濕熱處理對糯米粉血糖生成指數(shù)值及相關(guān)指標(biāo)的影響

王東旭，郭美玲，劉一銳，郭 宇，葉 華，郭元新

（江蘇科技大學(xué)糧食學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

糯米作為稻米的一個品種，約含蛋白質(zhì)9%、脂肪1%、碳水化合物75%，并含有鈣、磷、鐵、B族維生素等多種營養(yǎng)物質(zhì)，可作為食療藥補(bǔ)的輔料，具有暖胃止寒、補(bǔ)氣養(yǎng)血等功效，深受廣大消費(fèi)者喜愛[1-2]。糯米淀粉中支鏈淀粉含量達(dá)95%以上，有獨特的口感和黏性，常被磨成糯米粉制作各種食品，如麻球、糍粑、湯圓、年糕等[3]。糯米制品在人體內(nèi)消化速度快，血糖反應(yīng)高，是典型的高血糖生成指數(shù)（glycemic index，GI）值食品[4-5]。所以高血糖患者、幼童及老人等特殊人群不宜過多食用糯米制品，這嚴(yán)重限制了糯米的應(yīng)用范圍[6-7]。如何在糯米粉制備過程中降低其GI值，已成為近年來糯米高值化開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點。

濕熱處理是一種物理改性淀粉的方法，可以使淀粉的結(jié)構(gòu)及功能特性發(fā)生有利的變化[8]。周顯青等[9]分析了不同制粉工藝對糯米粉理化性質(zhì)、熱力學(xué)特性及質(zhì)構(gòu)的差異，發(fā)現(xiàn)濕熱處理的糯米粉品質(zhì)最好。楊風(fēng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)利用濕熱處理會明顯降低直鏈淀粉浸出值及淀粉顆粒膨脹度，淀粉顆粒將更耐高溫，剪切力更加穩(wěn)定。對淀粉含量比較高的山藥、大米進(jìn)行濕熱處理時，其顆粒外形變化不顯著[11]，而對玉米和甘薯進(jìn)行濕熱處理時，其淀粉結(jié)晶度增加[12]，說明不同類型的淀粉進(jìn)行濕熱處理，其結(jié)構(gòu)變化不同。這可能是因為在對淀粉進(jìn)行濕熱處理時，水分子可以破壞淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其分子鏈發(fā)生移動，而無定形區(qū)的淀粉分子更易重排產(chǎn)生更多的結(jié)晶[13]。濕熱處理參數(shù)對糯米粉血糖生成指數(shù)值及相關(guān)指標(biāo)的影響研究還未見報道。直鏈淀粉含量測定方便，且與抗消化淀粉（resistant starch，RS）顯著正相關(guān)，直鏈淀粉含量越高，對酶的抗性越強(qiáng)，酶對淀粉的水解就越慢，淀粉的GI值則越低[14]。采用直連淀粉的含量間接反應(yīng)糯米粉GI值的變化，可以大大減少實驗量。因此本研究以水分含量、溫度、處理時間為考察因素，直鏈淀粉含量為指標(biāo)，通過Box-Behnken響應(yīng)面法確定其最佳濕熱處理條件；經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化工藝所得的糯米粉，將其和普通糯米粉（WR）、僅進(jìn)行酶解后的糯米粉（ER）進(jìn)行對比研究，分別進(jìn)行消化性能測定、水解指數(shù)（hydrolysis index, HI）及GI值測定，驗證了濕熱處理對糯米粉GI值的降低效果，為低GI糯米粉的開發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試粳糯米（鎮(zhèn)糯20） 2021年2月由常州金壇江南制粉有限公司出品；中性蛋白酶（50 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（10×104U/mL）、3,5-二硝基水楊酸

上海麥克林生化科技有限公司；豬胰腺α-淀粉酶（2000 U/g） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碘化鉀、氫氧化鈉、95%乙醇、乙酸（冰醋酸）、無水乙醇、無水亞硫酸鈉、無水葡萄糖、苯酚、酒石酸鉀鈉、無水乙酸鈉 分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)樣品 源葉生物科技有限公司。

TU-1810紫外可見分光光度計 屹譜儀器制造（上海）有限公司；DHG-9240A電熱鼓風(fēng)干燥箱、HWS-26電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DF-101T集熱式磁力攪拌器 上海力辰邦西儀器科技有限公司；5810R高速冷凍離心機(jī) 德國Eppendorf公司；PHSJ-4F pH計 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；MB25谷物水分測定儀 寧波奧克斯集團(tuán)有限公司；L18-Y22高速破壁調(diào)理機(jī) 九陽股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 糯米粉的制備 參考前期的研究成果[15]，將糯米和純水按1:3（w/v）在45 ℃條件下浸泡1 h，隨后利用破壁調(diào)理機(jī)制成米漿，使用25%稀鹽酸和20%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至6.5后，按4000 U/g（以大米質(zhì)量計算）的比例加入中性蛋白酶，在50 ℃水浴條件下按160 r/min攪拌3 h進(jìn)行酶解反應(yīng)，而后利用4000 r/min離心10 min，取出沉淀物，通過調(diào)節(jié)烘干時間，利用水分測定儀分別獲得10%、15%、20%、25%和30%水分含量的糯米粉樣品，研磨后過100目篩，密封后置于4 ℃冰箱中平衡水分24 h備用。

1.2.2 糯米粉濕熱處理的單因素實驗

1.2.2.1 不同水分含量對直鏈淀粉含量的影響 按1.2.1糯米粉的制備方法操作得到備用樣品，實驗時將樣品放入溫度110 °C的鼓風(fēng)干燥箱中（下同）處理2 h，研究糯米粉水分含量（10%、15%、20%、25%和30%）對直鏈淀粉含量的影響，并對比未處理糯米粉（WR）和不同水分含量濕熱處理樣品。

1.2.2.2 濕熱處理溫度對直鏈淀粉含量的影響 按1.2.1糯米粉的制備方法操作得到備用樣品，固定糯米粉水分含量為20%，處理時間為2 h，研究濕熱處理溫度（90、100、110、120和130 °C）對直鏈淀粉含量及體外消化特性的影響。

1.2.2.3 濕熱處理時間對直鏈淀粉含量的影響 按1.2.1糯米粉的制備方法操作，固定糯米粉水分含量為20%，處理溫度110 °C，研究濕熱處理時間（1、2、3、4和5 h）對直鏈淀粉含量及體外消化特性的影響。

1.2.3 糯米粉濕熱處理條件的響應(yīng)面試驗設(shè)計 為選擇最佳試驗條件，以水分含量、處理溫度、處理時間為獨立變量，糯米粉的直鏈淀粉含量為響應(yīng)變量，采用Design Export 8.0.6的Box-Behnken響應(yīng)面方法（RSM）優(yōu)化過程。各組平行3次，響應(yīng)面試驗因素和水平見表1。

表 1 響應(yīng)面因素水平設(shè)計Table 1 Response surface factor and level coding table

1.2.4 不同處理糯米粉消化性能、HI指數(shù)及GI值的比較 將經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化工藝所得的糯米粉命名為HMT-R（濕熱和酶解聯(lián)合處理），并和普通糯米粉（WR）、僅進(jìn)行酶解后的糯米粉（ER）進(jìn)行對比研究，處理方法同1.2.1，分別進(jìn)行消化性能、HI指數(shù)及GI值的測定，進(jìn)而對比濕熱處理對糯米粉GI值及理化性質(zhì)的影響。

1.2.4.1 直鏈淀粉含量的測定 參考王肇慈[16]的碘比色法，稱取40±0.2 mg直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)樣品，加入1 mL的95%乙醇和9 mL的NaOH（1 mol/L）溶液，在沸水浴中糊化10 min，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶定容，分別吸取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL上述溶液于100 mL容量瓶中，分別加入醋酸（1 mol/L）溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，而后分別加入2 mL碘液定容。在室溫下靜置30 min后，在620 nm處測定溶液的吸光度，繪制直鏈淀粉的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=0.2371x+0.0234（R2=0.9965）。準(zhǔn)確稱取100±0.2 mg淀粉樣品按上述步驟利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計算其直鏈淀粉含量。

1.2.4.2 糯米粉消化性能的測定 淀粉根據(jù)其生物可利用性被分為三類[17]：快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）是指在20 min內(nèi)能在小腸內(nèi)被迅速消化吸收的淀粉；慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）指在20～120 min內(nèi)能在小腸被完全吸收但吸收速度比較慢的淀粉；抗性淀粉（resistant starch，RS）是指120 min內(nèi)未被人體小腸消化。吸收的淀粉參考ENGLYST等[18]的測定方法，稱取淀粉樣品200 mg加入15 mL 0.2 moL的醋酸鈉緩沖溶液（pH5.2），沸水浴處理30 min，然后向樣品中加入5 mL混合酶液（1 mL 15 U/mL淀粉葡萄糖苷酶和4 mL 290 U/mL豬胰腺α-淀粉酶）于37 ℃水浴下進(jìn)行酶解，測定吸光度值并計算葡萄糖含量，并帶入公式計算營養(yǎng)片段RDS、SDS和RS的含量。其中葡萄糖含量標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.9055x+0.0163（R2=0.9988）。具體計算公式如下：

式中：G20：淀粉樣品酶水解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量（mg）；FG：酶水解前淀粉樣品中游離的葡萄糖含量（mg）；G120：淀粉樣品酶水解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量（mg）；TS：總淀粉干基重（mg）。

1.2.4.3 糯米粉GI值的測定 參照王東旭等[15]和ENGLYST等[17]的方法，分別在水解時間為10、20、40、60、90、120、180 min時取樣，取樣時間點的葡萄糖含量（Gt）可以由葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得出，并根據(jù)以下公式計算水解率（%）并繪制出水解曲線。以白面包為參考標(biāo)準(zhǔn)，定義白面包的水解率為100，按照GI與HI的關(guān)系式，計算出樣品的GI值。

HI=樣品消化（水解）曲線下面積/參比標(biāo)準(zhǔn)樣品消化（水解）曲線下面積×100

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 水分含量對糯米粉直鏈淀粉含量及消化特性的影響

如圖1所示，直鏈淀粉含量隨水分含量的增大而增大。在一定范圍內(nèi)，增大水分含量，因高溫狀態(tài)下水分使淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使直鏈淀粉含量增加[19]。隨著濕熱處理水分含量進(jìn)一步增加到20%后，直鏈淀粉含量增加緩慢。水分含量在濕熱處理過程中對糯米粉的消化性能有較大影響，可不同程度提高糯米粉的抗消化性能。在10%～25%水分含量范圍內(nèi)，隨著水分含量增加，SDS+RS的含量上升，水分含量在25%時，RS含量達(dá)到峰值53.72%±0.86%，比普通糯米粉（WR）RS含量增加27.54%。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是隨著水分含量的增加，運(yùn)動到淀粉顆粒內(nèi)部的數(shù)量較多，在熱力作用下能更大程度地破壞氫鍵，使得分子鏈的束縛不如之前緊密而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致淀粉酶的作用受阻[18]。綜合考慮，選取水分含量為15%～25%進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化試驗。

2.2 濕熱處理時間對糯米粉直鏈淀粉含量及消化特性的影響

從濕熱和酶解聯(lián)合處理（圖2）可見，直鏈淀粉含量隨處理時間的增大而增大。在1～3 h之間糯米粉直鏈淀粉含量增加最快，處理時間3 h時達(dá)到3.05%±0.08%，是處理1 h時含量的1.20倍，繼續(xù)增加時間，糯米粉直鏈淀粉含量趨于平緩。隨著處理時間的延長，SDS+RS含量增加，RS含量在處理3 h后變化平緩，且4 h后有降低趨勢。適當(dāng)延長濕熱處理時間有利于淀粉分子間重排形成新的有序化結(jié)構(gòu)，這與HOOVER等[20]報道的結(jié)果一致。綜合考慮成本及生產(chǎn)的可控制性，選取處理時間1～3 h進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化試驗。

圖 1 水分含量對糯米粉直鏈淀粉含量和消化特性的影響Fig.1 Effects of moisture content on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

2.3 濕熱處理溫度對糯米粉直鏈淀粉含量及消化特性的影響

從圖3可見，糯米粉中直鏈淀粉的含量隨著溫度的升高呈增加趨勢。在110 ℃的溫度下進(jìn)行HMT處理后的糯米粉直鏈淀粉含量達(dá)到3.18%±0.19%，比90℃處理組糯米粉直鏈淀粉含量（2.42%±0.13%）升高了31.40%。再升高處理溫度，直鏈淀粉含量變化緩慢，且在溫度達(dá)到120和130 °C時，糯米粉色澤發(fā)黃并發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，這可能是因為溫度過高會導(dǎo)致淀粉在處理過程中產(chǎn)生局部糊化。對消化特性而言，相比于普通糯米粉（WR），不同濕熱處理溫度對糯米粉的RS含量有較大影響，RS含量在溫度為110 ℃時達(dá)到最大值55.38%±0.67%，表明在濕熱處理過程中糯米粉中的RDS逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镽S。溫度高于110 ℃后，RS含量變化平緩且有降低趨勢。有研究表明熱處理破壞了淀粉的顆粒、片層、分子秩序，從而經(jīng)分子重排得到更加有序的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了熱穩(wěn)定性[21]。綜合考慮，選取處理溫度100～120 ℃進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化試驗。

圖 2 濕熱處理時間對糯米粉直鏈淀粉含量和消化特性的影響Fig.2 Effects of treatment time on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

圖 3 濕熱處理溫度對糯米粉直鏈淀粉含量和消化特性的影響Fig.3 Effects of treatment temperature on amylose content and the digestibility of glutinous rice flour

圖 4 濕熱處理時間與濕熱處理溫度相互作用的等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.4 Contour map and response surface map of the interaction between time and temperature of heat-moisture treatment

圖 5 濕熱處理時間和水分含量相互作用的等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.5 Contour map and response surface map of the interaction between time and moisture content of heat-moisture treatment

2.4 響應(yīng)面分析濕熱處理工藝試驗結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果 應(yīng)用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計。經(jīng)回歸分析得擬合方程為：y=3.66+0.23A+0.28B+0.26C+0.020AB-0.12AC-0.22BC-0.41A2-0.22B2-0.56C2。結(jié)果及擬合方程預(yù)測值如表2所示。

表 2 響應(yīng)面試驗方案與結(jié)果Table 2 Response surface test scheme and results

2.4.2 方差分析結(jié)果 如表3所示，回歸模型極顯著（P＜0.0001），失擬項不顯著（P=0.0873＞0.05），說明該回歸模型合理，方程能夠反映糯米粉濕熱處理后的直鏈淀粉含量與各因素之間的關(guān)系；R2=0.9932，R2Adj=0.9844，即該模型能解釋98.44%，該模型預(yù)測值和實際值擬合度高。A、B、C、A2、B2、C2、AC、BC對應(yīng)的P值小于0.01，影響極其顯著，對糯米粉濕熱處理后的直鏈淀粉含量的影響大；由F值的大小可知，3個因素對濕熱處理后的糯米粉的直鏈淀粉含量影響從高到低依次為：濕熱處理溫度、水分含量、濕熱處理時間。

表 3 響應(yīng)面方差分析Table 3 Response surface test variance analysis

2.4.3 因素交互作用 經(jīng)回歸方程生成等高線和響應(yīng)面圖見圖4～圖6。在響應(yīng)面圖中，曲線變化越陡峭，說明交互影響越顯著。濕熱處理溫度不變時，濕熱處理時間與水分含量等高線的形狀呈橢圓形，等高線排列較為密集，其交互作用極顯著（P=0.0073＜0.01）。濕熱處理時間一定時，濕熱處理溫度與水分含量的等高線形狀為橢圓形，等高線扁平，其交互作用極顯著（P=0.0003＜0.01）。因此AC、BC交互作用極顯著（P＜0.01），這與F值結(jié)果一致。

圖 6 水分含量與濕熱處理溫度相互作用的等高線圖與響應(yīng)面圖Fig.6 Contour map and response surface map of the interaction between moisture content and temperature of heat-moisture treatment

2.4.4 驗證實驗 經(jīng)軟件分析，該模型得到的最優(yōu)條件為：水分含量為20.40%、濕熱處理時間為2.29 h、濕熱處理溫度為116.16 ℃，且糯米粉直鏈淀粉含量理論值為3.62%?？紤]到實際操作的可能性，將實驗條件修正為：水分含量為20%、濕熱處理時間為2.3 h、濕熱處理溫度為116 ℃。在該修正條件下進(jìn)行3次提取實驗，平均直鏈淀粉含量為3.62%±0.01%，接近理論值，表明該數(shù)學(xué)模型可用于優(yōu)化糯米粉濕熱處理過程。

2.5 濕熱處理優(yōu)化條件下糯米粉的體外消化特性

通過最佳濕熱處理工藝條件得到的糯米粉樣品，進(jìn)行體外消化實驗，結(jié)果見圖7，濕熱和酶解聯(lián)合處理糯米粉（HMT-R）中的RS含量明顯高于普通糯米粉（WR）和酶解糯米粉（ER），其含量比普通糯米粉高出30.46%，而RSD含量卻是比普通糯米粉減少了31.23%。這可能是由于淀粉在熱處理過程中被糊化，發(fā)生了晶體結(jié)構(gòu)的破壞和分子有序結(jié)構(gòu)的破壞，這使得淀粉更容易被淀粉酶消化[22-23]。因此，濕熱處理促使了支鏈淀粉向直鏈淀粉的轉(zhuǎn)變，增加了糯米粉中直鏈淀粉的含量，同時也提高了糯米粉的抗消化性。

圖 7 不同處理下糯米粉的體外消化特性比較Fig.7 Comparison of in vitro digestion characteristics of glutinous rice flour under different treatments

2.6 濕熱處理優(yōu)化條件下糯米粉的HI值及GI值

分別將普通糯米粉（WR）、酶解糯米粉（ER）和濕熱和酶解聯(lián)合處理糯米粉（HMT-R）進(jìn)行水解并進(jìn)行HI指數(shù)及GI值的測定，結(jié)果見圖8。實驗表明，HMT-R樣品的HI指數(shù)及GI值最低，二者的變化趨勢一致。相比于WR樣品，GI值從102.3降低至71.5，降低了30.1%。這說明糯米粉經(jīng)酶解后再進(jìn)行濕熱處理，糯米粉中的RS含量增加，使得糯米粉的抗消化性增加，降低了糯米粉的GI值。糯米粉在經(jīng)過酶解后能夠降低糯米粉的水解率，使其不易被消化，而再進(jìn)一步濕熱處理后水解率更低，糯米粉的抗消化能力增強(qiáng)，使其水解更慢，更不易被淀粉酶所水解[24-25]。

圖 8 不同處理糯米粉的HI指數(shù)和GI值比較Fig.8 Comparison of HI index and GI value of glutinous rice flour with different treatments

3 結(jié)論

本研究利用單因素結(jié)合響應(yīng)面試驗優(yōu)化糯米粉濕熱處理工藝。研究表明，經(jīng)Box-Behnken設(shè)計試驗得到的回歸方程極顯著（P＜0.0001），失擬項不顯著（P＞0.05），回歸方程擬合度好。在水分含量為20%、濕熱處理時間為2.3 h、濕熱處理溫度為116 ℃條件下，糯米粉直鏈淀粉含量最高（3.62%±0.01%），實測值與理論值較為接近，表明該模型可用于優(yōu)化糯米粉濕熱處理工藝。將優(yōu)化后的糯米粉與其它處理的體外消化特性、HI值及GI值進(jìn)行了比較，得出最優(yōu)條件下制備的糯米粉RDS含量下降，SDS和RS含量上升；水解指數(shù)（HI）明顯降低，同時GI值降低了30.1%，本研究為低GI糯米粉的進(jìn)一步研發(fā)提供了實驗思路，為其進(jìn)一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。糯米粉為高血糖食物，GI值一般在98以上。濕熱處理可以改變糯米淀粉的結(jié)構(gòu)及消化特性，對降低糯米粉的GI值有顯著作用，但對其影響糯米粉GI值的作用機(jī)理尚不完全清楚，對其進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用還需要生產(chǎn)實踐的檢驗。