不同谷物粉的粉體特性及血糖生成指數(shù)體外評(píng)價(jià)

王宗玄，桑若杰，李旭燕，王永霞，李海枝,3，熊菲菲，袁媛，劉磊，夏凱,3*

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）（2.中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司，北京100015）（3.功能主食創(chuàng)制與慢病營(yíng)養(yǎng)干預(yù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015）（4.寧波御坊堂生物科技有限公司，浙江寧波 315012）（5.神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司 河北三河 065201）

如今糖尿病、肥胖癥等慢性疾病患者數(shù)量大幅上升，已成為目前全球性重大的公共衛(wèi)生問題。這些疾病的發(fā)病機(jī)理與血糖和胰島素水平的異常有很大聯(lián)系[1,2]，很多年輕患者因?yàn)樯罟?jié)奏較快，養(yǎng)成了不健康的飲食習(xí)慣，導(dǎo)致血糖、胰島素水平長(zhǎng)時(shí)間處于異常狀態(tài)。營(yíng)養(yǎng)治療是糖尿病預(yù)防和控制過程中不可或缺的一部分[3]，其中代餐食品不僅能夠快速、便捷地為人體提供各種必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還易使人達(dá)到飽腹的效果有助于減輕體重，在年輕人群中很受歡迎。

谷物代餐粉，是由谷物、豆類等農(nóng)產(chǎn)品為主要原料，一種或者多種原料混合制成的粉劑產(chǎn)品，食用便捷且飽腹感強(qiáng)。另外谷物中含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)素和功能性成分，對(duì)降低血糖、調(diào)節(jié)腸道等有一定的作用[4]。比如白蕓豆不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，還含有天然的α-淀粉酶抑制劑，可以阻礙或延緩食物中碳水化合物的水解，極具加工利用價(jià)值[5]。其他的谷物包括薏米、燕麥等在降低人們餐后血糖濃度方面都有一定的效果[6-8]。

代餐粉的品質(zhì)評(píng)價(jià)方法多種多樣，其中以粉體特性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來篩選粉體原料是極其重要的。對(duì)于代餐粉的生產(chǎn)、食用來說，物料的流動(dòng)性、沖調(diào)性等粉體學(xué)性質(zhì)直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、傳輸、儲(chǔ)存。粉體粒徑的變化會(huì)導(dǎo)致粉體表面積的改變，影響物料的填充性、流動(dòng)性、潤(rùn)濕性等粉體特性進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)[9]。另一方面，食物血糖生成指數(shù)（Glycemic Index，GI）是反映食物中碳水化合物餐后血糖應(yīng)答水平的特征性指數(shù)[10]，糖尿病、肥胖癥等許多慢性疾病的發(fā)生、發(fā)展都與長(zhǎng)期食用高GI食物有一定的關(guān)系[11]。通過體外模擬消化試驗(yàn)對(duì)代餐粉血糖生成指數(shù)的研究可以幫助改良代餐粉產(chǎn)品的配方[12]。與人體消化試驗(yàn)相比，體外消化具有成本低、實(shí)驗(yàn)周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在前期原料篩中選具有明顯的優(yōu)勢(shì)[13,14]。綜上所述，粉體特性和體外消化特性都會(huì)影響代餐粉的品質(zhì)，但以粉體特性為評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合體外消化評(píng)價(jià)篩選代餐粉的研究還未見報(bào)道。

為篩選出粉體流動(dòng)性、沖調(diào)性較好，且可以降低餐后血糖應(yīng)答的代餐粉原料，本文對(duì)5種市售谷物粉的粒徑分布、流動(dòng)性和消化特性三個(gè)方面，采用激光粒度分析儀和智能粉體物性測(cè)試儀進(jìn)行了粉體特性研究，運(yùn)用體外模擬消化試驗(yàn)對(duì)谷物粉的GI值進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算為體外模擬血糖生成指數(shù)（Estimated Glycemic Index，eGI）值。對(duì)產(chǎn)品的粉體特性和eGI進(jìn)行比較，篩選出粉體流動(dòng)性、沖調(diào)性良好，且eGI較低的谷物粉，可直接沖調(diào)食用，也可用于糖尿病的研發(fā)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

糙米粉、苦蕎麥粉、薏米粉、白蕓豆粉、燕麥粉，山東多麥?zhǔn)称酚邢薰?；NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液、KCl、濃鹽酸，北京化工廠有限責(zé)任公司；無水CaCl2，天津市塘沽鄧中化工廠；NaCl、CaCl?·2H?O，西隴化工股份有限公司；乙酸鈉、NaHCO3，北京化工廠；無水乙醇，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；胃蛋白酶、胰酶、3號(hào)膽鹽、淀粉葡萄糖苷酶，西格瑪奧德里齊（上海）貿(mào)易有限公司；葡萄糖（Glu）試劑盒，南京建成。

1.2 主要儀器設(shè)備

SHA-B水浴恒溫振蕩器，常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司；HC-3018R高速冷凍離心機(jī)，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；Spectra Max i3多功能讀板機(jī)，美谷分子儀器（上海）有限公司；LDZX-0FB立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；S3500激光粒度分析儀，美國(guó)Microtrac；BT-1001型智能粉體物性測(cè)試儀，丹東百特儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粒度大小的測(cè)定

使用S3500激光粒度分析儀測(cè)定各谷物粉的粒徑，將樣品放到測(cè)定樣品專用小型鑰匙中，選用干法測(cè)定。

1.3.2 潤(rùn)濕時(shí)間的測(cè)定

稱取2 g的樣品均勻平鋪到盛有200 mL蒸餾水（水溫達(dá)40 ℃）的燒杯中，記錄從樣品加入到完全沉降的時(shí)間（s），每個(gè)樣品3個(gè)平行。

1.3.3 粉體流動(dòng)性評(píng)價(jià)

1.3.3.1 壓縮度的計(jì)算

使用BT-1001型智能粉體物性測(cè)試儀，按說明組裝儀器組件，稱量空杯質(zhì)量及樣品松裝、振實(shí)后的質(zhì)量，測(cè)定各原料的松裝密度及振實(shí)密度，測(cè)定三次。

式中：

Cp——壓縮度，%；

ρp——振實(shí)密度，g.cm-3；

ρa(bǔ)——松裝密度，g.cm-3。

1.3.3.2 凝集度、均齊度的選擇

根據(jù)松裝密度的測(cè)定值，按表1選擇篩網(wǎng)。再在表中所示的篩網(wǎng)上加少量粉體，稍加振動(dòng)，觀察是否全部通過，以此來確定該粉體適用測(cè)量凝聚度還是均齊度。

表1 凝集度、均齊度的適用標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Applicable standards for agglutination degree and homogeneity

1.3.3.3 均齊度的測(cè)定

使用S3500激光粒度分析儀測(cè)出各谷物粉的D60和D10，根據(jù)公式計(jì)算均齊度。

式中：

Ch——為均齊度，%；

D60——為累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，μm；

D10——為累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，μm。

1.3.3.4 休止角和平板角的測(cè)定

使用BT-1001型智能粉體物性測(cè)試儀，根據(jù)不同的測(cè)定指標(biāo)按說明組裝組件，測(cè)定各原料的休止角及平板角。

1.3.3.5 流動(dòng)性指數(shù)的計(jì)算及評(píng)價(jià)

根據(jù)休止角、平板角等粉體特性指標(biāo)，計(jì)算出均齊度、壓縮度結(jié)合流動(dòng)性指數(shù)表進(jìn)行打分并進(jìn)行流動(dòng)性評(píng)價(jià)[15]。

1.3.4 體外模擬血糖生成指數(shù)的測(cè)定

1.3.4.1 模擬口腔液的配制

口腔電解質(zhì)溶液：分別稱取1.126 5 g KCl，0.503 2 g KH2PO4，1.142 4 g NaHCO3，0.030 5 g MgCl2(H2O)6，0.005 76 g (NH4)2CO3，0.220 5 g CaCl2(H2O)2，用去離子水定容于1 000 mL容量瓶中，調(diào)pH值至7.0。

口腔液：每100 mL口腔電解質(zhì)中加入7 500 U的唾液淀粉酶。

1.3.4.2 模擬胃液的配制

胃電解質(zhì)溶液：分別稱取3.1 g NaCl，1.1 g KC1，0.15 g CaCl2，0.6 g NaHCO3，去離子水定容于1 000 mL容量瓶中，調(diào)pH值至2.0。

胃液：150 mL胃電解液添加35.4 mg胃蛋白酶，加入1.5 mL CH3COONa緩沖液（1 mol/L，pH值5.0）。室溫下磁力攪拌10 min，調(diào)pH值至2.0。

1.3.4.3 模擬小腸液的配制

腸電解質(zhì)溶液：5.4 g NaCl，0.65 g KCl，0.33 g CaCl2·2H2O，去離子水定容于1 000 mL容量瓶中，調(diào)pH值至7.0。

胰液：7 g胰酶溶于100 mL去離子水，室溫下磁力攪拌10 min，離心10 min（4 800g），取上清液100 mL。

膽汁液：8 g 3號(hào)膽鹽溶于200 mL去離子水。

小腸液（400 mL）：100 mL小腸電解質(zhì)液，200 mL膽汁液，100 mL胰液（按1:2:1比例配制），加入0.8 g淀粉葡萄糖苷酶，調(diào)pH值至7.0。

1.3.4.4 白面包制作工藝

參照柳芳偉等[16]的方法制作白面包，冷卻后保存。

1.3.4.5 體外模擬消化

參照體外模擬食物消化的標(biāo)準(zhǔn)化方法[17]進(jìn)行調(diào)整，取含150 mg可利用碳水化合物的樣品，加入等質(zhì)量的口腔消化液旋渦振蕩使樣品潤(rùn)濕，反應(yīng)5 min。加入10 mL的胃液，轉(zhuǎn)入溶出杯中在37 ℃下孵育1 h。胃部模擬消化結(jié)束后，加入NaOH攪拌均勻，再加入10 mL腸液，使消化體系pH值7。于37 ℃下振蕩孵育，分別于腸消化階段0、20、60、90、120、150、180 min時(shí)間點(diǎn)取樣品100 μL，立即加入900 μL無水乙醇滅酶處理，混勻，離心（5 000 r/min，5 min），取上清液20 μL，加入葡萄糖試劑盒檢測(cè)液1 mL混勻，37 ℃孵育10 min，測(cè)定各時(shí)間點(diǎn)消化液中的葡萄糖濃度，繪制水解率曲線[18]。

1.3.4.6 體外模擬血糖生成指數(shù)的計(jì)算

通過繪制水解率-時(shí)間曲線，模擬方程，曲線下面積表示食物消化后對(duì)血糖的影響。以白面包為參考標(biāo)準(zhǔn)，按照eGI與氫化指數(shù)（Hydrogenated Index，HI）的關(guān)系式，定義白面包的HI為100，計(jì)算出樣品的eGI值[19]。

式中：

eGI——為體外模擬血糖生成指數(shù)；

HI——為水解指數(shù)，是指被測(cè)食物體外水解曲線下面積與等量標(biāo)準(zhǔn)食物（白面包）體外水解曲線下面積之比，%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差來表示，用Excel和SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和顯著性分析（P＜0.05），作圖采用Origin 2017。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同谷物粉的粒徑分布

固體顆粒是組成粉體的基本單元，用S3500激光粒度分析儀測(cè)定的不同粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒體積占總量的百分?jǐn)?shù)稱為粒度分布。顆粒粒度大、形態(tài)致密的粉體通常流動(dòng)性較好，并且能夠有效降低粉體揚(yáng)塵性，提高粉體溶解性[20]，粒徑越小說明粉體在水中的分散性能越高，分散的溶液越穩(wěn)定[21]。從粒度分布圖曲線坡度及坡峰說可以大致判斷粉體的均勻程度，由圖1可知，燕麥粉的粒徑大都分布在250 μm和1 000 μm，出現(xiàn)了兩個(gè)明顯峰值，說明燕麥粉的顆粒大小差異較大，粒徑分布不均勻影響其流動(dòng)性，沖調(diào)易結(jié)塊?？嗍w麥粉、薏米粉和白蕓豆粉的粒徑分布出現(xiàn)兩個(gè)坡峰但相差不大，說明顆粒分布較均勻。糙米粉粒徑大都分布在90 μm左右，只有一個(gè)坡峰且坡度很陡，表示粒徑相差無幾，顆粒大小很均勻。

圖1 谷物粉粒徑分布Fig.1 Grain size distribution of grain powder

2.2 不同谷物粉的沖調(diào)性比較

沖調(diào)性與顆粒分布均勻性、粒徑大小、潤(rùn)濕時(shí)間具有相關(guān)性，當(dāng)顆粒分布均勻且粒徑較大時(shí)，潤(rùn)濕時(shí)間短，沖調(diào)性能好[22]。由表2可以看出谷物粉在40 ℃水溫下的潤(rùn)濕時(shí)間都存在顯著性差異（P＜0.05），其中燕麥粉是5種谷物粉中粒徑最大、潤(rùn)濕時(shí)間最短的，平均粒徑為315.87 μm，潤(rùn)濕時(shí)間為16.86 s?？嗍w麥粉粒徑最小，潤(rùn)濕時(shí)間為88.75 s，不易溶解。谷物粉潤(rùn)濕時(shí)間短說明易沖調(diào)，5種谷物粉潤(rùn)濕時(shí)間由短到長(zhǎng)依次為：燕麥粉＞糙米粉＞薏米粉＞白蕓豆粉＞苦蕎麥粉，苦蕎麥粉最難沖調(diào)可能是由于其平均粒徑較小，且粒徑分布不均勻造成的。

表2 谷物粉粒徑與潤(rùn)濕時(shí)間Table 2 Grain size and wetting time

2.3 不同谷物粉的粉體流動(dòng)性比較

粉體流動(dòng)性是沖調(diào)粉產(chǎn)品性能重要指標(biāo)，提高粉體流動(dòng)性，對(duì)其生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和填充具有重要意義[23]。使用BT-1001型智能粉體物性測(cè)試儀和S3500激光粒度分析儀，評(píng)價(jià)各谷物粉的粉體特性差異。經(jīng)2.3的方法確定了各粉體原料都適用測(cè)量均齊度，所以根據(jù)粉體粒徑的D60和D10計(jì)算出了各粉體原料的均齊度，由表3可以看出燕麥粉的均齊度最大，為23.61；糙米粉均齊度最小，為3.29。休止角和平板角最大的都是苦蕎麥粉，分別為52.99 °和80.16 °，休止角和平板角最小的分別是白蕓豆粉和薏米粉，為48.43 °和65.65 °。通過松裝密度和振實(shí)密度計(jì)算壓縮度，薏米粉的壓縮度最大，為44.02%；苦蕎麥粉壓縮度最小，為36.65%。將休止角、平板角、壓縮度和均齊度按照流動(dòng)性指數(shù)表的得分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，計(jì)算出流動(dòng)性指數(shù)，根據(jù)流動(dòng)性指數(shù)表分的7個(gè)等級(jí)：最良好（90～100）、良好（80～89）、相當(dāng)良好（70～79）、一般（60～69）、不大好（40～59）、不良（20～39）、非常差（0～19）可以看出燕麥粉的流動(dòng)性不良，流動(dòng)性指數(shù)僅為30.5，糙米粉流動(dòng)性指數(shù)為52，是這些谷物粉中流動(dòng)性最好的。流動(dòng)性評(píng)分結(jié)果由低到高依次為燕麥粉＜薏米粉＜白蕓豆粉＜苦蕎麥粉＜糙米粉。從表3來看，燕麥粉的流動(dòng)性最差，主要是由于均齊度大造成的，說明粒徑分布不均勻是導(dǎo)致其流動(dòng)性差的主要原因。

表3 谷物粉流動(dòng)性指數(shù)Table 3 Liquidity index of grain flour

2.4 不同谷物粉的體外消化率比較

采用體外實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)白面包和谷物粉進(jìn)行模擬消化，其淀粉水解率分析結(jié)果如圖2所示，腸模擬消化初始階段苦蕎麥粉的葡萄糖釋放速度快，含量快速增加，導(dǎo)致淀粉水解率快速上升，在20 min時(shí)就達(dá)到了45%，0～20 min階段消化速率最快，說明含有較多的快消化淀粉；燕麥粉在60 min時(shí)就達(dá)到了最大水解率，之后趨于平緩。白蕓豆粉的水解率從消化初始階段一直緩慢上升，在消化終點(diǎn)才達(dá)到60%，消化速率最緩慢。薏米粉的水解率曲線也比較平緩，但最終水解率較高，達(dá)到了80%。根據(jù)結(jié)果顯示，反應(yīng)時(shí)間120 min時(shí)5種谷物粉水解率由低到高依次為：白蕓豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麥粉＜苦蕎麥粉。

圖2 不同谷物粉體外消化率Fig.2 External digestibility of different grain powders

2.5 不同谷物粉eGI的比較

通過計(jì)算水解率的曲線下面積得到食物的HI、eGI值。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[24]。結(jié)果如表4所示，白蕓豆粉的eGI為60.62，處在55＜eGI＜70范圍內(nèi)，對(duì)餐后血糖反應(yīng)影響較小；薏米粉、糙米粉、燕麥粉和苦蕎麥粉eGI值分別為73.39、76.24、85.87和88.17，會(huì)造成較大的餐后血糖反應(yīng)。五種谷物粉eGI由低到高依次為：白蕓豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麥粉＜苦蕎麥粉。白蕓豆粉的eGI最低說明在體外消化的過程中釋放的的葡萄糖量最少，可能是白蕓豆中影響碳水化合物水解的物質(zhì)造成的。

表4 各谷物粉的HI、eGITable 4 HI, eGI of each grain meal

3 結(jié)論

通過對(duì)5種谷物粉粒徑分布的比較，發(fā)現(xiàn)燕麥粉平均粒徑最大、潤(rùn)濕時(shí)間最短，但其粒徑分布圖出現(xiàn)了多個(gè)明顯峰值，粒徑分布很不均勻；其他四種谷物粉原料粒徑分布比較均勻，大都分布在73.99～209.3 μm，但苦蕎麥粉潤(rùn)濕時(shí)間較長(zhǎng)，不易沖調(diào)。流動(dòng)性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，燕麥粉流動(dòng)性最差可能是其粒徑分布差異較大造成的，不便于生產(chǎn)傳輸；糙米粉的流動(dòng)指數(shù)為52，是這些谷物粉中流動(dòng)性最好的，其次是苦蕎麥粉和白蕓豆粉，分別為49和46，可以用于新產(chǎn)品研發(fā)。體外模擬消化的試驗(yàn)結(jié)果顯示，五種谷物粉eGI由低到高依次為：白蕓豆粉＜薏米粉＜糙米粉＜燕麥粉＜苦蕎麥粉。白蕓豆粉的體外消化率曲線上升最緩慢，反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)的水解率也比其他4種谷物粉低，eGI值為60.62比較適合糖尿病產(chǎn)品的研發(fā)。

通過對(duì)5種市售沖調(diào)粉的粉體特性研究和體外消化評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)白蕓豆粉是一種粉體流動(dòng)性較好，方便沖調(diào)且體外模擬血糖生成指數(shù)較低的產(chǎn)品，這是一種可直接沖泡食用的谷物熟粉，也可用于和其他原料復(fù)配，研發(fā)營(yíng)養(yǎng)更全面的代餐粉。