杂粮原料对其挂面淀粉消化性的影响及内在因素研究

刘飞雁 朱科学 郭晓娜

(江南大学食品学院，无锡 214122)

近年来，随着生活水平的日益提高和膳食结构的改变，糖尿病、肥胖症等慢性代谢疾病患病率不断上升，人们越来越关注食品的营养性和健康性。挂面是我国的传统主食之一，因其保质期长、食用方便、适口性好而深受消费者的喜爱[1]。传统的市售面条产品大多采用精白小麦粉制作而成，虽然具有良好的感官品质和蒸煮品质，但精细化加工会导致“主营养过剩、微量营养素缺失”等问题，食用后易引起较高的餐后血糖反应，不适于糖尿病人食用。杂粮含有丰富的膳食纤维和多种功能活性物质，利用杂粮制作面条，既能满足消费者对营养健康的需求，又能为开发功能性的主食食品提供参考。

目前，国内外关于杂粮淀粉消化性的研究主要集中于比较杂粮品种或单一的活性成分和外源性添加剂对其全粉或纯淀粉的影响[2-4]，鲜见将杂粮面制品作为整体来分析研究其消化特性。此外，研究者们关注的大多是原料、工艺和改良剂对产品消化性能的影响结果，但对其影响杂粮面制品消化规律的具体作用机制的研究仍较少。影响杂粮面制品中淀粉消化性的因素有很多，可分为内在因素和外在因素，内在因素主要指食物中淀粉自身的理化性质和食物中其他组分与淀粉的相互作用。然而，目前关于内在组分(淀粉自身结构和杂粮全粉中其他组分)对杂粮面条消化性能的系统研究鲜有报道，尚没有统一的观点，因此需要进一步探讨影响杂粮面条淀粉消化性差异的内在因素。本研究拟采用体外模拟消化的方法，通过测定不同种类杂粮挂面的体外淀粉消化特性的差异，以分析淀粉、脂肪和酚类物质等内源性组分对面条淀粉消化特性的影响，进而从多方面探讨造成面条消化性差异的原因，以期为有效调控杂粮面条淀粉消化特性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

金龙鱼多用途麦芯粉(水分13.40%，蛋白质11.85%，灰分0.42%，湿面筋32.64%)、高粱粉、燕麦粉、苦荞粉、青稞粉、大麦粉。谷物籽粒经磨碎过80目标准筛。

胃蛋白酶(P7000-250 U/mg)、α-淀粉酶(10 080～50 U/mg)、淀粉葡糖苷酶(10 115～70 U/mg)、胰蛋白酶(T0303-18 000 BAEE U/mg)、葡萄糖试剂盒，其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JHMZ 200型针式和面机，JMTD-168/140型试验面条机，SYT-030型智能挂面干燥实验台，TU-1810S型紫外可见分光光度计，DSC-8500差示扫描量热仪，D2 PHASER型X-射线衍射仪，S10型傅里叶变换红外光谱仪。

1.3 方法

1.3.1 杂粮挂面的制作

称取一定量混匀的小麦粉和杂粮粉(1∶1)于和面机中，加适量水后和面7 min，和好的面絮在30 ℃静置熟化30 min后，用面条机将其逐步压延成0.8 mm的面带，并切成2.0 mm宽的长条。最后将面条于五段式智能干燥系统(主干燥区温度45 ℃，总干燥时间210 min)中烘干至含水量为(12.00±0.10)%。

1.3.2 直链淀粉含量测定

参照Carolina等[5]方法并稍作修改。准确称取100 mg经脱脂及水分平衡后的样品于100 mL锥形瓶中，依次加入1.0 mL 95%乙醇和9.0 mL 1 mol/L氢氧化钠溶液，摇匀后在沸水浴中加热10 min，冷却至室温，转入100 mL容量瓶中定容。吸取5 mL提取液于100 mL容量瓶中，然后加入1.0 ml 1 mol/L的乙酸溶液并摇匀，再加入2.0 mL碘试剂，加水定容至刻度并剧烈摇匀，静置10 min后在620 nm波长下测定其吸光值，根据标准曲线计算样品直链淀粉含量。

1.3.3 淀粉热特性测定

参照Chrastil[6]的方法并略加修改，利用差示扫描量热仪(DSC)进行测定。称取约2 mg杂粮粉于DSC坩埚中，加入适量蒸馏水，样品与水比例为1∶3。制好的样品于4 ℃条件下平衡过夜。测定时以空坩埚为对照，升温程序设定为从30 ℃以10 ℃/min升温至120 ℃。

1.3.4 淀粉短程有序性测定

参照Mutungi等[7]的方法并稍作修改。称取煮后挂面冻干样品和溴化钾晶体，按1∶50的比例充分混合，于玛瑙研钵中研磨精细。定量称取150 mg混合样品压成透明薄片，置于傅里叶红外光谱仪中，扣除空白背景，以透射模式进行全波长扫描。扫描范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为16，分辨率为4 cm-1。利用Omnic软件进行光谱处理，对800～1 200 cm-1范围内的谱图进行傅里叶自动去卷积处理，半峰宽和增强因子分别为19 cm-1和2.1。

1.3.5 淀粉相对结晶度测定

采用X-射线衍射仪对煮后挂面冻干样品进行扫描测定。测定条件：靶型为Cu Kα，电压30 kV，电流10 mA，扫描速度为2(°)/min，扫描范围2θ为4°～35°，扫描步长为0.02°。所得图谱利用MDI Jade 6.0软件进行处理并计算相对结晶度。相对结晶度是结晶区面积与全部衍射区域面积之比。

1.3.6 总酚含量测定

分别称取0.5 g生、熟面条粉于10 mL离心管中，加入5 mL于70 ℃下提前预热30 min的70%甲醇溶液，漩涡混匀后于70 ℃水浴下振荡提取10 min，取出后冷却至室温，于3 500 r/min下离心10 min，上清液转移至10 mL容量瓶，残渣用5 mL的70%甲醇重复提取1次，合并提取液，用70%甲醇定容后备用。移取1 mL提取液于试管内，加入4.5 mL福林酚试剂，摇匀，反应3～8 min内，加入4.5 mL 7.5%Na2CO3溶液，摇匀，室温下放置60 min，在765 nm测吸光度，绘制没食子酸标准曲线计算总酚含量[8]。

1.3.7 脱酚杂粮粉的制备

参照González-Pérez等[9]的方法并略加修改。称取一定量杂粮全粉于烧杯中，按1∶20比例加入70%甲醇，于室温下磁力搅拌4 h，4 000 g下离心10 min，弃去上清液，重复操作4次，直至滴入稀碱溶液后上清液不变黄色，将所得沉淀物置于通风橱内约24 h至溶剂完全挥发，粉碎过80目筛装袋备用。

1.3.8 脱脂杂粮粉的制备

将适量杂粮全粉置于烧杯中，按1∶5比例加入正己烷浸泡脱脂，于室温下磁力搅拌8 h后，弃去正己烷，重复操作3次，直至加入正己烷后上清液不呈黄色，将所得沉淀物平铺于平皿中，置于通风橱中约24 h待溶剂完全挥发，粉碎过80目筛装袋备用。

1.3.9 面条体外淀粉消化特性测定

参照Englyst等[10]的方法并加以修改。将煮后挂面(参照AACC 66—50.01将面条煮至最佳蒸煮时间)切成2.5 mm的小段，称取含干基淀粉200 mg左右的样品于50 mL离心管中，然后加入5 mL胃蛋白酶溶液(2 500 U/mL)，在37 ℃下水浴振荡30 min(200 r/min)，消化完后加入5 mL 0.01 mol/L NaOH溶液和15 mL 0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH 6.8)，然后加入5 mL α-淀粉酶溶液(250 U/mL)，0.1 mL淀粉葡糖苷酶溶液(3 000 U/mL)和1.0 mL胰蛋白酶溶液(1 mg/mL)，样品在37 ℃下水浴振荡3 h(200 r/min)，分别在0、20、60、120、150和180 min下取出0.1 mL消化液，加入0.3 mL无水乙醇抑制酶的活性，然后在10 000 g下离心10 min，用葡萄糖试剂盒测定葡萄糖含量。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量按照公式计算：

RDS=(G20-G0)×0.9×100%

SDS=(G120-G20)×0.9×100%

RS=100%-RDS- SDS

1.3.10 淀粉消化动力学常数和估计血糖指数(eGI)的测定

参照Goni等[11]的方法采用非线性一级速率方程Ct=C∞(1-e-kt)对淀粉消化曲线进行拟合，Ct表示在消化时间t时的淀粉水解量，C∞表示在消化终点时淀粉水解的量，k为一阶动力学常数。曲线下面积的计算公式为AUC=C∞(tf-t0)-(C∞/k) [1-exp-k(tf-t0)]，水解指数(HI)定义为：测试样品的水解曲线下面积与白面包的水解曲线下面积的比值。eGI计算公式为eGI=0.862×HI+8.198[12]。

1.3.11 数据统计与分析

采用Origin 8.5对数据进行分析和绘图，采用SPSS 16.0对数据进行方差分析，选取Duncan测试在P<0.05检验水平下进行显著性分析；所有数据均为3次以上独立实验结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 杂粮粉基本成分分析

面制品的营养成分由所使用的原料决定。本实验在查阅国内外低GI食品配料相关研究的基础上，选择苦荞、燕麦、高粱、大麦和青稞5种杂粮作为实验原料进行研究。5种杂粮粉的基本成分如表1所示，所选的杂粮各个成分之间均存在一定的差异性。燕麦和高粱蛋白质含量较高，大麦蛋白质含量最低。杂粮总淀粉质量分数在56.36%～77.76%之间，其中高粱最高，其次是苦荞、大麦、青稞和燕麦，但其脂肪质理分数显著低于其他4种杂粮(P<0.05)。杂粮直链淀粉和脂肪质量分数分别在26.39%～33.90%和1.66%～8.71%之间，其中燕麦的直链淀粉和脂肪含量均明显高于其他种类杂粮。

表1 杂粮粉基本成分(干基)

2.2 不同种类杂粮挂面体外淀粉消化特性比较分析

图1分析比较了不同种类杂粮挂面的体外淀粉消化特性。如图1a所示，5种杂粮挂面的淀粉消化趋势大体一致，在消化的前20 min，淀粉水解率均快速增加，在随后的消化过程中，水解速率减慢。然而，杂粮原料种类对其挂面的淀粉消化速率影响较大，5种杂粮挂面最终的淀粉消化率分别是69.70%、67.20%、64.01%、71.98%和69.23%。青稞和大麦挂面呈现较高的淀粉水解率，高粱挂面淀粉消化进程整体最低。由图1b可知，高粱挂面RDS含量最低，但5种挂面RDS之间无明显差异；RS含量大小顺序为高粱>燕麦>苦荞>青稞>大麦，其中高粱挂面RS含量显著高于其他4种挂面(P<0.05)，这可能与高粱醇溶蛋白与淀粉之间的相互作用及其含有的单宁物质有关[13]。已有研究表明，淀粉的消化性受多种因素的影响，包括直链淀粉含量、淀粉分子有序结构、结晶程度以及淀粉表面结合的蛋白和脂类等[14]。与其他3种杂粮相比，高粱和燕麦中直链淀粉和蛋白质含量较高，淀粉与蛋白质结合相对紧密，这在一定程度上阻碍了淀粉的水解。

图1 不同种类杂粮挂面的体外淀粉消化率及RDS、SDS和RS含量分布

2.3 不同种类杂粮挂面消化动力学和eGI分析

表2为不同种类杂粮挂面淀粉消化曲线的动力学方程特征值。样品的水解速率与时间关系拟合曲线的相关系数R2在0.978 4～0.981 2之间，表明所有样品的消化进程均符合一阶动力学方程。5种杂粮挂面的平衡浓度C∞和血糖指数eGI大小顺序为高粱<燕麦<苦荞<青稞<大麦，说明在消化开始时高粱挂面的消化速率最慢，这与体外淀粉消化率的结果相吻合。这可能是由于杂粮原料的淀粉结构以及组分间的相互作用差异导致。除大麦挂面属于高GI食物外，其余4种杂粮挂面均属于中GI食物。有研究表明，GI值与RDS含量呈正相关，与RS含量呈负相关，这与RDS和RS含量测定结果相一致。

表2 不同种类杂粮挂面淀粉消化动力学常数和eGI值

2.4 不同种类杂粮挂面淀粉理化特性分析

淀粉消化性与淀粉自身结构(直链淀粉含量、淀粉糊化程度、结晶程度和有序结构等)密切相关[15]。由表3可知，杂粮粉的To、Tp和Tc范围分别是56.19～65.91 ℃，60.47～71.43 ℃和65.24～75.96 ℃，5种杂粮粉糊化温度之间存在显著差异(P<0.05)。面条在煮制过程中淀粉会发生糊化，结构遭到破坏，使得淀粉颗粒更易受到消化酶的攻击。青稞和大麦粉的糊化温度明显较低，说明在相同的糊化条件下，青稞淀粉和大米淀粉的结构更易遭到破坏，其淀粉的早期糊化会促进α-淀粉酶攻击的敏感性[16]，这与本研究中青稞和大麦挂面的消化率和eGI值相对较高的结果相一致。高粱的糊化温度和糊化焓值均显著高于(P<0.05)其他杂粮，可能是其具有较高的淀粉结晶度和短程有序程度有关，进而使高粱挂面具有相对较低的淀粉消化率。然而，由于燕麦粉的糊化温度明显低于苦荞和大麦粉的糊化温度，因此糊化程度并不足以完全解释燕麦挂面较低的淀粉消化速率和eGI值。这可能与燕麦含有较高含量的β-葡聚糖有关，能够通过体系的黏度效应来减缓淀粉的酶解速率[17]。此外，燕麦脂肪含量较高，在加热过程中易形成淀粉-脂肪复合物，使得具有较强的抵抗消化酶的能力。

在傅里叶红外光谱中，1 047 cm-1和1 022 cm-1分别表征淀粉的结晶区和无定形区结构，995 cm-1与淀粉分子羟基间形成的氢键结构有关。1 047/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1峰强度比值可作为淀粉有序结构和氢键强度的指标[18]。由表3可见，煮后杂粮挂面在1 047/1 022 cm-1处的比值大小顺序为高粱>燕麦>苦荞>青稞>大麦，在1 022/995 cm-1处的比值大小顺序为高粱<燕麦<苦荞<青稞<大麦，表明高粱挂面具有较多的短程有序结构和较强的氢键强度，这与高粱挂面淀粉消化率较低的结果相一致。煮后杂粮挂面中淀粉的相对结晶度在6.65%～10.85%之间波动。燕麦挂面表现出明显较高的相对结晶度，而青稞和大麦挂面淀粉的相对结晶度显著低于(P<0.05)其他3种杂粮挂面。这可能与直链淀粉含量有关，高直链淀粉的结晶结构具有较高的稳定性，且含有较多的直链淀粉-脂质复合物，从而使淀粉的结构不易遭到破坏，酶解程度降低[19]。由直链淀粉含量可知，高粱和燕麦挂面直链淀粉含量最高，苦荞挂面最低。有研究表明，淀粉的抗消化能力与直链淀粉含量有关，直链淀粉含量越高，其抗消化能力越强[20]。

2.5 杂粮内源性酚类物质对其挂面淀粉消化性的影响

研究表明，膳食多酚可显著抑制淀粉的消化吸收速度[21]。图2a比较了不同种类生熟杂粮挂面的总酚含量。由图2a可知，对生面条而言，不同种类杂粮挂面总酚含量存在明显差异。荞麦挂面总酚含量显著高于(P<0.05)其他四种杂粮挂面，高粱和燕麦挂面总酚含量相对较低，这与前人报道的结果相符合。煮制过程对面条总酚含量的变化有很大影响，从生面条到熟面条，5种杂粮挂面总酚含量均有明显的下降。黄酮类化合物具有热敏性，总酚含量的降低与黄酮类化合物的热损伤有很大关系[22]。总酚含量的降低可能是由于谷物中酚酸转化及酚类化合物结构破坏引起的。在煮制过程中，谷物中的酚酸可以从结合态转变为游离态，而较高的温度会导致游离酚类物质的降解。虽然除荞麦挂面外，其余4种杂粮挂面在煮制后的总酚含量无显著差异(P<0.05)，但其下降幅度有明显不同。总酚含量下降范围为32.29%～48.14%，燕麦挂面变化最小，青稞和大麦挂面变化较大，这可能是由于面条本身网络结构不同或多酚与蛋白/淀粉间的相互作用导致酚类物质在煮制水中浸出程度有所差异[23]。

表3 不同种类杂粮挂面淀粉结构与性质比较

图2b为脱除酚类物质的杂粮粉制得的杂粮挂面的体外淀粉消化曲线。5种脱酚样品的最终淀粉消化率依次为：苦荞>大麦>青稞>高粱>燕麦。与未处理样品相比，脱酚后5种杂粮面条的淀粉消化率均呈增加的趋势，苦荞和高粱挂面的增加幅度最大。这种变化差异可能与杂粮酚类物质的含量和组成有关。此外，由表4可知，脱酚后杂粮挂面RDS含量和eGI值明显升高，RS含量明显降低。说明酚类物质在一定程度上可以减缓淀粉的消化速率，降低餐后血糖反应。这一方面是由于多酚与淀粉会发生相互作用，形成的多酚-淀粉复合物可以降低淀粉的消化性能；另一方面，多酚可以与消化酶分子结合，从而抑制α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶的活性，进一步降低淀粉的水解速率。

图2 不同种类杂粮挂面总酚含量及脱酚对杂粮挂面淀粉消化率的影响

表4 脱酚对杂粮挂面淀粉消化特性和eGI值的影响

2.6 杂粮内源性脂肪对其挂面淀粉消化特性的影响

内源性脂肪对面条淀粉消化率和eGI也有一定的影响。图3为杂粮粉脱脂后制成的杂粮挂面的体外淀粉消化曲线。在消化前期，所有样品均呈现较高的淀粉水解速率，随后水解速率逐渐减缓。由图3可知，消化180 min后，5种脱脂样品的淀粉消化率依次为：高粱(68.81%)<苦荞(71.08%)<燕麦(72.16%)<青稞(73.38%)<大麦(74.49%)。结果表明，杂粮脱脂后，5种面条的淀粉消化率均明显升高，说明杂粮内源性脂肪对淀粉消化率有一定的抑制作用。这可能是由于淀粉与脂质间存在相互作用，能够降低淀粉颗粒的膨胀性，从而使酶难以进入颗粒内部，并且与直链淀粉相比，加热过程中形成的直链淀粉-脂质复合物更能抵抗消化酶[24]。因此，将脂肪脱除后，面条的淀粉消化率会明显升高，且变化程度与脂肪含量及复合物的形成程度有关。由表5可知，杂粮脱脂后，5种杂粮挂面RDS质量增加了6.64%～14.67%，RS质量降低了8.85%～14.44%，eGI值升高了3.58%～10.17%；说明脱脂对面条淀粉消化特性和血糖生成指数影响较为明显。对SDS而言，脱脂后，高粱挂面的SDS含量均略有增加，可能是由于RS转变成SDS所致，而其他4种杂粮挂面SDS含量变化并不明显，这可能与杂粮组分之间的相互作用有关。

图3 脱脂对不同种类杂粮挂面淀粉消化率的影响

表5 脱脂对不同种类杂粮挂面淀粉消化特性和eGI值的影响

3 结论

体外模拟消化实验结果表明，高粱、燕麦和苦荞挂面的淀粉消化速率明显低于青稞和大麦挂面，除大麦挂面属于高GI食物外，其余4种杂粮挂面均属于中GI食物。通过对5种杂粮挂面淀粉理化性质表征得出：燕麦和高粱挂面直链淀粉含量显著高于其他3种挂面(P<0.05)；高粱糊化温度和糊化焓最高，青稞糊化温度最低，燕麦糊化焓最低；燕麦挂面淀粉相对结晶度最高，大麦挂面最低；5种杂粮挂面淀粉短程有序结构存在明显差异，1 047/1 022 cm-1峰强度比值大小顺序为高粱>燕麦>苦荞>青稞>大麦。这些结构差异在一定程度上解释了杂粮挂面淀粉消化性的不同。对5种杂粮挂面总酚含量分析可知，从生面条到熟面条，杂粮挂面总酚含量均明显降低，但降低幅度有所差异，青稞和大麦挂面下降幅度较大，这可能与面条本身网络结构紧密程度不同有关。对杂粮进行脱酚、脱脂处理后，面条的淀粉消化率均明显升高，表明内源性酚类物质和脂肪在一定程度上能够减缓淀粉的消化速率。