近年来,杂粮食品和全谷物健康食品的研究已成为食品领域关注的热点问题。鹰嘴豆、燕麦、小米和苦荞等杂粮含有膳食纤维、β-葡聚糖、氨基酸、多酚、黄酮等多种成分,赋予了杂粮重要的生理功能,例如调节血糖、血脂、抗氧化、预防热性疾病和心脑血管疾病等[1]。燕麦中含有的燕麦β-葡聚糖是一种重要的植物细胞壁多糖,已被证明具有调节血浆胆固醇和血糖、维持心血管健康等生理功能[2]。有研究显示,燕麦β-葡聚糖可改善胰岛素抵抗作用,从而调节血糖[3]。鹰嘴豆中含有黄酮类物质和D-松醇等,是鹰嘴豆中主要调节血糖的成分[4]。小米是一种无麸质、营养丰富的全谷物食品。与大米和小麦相比,小米具有更低的血糖指数[5]。已有研究证明小米及其制品的体外淀粉消化速率较慢,体内血糖生成指数较低[6]。每日进食小米制品可有效改善糖耐量异常(impaired glucose tolerance,IGT)患者的血糖代谢[7]。药雅俊等[8]的研究显示黄酮类成分(芦丁、异槲皮素)、D-手性肌醇、甾体皂苷、苦荞蛋白等为苦荞降血糖的主要成分。仇菊等[9]的研究显示,苦荞可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维具有改善糖耐量、降低血清及肝脏中脂肪积累的功效。
近年来,挤压熟化方便米饭因食用方便、营养丰富和口味良好等特点深受年轻人的喜爱。为提升方便米饭的食用性和方便性,需要对米饭进行预熟化,双螺杆挤压熟化技术不仅能够实现米饭的预熟,且产品具有营养成分损失少、消化吸收率高等优点[10]。双螺杆挤压膨化机具有输送效率高、温度控制简便、自我清洁能力强、生产能力大等特点。挤压高温瞬时熟化作用可减少热敏性营养物质的损失,同时高温高压条件也能起到有效的消毒、灭菌、防腐作用。原料在挤压腔内经过高温高压瞬时熟化处理,改变了原料组分中大分子营养物质的原有结构,可改善杂粮的适口性和感官品质。
本课题组在前期的研究中以大米粉和小米粉为主料,以燕麦全粉、鹰嘴豆粉和苦荞茶粉为辅料,经过双螺杆挤压熟化处理,得到挤压熟化杂粮大米和杂粮小米,进而开发出一种自热即食的挤压熟化杂粮方便米饭系列产品。经过配方优化,分别得到感官品质较好的4 种杂粮大米饭和4 种杂粮小米饭。目前国内外对重组米的研究主要集中在挤压方便米饭的制备、挤压工艺优化、重组米品质改良以及营养强化米加工等方面[11-12],而对杂粮方便米饭的体外消化特性以及血糖生成指数等方面的研究较少。本研究在课题组前期研究的基础上,对熟化后杂粮米的营养成分和体外消化特性进行研究,从营养和淀粉消化吸收角度评价杂粮米饭,进一步优化产品配方,以期为杂粮速食米饭产品及杂粮功能性食品的开发提供理论依据。
燕麦(裸燕麦,坝莜1号):山西省农业科学院右玉农业试验站提供;鹰嘴豆:山西鑫霏农业科技股份有限公司提供;苦荞茶、β-胡萝卜素:市售;α-淀粉酶(500~1 500 U/mg)、胃蛋白酶(≥2 500 U/mg)、胰脂肪酶(比活8XUSP)、标准葡萄糖:美国Sigma公司;猪胆盐、3·5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)试剂:北京索莱宝科技有限公司;氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氯化镁(MgCl2)、碳酸铵[(NH4)2CO 3]、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氯化钙(CaCl2)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)(均为分析纯):山西瑞谱德科技有限公司。
FW-200A 倾斜式高速万能粉碎机:北京中兴伟业仪器有限公司;分样筛(0.15 mm):新乡市鑫明德机械有限公司;KETSE20/40D型双螺杆挤压膨化机、880110型盘式磨粉机:德国布拉本德公司;ZWY-110X30型水浴摇床:上海智城分析仪器制造有限公司;PHS-2F型pH计:上海雷磁仪器公司;DZW-4型电热恒温水浴锅:常州润华电器有限公司、LXJ-IIB型低速离心机:上海安亭科学仪器厂;Varioskan LUX 酶标仪:美国 Thermo Fisher Scientific 公司;BSA224S-CW 分析天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。
燕麦全粉的制备:取一定量的燕麦,麸皮分离,使用盘式磨粉机磨粉,过60 目筛,麸皮粉碎至60 目后回添。
鹰嘴豆粉、小米粉、大米粉的制备:使用盘式磨粉机磨粉,过60 目筛备用。
1.3.1 不同原料配比杂粮大米复配粉和杂粮小米复配粉的制备
杂粮大米复配粉:将鹰嘴豆粉和燕麦全粉以不同比例添加到大米粉中并混合均匀,具体添加比例见表1。R1为大米粉对照。实际操作中,鹰嘴豆粉和大米粉各占50%组在挤压熟化过程中,成型性较差,不能达到标准,因而未设此组。
表1 4 种杂粮大米复配粉的制备方法
Table 1 Preparation method of four mixed flours of multigrain rice %
样品R1 R2 R3 R4鹰嘴豆粉0 0 10 30燕麦全粉0 50 45 35大米粉100 50 45 35
杂粮小米复配粉:将鹰嘴豆粉和苦荞茶粉以不同比例添加到小米粉中并混合均匀,实际操作中,为使挤压熟化后的杂粮小米饭色泽和成型性良好,分别添加胡萝卜素和谷朊粉。具体添加比例见表2。(M4为小米粉对照)。
表2 4 个杂粮小米复配粉的制备方法
Table 2 Preparation method of four mixed flours of multigrain millet %
样品M1 M2 M3 M4苦荞茶粉10 0 5 0鹰嘴豆粉0 10 5 0胡萝卜素0.3 0.3 0.3 0.3谷朊粉0.5 0.5 0.5 0.5小米粉89.2 89.2 89.2 99.2
1.3.2 挤压熟化杂粮大米、小米的制备
挤压熟化杂粮大米、小米的技术路线见图1。
图1 杂粮大米、小米的制备方法
Fig.1 Preparation method of multigrain rice and millet
挤压熟化参数:杂粮大米粉加水量14 mL,放入双螺杆挤压膨化机进料口,条件设置为Ⅰ区加热温度40 ℃,Ⅱ区加热温度65 ℃,Ⅲ区加热温度90 ℃,Ⅳ区加热温度100 ℃,Ⅴ区加热温度100 ℃,喂料速度分别为17、17、15、13 g/min,螺杆转速70 r/min。杂粮小米粉加水量15 mL,放入双螺杆挤压膨化机进料口,条件设置为Ⅰ区加热温度40 ℃,Ⅱ区加热温度65 ℃,Ⅲ区加热温度90 ℃,Ⅳ区加热温度100 ℃,Ⅴ区加热温度90 ℃,喂料速度为15 g/min,螺杆转速70 r/min。
1.3.3 基础营养成分测定
杂粮挤压熟化粉水分含量测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法。灰分含量参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中的方法测定。粗脂肪含量的测定参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏提取法。粗蛋白含量测定参照GB/T 24901—2010 《粮油检验 玉米粗蛋白质含量测定 近红外法》中的方法测定。碳水化合物含量的测定按照减重法进行。
1.3.4 挤压熟化杂粮大米、小米的体外消化试验
1.3.4.1 原料预处理
挤压熟化杂粮大米、小米用万能粉碎机粉碎后过60 目筛备用。
1.3.4.2 葡萄糖标准曲线的绘制
在万分之一电子天平上称取10 mg的标准葡萄糖放入15 mL的离心管中,加入10 mL蒸馏水配制成1 mg/mL的葡萄糖溶液,梯度稀释成0~1.0 mg/mL的溶液,取6只15 mL离心管,分别加入0~1 mg/mL的标准葡萄糖溶液,之后向每个离心管中再加入2 mL的3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)试剂,沸水浴5 min后取出,冷却至室温后向离心管中加入9 mL蒸馏水,取样于96孔酶标板,放入酶标仪测540 nm处的吸光度。横坐标为标准葡萄糖浓度,纵坐标为吸光度,绘制葡萄糖标准曲线。
1.3.4.3 游离葡萄糖(free glucose,FG)含量的测定
参考徐箐等[13]的方法稍作改动,称取5 g原料,置于150 mL锥形瓶中,加入35 mL蒸馏水,放入水浴摇床,37 ℃、100 r/min避光反应30 min,取出锥形瓶,吸取1 mL样液,利用1.3.4.2的方法测定游离葡萄糖含量。
1.3.4.4 体外消化样液配制
参考Minekus 等[14]的方法并稍作改动,按如下方法配制3 种模拟消化液。模拟口腔消化液(simulated saliva digestive fluid,SSF):取0.5 mol/L的KCl溶液15.1 mL、1 mol/L的NaHCO3溶液6.8 mL、0.15 mol/L的MgCl2溶液0.5 mL、0.5 mol/L的(NH4)2 CO3溶液0.06 mL、0.5 mol/L的KH2PO4溶液3.7 mL于100 mL容量瓶中,用蒸馏水定容至刻度线,摇匀。模拟胃部消化液(simulated gastric digestive fluid,SGF):取0.5 mol/L的KCl溶液6.9 mL、1 mol/L的NaHCO3溶液12.5 mL、2 mol/L的NaCl溶液11.8 mL、0.15 mol/L的MgCl2溶液0.4 mL、0.5 mol/L的(NH4)2 CO3溶液0.5 mL、0.5 mol/L的KH2PO4溶液0.9 mL于100 mL容量瓶中,用蒸馏水定容至刻度线,摇匀。模拟肠道消化液(simulated intestinal digestive fluid,SIF):取0.5 mol/L的KCl溶液6.8 mL、1 mol/L的NaHCO3溶液42.5 mL、2 mol/L的NaCl溶液9.6 mL、0.15 mol/L的MgCl2溶液1.1 mL、0.5 mol/L的KH2PO4溶液0.8 mL于100 mL容量瓶中,用蒸馏水定容至刻度线,摇匀。
α-淀粉酶溶于0.1 mol/L pH6.8的磷酸盐(phosphate buffer saline,PBS)缓冲液配制成1 000 U/mL溶液;胃蛋白酶溶于蒸馏水配制成25 000 U/mL溶液;胰脂肪酶溶于0.1 mol/L pH6.8的PBS缓冲液配制成1 600 U/mL溶液;猪胆盐溶于蒸馏水形成50 mg/mL的猪胆盐饱和溶液。
1.3.4.5 体外模拟消化过程
参考Minekus 等[14]的体外模拟消化过程,每组平行模拟3 次,具体步骤如下。
口腔模拟:称取5 g杂粮米样品放入100 mL锥形瓶中,加入3.5 mL的SSF和0.75 mL的α-淀粉酶溶液(酶活力1 000 U/mL,最终酶活力达到75 U/mL)、25 μL CaCl2溶液和0.725 mL蒸馏水,于摇床37 ℃、100 r/min避光反应2 min。同时称取葡萄糖(等量于5 g原料所含可利用碳水化合物)一同进行试验。每个样品、葡萄糖分别做3 次平行试验。
胃部模拟:待口腔模拟消化阶段结束后,取出锥形瓶后加入7.5 mL的SGF溶液,用3 mol/L的盐酸调节消化液的pH值至2~4,继续加入1.6 mL的胃蛋白酶(酶活力25 000 U/mL,最终酶活力达到2 000 U/mL)和5 μL CaCl2溶液,加入蒸馏水补足10 mL体系。置于摇床37 ℃、100 r/min避光反应120 min。
肠道模拟:向上述经过胃部体外模拟消化的溶液中加入11 mL的SIF溶液和2.5 mL饱和猪胆盐溶液,用1 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7,向其中加入5 mL胰脂肪酶(酶活力1 600 U/mL,最终酶活为200 U/mL)和40 μL CaCl2溶液,加入蒸馏水补足20 mL体系。放入摇床37 ℃、100 r/min避光反应120 min,于0、5、10、20、30、45、60、90、120 min处吸取1 mL消化液于15 mL离心管中,沸水浴5 min灭酶,取出用冷水冲洗至室温,用于还原糖测定。
1.3.5 挤压熟化大米、小米预测血糖生成指数(expected glycemic index,eGI)的测定
1.3.5.1 测定挤压熟化杂粮大米、小米的淀粉酶水解动力学
在体外肠道模拟消化阶段中,于0、5、10、20、30、45、60、90、120 min处吸取1 mL消化液于15 mL离心管中,沸水浴5 min灭酶,取出用冷水冲洗至室温后以4 000 r/min条件离心10 min,吸取0.4 mL上清液,用蒸馏水稀释至合适浓度后吸取1 mL稀释液,测定540 nm处吸光度,利用葡萄糖标准曲线查得还原糖含量,按照下列公式计算水解率(hydrolysis rate,HR)。
式中:H为水解率,%;m为葡萄糖质量,mg;V1为吸取测试样液体积,1 mL;V2为消化液总体积,mL;N为稀释倍数;M为可利用碳水化合物质量,mg;0.9为补足水解成葡萄糖的消耗的水量。
1.3.5.2 原料eGI
计算水解率的曲线下面积(area under curve,AUC)并根据Goñi等[15]的拟合方程计算原料的eGI值,按照下列公式计算。
式中:e为预测血糖生成指数;A1为样品水解率曲线下面积; A2为葡萄糖水解率曲线下面积。
1.3.5.3 消化性能测定
快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)及抗性淀粉(resistant starch,RS)含量参考Englyst等[16]的公式计算。
式中:R为快消化淀粉(RDS)含量,%;S为慢消化淀粉(SDS)含量,%;K为抗性淀粉(RS)含量,%;G20为消化20 min时葡萄糖含量,mg/mL;F为未消化时游离葡萄糖含量,mg/mL;G120为消化120 min时葡萄糖含量,mg/mL;T为样品中总淀粉含量,mg/mL。
所有指标重复测定3 次,水解率的曲线下面积(AUC)采用GraphPad Prism 8软件表征数据和图表,采用SPSS 20进行描述性统计量分析和方差分析。
杂粮米的营养成分含量如表3所示。
表3 杂粮米的营养成分含量
Table 3 Nutrient composition content of multigrain rice and millet
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
样品R1 R2 R3 R4 M1 M2 M3 M4水分/(g/100 g)14.11±0.26a 13.64±0.17a 12.62±0.36b 12.51±0.40b 12.70±0.36b 12.63±0.61b 12.28±0.30bc 11.75±0.79c粗蛋白/(g/100 g)8.74±0.18e 9.24±0.19d 10.10±0.14c 9.89±0.12c 12.10±0.16ab 12.30±0.11a 10.20±0.10c 11.90±0.24b粗脂肪/(g/100 g)0.87±0.11d 4.20±0.11c 4.77±0.23ab 5.01±0.18a 4.49±0.14bc 4.57±0.23b 4.70±0.21ab 4.97±0.21a灰分/(g/100 g)0.28±0.03c 0.98±0.13b 1.13±0.12b 1.42±0.16a 1.12±0.11b 1.05±0.14b 1.12±0.14b 1.05±0.16b碳水化合物/(g/100 g)76.01±1.04a 72.09±1.28b 71.42±1.74b 71.20±1.74b 69.63±1.83b 69.56±1.37b 71.87±1.66b 70.44±1.73b
由表3可知,杂粮添加能提高挤压熟化杂粮米的营养成分含量,其中添加30%鹰嘴豆粉和35%燕麦全粉的杂粮大米营养成分含量提高最为显著,具体为粗脂肪含量由0.87%提高到5.01%、粗蛋白含量由8.74%提高到9.89%、灰分含量由0.28%提高到1.42%。比较4 种杂粮大米的数据可知,随着杂粮米中大米和燕麦全粉含量的降低和鹰嘴豆含量的提高,杂粮米的营养成分含量整体呈现升高的趋势,其中,粗蛋白含量最优的配比为10%鹰嘴豆粉,45%燕麦全粉,45%大米粉;粗脂肪含量最优的配比为30%鹰嘴豆粉,35%燕麦全粉,35%大米粉。可见,鹰嘴豆和燕麦的添加均可提高挤压熟化大米饭的营养成分含量。
由表3可知,对杂粮小米而言,M1和M4相比,添加10%的苦荞茶粉增加了杂粮米饭的粗蛋白含量和灰分含量,其中粗蛋白含量由11.90%提高到12.10%,灰分含量由1.05%提高到1.12%。M2和M4相比,添加10%的鹰嘴豆粉增加了杂粮米的粗蛋白含量,由11.90%提高到12.30%。M3和M4相比,添加5%的苦荞茶粉和5%的鹰嘴豆粉增加了杂粮米的碳水化合物含量,由70.44%提高到71.87%。综上表明添加苦荞茶和鹰嘴豆粉可提高杂粮小米的营养成分含量。
不同杂粮添加量对杂粮米淀粉营养片段的影响见表4。
表4 不同杂粮添加量对杂粮米淀粉营养片段的影响
Table 4 Effect of different multigrain dosages on starch nutrient fragments of multigrain rice and millet
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
样品R1 R2 R3 R4 M1 M2 M3 M4 RDS含量/%62.06±2.47a 43.64±4.32d 55.08±2.44bc 57.46±3.33ab 46.97±2.92d 59.97±3.82ab 57.42±1.16ab 49.10±3.22cd SDS含量/%22.32±3.23a 10.18±2.76bc 6.89±0.61c 13.61±0.87b 13.78±2.69b 12.09±0.98bc 8.93±0.87bc 13.30±3.66b RS含量/%15.63±1.41d 46.18±2.68a 38.03±5.41b 28.93±3.27c 39.25±5.34ab 27.93±3.18c 33.65±1.78bc 37.60±5.46b
根据淀粉的生物可利用性和消化时间的不同,可将淀粉分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)3 种营养片段。由表4可知,不同杂粮添加量的杂粮米与纯大米对照相比淀粉营养片段含量存在明显差异。比较4 种杂粮大米的数据可知,添加燕麦全粉和鹰嘴豆粉均能降低杂粮大米饭的RDS含量,提高RS含量。说明添加燕麦全粉和鹰嘴豆粉降低了杂粮大米饭在体内的消化速率。添加50%燕麦全粉的杂粮大米的RDS含量最低,而且RS含量最高,分别为43.64%和46.18%,与大米粉对照相比,RDS含量降低了29.68%,RS含量提高了195.46%,其对杂粮大米的影响最大。这可能是由燕麦全粉中燕麦淀粉的营养片段特征造成的,比如淀粉中直链淀粉的含量与直链淀粉和支链淀粉的比例等,且燕麦全粉中包含燕麦麸皮,燕麦麸皮含有大量膳食纤维,一定程度上影响杂粮大米饭的消化速率。邓慧清等[1]的研究结果显示,添加燕麦麸皮对挤压杂粮重组米的RDS、SDS和RS含量的影响最大,与本研究的结果一致。4 种挤压熟化小米的RDS含量均低于纯大米粉对照,说明杂粮饭的消化速率低于大米饭。
相同条件下不同添加量杂粮大米、小米的体外淀粉消化水解曲线如图2所示。
图2 不同添加量杂粮大米、小米体外消化的水解率曲线
Fig.2 Hydrolysis rate curve of multigrain rice and millet digested in vitro with different addition dosages
a.4 种杂粮大米的淀粉消化水解率曲线;b.4 种杂粮小米的淀粉消化水解率曲线。
由图2可知,不同样品的淀粉消化水解的整体趋势基本一致。在体外模拟消化过程中,10~20 min消化速率最快,这是由于在口腔和胃部模拟消化时,加入了α-淀粉酶和胃蛋白酶,对淀粉和蛋白质进行酶解,减弱了蛋白质对淀粉的包裹作用。使淀粉酶更容易进入淀粉分子内部进行水解,因此水解速率迅速升高[17]。20 min后消化速率逐渐降低,120 min左右趋于平缓。可以看出,样品R2和R3的水解率低于大米粉对照,说明适量的杂粮添加可以降低大米饭的消化速率,而样品R2的消化水解率是杂粮大米中最低的,说明50%燕麦全粉的添加可以降低杂粮大米饭的消化速率,这与杂粮大米中不同淀粉营养片段含量(RDS、SDS、RS)的试验结果的指向一致。不同杂粮添加量的小米的淀粉水解率曲线区别不明显。
不同米样的杂粮米的预测血糖生成指数如图3所示。
图3 不同杂粮米的eGI值
Fig.3 eGI value of different multigrain rice and millet
各米样的杂粮米经过双螺杆挤压熟化作用,受到高温、高压和高剪切作用,淀粉双螺旋结构不断打断,分子链有序性降低[18],导致淀粉分子更容易被消化,从而eGI值升高。由图3可知,杂粮大米、小米的eGI值有明显差异,说明添加杂粮可明显影响挤压熟化杂粮米的预测血糖生成指数,其中添加50%燕麦全粉的杂粮大米的eGI值差异最明显,与大米粉对照相比eGI值降低了26.34%。添加10%苦荞茶粉的杂粮小米的eGI 值和小米粉对照相比降低了9.36%,可能是由于小米本身属于中GI食物,且添加的苦荞茶粉和鹰嘴豆粉的比例较低,对杂粮小米整体的eGI 值影响不大。
以R2作为试验组,即添加50%燕麦全粉的杂粮大米,其基本营养组分和淀粉营养片段与预测血糖生成指数的相关性分析如表5所示。
表5 杂粮米基本营养组分和淀粉营养片段与eGI值相关性分析
Table 5 Correlation analysis of basic nutrient composition,starch nutrient fragments,and eGI values of multigrain rice and millet
注:*表示在0.05水平(双侧)具有显著相关。
粗蛋白含量0.023粗脂肪含量-0.554灰分含量-0.554碳水化合物含量0.436 RS含量-0.811*RDS含量0.620
由表5可知,基本营养组分与eGI值相关性不显著,而对于淀粉营养片段,抗性淀粉含量与eGI值显著负相关(p<0.05)。这与燕子豪等[19]的研究结果一致。这是由于RS不易消化的特性,RS含量越高,eGI值相对会较低。RS是在人体小肠内不能被消化吸收,但是可以在大肠内被肠道微生物部分发酵的淀粉,可以有效降低GI值[19]。以R2作为试验组是由于R2添加杂粮的比例是最高的,且由淀粉营养片段的测定显示,R2 组的RDS含量显著降低、RS含量显著提高,在这4 组杂粮大米和4 组杂粮小米中是最具代表性的。而且燕麦全粉中含有麸皮,其中含有大量膳食纤维,对杂粮大米的消化特性有较大的影响。
本文研究了挤压熟化杂粮米的营养和体外消化特性,结果发现,添加杂粮能提高挤压熟化杂粮米的营养成分含量,其中粗脂肪含量由0.87%升至5.01%,粗蛋白含量由8.74%提高至9.89%。不同杂粮添加量的杂粮米饭之间淀粉营养片段含量存在明显差异。添加杂粮均能提高挤压熟化米饭RS 含量,降低RDS 含量和淀粉消化水解率,其中添加50%燕麦全粉对挤压熟化杂粮米的影响最大,RS含量提高了195.46%,RDS含量降低了29.68%。添加杂粮能明显降低挤压熟化米的eGI值,其中添加50%燕麦全粉的eGI降低了26.34%。挤压熟化米中抗性淀粉(RS)含量与eGI值显著负相关(p<0.05)。
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