雜糧復(fù)合粉的制備工藝優(yōu)化及體外消化特性研究

聶迪，鹿保鑫

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319）

全谷物及雜糧與大宗主糧相比，不但具有高蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]，且富含膳食纖維、多酚、抗性淀粉等功能性成分[3-4]，具有顯著的抗氧化性，對慢性病預(yù)防和治療起到關(guān)鍵作用[5-6]，比如谷物多酚可以顯著降低高脂小鼠血清中總膽固醇（TC）、丙二醛水平（MDA），上調(diào)SOD、NQO1、Nrf2 抗氧化基因表達(dá)水平[7-9]。近年來我國已認(rèn)識到全谷物及雜糧膳食的重要性，消費(fèi)者已經(jīng)逐漸改變飲食習(xí)慣并且提高其在膳食結(jié)構(gòu)中的比例，相關(guān)科研人員和食品企業(yè)也正在全力推進(jìn)全谷物及雜糧食品的開發(fā)。比如研發(fā)受青睞的雜糧粉、雜糧粥等方便快捷食品[10-12]，既方便大家補(bǔ)充營養(yǎng)，又滿足個(gè)性化飲食需求的特殊人群食用。然而，隨著消費(fèi)需求以及對雜糧粉品質(zhì)營養(yǎng)的增加，現(xiàn)有的雜糧粉種類少以及復(fù)配配方較單一，難以滿足需求[13]。因此，優(yōu)化雜糧復(fù)配粉配方比例，改善雜糧的適口性，提高雜糧產(chǎn)品功能性價(jià)值是擴(kuò)大中國雜糧產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢、發(fā)展雜糧加工行業(yè)的關(guān)鍵。

相關(guān)研究證實(shí)，目前我國慢性病發(fā)病人數(shù)逐年增加的一個(gè)主要因素與長期單一食用精細(xì)化主糧相關(guān)性較大，正面臨著營養(yǎng)和慢性病的雙重負(fù)擔(dān)[14]，因此，低GI 值食品成為功能食品的發(fā)展趨勢。雖然雜糧食品不一定都是低GI 食品，但其中多數(shù)的GI 值都低于大米、面粉等精細(xì)化加工的主食[15]。例如，通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明以綠豆為原料開發(fā)的綠豆沖調(diào)粉為低血糖生成指數(shù)食品，適合糖尿病人食用[16]。添加擠壓豌豆粉于小麥面團(tuán)中，可提高復(fù)配粉的營養(yǎng)品質(zhì)對調(diào)控血糖及體重起到積極作用[17]。常見的雜糧其GI值在不同的加工方式和復(fù)配等條件下，GI 值均有所變化[18-19]。但是，目前將常見的沖調(diào)粉原料科學(xué)化復(fù)配的研究較少。同時(shí)，也有研究指出雜糧粉加工后存在食用后不易被消化吸收，使得營養(yǎng)粉末未能很好地吸收等不良因素，并且雜糧質(zhì)地緊密且不易熟化[20]，導(dǎo)致其功能價(jià)值并未得到充分利用。

為滿足人們對低GI 食品的訴求，豐富消費(fèi)者選擇多樣性，促進(jìn)雜糧谷物更快地走上人們的餐桌，推進(jìn)雜糧主食化進(jìn)程。故而，研究以燕麥、綠豆、小米、蕎麥四種低GI 值的日常雜糧為研究對象，利用D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)優(yōu)化雜糧配比，以eGI 值為測定指標(biāo)，制備品控俱佳的雜糧復(fù)配粉，并對熟化雜糧粉體外消化特性進(jìn)行評價(jià)。為制備利于消化的雜糧粉提供理論依據(jù)，同時(shí)也為預(yù)防調(diào)控慢性病合理膳食提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料及主要試劑

小米產(chǎn)自大慶肇源，綠豆產(chǎn)自大慶杜爾伯特，豌豆、燕麥產(chǎn)自山西，購于大慶市北京華聯(lián)超市；α-淀粉酶（10 U·mL-1）、胰蛋白酶（80 U·mL-1）、胃蛋白酶（100 U·mL-1），武漢博士康生物工程有限公司；Ca、Mg、Fe、Cu、Zn 標(biāo)準(zhǔn)液，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；福林酚試劑、沒食子酸，上海源葉生物技術(shù)公司；鹽酸、三氯乙酸、氫氧化鈉、3，5-二硝基水楊酸、無水乙醇，珠海麗珠試劑股份有限公司。

1.2 主要儀器

FW100 高速萬能粉碎機(jī)，濟(jì)南海博實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；ARIUM 新型純水器，賽多利斯有限公司；UV759 紫外可見分光光度計(jì)，聚儀惠科學(xué)儀器有限公司；SLG35-A 雙螺桿擠壓膨化機(jī)，濟(jì)南大億膨化機(jī)械有限公司；DGG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；FD-1A-50 真空冷凍干燥機(jī)，江蘇天翎儀器有限公司；PHS.2C 型精密酸度計(jì)，美國METTLERTOLEDO 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 D-Optional 混料設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)借助Design expert 軟件，對4 中種雜糧進(jìn)行D-Optional 混料設(shè)計(jì)，以復(fù)配物eGI 為衡量指標(biāo)，以燕麥、綠豆、小米、蕎麥質(zhì)量比為自變量，在前期查閱文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，確定4 種雜糧原料限定質(zhì)量比范圍如下：豌豆（A）為20%～30%，綠豆（B）為10%～20%，小米（C）為20%～30%，燕麥（D）為25%～40%。

1.3.2 熟化粉的制備

按照D-Optional 混料設(shè)計(jì)確定的最佳復(fù)配比例，采用擠壓熟化處理，工藝條件為物料含水率17%、擠壓溫度170 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速190 r·min-1，熱風(fēng)干燥溫度70 ℃，干燥時(shí)間為6 h，然后通過體外消化模擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)雜糧熟化粉的消化特性。

1.3.3 體外消化模擬

小米、燕麥、綠豆、豌豆體外消化試驗(yàn)參照康晶燕[18]和王貴一[21]的方法，每個(gè)雜糧樣品模擬處理3次，整個(gè)體外模擬過程溫度恒定為37 ℃，詳細(xì)操作如下：

（1）口腔消化模擬：稱取四種雜糧樣品各5 g，放置在100 mL 燒杯中，分別添加入6 mL α-淀粉酶（10 U·mL-1），消化處理時(shí)間為2 min；

（2）胃部消化模擬：雜糧經(jīng)口腔消化后，進(jìn)一步加入4 mL 胃蛋白酶（100 U·mL-1），并用鹽酸調(diào)節(jié)pH至3.0，此階段消化時(shí)間延長至120 min；

（3）小腸消化模擬：在胃蛋白酶消化處理后的雜糧酶解樣品中模加入2 mL 胰蛋白酶（80 U·mL-1），用氫氧化鈉分別調(diào)節(jié)酶解物的pH 至中性，消化過程中分別于0、10、20、40、60、90、120 和180 min 處，搖勻后取3 mL 酶解物，在100℃熱水中保持6 min，待酶解物完全冷卻，測定其還原糖含量。

1.3.4 估計(jì)血糖生成指數(shù)

小米、燕麥、綠豆和豌豆eGI 值評估參照Goni I[22]的方法。根據(jù)不同濃度葡萄糖值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，用3，5-二硝基水楊酸法對雜糧中還原糖含量進(jìn)行分析。結(jié)果數(shù)據(jù)用于計(jì)算淀粉水解率（HRS），計(jì)算公式如（1）：

式中，m 代表雜糧中總淀粉含量，mg；

m1不同時(shí)間點(diǎn)樣品消化的葡萄糖當(dāng)量，mg。

以各雜糧淀粉水解率數(shù)值為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制雜糧樣品水解曲線。根據(jù)水解曲線計(jì)算白面包標(biāo)準(zhǔn)食物和雜糧復(fù)配樣品的水解面積（AUC樣品和AUC 參考），求出水解曲線面積后可進(jìn)一步計(jì)算出淀粉水解指數(shù)（Hydrolysis Index，HI），進(jìn)而計(jì)算得出雜糧樣品的eGI 值。公式（2）為HI 計(jì)算方法，公式（3）為eGI 計(jì)算方法：

雜糧中淀粉含量高達(dá)60%以上，且不同種類淀粉的消化率也不同，基于上述還原糖含量的測定，可進(jìn)一步計(jì)算RDS、SDS 和RS 三種淀粉消化率，具體公式如下：

公式（4）、（5）和（6）中各符號含義如下：

G20表示20 min 內(nèi)雜糧樣品水解轉(zhuǎn)化的還原糖質(zhì)量，mg；

G120表示120 min 內(nèi)雜糧樣品水解轉(zhuǎn)化的還原糖質(zhì)量，mg；

FG 表示雜糧中總還原糖質(zhì)量，mg；

TS 表示雜糧中總淀粉質(zhì)量，mg；

TG 表示雜糧酶解前游離還原糖質(zhì)量，mg。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)驗(yàn)單因素?cái)?shù)據(jù)采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析?；炝显O(shè)計(jì)采用Design Expert 10 進(jìn)行優(yōu)化及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜糧混料設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

采用D-Optional 混料設(shè)計(jì)對四種雜糧復(fù)配比例進(jìn)行優(yōu)化研究，以燕麥、小米、綠豆和豌豆添加比例為混料設(shè)計(jì)的自變量，以雜糧復(fù)合粉的估計(jì)血糖生成指數(shù)（eGI）為評價(jià)指標(biāo)，其中混料設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表1 所示。采用Design-expert 對雜糧不同配比所對應(yīng)的eGI 值變化情況進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立雜糧復(fù)合粉估計(jì)血糖生成指數(shù)的回歸模型，擬合回歸模型方程如下：

表1 D-最優(yōu)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 D-optimal design scheme and test results

Y=72.16×A+70.15×B+50.47×C+78.61×D-37.87×AB+55.80×AC-13.40×AD+28.27×BC-28.51×BD+33.53×CD

2.2 雜糧復(fù)合粉混料設(shè)計(jì)方差分析

對上述建立模型進(jìn)行回歸與方差分析，其結(jié)果見表2 所示。由表2 可知，以燕麥、小米、綠豆和豌豆不同比例為自變量建立的回歸模型差異極顯著（P＜0.01），并且模型中多元決定系數(shù)R2=0.817 8，且失擬項(xiàng)P 值0.053 8 大于0.05 不顯著，表明建立的回歸模型適用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較好的擬合性，說明所選的燕麥、小米、綠豆和豌豆自變量與響應(yīng)值eGI 值之間存在顯著的線性關(guān)系；觀察二次項(xiàng)P 值，發(fā)現(xiàn)AC 交互項(xiàng)顯著，表明燕麥和綠豆2 種成分對雜糧復(fù)合粉的血糖指數(shù)有直接影響。

表2 回歸與方差分析結(jié)果Table 2 Results of regression and analysis of variance

根據(jù)雜糧不同配比所對應(yīng)的血糖生成指數(shù)的變化情況，表明四種雜糧配比對雜糧復(fù)合粉的eGI 有較大影響。響應(yīng)值eGI 在60.12～74.56 之間變化。為進(jìn)一步明確雜糧添加量與雜糧復(fù)合粉的eGI 值關(guān)聯(lián)性，利用響應(yīng)跟蹤圖來直觀描述各因素對響應(yīng)值的影響，四個(gè)因素跟蹤圖如1 所示。由圖1 可知，B 是小米添加量范圍在30%～40%之間，其中響應(yīng)值eGI 隨著小米比例的增加，出現(xiàn)逐漸增大的趨勢。燕麥和豌豆添加比例超出中心偏差后，eGI 值緩慢下降。綠豆添加量對eGI 影響較高，隨著添加量的增加，eGI 值呈現(xiàn)顯著增加，當(dāng)添加量達(dá)到中心偏差水平后出現(xiàn)急速下降。

圖1 自變量與eGI 之間的響應(yīng)跟蹤圖Fig.1 Response tracking diagram between independent variable and eGI

為進(jìn)一步評估燕麥、小米、綠豆和豌豆四個(gè)自變量之間的交互作用，按D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)繪制四個(gè)因素對eGI 值協(xié)同作用的響應(yīng)曲面及三元等值圖（圖2）。由圖2（a）和（b）可知，固定因素D（豌豆添加量），對比燕麥（A）、小米（B）和綠豆（C）3 種原料添加比例對雜糧復(fù)合粉eGI 值的影響，當(dāng)燕麥（A）添加量為15%時(shí)，隨著綠豆（B）添加量的增加，eGI 值出現(xiàn)明顯下降趨勢。由圖2（c）和（d）可知，當(dāng)小米（B）添加量為30%時(shí)，燕麥（B）隨著添加的增加，eGI 值呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。由圖2（e）和（f）可知，當(dāng)綠豆（C）添加量固定為10%時(shí)，小米（B）隨著添加的增加eGI 值明顯增加。由圖2（g）和（h）可知，固定綠豆C 添加量，比較小米（B）和豌豆（D）添加量對eGI 值的影響，發(fā)現(xiàn)隨著小米和豌豆添加的增加，eGI 值在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)增加。綜合以上結(jié)果，雜糧復(fù)合粉最優(yōu)配比為燕麥15%，小米35%，綠豆30%和豌豆20%，此條件下模型響應(yīng)值最低為63.38，此狀態(tài)下雜糧復(fù)合粉eGI 值較低，對人體控制膳食攝入后血糖變化影響不顯著，為后續(xù)研究功能性變化提供理論依據(jù)。

圖2 自變量對響應(yīng)值eGI 影響的響應(yīng)曲面及三元等值圖Fig.2 Response surface and ternary isogram of the influence of independent variables on response value eGI

2.3 雜糧復(fù)合比例優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)建立回歸模型，通過混料最優(yōu)設(shè)計(jì)得出雜糧復(fù)合粉的最佳配比為燕麥15%、小米35%、綠豆30%和豌豆20%，此條件下，雜糧復(fù)合粉血糖生成指數(shù)為63.38，屬于中GI 食品。為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)預(yù)測值是否與實(shí)際值相符，對四個(gè)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行5 次平行驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)雜糧復(fù)合粉實(shí)際平均eGI 值為64.28，這與預(yù)測值相之間差異較小，說明該預(yù)測模型可用，且模型擬合度較好。

2.4 雜糧復(fù)合粉體外消化特性研究

2.4.1 雜糧復(fù)合粉熟化前后RDS、SDS、RS 含量分析

雜糧復(fù)合粉經(jīng)熟化處理后，其中三種淀粉含量檢測結(jié)果見表3 所示。由表3 可知，雜糧復(fù)合粉熟化前后不同淀粉（RDS、SDS 和RS）含量均有顯著差異。其中變幅最大的是快消化淀粉RDS 含量，雜糧復(fù)合生粉中RDS 為9.63%，經(jīng)擠壓熟化處理后增加了5.95 倍。熟化后的雜糧復(fù)合粉中抗性淀粉（RS）含量顯著下降（P＜0.05）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)熟化后雜糧復(fù)合粉中可消化淀粉（RDS+SDS） 含量比熟化前生粉高出42.32%。因此，從消化性角度來講，熟化雜糧復(fù)合粉的消化性顯著提高。

2.4.2 雜糧復(fù)合粉熟化前后淀粉水解曲線

雜糧復(fù)合粉熟化前后酶解曲線如圖3 所示。由圖3 可知，雜糧復(fù)合生粉的淀粉消化曲線在3 h 內(nèi)趨于線性，淀粉在前30 min 內(nèi)消化速度不斷升高，水解時(shí)間達(dá)到60 min 時(shí)，淀粉水解率達(dá)到最大值。之后隨著隨著時(shí)間延長，消化速度緩慢增加。雜糧熟化粉在前30 min 內(nèi)，淀粉水解速度呈直線上升趨勢，相比雜糧生粉而言，雜糧熟化粉中淀粉水解速度顯著高于生粉（P＜0.05），當(dāng)消化時(shí)間延長至60 min 時(shí)，淀粉水解率已達(dá)到70.15%，并趨于穩(wěn)定。同時(shí)，雜糧生粉中淀粉水解率和水解程度顯著低于雜糧熟化粉，其中熟化淀粉前30 min 內(nèi)的水解速度顯著高于生淀粉，水解時(shí)間為10 min 時(shí)，熟化淀粉的水解速度比生粉高出2.58 倍。因雜糧復(fù)合生粉中含有較多的慢消化淀粉及抗性淀粉，這也是熟化粉與生粉水解程度不同的一個(gè)因素[23]。Sandhu K S 和Hoover R C 等[24-25]認(rèn)為生豆粉的消化性還與淀粉來源、淀粉特性及結(jié)構(gòu)等因素有一定關(guān)聯(lián)。

圖3 雜糧復(fù)合生粉中淀粉體外消化曲線Fig.3 Digestion curve in vitro of starch in coarse cereals composite raw meal

3 結(jié)論

采用D-Optional 混料設(shè)計(jì)對雜糧復(fù)配比例進(jìn)行優(yōu)化研究，確定雜糧復(fù)合粉的最佳配比為燕麥15%、小米35%、綠豆30%和豌豆20%，獲得品質(zhì)較高，狀態(tài)細(xì)膩的雜糧復(fù)合粉，其eGI 為63.38，屬于中GI 食品，豐富特殊人群飲食的多樣性選擇。此外，雜糧復(fù)合粉熟化前后不同淀粉（RDS、SDS 和RS）含量均有顯著差異，RDS 為9.63%，經(jīng)擠壓熟化處理后為57.34%，然而，熟化后RS 含量顯著下降至34.83%（P＜0.05）。雜糧生粉中淀粉水解率和水解程度顯著低于熟化擠壓粉，熟粉水解時(shí)間為60 min，淀粉的水解速度為70.15%，熟化后的雜糧復(fù)合粉的消化特性優(yōu)于生粉，確保了后續(xù)的產(chǎn)品加工（例如速溶營養(yǎng)粉或作為面制品的預(yù)混粉等），也為開發(fā)全營養(yǎng)便捷控糖食品提供理論依據(jù)。