 代餐粉的制備 對于醫(yī)學(xué)營養(yǎng)減重而言,肥胖人群膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),因此三大營養(yǎng)素的供能比應(yīng)當(dāng)分別設(shè)計(jì)為碳水化合物40%～55%,蛋白質(zhì)20%～30%,脂肪25%～30%[13]。通過前期對蛋白粉進(jìn)行溶解性篩選,選擇出溶解性較好的大豆分離蛋白和乳清濃縮蛋白作為蛋白質(zhì)來源;按照中國居民膳食指南的推薦,增加谷薯類的攝入,選擇營養(yǎng)型谷物粉、南瓜粉、葛根粉和山藥粉作為碳水化合物的主要來源;本文制備的脂肪微膠囊作為脂肪的主要來源。同時(shí),添加了足量的膳食纖維(抗性糊精、菊粉和魔芋粉等)有助于促進(jìn)胃腸道蠕動,增強(qiáng)飽腹感和減少熱量攝入;左旋肉堿等功能性成分能夠促進(jìn)脂質(zhì)代謝[17];另外,肥胖與某些微量營養(yǎng)素的代謝異常相關(guān),尤其是鈣、鐵、鋅、維生素A、維生素D及葉酸的缺乏[3],因此專門強(qiáng)化添加了復(fù)合維生素和復(fù)合礦物質(zhì)。經(jīng)過多次的試驗(yàn)篩選,最終代餐粉配方如表2所示。

表2 代餐粉的配方Table 2 Formula of meal replacement powder

將表2中各原料混合均勻后,通過濕法高速制粒,經(jīng)流化床干燥后得到成品。高速制粒技術(shù)參數(shù)為:高速制粒機(jī)攪拌槳轉(zhuǎn)速110 r/min,混合時(shí)間3 min;制粒刀轉(zhuǎn)速2800 r/min,壓縮空氣氣壓0.15 MPa,蠕動泵初始轉(zhuǎn)速30 r/min,流化床壓力-4或-5 kPa,進(jìn)風(fēng)溫度50 ℃(即物料溫度38～40 ℃),風(fēng)機(jī)頻率38 Hz,直到將代餐粉的水分含量降至5%以內(nèi)。

1.2.6 代餐粉粒徑的測定 利用激光粒度分析儀測定代餐粉的平均粒徑及粒度分布,采用干法分析[18-19]。

1.2.7 代餐粉粉體特性測定 經(jīng)過智能粉體特性測定儀的操作步驟,分別安裝不同的配件,依次測出代餐粉的休止角、崩潰角、差角、平板角、振實(shí)密度、松裝密度等參數(shù)。

1.2.8 代餐粉的溶解性測定 采用多重光散射技術(shù)測定粉體的溶解性。向樣品池中加入15 mL蒸餾水,水溫控制在25 ℃。將2 g代餐粉倒入水面之上,同時(shí)利用Turbiscan進(jìn)行實(shí)時(shí)多次的近紅外光源(波長880 nm)掃描,每個(gè)樣品的掃描時(shí)間為1 h。

1.2.9 代餐粉GI值人體測試方法 依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26642:2010[20]的要求,設(shè)計(jì)GI值人體測試實(shí)驗(yàn)方案。

受試對象:本次測試受試者12人,身體健康,無糖代謝相關(guān)疾病,身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index,BMI)18.5～23.9。受試者在試驗(yàn)前均簽署知情同意書。

測定方法:受試者手指經(jīng)消毒揮干后,用無菌采血針指尖采血,全自動生化分析儀測定血糖濃度,共計(jì)測試四次:三次飲用葡萄糖水,一次食用代餐粉。具體過程為:測定兩次空腹血糖(0 min)后,飲用含25 g葡萄糖的水或食用等量可利用碳水化合物的代餐粉(須在12～15 min內(nèi)用完);于0、15、30、45、60、90及120 min各采血一次,測定血糖,并記錄結(jié)果。

GI值計(jì)算公式:

GI=受試物餐后2 h內(nèi)血糖曲線下增值面積IUAC/等量葡萄糖餐后2 h內(nèi)血糖曲線下增值面積IUAC×100

根據(jù)GI值的分類標(biāo)準(zhǔn),低于55為低GI,55～70為中GI,高于70為高GI[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 脂肪微膠囊的特性

2.1.1 脂肪微膠囊的微觀結(jié)構(gòu) 本實(shí)驗(yàn)以HI-CAP 100作為壁材制備脂肪微膠囊。微膠囊的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠反映壁材在噴霧干燥過程中的包覆特性。如圖2所示,微膠囊顆粒主要呈球形,小顆粒會吸附在大顆粒表面,顆粒表面較完整、光滑致密,表明其具有較好的完整性和致密性,能夠避免氧氣與油脂的接觸,減少油脂氧化[11]。微膠囊表面出現(xiàn)的凹槽,可能是由于在噴霧干燥過程中顆粒發(fā)生皺縮而引起的,這在一定程度上影響了產(chǎn)品的流動性。

圖2 微膠囊的表面結(jié)構(gòu)Fig.2 Surface structure of microcapsules

2.1.2 脂肪微膠囊的氧化穩(wěn)定性 參考實(shí)驗(yàn)室長期對天然抗氧化劑在油脂中抗氧化效果的研究成果[21-22],選擇TP與0.15%的L-AP復(fù)配作為脂肪微膠囊的抗氧化劑,抗氧化劑按油脂的0.03%添加。植物油、脂肪微膠囊及添加抗氧化劑的脂肪微膠囊在(65±2) ℃貯存條件下的過氧化值變化如圖3所示。在高溫加速貯藏條件下,植物油及其微膠囊產(chǎn)品的過氧化值均有不同程度的上升。植物油經(jīng)噴霧干燥制成微膠囊后,其過氧化值上升的幅度降低。這是由于油脂被壁材包裹,微膠囊形成的致密球狀結(jié)構(gòu)能較好地阻止氧氣與之接觸,使油脂與外部環(huán)境相對隔絕。添加復(fù)合抗氧化劑TP+0.15%L-AP的微膠囊樣品的過氧化值上升幅度最小,說明復(fù)合抗氧化劑的添加可進(jìn)一步提高植物油的氧化穩(wěn)定性。

圖3 植物油及其微膠囊在(65±2) ℃貯存條件下過氧化值的變化圖Fig.3 The change of peroxide value ofoil and its microcapsules at(65±2) ℃

2.2 代餐粉的特性

2.2.1 高速制粒前后的粒徑分布 通過激光粒度儀測出制粒前后代餐粉的粒徑分布。從圖4可知,制粒前的粒徑分布有三個(gè)較明顯的峰,分別在50、100、250 μm左右,而制粒后的代餐粉粒徑普遍增大且分布均勻,主要在600 μm左右,部分顆粒接近或達(dá)到1 mm。粒徑的增大而均勻,可以大大減少包裝與使用過程中粉塵飛揚(yáng)的程度,避免損失。

圖4 代餐粉制粒前后的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.2 代餐粉制粒前后的粉體特性 通過智能粉體特性測定儀和激光粒度儀的聯(lián)合使用,評價(jià)代餐粉制粒前后的粉體特性差異。從表3可以看出,未制粒的粉體粒度較小且較分散,制粒后的粉體粒度增大且分布集中。產(chǎn)品的流動性指數(shù)由休止角、平板角、均齊度和壓縮度共同決定[23],制粒后粉體的均齊度比制粒前有所降低,壓縮度從未制粒的30.88%降低至制粒后的4.62%,這主要是由于制粒后粉體顆粒增大,顆粒間的孔隙度增大造成的,壓縮度越小,粉體的流動性越好。由于粒徑增大且趨于均勻,其流動性指數(shù)從59.0提高至77.5,有利于生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的罐裝[24]。

表3 代餐粉制粒前后的粉體特性Table 3 Powder parameters before and afterthe granulation of meal replacement powder

2.2.3 代餐粉制粒前后的溶解性 運(yùn)用Turbiscan多重光散射儀對代餐粉制粒前后的溶解性進(jìn)行測試。由圖5背散射光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化可以看出,制粒前的粉體隨著時(shí)間的延長,其背散射光強(qiáng)度緩慢增大,表明未制粒的粉體緩慢地溶解到水中;而制粒后的背散射光強(qiáng)度自測試開始階段就高于制粒前,且在溶解過程中背散射光強(qiáng)度無明顯變化,表明粒徑增大且均勻度提高明顯改善了代餐粉的潤濕性、沉降性和分散性;在投入水中時(shí),大顆?？梢愿斓嘏c水接觸,同時(shí)水分可通過制粒過程中形成的毛細(xì)管空隙快速潤濕粉體,即加速了產(chǎn)品在水中的溶解和分散[25-26]。

圖5 代餐粉制粒前后的光掃描圖Fig.5 Light scanning image of meal replacement powder before and after granulation

2.2.4 代餐粉餐后2 h血糖應(yīng)答結(jié)果與分析 經(jīng)過測定,代餐粉的營養(yǎng)成分見表4。營養(yǎng)素參考值是通過國家標(biāo)準(zhǔn)GB 28050 附錄A的要求計(jì)算得出。從表4得出代餐粉的三大供能營養(yǎng)素比例均衡,能量較低,蛋白質(zhì)含量豐富,經(jīng)過特定油脂的復(fù)配,脂肪中富含多不飽和脂肪酸,且強(qiáng)化了ω-3多不飽和脂肪酸的含量,可有助于減輕慢性炎癥[27-28]。食用代餐粉可使肥胖人群減輕體重,且能適當(dāng)補(bǔ)充減重過程中損失的蛋白質(zhì)。

表4 代餐粉的營養(yǎng)成分Table 4 Nutritional ingredients for meal replacement powder

經(jīng)測定,可利用碳水化合物折算為等量25 g碳水化合物的代餐粉為55.6 g。代餐粉與葡萄糖兩者之間的血糖應(yīng)答統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果見表5。

表5 餐后血糖反應(yīng)對照Table 5 Blood glucose analysis

表6 代餐粉的GI值計(jì)算結(jié)果Table 6 GI value of meal replacement powder measured by the subjects

根據(jù)葡萄糖和代餐粉的各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)血糖平均值繪制餐后2 h的血糖應(yīng)答曲線[29-30],如圖6所示。葡萄糖和代餐粉的空腹血糖(0 min)均在正常值范圍內(nèi),且兩者的血糖值均在30 min 達(dá)到峰值,隨后持續(xù)下降;餐后15～45 min,代餐粉的血糖值低于葡萄糖組,且在15、30 min時(shí)兩組之間均差異顯著(P<0.05);餐后60～120 min,兩組的血糖值均降至空腹血糖值水平,且在90、120 min時(shí)兩組之間均差異顯著(P<0.05)。從整體趨勢來看,代餐粉的餐后血糖應(yīng)答曲線較葡萄糖平穩(wěn),可以較好地穩(wěn)定餐后血糖。

圖6 受試物餐后2 h血糖應(yīng)答曲線Fig.6 The blood glucose responsecurve of the test samples

2.2.5 代餐粉的GI測定結(jié)果 按照ISO26642:2010的標(biāo)準(zhǔn)[20],受試者GI值在AV±2 SD范圍之內(nèi),視為合格,否則視為不合格并予以剔除。代餐粉的GI值測試結(jié)果見表6。GI平均值A(chǔ)V為52.2,標(biāo)準(zhǔn)差SD值為17.7,AV±2 SD=52.2±35.4,則GI值在16.8～87.6之間為合格。本實(shí)驗(yàn)所測定的12個(gè)數(shù)據(jù)均合格,代餐粉的GI值為52.2±5.1,表明代餐粉屬于低GI食品。

3 結(jié)論

本文首先通過設(shè)計(jì)脂肪酸組成且采用噴霧干燥法制得脂肪微膠囊,作為用于醫(yī)學(xué)營養(yǎng)減重代餐粉的脂肪組件。微膠囊顆粒的表面結(jié)構(gòu)完整、致密,能夠減少油脂氧化;添加復(fù)合抗氧化劑TP+0.15% L-AP的微膠囊可進(jìn)一步提高植物油的氧化穩(wěn)定性,延長微膠囊的貨架期。其次,經(jīng)過對三大營養(yǎng)素供能比進(jìn)行設(shè)計(jì),最終得到代餐粉的配方組成。第三,通過高速制粒的生產(chǎn)工藝顯著提高了粉體的流動性,流動性指數(shù)從59.0上升到77.5;制粒后的粉體粒徑主要分布在600 μm左右,且具有一定的速溶性,粉體溶解性得到明顯改善。最后,對產(chǎn)品進(jìn)行GI人體測試,表明代餐粉的餐后血糖應(yīng)答較葡萄糖更平穩(wěn),食用后能起到平穩(wěn)血糖的效果;并且其GI值為52.2±5.1,屬于低GI食品。因此,本文開發(fā)的代餐粉營養(yǎng)結(jié)構(gòu)均衡合理,也具有很好的穩(wěn)定性和溶解性,可以作為超重/肥胖人群的理想代餐食品,能夠在執(zhí)行科學(xué)減重方案的過程中幫助其控制熱量的過多攝入,減輕體重,逐步恢復(fù)健康的生活方式。