基于全局優(yōu)化算法的雜糧eGI預(yù)測(cè)模型建立及關(guān)鍵影響因素分析

王夢(mèng)倩 王黎明 田立娜 邵丹青 董志忠,4 牛興和,4 應(yīng) 劍

(中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司1，北京 102209) (營(yíng)養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，北京 102209) (老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室3，北京 102209) (江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心4，南京 210023)

隨著膳食結(jié)構(gòu)和生活方式的變化，糖尿病等代謝性疾病已經(jīng)成為威脅現(xiàn)代人生命健康的主要因素。目前世界范圍內(nèi)至少有3.47億人患有糖尿病，且發(fā)病率正在迅速增加。我國(guó)成年人群糖尿病患病率高達(dá)10.9%，更有35.7%的人群處于糖尿病前期，糖尿病患者的血糖有效控制比例不足49.2%[1]。

食物按其升高血糖的能力和速度可分為低GI食物(GI≤55)，中GI食物(55

我國(guó)是世界上最大的雜糧生產(chǎn)和出口大國(guó)[3]，擁有豐富的雜糧資源。蕎麥、青稞、燕麥等雜糧被認(rèn)為是對(duì)于調(diào)節(jié)血糖有益的健康食物，《中國(guó)食物成分表》[4]中記載，蕎麥、燕麥、大麥等雜糧的GI值在25～66范圍，屬于中低GI飲食。采用蕎麥和燕麥制備的低GI飲食對(duì)志愿者進(jìn)行為期28 d的干預(yù)，與高GI飲食組相比，其餐后葡萄糖和胰島素反應(yīng)分別下降了43%和27%，同時(shí)可適度降低空腹類胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)水平[5]。青稞米可誘導(dǎo)氨基酸、生物胺以及有機(jī)酸分布改變，降低機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)，改善胰島素敏感性，與白米和葡萄糖對(duì)照組相比，可產(chǎn)生較低的餐后葡萄糖和胰島素反應(yīng)[6]?！吨袊?guó)糖尿病膳食指南(2017)》和《中國(guó)居民膳食指南2016》中也都建議在日常主食中搭配雜糧雜豆，提高食物多樣性的同時(shí)有助于維持血糖。在此背景下，越來(lái)越多的學(xué)者以及消費(fèi)者開(kāi)始關(guān)注雜糧，雜糧在世界范圍內(nèi)的消費(fèi)量和單價(jià)也均呈逐年上升的趨勢(shì)。

雜糧的糖代謝健康益處與其營(yíng)養(yǎng)功能成分及組成特征有關(guān)。如雜糧的表皮和種皮中通常保留了較多的多酚類化合物，青稞、燕麥的糊粉層和胚乳細(xì)胞壁中則含有較高濃度的β-葡聚糖，此外莜麥、薏米等雜糧由于蛋白質(zhì)含量較高，可能進(jìn)一步降低了其血糖反應(yīng)，其他的相關(guān)的功能成分還包括如苦蕎黃酮[7, 8]、蕎麥D-手性肌醇[9, 10]、燕麥/青稞β-葡聚糖[11-13]、薏米多糖[14]、黑豆花色苷[15]等。但是產(chǎn)地、品種、年份、加工方式、烹調(diào)方式等因素，均會(huì)影響雜糧營(yíng)養(yǎng)功能呢成分的含量和比例，從而影響雜糧的GI值。為了快速篩選優(yōu)質(zhì)原料、優(yōu)化加工參數(shù)、設(shè)計(jì)食品配方，需要利用便捷、經(jīng)濟(jì)的方法對(duì)雜糧及其制品的GI值進(jìn)行測(cè)定。

GI的概念有助于人們正確選擇富含碳水化合物的食物，其概念是建立在人體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，但考慮到體內(nèi)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)且涉及倫理審批，進(jìn)行機(jī)制研究或產(chǎn)品配方優(yōu)化時(shí)多采用更加經(jīng)濟(jì)的體外實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算等方法。為了優(yōu)化針對(duì)雜糧的預(yù)測(cè)方法，本研究采用體外模擬消化法對(duì)黑豆、莜麥、高粱、藜麥等十余種雜糧的消化特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，測(cè)定其關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)功效組分含量，并對(duì)其中相關(guān)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步采用全局優(yōu)化算法，構(gòu)建雜糧eGI預(yù)測(cè)模型，以期為雜糧產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

莜麥(河北省赤城縣)、高粱(河北省赤城縣)、黑米(內(nèi)蒙古通遼市)、白藜麥(內(nèi)蒙古太仆寺旗)、花藜麥(內(nèi)蒙古太仆寺旗)、苦蕎(四川省成都市)、甜蕎(遼寧省沈陽(yáng)市)、白青稞(西藏拉薩)、燕麥(遼寧省新民市)、綠豆(吉林洮南)、紅小豆(黑龍江寶清)、薏米(遼寧遼陽(yáng))、小米(山西廣靈)、鷹嘴豆(新疆木壘)、黑豆(河北省赤城縣)，全籽粒粉碎后過(guò)80目篩，自封袋密封，4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

直鏈淀粉(馬鈴薯)、支鏈淀粉(玉米)、α-淀粉酶(13U/mg)、胃蛋白酶(503 U/mg)、豬胰酶(96.7 U/mg)、淀粉葡糖苷酶(275 U/mL)、膽鹽、水溶性維生素E(Trolox)、總淀粉測(cè)定試劑盒、還原糖測(cè)定試劑盒、福林酚試劑、沒(méi)食子酸(純度99.0%)、蘆丁(純度>97%)。

氯化鉀、磷酸二氫鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化鎂、碳酸銨、氯化鈣等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SynergyMx型多功能酶標(biāo)儀，B-811型索氏提取儀，EZ-2型離心濃縮儀，S433D型氨基酸分析儀，F(xiàn)0810C型馬弗爐，8400型全自動(dòng)凱氏定氮儀，UF260PLUS型烘箱，F(xiàn)IBERTEC SYSTEM E型膳食纖維儀。

1.3 方法

1.3.1 基本組分測(cè)定

水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、氨基酸含量的測(cè)定分別采用GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016(第一法)、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016、GB 5009.88—2014、GB 5009.124—2016方法進(jìn)行。

1.3.2 氨基酸評(píng)分

采用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織/世界衛(wèi)生組織(Food and Agriculture Organization/ World Health Organization,FAO/WHO)(1973年)建議的“暫定氨基酸分模式”。

1.3.3 淀粉的測(cè)定

總淀粉含量采用Megazyme總淀粉測(cè)定試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

直鏈淀粉的測(cè)定：參考國(guó)標(biāo)GB/T 15683—2008和Kaufman等[16]的方法并做改動(dòng)。樣品經(jīng)石油醚脫脂后，用90% DMSO于95 ℃下加熱60 min待淀粉完全分散。離心后取上清液于96孔板中，加入90% DMSO碘溶液，震蕩，從上述孔中取20 μL于新的96孔板中，加入180 μL去離子水，震蕩，分別在605、455、535、722 nm下進(jìn)行吸光度測(cè)定，計(jì)算直鏈淀粉含量。

1.3.4 多酚類化合物的提取[17]

稱取1 g樣品，加入30 mL甲醇，40 ℃下超聲提取20 min，離心取上清，殘?jiān)眉状贾貜?fù)2次提取后合并上清液，離心濃縮置干，充氮保護(hù)，-80 ℃保存?zhèn)溆?，即為可溶性多酚類化合物提取物。在提取可溶性多酚后所剩的殘?jiān)屑尤?0 mL 3 mol/L NaOH溶液，鋁箔紙避光，水浴搖床上室溫下震蕩 1 h，用HCl調(diào)節(jié)溶液pH至中性停止反應(yīng)，加入20 mL乙酸乙酯，震蕩2 min，離心后取上層，下層重復(fù)2次用乙酸乙酯提取后合并上清，離心濃縮至干。充氮保護(hù)，-80 ℃保存?zhèn)溆?，即為結(jié)合態(tài)多酚類化合物提取物。提取物均于測(cè)定前用2 mL甲醇充分溶解。

1.3.5 總酚的測(cè)定

可溶性和結(jié)合態(tài)多酚的測(cè)定采用福林酚法。取20 μL樣品及沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液于透明酶標(biāo)板中，加入100 μL 10%福林酚試劑，反應(yīng)5 min后加入80 μL 7.5% NaCO3溶液，震蕩混勻后，反應(yīng)1h，在765 nm處測(cè)定吸光度?？偡雍恳詍g沒(méi)食子酸當(dāng)量/100 g表示。

1.3.6 氧自由基清除能力測(cè)定(Oxygen Radical Absorbance Capacity ,ORAC)

取20 μL樣品于黑色酶標(biāo)板中，加入100 μL 7.8 μmol/LFL反應(yīng)液，37 ℃預(yù)熱5 min；加入100 μL 221 mmol/L AAPH反應(yīng)液，中速振蕩5 s，37 ℃反應(yīng)90 min，每隔1.5 min測(cè)定熒光強(qiáng)度(Ex：485 nm；Em：528 nm)。同步進(jìn)行Trolox標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白(75 mmol/L pH 7.4PBS緩沖液)的測(cè)定。繪制熒光衰減曲線，計(jì)算曲線下面積得到AUC樣品、AUC空白和AUC對(duì)照。ORAC值以Trolox當(dāng)量(μmol TE/g)表示。

1.3.7 體外模擬消化方法

參考Minekus等[18]的方法并稍作改動(dòng)，建立口腔-胃-腸三段式消化體系。稱取樣品5 g，加入含75 U/mL α-淀粉酶的仿生唾液5 mL，37 ℃下消化2 min。胃模擬階段加入含2 000 U/mL胃蛋白酶的仿生胃液，調(diào)節(jié)pH至3.0，37 ℃下消化120 min。腸模擬階段加入含100 U/mL豬胰酶的仿生腸液并加入膽鹽，調(diào)節(jié)pH至7.0，37 ℃消化，分別于第0、5、10、20、30、45、60、90、120 min時(shí)取樣0.5 mL于無(wú)水乙醇中滅酶終止反應(yīng)，測(cè)定溶液中還原糖含量。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)參考物，計(jì)算樣品eGI。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)設(shè)定2個(gè)平行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值形式表示。用SPSS 19軟件進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析，Excel 2013繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本組分分析

由表1可以看出，不同雜糧之間營(yíng)養(yǎng)素組成存在一定差異性。豆類產(chǎn)品含有豐富的蛋白質(zhì)，且黑豆和鷹嘴豆的脂肪和膳食纖維遠(yuǎn)高于紅小豆和綠豆。11種谷類雜糧的碳水化合物含量整體低于大米，燕麥、白藜麥、花藜麥和莜麥中的碳水化合物含量相比大米低19.0～16.5 g/100 g。薏米、白藜麥和花藜麥的蛋白質(zhì)含量分別為16.8、15.5、14.3 g/100 g，明顯高于其他雜糧，同時(shí)脂肪含量豐富。燕麥的膳食纖維含量最為豐富，達(dá)15.62 g/100 g，其次為白青稞、花藜麥、莜麥和白藜麥；高粱、黑米、薏米、小米的膳食纖維含量最低，有的甚至低于粳米。雜豆類的淀粉直/支比較高。

表1 基本組分含量分析

由表2和表3可知，雜糧中含有常見(jiàn)的18種氨基酸，以谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量最為豐富。黑豆的氨基酸總量最高，為33.09 g/100 g，黑米中的氨基酸含量較低，僅為6.08 g/100 g。從氨基酸結(jié)構(gòu)上看，苦蕎、小米、紅小豆、鷹嘴豆的必需氨基酸含量占總氨基酸的40%以上，符合FAO/WHO公布的理想氨基酸模式。

表2 15種雜糧主食中氨基酸含量分析(g/100 g)

表3 15種雜糧主食的氨基酸分析(FAO/WHO，1973)

本研究發(fā)現(xiàn)含硫氨基酸是雜豆類以及白藜麥和花藜麥的第一限制性氨基酸，賴氨酸是包括莜麥、高粱、黑米等在內(nèi)大部分雜糧的第一限制性，甜蕎中異亮氨酸評(píng)分較低。明確每種雜糧的限制性氨基酸，可以幫助了解其食用時(shí)應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充或者強(qiáng)化的氨基酸，例如將甜蕎和白青稞以65%和35%混合后，氨基酸評(píng)分可達(dá)98.3，使所含有的必須氨基酸取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到較好的比例，可有效提高蛋白質(zhì)的利用率。

2.2 多酚含量及抗氧化能力分析

多酚類化合物是日常飲食中最重要的抗氧化成分，以往的研究主要以可溶性多酚，即細(xì)胞壁外的多酚類、黃酮類物質(zhì)為主，對(duì)結(jié)合態(tài)的研究較少。而研究發(fā)現(xiàn)與膳食纖維或其他難消化物質(zhì)結(jié)合的原花青素等多酚類物質(zhì)占日常飲食很重要的部分，卻在之前的研究中并未予以考慮。15種雜糧中可溶性和結(jié)合態(tài)多酚含量分別如圖1。

圖1 不同雜糧中提取物中可溶性多酚、結(jié)合態(tài)多酚和總多酚含量分析

不同雜糧中結(jié)合態(tài)多酚所占比例不盡相同，白青稞可溶性和結(jié)合態(tài)多酚含量相當(dāng)，其他14種雜糧的多酚均以可溶性多酚為主，其中紅小豆、莜麥、花藜麥最為顯著，可見(jiàn)，僅對(duì)可溶性多酚進(jìn)行提取無(wú)法準(zhǔn)確判斷雜糧中多酚的實(shí)際含量，結(jié)合態(tài)多酚的提取是十分必要的?？偠喾雍坑筛叩降团判蛞来问强嗍w>黑豆>甜蕎>紅小豆>黑米>白藜麥>花藜麥>白青稞>燕麥>綠豆>高粱>莜麥>鷹嘴豆>薏米>小米，其中苦蕎和黑豆的總多酚含量顯著高于其他雜糧。

多酚等天然抗氧化成分廣泛存在于植物及其制品中，對(duì)于維持機(jī)體健康有著十分重要的作用。ORAC法能夠客觀的評(píng)價(jià)食物的抗氧化能力，從而有助于我們選擇選擇食物，因此被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物抗氧化能力的評(píng)價(jià)。從圖2可以看出，15種雜糧的可溶性提取物ORAC均強(qiáng)于其結(jié)合態(tài)，以花藜麥、紅小豆、鷹嘴豆最為顯著?？偪寡趸芰τ蓮?qiáng)到弱排序?yàn)榭嗍w>黑豆>甜蕎>紅小豆>綠豆>黑豆>黑米>白藜麥>花藜麥>鷹嘴豆>薏米>白青稞>莜麥>燕麥>小米>高粱，苦蕎的總抗氧化能力為高粱的7.6倍?？寡趸芰κ怯啥喾雍?、結(jié)構(gòu)中羥基數(shù)量和構(gòu)型共同決定的，這可能是鷹嘴豆雖然總酚含量低于白青稞、燕麥、高粱和莜麥，但是其抗氧化能力卻強(qiáng)于四者的原因。

圖2 不同雜糧提取物中ORAC抗氧化能力分析

對(duì)15個(gè)雜糧多酚與ORAC抗氧化能力進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，可溶性多酚與總抗氧化能力相關(guān)性最強(qiáng)，是影響雜糧抗氧化能力的重要因素(r=0.978，P=0.01雙側(cè))。

2.3 體外消化特性分析

由圖3可知，在體外模擬消化過(guò)程中，不同雜糧的淀粉水解曲線模式是相似的，在0～90 min增長(zhǎng)較快，在消化時(shí)間為90 min時(shí)達(dá)到最大數(shù)值，之后趨于穩(wěn)定，此時(shí)不同雜糧的淀粉水解率在64.8%～91.8%之間。

圖3 不同雜糧淀粉水解曲線

低GI的食物進(jìn)入人體后在腸道內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，葡萄糖進(jìn)入血液后峰值較低，引起餐后血糖反應(yīng)較小。eGI可以在一定程度上反應(yīng)不同食物對(duì)血糖的調(diào)控作用，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬人體消化并進(jìn)一步分析不同時(shí)間點(diǎn)葡萄糖或還原糖的釋放量來(lái)觀察淀粉的水解過(guò)程，具有條件可控、易于重復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。從eGI結(jié)果可以看出，薏米、甜蕎、黑米、苦蕎、白藜麥的血糖生成指數(shù)最高，分別為80.9、80.2、77.6、72.0和70.0，屬于高GI食品。莜麥、高粱、花藜麥、燕麥、小米，綠豆屬于中GI食品。豆類的血糖生成指數(shù)較低，除綠豆外，其他3種雜豆均為低GI食品。

表4 不同雜糧及對(duì)照(白面包)血糖生成指數(shù)

2.4 雜糧eGI影響因素分析及模型的建立

雜糧基本組分與eGI之間的相關(guān)性如表5所示。雜糧中蛋白質(zhì)的含量與eGI呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性，可能是由于蛋白質(zhì)對(duì)淀粉有包埋作用，從而限制了淀粉與消化酶的接觸，使淀粉難以消化吸收[20]。膳食纖維也與eGI呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，其機(jī)理可能是通過(guò)抑制淀粉酶活性從而降低GI值[21]。白青稞具有較低的eGI，具有延緩血糖生高的潛在功效，其原因可能是青稞中的β-葡聚糖形成的高黏度溶液環(huán)境對(duì)酶的構(gòu)象等造成了一定影響，從而使酶的活性被部分抑制，另外β-葡聚糖形成的凝膠覆蓋于淀粉顆粒表面，阻礙了酶和淀粉顆粒的接觸，從而抑制淀粉的消化[22]。以上結(jié)論與韓玲玉等[23]對(duì)7種擠壓雜糧粉體外消化特性研究的結(jié)論基本一致。

表5 不同雜糧基本組分與eGI相關(guān)性分析

雜糧是碳水化合物的重要來(lái)源，而淀粉的直支鏈比例可直接影響其在體內(nèi)的消化性[24]，本研究發(fā)現(xiàn)淀粉直/支比與eGI呈顯著的負(fù)相關(guān)(r=0.516，P=0.05)，即直/支比越高，其抗消化性越強(qiáng)，未經(jīng)消化的淀粉進(jìn)入大腸后，可經(jīng)微生物發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸和氣體，繼而發(fā)揮有益生理作用，且直/支比對(duì)淀粉加工性能有重要的影響，其與淀粉的膨化度、吸水性和水溶性都具有良好的相關(guān)性[25]，是加工過(guò)程中原料選擇和復(fù)配的重要依據(jù)。有研究發(fā)現(xiàn)脂肪能夠延遲胃排空并與淀粉形成復(fù)合物、減緩淀粉消化速度，降低餐后血糖反應(yīng)，但是本研究中脂肪與eGI并未呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，這可能與體外剛性反應(yīng)器的局限性有關(guān)，該裝置無(wú)法模擬出延遲胃排空或抑制胃腸道吸收等作用。

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，以蛋白質(zhì)、總膳食纖維含量及淀粉直/支比為變量，進(jìn)一步采用通用全局優(yōu)化算法，建立eGI預(yù)測(cè)模型：

eGI=-0.080×P-1.358×DF-15.679×AAR+85.012(R2=0.77)

式中：P為蛋白質(zhì)含量/g/100 g；DF為總膳食纖維含量/g/100 g;AAR為淀粉直/支比。

2.5 預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本研究選取5種雜糧，測(cè)定其蛋白質(zhì)、總膳食纖維含量、淀粉直/支比和eGI，并采用eGI預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表6。5種雜糧的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)GI值之間偏差在0.1%～8.7%，表明該模型可以達(dá)到較好的預(yù)測(cè)效果。

表6 5種雜糧實(shí)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

雜糧在蛋白質(zhì)、膳食纖維等重要的營(yíng)養(yǎng)素含量方面，相比主糧大米具有明顯的優(yōu)勢(shì)。不同雜糧之間的酚類物質(zhì)含量及組成存在顯著差異，總酚含量介于26.6～716.8 mg/100 g之間，其中，苦蕎、黑豆和甜蕎多酚類物質(zhì)含量最為豐富，除青稞外，均以可溶性多酚為主。總抗氧化能力與可溶性多酚和總多酚相關(guān)性最為顯著。對(duì)15種雜糧全粉進(jìn)行體外消化測(cè)定，結(jié)果表明薏米、甜蕎、黑米、苦蕎、白藜麥，屬于高GI食品。莜麥、高粱、花藜麥、燕麥、小米，綠豆屬于中GI食品，其他3種雜豆均為低GI食品。相關(guān)性分析顯示，膳食纖維、蛋白質(zhì)和淀粉直/支比與eGI呈顯著負(fù)相關(guān)。脂肪、多酚與eGI相關(guān)性不大。以蛋白質(zhì)、總膳食纖維含量以及淀粉直支比為變量，進(jìn)一步采用全局優(yōu)化算法，建立雜糧eGI預(yù)測(cè)模型：eGI=-0.080×P-1.358×DF-15.679×AAR+85.012(R2=0.77)。5種雜糧驗(yàn)證表明預(yù)測(cè)模型的偏差在0.1%～8.7%，該模型可更加便捷、經(jīng)濟(jì)的對(duì)雜糧進(jìn)行快速初篩評(píng)價(jià)，但仍需更多數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充、完善和驗(yàn)證。