擠壓雜糧重組米體外消化特性研究

鄧慧清， 吳衛(wèi)國(guó)， 廖盧艷， 李兆釗

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410128)

雜糧和雜豆作為一類重要的食品原料不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，同時(shí)還具有許多生理功能，經(jīng)常食用雜糧可以預(yù)防熱性疾病和心腦血管疾病，還具有調(diào)節(jié)血糖等作用[1]。燕麥麩皮是燕麥加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，燕麥中具有調(diào)節(jié)血糖作用的功效成分主要包括燕麥β-葡聚糖等多糖類和多肽類物質(zhì)，對(duì)提高胰島素敏感性及改善胰島素抵抗有重要影響，而燕麥中的膳食纖維主要存在于燕麥麩皮中[2-6]；蕎麥中主要的調(diào)節(jié)功效成分為蕎麥堿和黃酮類、皂苷類物質(zhì)，可通過(guò)調(diào)節(jié)糖代謝過(guò)程中酶和激素的變化，抑制氧化作用，保護(hù)胰島細(xì)胞達(dá)到調(diào)節(jié)血糖的目的[7-12]；藜麥中主要調(diào)節(jié)血糖的功效成分是黃酮類化合物[13]；青稞中調(diào)節(jié)血糖的功效成分主要為青稞β-葡聚糖[14,15]；鷹嘴豆中具有調(diào)節(jié)血糖作用的功效成分主要是黃酮類物質(zhì)和D-松醇等[16]。非當(dāng)季秈米是指秈稻谷儲(chǔ)存期超過(guò)一年后所加工的大米。一些稻谷在儲(chǔ)藏過(guò)程中，受到濕度、溫度、蟲蝕等因素的影響，出現(xiàn)不同程度的色澤變暗、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)下降、香味消失、食用品質(zhì)降低等現(xiàn)象[17,18]，因此也影響大米的外觀、氣味、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和食用品質(zhì)。

食用較低血糖生成指數(shù)的雜糧等粗糧食品具有輔助調(diào)節(jié)血糖水平，平衡膳食等功效，但雜糧由于口感差導(dǎo)致人們接受程度低。擠壓蒸煮技術(shù)是一種強(qiáng)迫物料以預(yù)定速率通過(guò)擠壓機(jī)模頭得到各種產(chǎn)品的加工技術(shù)，在擠壓過(guò)程中，由于高剪切力、高溫高壓的作用，食物中的酶被鈍化、抗?fàn)I養(yǎng)因子被破壞，是提高食品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的一種有效途徑。因此，利用擠壓加工技術(shù)將雜糧雜豆與非當(dāng)季秈米進(jìn)行復(fù)配得到擠壓雜糧重組米，既能改善雜糧口感粗糙不受歡迎的缺陷，滿足人們健康飲食的需求，又能提高非當(dāng)季秈米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)健康飲食和非當(dāng)季秈米資源的有效利用具有重要意義。

本研究以非當(dāng)季秈米、燕麥麩皮、鷹嘴豆、蕎麥、藜麥、青稞為原料，制作擠壓雜糧重組米，并以非當(dāng)季秈米為對(duì)照，通過(guò)淀粉體外消化實(shí)驗(yàn)對(duì)比各米樣的快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)、淀粉消化水解率之間的差異，計(jì)算米樣預(yù)測(cè)血糖生成指數(shù)(GI)，研究不同雜糧及其添加比例對(duì)擠壓雜糧重組米體外消化特性的影響。并通過(guò)對(duì)比其微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等變化，探索雜糧添加影響重組米體外消化的可能作用機(jī)理，以期為擠壓雜糧重組米的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

非當(dāng)季秈米、蕎麥、燕麥麩皮、藜麥、青稞、鷹嘴豆。所有原料均經(jīng)粉碎處理后過(guò)60目篩，裝袋密封。

1.2 試劑

豬胰α-淀粉酶100 00 U/g；淀粉葡萄糖苷酶70 U/mg；其他試劑均為分析純。

1.3 儀器與設(shè)備

GTS75型雙螺桿擠壓膨化機(jī)，XH-C旋渦混合器，SYWF-50水浴恒溫振蕩培養(yǎng)箱，DK-98-Ⅱ恒溫水浴鍋，UV-1200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，TDZ5臺(tái)式低速離心機(jī)；PHS-25pH計(jì)，101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，CFXB16YA3-30電飯煲，XRD-6000X射線衍射分析儀，IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀，SEM-6380LV型掃描電鏡。

1.4 方法

1.4.1 配料設(shè)計(jì)

對(duì)照組：非當(dāng)季秈米粉(過(guò)篩60目)。實(shí)驗(yàn)組：在對(duì)照組的基礎(chǔ)上，分別添加占進(jìn)料干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%的蕎麥粉、燕麥麩皮粉、藜麥粉、青稞粉、鷹嘴豆粉(過(guò)60目篩)。

1.4.2 雜糧重組米擠壓設(shè)備

碎米→粉碎過(guò)篩(80目)→按比例混合→喂料→擠壓蒸煮→切割造?！稍铩鋮s→成品

設(shè)置雙螺桿擠壓機(jī)的擠壓參數(shù)：喂料速度為15 kg/h，物料加水量為26%，螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min，擠壓溫度依次為60、140、150、70、60。制備的擠壓重組米放于溫度為45 ℃的流化床中初步干燥10 min，再置于烘箱中40 ℃烘干，待重組米含水量低于12%取出備用。

醫(yī)院進(jìn)一步科普規(guī)范化，對(duì)隊(duì)員進(jìn)行徒手心肺復(fù)蘇術(shù)，創(chuàng)傷、突發(fā)事件、突發(fā)疾病時(shí)的緊急救護(hù)技術(shù)等統(tǒng)一培訓(xùn)，定期考核，確保培訓(xùn)水平同質(zhì)化。

1.4.3 消化性能測(cè)定

淀粉消化性能測(cè)定根據(jù)Englyst等[19]的方法稍加修改。準(zhǔn)確稱取200 mg樣品置于離心管中，加入5顆玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸鈉緩沖液，混勻后加入10 mL豬胰α-淀粉酶(290 U/ mL)和糖化酶(15 U/mL)混合液，置于37 ℃水浴恒溫振蕩培養(yǎng)箱中(轉(zhuǎn)速150 r/min)開(kāi)始酶解，并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，水解不同時(shí)間(0、20、120 min)后取0.5 mL反應(yīng)液加入至含有4 mL無(wú)水乙醇中終止酶反應(yīng)，然后采用DNS法在波長(zhǎng)540 nm處比色測(cè)定產(chǎn)生的葡萄糖含量，快消化淀粉(RDS)，慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)計(jì)算公式為：

RDS=(G20-FG)×0.9/TS×100%

SDS=(G120-G20)×0.9/TS×100%

RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100%

式中：G20為淀粉酶水解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量/mg；FG為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量/mg；G120為淀粉酶水解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量/mg；TS為樣品中總淀粉含量/mg。

1.4.4 淀粉的酶水解動(dòng)力學(xué)

參照Englyst等[19]和繆銘[20]的方法并進(jìn)行部分改進(jìn)，稱取200 mg樣品置于50 mL離心管中，加入5顆玻璃珠和15 mL 0.2 mol/L的 pH 5.2 的乙酸-乙酸鈉緩沖液，冷卻至室溫后加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)，置于 37 ℃水浴恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行振蕩(轉(zhuǎn)速150 r/min)并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，分別在水解不同時(shí)間(0、20、30、60、90、120、180 min)定點(diǎn)取1 mL 反應(yīng)液加入4 mL無(wú)水乙醇停止酶反應(yīng)，然后采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)法在540 nm波長(zhǎng)處測(cè)定反應(yīng)液中還原糖含量并計(jì)算水解率。通過(guò)3次平行實(shí)驗(yàn)取平均值，繪制淀粉水解曲線。以取樣的時(shí)間(t)為橫坐標(biāo)，淀粉消化水解率為縱坐標(biāo)繪制出淀粉體外消化曲線圖。淀粉消化水解率的計(jì)算公式為：

式中：Gt為水解t時(shí)間后產(chǎn)生的葡萄糖含量/mg；M為樣品的總淀粉含量/mg。

1.4.5 預(yù)測(cè)血糖生成指數(shù)

使用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程C=C∞(1-e-kt)對(duì)淀粉水解曲線進(jìn)行擬合，得到常數(shù)k值，計(jì)算出0～180 min的淀粉體外消化曲線下的面積(AUC)，計(jì)算公式為：

式中：C∞為水解180 min后淀粉水解率的平衡值；t0為開(kāi)始消化時(shí)間(0 min)；tf為最終消化時(shí)間(180 min)；k為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

通過(guò)換算得出淀粉水解氫化指數(shù)(hydrolysis index，HI)，計(jì)算得出GI值[21]。計(jì)算公式為：

HI=AUC樣品/AUC白面包×100%

GI=39.71+0.549HI

1.4.6 掃描電鏡觀察

取樣品用刀片在1/3和2/3處沿著橫軸方向切斷，用雙面膠將米粒粘于載物臺(tái)上，米粒斷裂面朝上，進(jìn)行噴金處理，電壓15 kV，放大200倍。

1.4.7 X-衍射測(cè)定

將樣品粉末放于檢測(cè)片后上，測(cè)試條件設(shè)置為：電壓：40 kV，電流：30 mA，衍射角：2θ，掃描范圍：5°～40°，連續(xù)掃描速度：2(°)/min，采樣間距：0.02°。最后利用Origin軟件分析并計(jì)算樣品淀粉無(wú)定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域的面積。淀粉顆粒的相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算公式為[22]：

式中：RC為相對(duì)結(jié)晶度；Ac為結(jié)晶區(qū)域面積；Aa為無(wú)定形區(qū)域面積。

1.4.8 傅里葉變換紅外光譜測(cè)定

將樣品與充分干燥的溴化鉀按1∶100的比例混合并充分研磨、壓片，將壓片后的樣品置于傅里葉紅外光譜儀上測(cè)定。以空氣為掃描空白背景，掃描波譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，得到樣品的紅外光譜圖。用Omnic軟件對(duì)紅外光譜圖進(jìn)行分析，選取波數(shù)為1 200～800 cm-1區(qū)域的光譜圖，進(jìn)行基線校正，設(shè)置好半峰寬和增強(qiáng)因子，進(jìn)行去卷積，獲得去卷積波譜，記錄譜圖中1 022、1 047 cm-1位置上的峰高，計(jì)算1 047/1 022 cm-1峰強(qiáng)度比值，淀粉結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的比值以1 047 cm-1與1 022 cm-1的峰強(qiáng)度比值代表。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

除特殊說(shuō)明外，所有指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次。采用SPSS20、Excel、Omnic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，采用Origin軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉營(yíng)養(yǎng)片段分析

根據(jù)淀粉的生物可利用性以及淀粉的消化時(shí)間可以將淀粉分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)等3種營(yíng)養(yǎng)片段。表1為不同添加量的燕麥麩皮、蕎麥、藜麥、青稞、鷹嘴豆等擠壓雜糧重組米與非當(dāng)季秈米的RDS、SDS、RS的比例大小存在顯著性差異。擠壓后的各重組米樣的RDS片段含量均顯著高于非當(dāng)季秈米，SDS片段含量顯著低于非當(dāng)季秈米，這可能與擠壓過(guò)程中高溫高壓以及強(qiáng)剪切力作用下淀粉的糊化降解有關(guān)。添加了燕麥麩皮、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉和鷹嘴豆粉后均能降低重組米R(shí)DS含量，提高SDS和RS含量，說(shuō)明5種雜糧添加均能降低擠壓雜糧重組米在體內(nèi)的消化速率，且隨著雜糧添加量的增加，擠壓雜糧重組米的消化速率也隨之降低，其中添加燕麥麩皮對(duì)擠壓雜糧重組米的影響最大。

表1 不同雜糧添加量對(duì)淀粉營(yíng)養(yǎng)片段的影響

2.2 體外消化的水解曲線

相同條件下非當(dāng)季秈米與各擠壓雜糧重組米在0～180 min內(nèi)的淀粉消化水解曲線如圖1所示。不同米樣的淀粉消化水解的整體趨勢(shì)基本一致，在體外模擬消化過(guò)程中，前20 min淀粉的消化水解速度最快，在20～120 min時(shí)間段內(nèi)淀粉的消化水解速率不斷下降，在120 min后淀粉消化水解率增長(zhǎng)緩慢并逐漸達(dá)到平衡。其中燕麥麩皮擠壓重組米、鷹嘴豆擠壓重組米和藜麥擠壓重組米的淀粉消化水解率分別在添加量≥10%、≥15%和≥20%時(shí)均低于非當(dāng)季秈米的淀粉消化水解率，蕎麥擠壓重組米和青稞擠壓重組米在添加量為25%時(shí)，其淀粉消化水解率和非當(dāng)季秈米接近。

淀粉酶水解動(dòng)力學(xué)得到的淀粉消化水解速率更加適合反映淀粉的慢消化性能，因此添加燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧可以降低擠壓雜糧重組米的淀粉消化水解速率，提高擠壓雜糧重組米的慢消化性能，其中添加燕麥麩皮對(duì)擠壓雜糧重組米的影響最大。

2.3 預(yù)測(cè)血糖生成指數(shù)

由圖2可知，經(jīng)過(guò)擠壓加工后，燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧添加均可顯著影響擠壓雜糧重組米的體外消化預(yù)測(cè)GI值，隨著雜糧添加量的增加，GI值顯著降低。其中，添加燕麥麩皮和鷹嘴豆粉對(duì)擠壓雜糧重組米的GI值影響最為顯著，而且當(dāng)添加量≥15%時(shí)，燕麥麩皮擠壓重組米和鷹嘴豆擠壓重組米的GI值顯著低于非當(dāng)季秈米，這可能是由于鷹嘴豆和燕麥麩皮中含有豐富的膳食纖維，能顯著降低重組米的GI值。而蕎麥、青稞和藜麥在添加量較低時(shí)對(duì)GI值影響較小，當(dāng)藜麥添加量達(dá)到25%時(shí)，重組米的體外消化預(yù)測(cè)GI值接近70。

圖2 不同米樣的GI值

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖3、圖4可知，未經(jīng)擠壓加工的非當(dāng)季秈米中具有明顯的有規(guī)則的排列緊密的復(fù)合淀粉顆粒和完整平滑的胚乳細(xì)胞壁[23]，而擠壓雜糧重組米中的淀粉顆粒被破壞，整個(gè)米粒截面表面呈糊狀，其原因可能是由于擠壓過(guò)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(xì)胞壁被破壞，淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。而添加雜糧后的擠壓重組米內(nèi)部均可觀察到細(xì)小孔隙，且隨著添加量的增大，細(xì)小孔隙增多，其中燕麥麩皮添加組和蕎麥添加組復(fù)配米的內(nèi)部細(xì)小孔隙少，結(jié)構(gòu)較為致密。

圖3 非當(dāng)季秈米掃描電鏡圖

注：a、b中從上至下雜糧質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為5%、10%、15%、20%、25%。圖4 擠壓后不同米樣的掃描電鏡圖

2.5 X-衍射分析

淀粉主要以顆粒形式存在，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。淀粉的結(jié)晶性質(zhì)會(huì)影響淀粉產(chǎn)品的應(yīng)用性能，根據(jù)粉末的X-衍射波譜可以將天然淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分成A、B和C 3種類型。由圖5可知，非當(dāng)季秈米和擠壓雜糧重組米的衍射峰數(shù)量、位置以及強(qiáng)度存在明顯差異。非當(dāng)季秈米在2θ為15°和23°的位置附近均存在明顯的衍射峰，在2θ為17°和18°附近有兩個(gè)相連的衍射峰，是典型的A-型晶體淀粉的特征。擠壓雜糧重組米的X-衍射圖譜上均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)A型淀粉結(jié)晶峰，但是在13°、20°的位置出現(xiàn)特征單峰，這屬于V型結(jié)晶的特征，這表明了擠壓雜糧重組米中產(chǎn)生了淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，又稱為RS5型抗性淀粉，屬于一種新型抗性淀粉[24,25]。

由圖6可知，各擠壓雜糧重組米的相對(duì)結(jié)晶度均小于非當(dāng)季秈米。單因素方差分析的結(jié)果表明，不同雜糧的添加量對(duì)擠壓重組米的相對(duì)結(jié)晶度均具有顯著性影響(P<0.05)。添加燕麥麩皮、藜麥粉可以顯著提高擠壓重組米的相對(duì)結(jié)晶度，且隨著添加量的增加而增加；隨著添加量的增加，蕎麥擠壓重組米和鷹嘴豆擠壓重組米的相對(duì)結(jié)晶度顯著增加，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在添加量為5%時(shí)最高，分別為7.14%和7.784%；添加青稞粉會(huì)顯著提高擠壓重組米的相對(duì)結(jié)晶度，但與添加量無(wú)線性關(guān)系。結(jié)果表明，添加雜糧能顯著提高擠壓重組米的相對(duì)結(jié)晶度，促進(jìn)擠壓重組米淀粉的結(jié)晶老化，提高擠壓重組米的抗消化性。

圖6 不同米樣中淀粉的相對(duì)結(jié)晶度

2.6 紅外光譜分析

在紅外光譜圖中，吸收峰的強(qiáng)度和淀粉的種類與數(shù)量均有關(guān)系[26]。淀粉短程有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可以通過(guò)紅外光譜圖對(duì)淀粉的有序區(qū)域和無(wú)定形區(qū)的比值進(jìn)行分析[27]。1 047 cm-1和1 022 cm-1附近的吸收峰分別代表了淀粉的有序結(jié)構(gòu)區(qū)域和無(wú)定形結(jié)構(gòu)區(qū)域，1 047/1 022 cm-1的峰強(qiáng)度比值表示了淀粉中有序結(jié)構(gòu)區(qū)域與無(wú)定形結(jié)構(gòu)區(qū)域的比例[28]。由圖7可以看出，不同米樣的1 047/1 022 cm-1的峰強(qiáng)度比值存在明顯差異。各重組米的1 047/1 022 cm-1比值均小于非當(dāng)季秈米。隨著添加量的增加，燕麥麩皮和藜麥擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值增加，且與添加量呈依賴關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，其1 047/1 022 cm-1比值最大，分別為0.870、0.856；蕎麥擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值的大小與添加量無(wú)明顯線性關(guān)系；隨著添加量的增加，青稞擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值先升高后降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)最高為0.880；隨著添加量的增加，鷹嘴豆擠壓重組米的1 047/1 022 cm-1比值先增加后降低，在添加為5%時(shí)最高為0.862。結(jié)果表明，添加燕麥麩皮、鷹嘴豆粉、蕎麥粉、藜麥粉、青稞粉等5種雜糧可以提高擠壓重組米中淀粉分子的有序程度，提高對(duì)水解酶的抗性，提高擠壓重組米的抗消化性。

圖7 不同米樣的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值

3 結(jié)論

研究擠壓雜糧重組米的體外消化特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓處理會(huì)顯著提高非當(dāng)季秈米的RDS含量，降低SDS和RS含量，提高消化性；而添加雜糧會(huì)顯著提高擠壓雜糧重組米的RS含量，降低重組米在體內(nèi)的消化速率以及淀粉消化水解率，在燕麥麩皮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥10%、鷹嘴豆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥15%時(shí)，重組米的淀粉消化水解率低于非當(dāng)季秈米。擠壓處理會(huì)顯著提高大米的GI值，添加雜糧粉均能顯著降低重組米的GI值，當(dāng)燕麥麩皮和鷹嘴豆粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥20%時(shí)，擠壓雜糧重組米的體外消化預(yù)測(cè)GI值<70，屬于中GI食物。同時(shí)，擠壓處理明顯破壞了淀粉的結(jié)構(gòu)，降低了大米內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密性，擠壓空白重組米和各擠壓雜糧重組米中均出現(xiàn)了V型結(jié)晶淀粉，其中燕麥麩皮擠壓重組米的V型結(jié)晶峰最高，提高了擠壓重組米的抗消化性。