紅小豆老年食品配方優(yōu)化及營養(yǎng)評價

王步江，劉金福*，肖萍

（1.天津農(nóng)學院食品科學與生物工程學院，天津 300384；2.天津市農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術工程中心，天津 300384）

隨著我國人口老齡化，老年營養(yǎng)健康食品市場需求較大，依據(jù)老年群體的營養(yǎng)需求與生理特點開發(fā)老年食品，可以改善老年群體的營養(yǎng)平衡，滿足身體營養(yǎng)需求和調(diào)理生活[1]。目前專家認為老年人飲食應滿足“四足四低”原則。即足夠的蛋白質(zhì)，足夠的膳食纖維，足量的維生素和足量的礦物元素，低熱量，低脂肪，低膽固醇和低鈉[2]。

紅小豆在我國是一種藥食同源的食物原料。其營養(yǎng)豐富，富含膳食纖維、鐵、鈣和鉀等多種礦物質(zhì)元素，還含有多酚、黃酮等多種生物活性物質(zhì)[3-5]。大豆蛋白是一種優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源，且不含膽固醇，研究表明可以降低患心腦血管病風險，并且具有降血脂、降血壓、降血糖等功效[6]。薏米是一種營養(yǎng)較全面的藥食同源食物，其多糖是一種藥理活性較高的物質(zhì)，具有降血脂、降血糖、調(diào)節(jié)免疫和防治腫瘤等功效[7]。線性規(guī)劃是運籌學中研究較早、發(fā)展較快、應用廣泛、方法較成熟的重要分支，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域中，求解線性目標函數(shù)在線性約束條件下的最大值或最小值的問題，統(tǒng)稱為線性規(guī)劃問題。決策變量、約束條件、目標函數(shù)是線性規(guī)劃的三要素[8]。本研究以上述3種原料為主要成分通過線性規(guī)劃對老年食品的配方進行優(yōu)化，并通過動物實驗對優(yōu)化后的老年食品營養(yǎng)進行評價。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅小豆、薏米：市售；天門冬氨酸鈣：浙江一諾生物科技有限公司；大豆蛋白：河南奧尼斯特食品有限公司；SPF級雄性昆明小鼠：中國食品藥品檢定研究院。

UV-1200紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；pH酸度計：奧豪斯儀器有限公司；Elmasonic P180H超聲波清洗機：德國Elma Schmidbauer公司；MD3000魅力全自動生化儀：美國MD儀器公司；GM505K血糖分析儀：湖南可孚醫(yī)療用品有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 配方設計要求

根據(jù)GB 28050—2011《食品安全國家標準預包裝食品營養(yǎng)標簽通則》中規(guī)定設計，以每100 g原料計，總能量小于2 800 kJ；蛋白質(zhì)含量大于22 g；膳食纖維大于 6 g；鈣大于 300 mg；碳水化合物 55 g～75 g；脂肪小于3 g。以上述指標為限制條件，以成本為輔助約束條件，對配方進行線性規(guī)劃，優(yōu)化設計老年食品。

1.2.2 線性規(guī)劃的變量

線性規(guī)劃的變量是指老年食品中原料的用量，設x1：紅小豆，x2：薏米，x3：燕麥，x4：大豆蛋白，x5：天門冬氨酸鈣，x6：脫脂奶粉，老年食品設計參數(shù)見表1。

表1 老年食品設計參數(shù)Table 1 Design parameters of elderly food

1.2.3 線性規(guī)劃的目標方程

線性規(guī)劃的目標方程是指在線性約束條件下的最大值或最小值，在本試驗中是老年配方食品的最低成本，即以100 g產(chǎn)品的成本價格為目標函數(shù)。Smin為最低成本；xn為各種原料在配方中的比例，%[9]。具體計算公式如下。

Smin=0.8x1+3.2x2+x3+6.3x4+21x5+11.88x6。

1.2.4 線性規(guī)劃的約束方程

線性規(guī)劃的約束方程分為兩部分：第一部分是老年食品中每種原料的總能量之和、每種原料的各營養(yǎng)素之和的約束方程；第二部分是各原料總質(zhì)量之和100 g的約束方程。

總能量：1 293x1+1 494x2+1 158.8x3+1 135x4+1 467x6≤280 000。

蛋白質(zhì)：20.2% x1+12.8% x2+16% x3+60% x4+25% x6≥22。

碳水化合物下限：63.4% x1+71.1% x2+30.1% x3+4.7% x4+8% x6≥55。

碳水化合物上限：63.4% x1+71.1% x2+30.1% x3+4.7% x4+58% x6≤75。

膳食纖維：7.7% x1+2% x2+30% x3≥6。

脂肪：0.6% x1+3.3% x2+5.4% x3+0.9% x4+1.0% x6≤3。

鈣：74% x1+42% x2+180% x3+7 540% x5+1 280% x6≥300。

各原料總質(zhì)量：x1+x2+x3+x4+x5+x6=100。

1.2.5 LINGO軟件求解

使用LINGO軟件優(yōu)化線性規(guī)劃問題，首先根據(jù)問題建立數(shù)學優(yōu)化模型，然后用LINGO軟件將數(shù)學模型轉(zhuǎn)換成計算機語言進行求解[10]。

1.2.6 老年雜糧粉的制作工藝流程

將紅小豆、薏米和燕麥等原料經(jīng)過去雜、清洗后，經(jīng)低溫烘焙（130℃，3 h）熟化，粉碎過80目篩。根據(jù)優(yōu)化后得到的老年食品配方進行均勻混合，制得雜糧粉即老年食品[11]。

1.2.7 雜糧粉營養(yǎng)指標的測定

蛋白質(zhì)：按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》凱氏定氮法測定；脂肪：按照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》索氏提取法的測定；膳食纖維：按照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》酶重量法測定；鈣：按照GB 5009.92—2016《食品安全國家標準食品中鈣的測定》乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定；膽固醇：按照GB 5009.128—2016《食品安全國家標準食品中膽固醇的測定》高效液相色譜法測定；能量與碳水化合物：按照GB 28050—2011《食品安全國家標準預包裝食品營養(yǎng)標簽通則》測定。

1.2.8 動物實驗

采用隨機分組的方式，將12只SPF級昆明種雄性小白鼠分為對照組和實驗組，每組6只。對照組食用普通維持飼料，實驗組食用優(yōu)化后的雜糧粉制作的飼料。小鼠于第1天前20∶00開始禁食但不禁水，12 h后開始喂食，每次投喂適當?shù)娘暳?，精確計算各組小鼠每天飼料的食用量。每組小鼠分別使用代謝籠單籠飼養(yǎng)，實驗周期20 d[12]。

鼠普通維持飼料成分為粗蛋白21.1%、粗脂肪4.0%、粗纖維3.1%、水分9.8%、粗灰分6.8%、總鈣1.1%、總磷0.69%。

血清指標測定：末次禁食12 h，乙醚麻醉后，摘眼球取血，所取血液4℃靜置20 min，4 000 r/min離心20 min，吸出上清液即為血清，用全自動生化儀測定甘油三酯（triglyceride，TG）、高密度脂蛋白膽固醇（high density liptein cholesterol，HDL-C）、低密度脂蛋白膽固醇（low density lipoprotein，LDL-C）和總膽固醇（cholesterol，CHO）的含量[12]。

血糖值測定：尾部取血用血糖儀測定空腹血糖值（fasting blood glucose，F(xiàn)BG）[12]。

蛋白質(zhì)表觀消化率測定：在小鼠實驗期間收集所有糞便，迅速置于-20℃保存，實驗結(jié)束后糞樣混合均勻，取適量的樣品烘干得糞便樣品。凱氏定氮[13]檢測小鼠日糧的氮和糞便樣品中的蛋白質(zhì)含量。

蛋白質(zhì)表觀消化率/%=（攝入氮-糞氮）/攝入氮×100。

鈣表觀消化率測定：樣品前處理同蛋白質(zhì)表觀消化率測定的前處理。乙二胺四乙酸滴定法測定小鼠日糧的鈣和糞便樣品中的鈣含量。

鈣表觀消化率/%=（攝入鈣-糞鈣）/攝入鈣×100。

1.2.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

對所得數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和t檢驗分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 配方設計及結(jié)果

根據(jù)上述所建立的模型，使用軟件LINGO進行配方計算分析結(jié)果見表2。

表2 老年食品的各成分比例Table 2 Calculation results of the elderly food

根據(jù)軟件LINGO計算結(jié)果，遵循計算方便原則將數(shù)據(jù)進行調(diào)整，得到老年雜糧粉的各原料為：紅小豆82.5%，薏米5%，燕麥1%，大豆蛋白6.7%，天門冬氨酸鈣2.8%，脫脂奶粉2%。

2.2 老年食品各理化指標檢測結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的配方結(jié)果，制備以紅小豆、薏米、燕麥、大豆蛋白等為主要原料得到的老年食品。將產(chǎn)品中能量、蛋白質(zhì)、碳水化合物等重要營養(yǎng)指標進行檢測[12]，結(jié)果見表 3。

表3 老年食品各種理化指標及成本結(jié)果Table 3 The physical and chemical indexes and cost calculation of the formulas

根據(jù)《中國居民膳食營養(yǎng)參考攝入量》推薦的參考指標來看，優(yōu)化后制備的以紅小豆等雜糧為主要原料的老年產(chǎn)品屬于低能量、高蛋白、低糖、高膳食纖維、低脂肪、低膽固醇、高鈣、低鈉鹽產(chǎn)品，符合老年食品營養(yǎng)標準，適合老年人食用[11]。

2.3 血糖值的影響

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進行動物實驗，兩組小鼠餐前和餐后1 h血糖值變化情況見圖1。

圖1 小鼠血糖值變化Fig.1 Changes of blood glucose in each group

由圖1可知，喂食前，對照組小鼠的平均血糖值比實驗組小鼠的血糖值略低；喂食1 h后，通過測量兩組小鼠的血糖值無明顯差異，說明紅小豆、薏米為主要成分的老年食品和小鼠維持飼料在對血糖的影響情況是相似的，優(yōu)化后的老年食品配方不會對血糖造成不利的影響[14]。方海濱等[15]利用高糖高脂大鼠模型研究薏米燕麥配方膨化食品對大鼠血糖血脂的作用，發(fā)現(xiàn)處理組之間體重和臟器指數(shù)無顯著性差異；與模型組相比，薏米燕麥實驗組大鼠的血糖、總膽固醇和甘油三酸酯均有明顯降低，研究表明燕麥β－葡聚糖具有控制血糖穩(wěn)定的作用，燕麥β－葡聚糖在腸道內(nèi)形成黏性溶液可阻止糖類物質(zhì)的吸收，延緩血糖濃度升高，降低餐后血糖和胰島素水平。

2.4 血脂指標的影響

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進行動物實驗，實驗組和對照組小鼠的血脂指標：TG、HDL-C、LDL-C和CHO的結(jié)果見表4。

表4 小鼠血脂指標Table 4 Indexes of blood lipids of mice in each group

由表4可知，實驗組小鼠血脂4項指標正常，無異常表現(xiàn)，與對照組比較差異性不顯著，說明優(yōu)化后的以紅小豆為主要原料的雜糧粉飼料與普通維持飼料對小鼠的血脂影響無明顯差異。高劑量組的薏米和燕麥可以起到降血糖和血脂的作用[15]。王立峰等[7]研究利用高膽固醇大鼠模型評價薏米提取物降血脂和抗氧化作用，發(fā)現(xiàn)薏米提取物可顯著降低高膽固醇膳食大鼠血清中TG和LDL-C含量，并且薏米提取物高劑量組能夠使其恢復到正常水平，說明薏米成分中含有的黃酮、多酚等活性物質(zhì)起到相關作用。

2.5 蛋白質(zhì)和鈣的消化率

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進行動物實驗，實驗組和對照組小鼠的蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率結(jié)果見表5。

表5 小鼠表觀消化率Table 5 Apparent digestibility of mice in each group

以紅小豆、燕麥等為主要原料的老年食品中蛋白質(zhì)表觀消化率達到61.83%，更容易被小鼠消化吸收；鈣的表觀消化率也較高達到55.91%。蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率實驗組與對照組比較差異極顯著。

3 結(jié)論

根據(jù)老年人對食品“四足四低”的營養(yǎng)需求，建立食品配方的優(yōu)化數(shù)學模型，通過線性規(guī)劃利用LINGO軟件快速、簡單地求解老年食品雜糧粉最優(yōu)配方為：紅小豆82.5%、薏米5%、燕麥1%、大豆蛋白6.7%、天門冬氨酸鈣2.8%、脫脂奶粉2%。該組成的老年食品在最低成本的限制條件下實現(xiàn)對原料和營養(yǎng)成分的有效調(diào)控，通過動物實驗進行營養(yǎng)評估，食用該食品后對血糖、血脂沒有明顯影響，并且可以有效提高蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率。