陕西师范大学李小平副教授等:血糖生成指数测定方法及加工方式对谷物血糖生成指数的影响研究进展

2023-09-22作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

血糖生成指数(GI)为某食物餐后一定时间(一般为2 h)内血糖应答曲线下增值面积与标准食物(葡萄糖或白面包)餐后血糖应答曲线下增值面积的比值,反映了食物中碳水化合物增加餐后血糖水平的速率。GI值小于55的食物被称为低GI食物,人体摄入后血糖水平变化缓慢近年来,GI值的测定及低GI食物的开发引起了研究者和消费者的极大关注。谷物是世界大多数发展中国家的主食,过选择低GI谷物原料、改善食品配方和合理的加工烹调方式,可开发各种低GI谷物食品。

陕西师范大学食品工程与营养科学学院王浩瑞和李小平*分析了目前研究谷物GI值时采用的测定方法及优缺点,在此基础上归纳总结了加工方式影响谷物GI值的研究进展,并进一步从加工方式导致谷物原料内不同成分相互作用的角度阐述了谷物GI值变化的可能机制,旨在为预测谷物GI值变化及加工方式的选择提供有效依据,也为低GI值谷物产品的研发提供参考。

1 GI值及其测定方法

食物的GI值已被证明是比将碳水化合物分为简单或复杂、可用或不可用的化学分类更有用的营养概念,是对富含碳水化合物食物生理效应与人体健康之间关系的新见解。近年来谷物GI值的研究一直是食物GI值研究领域的重点。谷物来源广泛、成分复杂、加工方式多变、其他添加物使用普遍,因此,在研究谷物GI值的过程中,多种测定方法被使用和报道。

1.1 以人为测定对象的GI值测定方法

GI被定义为含50 g可利用碳水化合物(对碳水化合物含量较少的食物以25 g或10 g为准)的食物与相当量的参考食物(葡萄糖或白面包)分别食用后一定时间(2 h内),血糖应答曲线下增值面积的比值。GI值的人体测定方法则依据此定义设定。一般流程为:10名及以上受试者先测定空腹血糖,在食用参考食物或测试食物后分别于15、30、45、60、90、120 min测试血糖浓度,绘制血糖应答(相比空腹时的增幅)曲线,计算曲线下面积,除以进食含等量可利用碳水化合物的参考食物后血糖应答曲线下面积(参考食物的GI定为100),GI值以百分数表示。目前人体测试GI值已有标准方法,即2010年颁布的国际标准和2019年实施的中国卫生行业标准,二者主要测试程序及区别如表1所示,后者比前者在受测人员、测试前准备等方面要求更为严格。


1.2 动物实验测定GI值

目前报道用于测试食物GI值的动物主要为大鼠和小鼠,其中小鼠使用最多。动物实验测试GI值的一般程序为:实验动物(大鼠或小鼠)适应性喂养(一般为1周)后,饲喂或灌胃待测物或参考食物,尾部采血,进食前测空腹血糖水平,并分别于进食后15、30、45、60、90、120 min尾部取血,测定血糖水平,利用测试食物与参考食物血糖曲线下增幅面积的比值计算GI值。动物实验测试GI值时,用实验动物代替了志愿者,采用与人体实验相近的测试程序,因此结果可能更接近人体实验。然而,研究者也指出,目前尚需要将动物实验预测的GI值与人体实验的测定结果进行相关性分析或获得预测方程,以支持动物实验测定结果的可信赖性。

1.3 体外模拟消化测定GI值

体外模拟消化是指模拟人体口腔、胃及小肠等消化系统及消化环境,在体外构建模拟消化体系,分析食物在人体消化道内消化行为的研究方法。研究者们开展了大量研究并提出了多种体外模拟消化体系来预测食物的GI值。在这些模型中,Goñi及Granfeldt等分别提出了食物体外模拟消化参数与其GI值之间的线性方程,由于该方法测定的不是食物真实的GI值,而是在模拟消化的基础上通过经验公式计算而来,因此一般被称为预估GI值(eGI或pGI)。体外模拟方法因其简单、便利、快捷、成本低被广泛应用于食物原料、加工过程、半成品、成品等大量样品eGI值的测定。同时该方法还可用于测定食物中的快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量。然而,一些研究者指出,该方法没有考虑淀粉消化过程胰岛素的影响,不能模拟人体真实的消化过程,生理相关性小,因此,该方法测定的GI值不能真实地反映食物的GI值。此外,该方法在实际操作时还存在许多不一致之处(表2)。这些测定条件和参数的不一致造成即使同种原料(如苦荞、燕麦、小米等),其测定结果也存在较大差异,给研究者及消费者带来极大困惑。因此,该方法还需更多研究以建立标准化操作规程以确保结果的准确性和可靠性。

2 加工方式对谷物GI值的影响

2.1 加工方式对谷物原料GI值的影响

加工方式对大米GI值的影响

通常被精细加工,高精大米及小麦面粉通常被归为高GI谷物。近年来,人们发现适度加工获得的全谷物制品可以较好地保留稻谷和小麦固有的膳食纤维、矿物质、维生素、植物化学物质等成分,从而影响其GI值。稻谷脱壳后得到糙米,碾去皮层和胚芽得精白米。研究指出,与精白米相比,糙米能显著减弱餐后血糖反应。糙米经短期发芽处理后,γ-氨基丁酸、多酚等植物化学物质含量增加,其GI值低于糙米。通过控制稻米精细化处理方式、对其发芽处理或加工成蒸谷米,可以保留或增加大米中的膳食纤维及植物化学物质或增加直链淀粉含量,是减缓稻米淀粉消化、降低GI值的有效途径。

加工方式对小麦GI值的影响
与糙米不同,尽管全麦制品能一定程度保留小麦皮层及胚芽部分的营养物质,然而,尚不能将全麦制品归于低GI食物,因为有研究指出,一些全麦制品的血糖反应高于普通小麦制品。为改善全麦粉制品的血糖反应,近年来人们在全麦粉的研磨粒度和麸皮预处理方面开展一系列研究。研磨是小麦制粉的首要环节,研究发现研磨后不同粒度的全麦粉表现出不同的血糖反应。较大的颗粒通常具有较为缓慢的消化特性和较低的血糖反应,随着粒度的减小,破损淀粉和快消化淀粉含量显著升高。同时,全麦粉的粒径分布也会影响其消化特性,比如,粒径中值小的石磨粉,由于其小于150 μm的粒径所占比例较小,因此比粒径中值大的辊磨粉具有更低的血糖反应。麦麸回填法是全麦粉的常用生产方法,酶或发酵处理可增加麦麸其酚酸和可溶性膳食纤维的含量,进而降低其产品的GI值。
加工方式对杂粮GI值的影响

杂粮如燕麦、荞麦、薏米、高粱、红小豆、鹰嘴豆等常被认为是中GI或低GI谷物。然而,杂粮往往结构坚硬,食用品质差,通常采用多种处理方式提高其食用品质,然而这些加工方式会造成其GI值显著改变。燕麦加工时需钝化酶的活性,烘烤是常用方法。研究发现,烘烤不会造成燕麦营养物质的损失,且直链淀粉含量增加,但可与蛋白质形成复合物并形成刚性结构,以阻碍淀粉酶作用导致的β-葡聚糖含量下降,燕麦粉水解率小幅升高。表3列举了几种加工方式对谷物原料GI值影响的研究结果(均采用体外模拟法测定)。尽管不同研究者采用的GI值测定方法存在一定差异(如参考食物、模拟阶段等不同),导致处理前同种原料(大米粉)的GI值不同,但同一研究者在测定处理前后谷物原料的GI值时所用方法相同,因此可以通过对比不同加工方式处理前后GI值的变化反映加工方式的影响。大米经高压或挤压处理、荞麦经湿热复合酶处理、红小豆经微波处理后GI值均显著降低。因此,在加工低GI产品时,可通过高压蒸煮、挤压、酶处理或微波的方式改善原料的品质和消化特性,但不同原料在不同加工处理下特性的变化仍需进一步研究。


综上所述,谷物原料的GI值常会随加工方式与加工条件的改变而改变,通过采用适当的处理方式增加直链淀粉含量,减少β-葡聚糖、膳食纤维及植物化学成分的损失,是保持或降低其GI值的主要途径。但谷物原料种类多、成分与特性差别大,为此,尚需要针对不同谷物原料的不同特性研究和选择合适的加工处理方式,以保持或降低其GI值。

2.2 加工方式对谷物制品GI值的影响

加工方式对大米制品GI值的影响

大米在制作米饭时可以采用蒸、煮、微波等加工方式。有报道称大米高压蒸煮至半熟,淀粉回生,抗性淀粉含量增加,同时支链淀粉分支分解成直链淀粉,而直链淀粉的线性结构不易被水解,使得GI值下降;微波及微波-超声协同加热制得的米饭淀粉颗粒受破坏程度小,相较于蒸煮米饭具有更低的消化率;在制作米饭时,加水量会影响大米的糊化程度,随加水量的增加,米饭的淀粉消化率和GI值逐渐升高,且米饭的食用品质在大米与水质量比为1∶1.3时达到最优,此米饭GI值为73.95。大米的另一种食用方式是煮粥,糙米通过煮和挤压分别制成粥,测得挤压速食粥的GI值最低。

加工方式对面制品GI值的影响
面制品产品种类繁多,加工方式多样,根据熟制方式,面制品通常划分为蒸煮食品和焙烤食品两大类。面条是我国最重要的面制食品,不同烹饪方式面条的GI值由大到小的顺序为煮、蒸、炒、微波、油炸。研究表明油脂含量增加可提高抗性淀粉含量,一些专用油脂会渗入面条淀粉颗粒内与直链淀粉结合,同时增强面条面筋网络结构,一定程度阻碍淀粉消化,降低GI值。也有研究表明炒面加工过程水分含量低,淀粉-脂肪复合物结晶度高,淀粉消化率和GI值降低。烘烤时间和烘烤温度对GI值具有显著影响。表4列举了几种加工方式对谷物制品GI值影响的研究结果(均采用体外模拟法测定)。由于研究者采用的测定方法差异(如参考食物、模拟阶段等不同),导致测定结果不同,但从表4仍可看出,适当减少蒸煮米饭时的加水量、挤压法制粥、面条经过炒制后再食用、面包采用过夜发酵法配合微波烘烤有助于降低产品的GI值。

综上所述,加工方法对谷物制品GI值的影响较为复杂,但采用适当的加工方式,通过增加直链淀粉含量、产生淀粉-脂肪复合物、减少淀粉颗粒破坏程度、增加体系黏度、改善产品网络结构等,降低淀粉酶和底物的可及性,仍可以达到降低产品GI值的目标。

3 低GI谷物产品研发策略

表5汇总了部分低GI值谷物产品。研究者主要从原料筛选、工艺优化、辅料添加、加工参数调整等方面研究开发低GI产品。目前谷物相关的低GI产品主要包括面条、馒头、面包、饼干、粥、冲调粉及部分饮品等。


3.1 原料筛选、预处理及添加杂粮

用荞麦取代部分米粉制作米线,当荞面对米粉的取代量达到60%时,通过体外模拟测得产品的GI值由85降至67;当鹰嘴豆粉占意大利面原料的25%时,意大利面条的GI值由72.8降至58.9,表明杂粮的添加可以以有效降低产品GI值;梁霞等优化谷物(藜麦、大麦、燕麦)和豆类(鹰嘴豆、绿豆、花生、白芸豆、红小豆)配比,通过体外模拟及感官评价等选定最优配比,并利用人体实验研发出GI值为48的低血糖藜麦八宝粥。一定工艺处理可以改善原料加工品质,原料的预糊化处理可以提高淀粉与各组分之间的黏附作用,从而进一步加工出质地感官更优的面条,将青稞挤压粉、生粉与小麦粉按质量比1∶1∶3混合制成面条,干燥后形成挂面,通过人体实验测得GI值为51。

3.2 优化加工方式

根据制品的不同,可从原料配方、加工方式、加工参数等方面进行优化工艺,一般采用正交或响应面分析,如在制作面包时利用燕麦、荞麦、黑豆、黄豆、红豆等谷物粉为主料,添加乳酸菌、酵母菌发酵面团,通过响应面优化得到面包最佳配方为:发酵时间50 min、水分质量分数50%、黄原胶质量分数0.08%、谷朊粉质量分数5%~10%,由于发酵的作用,产品还原糖含量下降,粮豆富含的膳食纤维形成网络结构,淀粉消化率降低,通过人体实验测得该面包GI值为48.15。

3.3 添加外源性物质

纤维素、蛋白质、酶制剂等外源性物质的添加可以达到降低产品GI值的目的,在利用米粉制作大米煎饼时,用抗性麦芽糊精和三氯蔗糖部分取代米粉和糖,抗性淀粉糊精可形成凝胶增加肠道基质黏度,同时包裹淀粉避免受到水解酶作用,从而有效降低了煎饼GI值(从60.8降到51.9)。在制作小米绿豆面条时,可通过添加谷朊粉填补面筋蛋白缺失的不足,从而改善面条的品质,同时谷朊粉可以阻碍淀粉的消化及延缓人体肠胃对葡萄糖的吸收,从而得到GI值为48.94的低GI面条。

结语

近年来糖尿病和肥胖症患者数量与日俱增,随着大众健康意识的提高,众多学者开始关注GI的研究和低GI食品的开发,目前已在GI值测定方法、低GI谷物相关机理、原料选择、加工方式及产品开发等方面展开深入研究。然而,目前的研究还存在一定不足。因此,今后在以下方面仍需开展深入研究:1)GI值测定方法中人体实验、动物实验及体外模拟实验尚需在测试食物用量标准、测试程序等方面进一步完善并形成统一标准;2)谷物原料内部(营养成分互作、微观结构)及外部(温度、力、水分等)多因素交互作用对GI值影响的研究需进一步强化;3)加工方式对谷物原料及制品的影响可从样品内部因素和加工参数的变化方面进行探究,以便根据原料和制品的目的性选择更合适的加工方法和参数;4)在低GI谷物产品开发方面加大力度,如低GI膨化脆片、速食产品及地方性小吃食品等,同时完善现有的复配粉、专用粉、杂粮面条及诸多小吃等GI值数据;5)加强对GI值相关法律、标准、规范等的进一步修订与完善(包括定义、有效期、测定标准等),建立食物的低GI标签标识制度,方便低GI食物选择及真正做到以GI值指导食物选择,达到防控慢性病、提高居民身体健康水平的目的。

本文《血糖生成指数测定方法及加工方式对谷物血糖 生成指数的影响研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷第11期338-347页,作者:王浩瑞,李小平。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220719-225。