楊小雪 王麗麗 丁 嵐 周閑容 李春紅 周素梅

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

紅小豆(Vignaangularis)又稱(chēng)赤小豆或飯豆，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，是蛋白質(zhì)、碳水化合物以及維生素和礦物質(zhì)的良好來(lái)源[1]，且含有抑菌[2]、抗癌[3]、降高血壓[4]和膽固醇[5]等作用的多種生物活性物質(zhì)。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)紅小豆屬于低血糖生成指數(shù)食物[6，7]，可有效改善餐后血糖負(fù)荷。劉芳等[8]研究發(fā)現(xiàn)紅小豆與粳米混合蒸煮食用，能顯著降低粳米淀粉消化速度，不同的加工處理會(huì)引起紅小豆的血糖指數(shù)變化，其中，烹調(diào)前的粉碎處理和采用高壓烹調(diào)方式均會(huì)升高紅小豆的血糖反應(yīng)，但仍顯著低于粳米。

目前，紅小豆的加工方式主要包括蒸煮加工、微波加工、滾筒加工和擠壓加工。在加工過(guò)程中，豆類(lèi)食品中的各物質(zhì)會(huì)發(fā)生許多物理化學(xué)變化，淀粉主要發(fā)生糊化。不同加工方式可能導(dǎo)致淀粉不同的糊化程度，如即食麥片[9]，由于水分含量有限或加熱不充分終產(chǎn)物會(huì)殘留未完全糊化的淀粉。一般，淀粉的消化速度隨糊化度升高而升高，完全糊化淀粉的消化速度顯著高于生淀粉的消化速度，而淀粉在不完全的糊化時(shí)，其消化速度和血糖反應(yīng)也較之完全糊化淀粉低[10]，所以加工方式可能通過(guò)影響淀粉的糊化程度影響淀粉的消化性。另外，豆類(lèi)食品所含抗性淀粉為物理包埋淀粉，其淀粉顆粒被蛋白質(zhì)或細(xì)胞壁包圍，致使淀粉較難被消化，所以在加工過(guò)程造成的產(chǎn)品不同的顆粒形態(tài)也可能對(duì)淀粉消化性產(chǎn)生影響。因此，探討不同加工方式對(duì)紅小豆eGI值的影響及其機(jī)理，對(duì)于開(kāi)發(fā)低GI食品的研究方向有指導(dǎo)作用。

本研究擬選取即食紅小豆粉，比較研究4種加工方式對(duì)產(chǎn)品的理化性質(zhì)和eGI，并從淀粉的糊化性質(zhì)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化、紅小豆粉的顆粒狀態(tài)與微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化等方面，揭示不同加工方式下紅小豆淀粉消化性和血糖生成指數(shù)的影響因素。對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)紅小豆食品的后期加工以及為糖尿病、肥胖癥患者提供低GI食品具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅小豆(冀紅0015，河北農(nóng)科院)、總淀粉檢測(cè)試劑盒、葡萄糖檢測(cè)試劑盒、淀粉葡萄糖苷酶(AMG，3 260 U/mL)、α-淀粉酶(10 U/mg)、胃蛋白酶(3 200 U/mg)、豬胰酶(4×USP)。

1.2 儀器與設(shè)備

SU8010掃描電子顯微鏡，Motic BA310Pol偏光顯微鏡，D8 ADVANCE X-射線(xiàn)衍射儀，TA Q200差示掃描量熱儀，M1-L213B微波爐，DSE-25型雙螺桿擠壓機(jī)，HG-800型滾筒干燥機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 紅小豆粉加工工藝

采取4種加工方式對(duì)紅小豆進(jìn)行加工，產(chǎn)品達(dá)到95 ℃以上熱水沖泡即食的要求，或稱(chēng)即食紅小豆粉。

微波加工工藝(MC)：取100 g紅小豆，以紅小豆∶水為1∶3的比例在4 ℃浸泡12 h；瀝干水分，置于微波爐中，在700 W功率下加熱7 min；冷卻、粉碎，過(guò)60目篩，得MC法即食紅小豆樣品。

蒸煮加工工藝(SC)：取100 g紅小豆，以紅小豆∶水為1∶3的比例在4 ℃浸泡24 h；瀝干水分，入蒸鍋蒸制30 min，取出冷卻、冷凍干燥；粉碎，過(guò)60目篩，得SC法即食紅小豆樣品。

滾筒加工工藝(RC)：取100 g紅小豆，經(jīng)干法粉碎后過(guò)60目篩；加水調(diào)漿(40%料液濃度)，膠體磨均質(zhì)；經(jīng)滾筒干燥機(jī)(150 ℃)加工，物料收集，冷卻、粉碎，過(guò)60目篩，得RC法即食紅小豆樣品。

擠壓加工工藝(EC)：取100 g紅小豆，經(jīng)干法粉碎后過(guò)60目篩；加水調(diào)質(zhì)(添加～20%水分)，經(jīng)雙螺桿擠出系統(tǒng)，擠壓機(jī)升溫程序：50 ℃—60 ℃—70 ℃—80 ℃—100 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速：160 r/min；收集擠出物，于40 ℃的恒溫烘箱中干燥12 h，冷卻、粉碎，過(guò)60目篩，得EC法即食紅小豆樣品。

對(duì)照樣品的制備：取100 g紅小豆原料，經(jīng)干法粉碎后過(guò)60目篩，即得生紅小豆粉(FC)。另采用Chung等[11]的方法提取紅小豆淀粉(S)。

1.3.2 掃描電鏡觀(guān)察

將不同的紅小豆粉末樣品直接涂在覆蓋有雙面粘合碳帶的圓形金屬短棒上，然后通過(guò)濺射涂布機(jī)涂鉑金，放入掃描電鏡樣品室，電子槍加速電壓為10 kV，在100倍及1 000倍放大倍數(shù)下觀(guān)察。以FC作為對(duì)照樣品。

1.3.3 光學(xué)顯微鏡觀(guān)察

將樣品加入蒸餾水制成懸濁液，吸取1滴液體于載玻片上并蓋上蓋玻片放置于顯微鏡載物臺(tái)，選擇放大倍數(shù)為100倍，并調(diào)節(jié)至合適的光亮度，在正常光以及偏振光下觀(guān)察并拍攝樣品。以FC作為對(duì)照樣品。

1.3.4 熱特性分析(DSC)

使用差示掃描量熱法檢測(cè)樣品的熱特性。將3 mg樣品(淀粉干基)樣品與去離子水混合，水分比例為70%，密封在鋁盤(pán)中，室溫下平衡12 h。以空鋁盤(pán)為參比，以10℃/min的速度從25℃到100℃掃描。以FC作為對(duì)照樣品。

1.3.5 結(jié)晶特性分析

將樣品預(yù)先平衡水分的待測(cè)粉末樣品平鋪于樣品池中，放入X射線(xiàn)衍射儀樣品臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，采用波長(zhǎng)為 0.1542 nm的單色 Cu-Kα射線(xiàn)。測(cè)試管壓為40 kV、管流為40 mA，掃描區(qū)域2θ=4°～40°，步長(zhǎng)0.013 1°，連續(xù)掃描，掃描速度為2( °)/min。以S作為對(duì)照樣品。

1.3.6 體外血糖生成指數(shù)的測(cè)定

按照Sopade等[12]描述的方法，對(duì)樣品進(jìn)行體外淀粉消化。FC預(yù)先進(jìn)行20 min蒸煮作為對(duì)照樣品。將混合物在37 ℃的水浴中以300 r/min攪拌孵育。加入α-淀粉酶(250 U)孵育2 min，再加入胃蛋白酶溶液(16 000 U)孵育30 min，在加入胰酶溶液(胰酶12 450 U，AMG 140 U)后于5、15、30、45、60、90、120、180 min收集消化物(0.5 mL)，加入0.5 mL的95%乙醇終止反應(yīng)。在3 000 r/min離心10 min，測(cè)定上清液中釋放的葡萄糖量計(jì)算紅小豆粉中淀粉的消化率，轉(zhuǎn)換因子為0.9。將淀粉的消化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)擬合至一階方程(1)，以獲得表觀(guān)消化速率系數(shù)(k，min-1)[13, 14]。

C=C∞(1-e-kt)

(1)

式中：C、C∞和k分別是時(shí)間t的濃度，平衡濃度和動(dòng)力學(xué)常數(shù)。使用水解曲線(xiàn)(0～180 min)，水解指數(shù)(HI)計(jì)算為樣品中釋放的總葡萄糖與白面包中釋放的總葡萄糖的百分比。 根據(jù)式(2)估算樣品的血糖指數(shù)。

eGI=39.71+0.549HI

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工方式下即食紅小豆粉的體外消化特性比較

不同加工后紅小豆粉的消化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)如圖1所示，不同加工方式下的樣品顯示出不同的消化趨勢(shì)，滾筒加工紅小豆粉與對(duì)照樣品豆粉消化曲線(xiàn)始終高于其他樣品，淀粉消化速率最高；而微波加工紅小豆粉的消化速率最低。消化曲線(xiàn)可以進(jìn)一步擬合成一個(gè)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果表明，與對(duì)照樣品相比，微波加工、蒸煮加工及擠壓加工處理的紅小豆粉最終淀粉消化率及eGI值明顯降低，而滾筒加工處理的紅小豆粉無(wú)明顯差異。加工過(guò)程中淀粉分子的糊化程度[15]以及細(xì)胞壁和其他物質(zhì)形成的物理屏障作用都將是影響酶與淀粉反應(yīng)速率的因素[16]。因此，本文進(jìn)一步分析了不同加工方式下，紅小豆粉的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、糊化特性、淀粉結(jié)構(gòu)等相關(guān)因素，以期詳細(xì)闡明不同加工方式對(duì)紅小豆粉體外血糖生成指數(shù)的影響機(jī)制。

注：FC為生豆粉，MC、SC、RC、EC分別為微波法、蒸煮法、滾筒法、擠壓法，余同。圖1 不同加工的紅小豆粉消化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖

表1 不同加工的紅小豆粉的預(yù)估血糖生成指數(shù)

2.2 不同加工方式下即食紅小豆粉的微觀(guān)結(jié)構(gòu)比較

不同加工處理后紅小豆粉的光學(xué)顯微鏡觀(guān)察結(jié)果如圖2所示，掃描電鏡觀(guān)察結(jié)果如圖3所示。生豆粉中可觀(guān)察橢球狀的淀粉[16]與其他小分子物質(zhì)，未觀(guān)察到明顯的子葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)，與Berg[17]研究結(jié)果一致，在干磨過(guò)程中，豆類(lèi)子葉細(xì)胞被破壞，所以豆粉由游離淀粉、蛋白體和細(xì)胞壁碎片組成。在偏光顯微鏡結(jié)果中，生豆淀粉擁有完整的偏光十字，而加工后的樣品淀粉的偏光十字都有不同程度的消失，根據(jù)Wang[18]的研究，淀粉偏光十字的消失程度能反映糊化程度，所以不同加工處理的樣品糊化程度不同。微波加工紅小豆粉能觀(guān)察到部分細(xì)胞壁的存在(圖2-MC)，說(shuō)明保持了部分細(xì)胞完整性，其中部分淀粉并未失去偏光十字(圖2-mc)，說(shuō)明未完全糊化。

注：左側(cè)為偏光顯微鏡，右側(cè)為光學(xué)顯微鏡。 圖2 不同加工方式制備紅小豆粉的光學(xué)顯微圖

蒸煮加工紅小豆粉能觀(guān)察到顆粒外面包裹著透明的細(xì)胞壁(圖2-SC)，在電鏡下中也可觀(guān)察到外層細(xì)胞壁(圖3-SC)，細(xì)胞內(nèi)只有少部分偏光結(jié)構(gòu)(圖3-sc)，說(shuō)明樣品糊化較為完全。這兩種加工方式原料為整豆，保持了加工前細(xì)胞的完整性，而根據(jù)Dhital等[19]的研究，完整細(xì)胞加熱后仍能觀(guān)察到細(xì)胞壁，且對(duì)淀粉酶有一定的物理屏障作用，所以推測(cè)整豆加工最大程度保持了細(xì)胞完整性，使eGI值降低。擠壓加工紅小豆粉(圖2-EC)呈規(guī)則扁圓型，長(zhǎng)條狀，結(jié)構(gòu)比較致密。滾筒加工紅小豆粉(圖2-RC)呈不規(guī)則薄片狀，二者均幾乎無(wú)偏光結(jié)構(gòu)，樣品完全糊化。滾筒加工紅小豆粉物質(zhì)間結(jié)合較為松散，淀粉更易與酶接觸，而擠壓加工紅小豆粉形成的結(jié)構(gòu)更加致密，各物質(zhì)間團(tuán)聚結(jié)合，酶與淀粉接觸的機(jī)會(huì)更少，從而導(dǎo)致eGI值的差異。

圖3 不同加工方式制備紅小豆粉的掃描電鏡圖

2.3 不同加工方式下即食紅小豆粉的熱力學(xué)性質(zhì)比較

不同加工處理后紅小豆粉的糊化溫度以及焓值結(jié)果如表2所示。對(duì)照樣品的To和Tp分別為64.06、71.48 ℃，ΔH為10.18 J/g。Reddy[20]等研究表明紅小豆淀粉的To、Tp和ΔH分別為57.03 ℃、80.13 ℃和11.63 J/g，結(jié)果相似。微波加工紅小豆粉和蒸煮加工紅小豆粉與對(duì)照樣品相比，To和Tp均增大，ΔH減小，結(jié)合顯微觀(guān)察結(jié)果，可確定淀粉發(fā)生了部分糊化，但仍殘余部分未糊化樣品，這可能是因?yàn)闃悠繁３终剐螒B(tài)加工時(shí)，淀粉與水分接觸不充足，導(dǎo)致淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)未得到充分解旋，限制了淀粉吸水糊化。二者初始水分相同，但微波加工時(shí)水分處于減少的狀態(tài)，而蒸煮加工時(shí)，由于有水蒸氣存在，水分減少量較少，水分與淀粉的接觸更充分，所以蒸煮加工紅小豆糊化程度更高。滾筒加工紅小豆粉和擠壓加工紅小豆粉的紅小豆粉在25～100 ℃范圍內(nèi)已檢測(cè)不到糊化峰，在偏光顯微鏡觀(guān)察中也觀(guān)察不到偏光十字，說(shuō)明淀粉已被完全糊化。說(shuō)明紅小豆磨成粉進(jìn)行加工時(shí)，淀粉能與水充分接觸，最終達(dá)到完全糊化。這些結(jié)果說(shuō)明紅小豆在加工過(guò)程中水分含量會(huì)影響淀粉的糊化程度，進(jìn)而影響紅小豆粉樣品的eGI值。

表2 不同加工方式制備紅小豆粉的熱力學(xué)性質(zhì)

2.4 不同加工方式下即食紅小豆粉的淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)比較

圖4為天然紅小豆淀粉和通過(guò)加工處理的紅小豆粉樣品的X射線(xiàn)衍射圖。天然紅小豆淀粉(S)在5.7°，15.0°，17.3°和23.0°(2θ)處有強(qiáng)峰，表現(xiàn)出典型的CB型XRD曲線(xiàn)[21]。與天然淀粉相比，微波加工紅小豆粉在15.0°, 23.0°的峰強(qiáng)減小，17.3°峰被分成雙峰，結(jié)晶度減小，這是淀粉部分糊化的結(jié)果[18]；蒸煮加工紅小豆粉無(wú)15.0°淀粉結(jié)晶峰，17.3°為單峰，23.0°變成雙峰，結(jié)晶度較微波豆粉低，說(shuō)明其受破壞程度更高；滾筒加工紅小豆粉和擠壓加工紅小豆粉無(wú)明顯淀粉結(jié)晶峰，糊化完全，與DSC結(jié)果一致。微波加工和蒸煮加工方式由于在整豆?fàn)顟B(tài)下，雜豆的細(xì)胞壁以及蛋白質(zhì)等組分在一定程度上可以限制淀粉顆粒的糊化程度，從而使得細(xì)胞內(nèi)部的淀粉顆粒內(nèi)部有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)得以部分保留，結(jié)晶結(jié)構(gòu)保持較為完整。而滾筒加工和擠壓加工由于紅小豆粉與水分接觸面積大，淀粉糊化程度高，所以結(jié)晶結(jié)構(gòu)幾乎完全被破壞。

注：S為對(duì)照樣品紅小豆淀粉MC、SC、RC、EC分別為微波法、蒸煮法、滾筒法、擠壓法制備的豆粉。圖4 不同加工方法制備紅小豆粉的X-射線(xiàn)衍射圖

3 結(jié)論

本研究以低消化性和血糖生成指數(shù)的即食紅小豆粉為目標(biāo)對(duì)象，證實(shí)了不同的加工方式可通過(guò)影響紅小豆淀粉的糊化、結(jié)晶程度以及淀粉顆粒的完整性，對(duì)最終產(chǎn)品淀粉的消化性能與eGI值產(chǎn)生顯著影響。微波加工和蒸煮加工在加工過(guò)程中保持了整豆?fàn)顟B(tài)，加工后細(xì)胞壁對(duì)消化酶仍然能夠形成物理屏障作用。而且微波加工時(shí)，有限的水分使淀粉分子在高溫加熱過(guò)程中無(wú)法充分展開(kāi)，糊化程度降低，造成有限的α-淀粉酶水解，也因此微波加工紅小豆粉的eGI值最低。滾筒加工和擠壓加工前紅小豆粉碎成了豆粉，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，且有充足的水分接觸，其淀粉糊化完全，eGI較高。但擠壓處理的紅小豆粉在高溫高壓狀態(tài)下，淀粉與其他物質(zhì)相互結(jié)合或包裹，形成致密的組織結(jié)構(gòu)，降低了淀粉與酶的接觸，因此其eGI值較滾筒干燥豆粉低。因此，采用濕法加工的整豆加工再粉碎或者干法的微波加工方法，均可得到較低eGI值的即食紅小豆粉。另考慮到微波加工兼有的快捷、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在針對(duì)糖尿病或肥胖人群等有低血糖指數(shù)特殊營(yíng)養(yǎng)需求食品的開(kāi)發(fā)上，可優(yōu)先考慮微波熟化加工技術(shù)。