王步江，劉金福*，肖萍

（1.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術(shù)工程中心，天津 300384）

隨著我國(guó)人口老齡化，老年?duì)I養(yǎng)健康食品市場(chǎng)需求較大，依據(jù)老年群體的營(yíng)養(yǎng)需求與生理特點(diǎn)開(kāi)發(fā)老年食品，可以改善老年群體的營(yíng)養(yǎng)平衡，滿足身體營(yíng)養(yǎng)需求和調(diào)理生活[1]。目前專家認(rèn)為老年人飲食應(yīng)滿足“四足四低”原則。即足夠的蛋白質(zhì)，足夠的膳食纖維，足量的維生素和足量的礦物元素，低熱量，低脂肪，低膽固醇和低鈉[2]。

紅小豆在我國(guó)是一種藥食同源的食物原料。其營(yíng)養(yǎng)豐富，富含膳食纖維、鐵、鈣和鉀等多種礦物質(zhì)元素，還含有多酚、黃酮等多種生物活性物質(zhì)[3-5]。大豆蛋白是一種優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源，且不含膽固醇，研究表明可以降低患心腦血管病風(fēng)險(xiǎn)，并且具有降血脂、降血壓、降血糖等功效[6]。薏米是一種營(yíng)養(yǎng)較全面的藥食同源食物，其多糖是一種藥理活性較高的物質(zhì)，具有降血脂、降血糖、調(diào)節(jié)免疫和防治腫瘤等功效[7]。線性規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)中研究較早、發(fā)展較快、應(yīng)用廣泛、方法較成熟的重要分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，求解線性目標(biāo)函數(shù)在線性約束條件下的最大值或最小值的問(wèn)題，統(tǒng)稱為線性規(guī)劃問(wèn)題。決策變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)是線性規(guī)劃的三要素[8]。本研究以上述3種原料為主要成分通過(guò)線性規(guī)劃對(duì)老年食品的配方進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的老年食品營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅小豆、薏米：市售；天門冬氨酸鈣：浙江一諾生物科技有限公司；大豆蛋白：河南奧尼斯特食品有限公司；SPF級(jí)雄性昆明小鼠：中國(guó)食品藥品檢定研究院。

UV-1200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海美譜達(dá)儀器有限公司；pH酸度計(jì)：奧豪斯儀器有限公司；Elmasonic P180H超聲波清洗機(jī)：德國(guó)Elma Schmidbauer公司；MD3000魅力全自動(dòng)生化儀：美國(guó)MD儀器公司；GM505K血糖分析儀：湖南可孚醫(yī)療用品有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配方設(shè)計(jì)要求

根據(jù)GB 28050—2011《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)預(yù)包裝食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽通則》中規(guī)定設(shè)計(jì)，以每100 g原料計(jì)，總能量小于2 800 kJ；蛋白質(zhì)含量大于22 g；膳食纖維大于 6 g；鈣大于 300 mg；碳水化合物 55 g～75 g；脂肪小于3 g。以上述指標(biāo)為限制條件，以成本為輔助約束條件，對(duì)配方進(jìn)行線性規(guī)劃，優(yōu)化設(shè)計(jì)老年食品。

1.2.2 線性規(guī)劃的變量

線性規(guī)劃的變量是指老年食品中原料的用量，設(shè)x1：紅小豆，x2：薏米，x3：燕麥，x4：大豆蛋白，x5：天門冬氨酸鈣，x6：脫脂奶粉，老年食品設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 老年食品設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of elderly food

1.2.3 線性規(guī)劃的目標(biāo)方程

線性規(guī)劃的目標(biāo)方程是指在線性約束條件下的最大值或最小值，在本試驗(yàn)中是老年配方食品的最低成本，即以100 g產(chǎn)品的成本價(jià)格為目標(biāo)函數(shù)。Smin為最低成本；xn為各種原料在配方中的比例，%[9]。具體計(jì)算公式如下。

Smin=0.8x1+3.2x2+x3+6.3x4+21x5+11.88x6。

1.2.4 線性規(guī)劃的約束方程

線性規(guī)劃的約束方程分為兩部分：第一部分是老年食品中每種原料的總能量之和、每種原料的各營(yíng)養(yǎng)素之和的約束方程；第二部分是各原料總質(zhì)量之和100 g的約束方程。

總能量：1 293x1+1 494x2+1 158.8x3+1 135x4+1 467x6≤280 000。

蛋白質(zhì)：20.2% x1+12.8% x2+16% x3+60% x4+25% x6≥22。

碳水化合物下限：63.4% x1+71.1% x2+30.1% x3+4.7% x4+8% x6≥55。

碳水化合物上限：63.4% x1+71.1% x2+30.1% x3+4.7% x4+58% x6≤75。

膳食纖維：7.7% x1+2% x2+30% x3≥6。

脂肪：0.6% x1+3.3% x2+5.4% x3+0.9% x4+1.0% x6≤3。

鈣：74% x1+42% x2+180% x3+7 540% x5+1 280% x6≥300。

各原料總質(zhì)量：x1+x2+x3+x4+x5+x6=100。

1.2.5 LINGO軟件求解

使用LINGO軟件優(yōu)化線性規(guī)劃問(wèn)題，首先根據(jù)問(wèn)題建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，然后用LINGO軟件將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行求解[10]。

1.2.6 老年雜糧粉的制作工藝流程

將紅小豆、薏米和燕麥等原料經(jīng)過(guò)去雜、清洗后，經(jīng)低溫烘焙（130℃，3 h）熟化，粉碎過(guò)80目篩。根據(jù)優(yōu)化后得到的老年食品配方進(jìn)行均勻混合，制得雜糧粉即老年食品[11]。

1.2.7 雜糧粉營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的測(cè)定

蛋白質(zhì)：按照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》凱氏定氮法測(cè)定；脂肪：按照GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》索氏提取法的測(cè)定；膳食纖維：按照GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》酶重量法測(cè)定；鈣：按照GB 5009.92—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鈣的測(cè)定》乙二胺四乙酸二鈉滴定法測(cè)定；膽固醇：按照GB 5009.128—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膽固醇的測(cè)定》高效液相色譜法測(cè)定；能量與碳水化合物：按照GB 28050—2011《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)預(yù)包裝食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽通則》測(cè)定。

1.2.8 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

采用隨機(jī)分組的方式，將12只SPF級(jí)昆明種雄性小白鼠分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，每組6只。對(duì)照組食用普通維持飼料，實(shí)驗(yàn)組食用優(yōu)化后的雜糧粉制作的飼料。小鼠于第1天前20∶00開(kāi)始禁食但不禁水，12 h后開(kāi)始喂食，每次投喂適當(dāng)?shù)娘暳?，精確計(jì)算各組小鼠每天飼料的食用量。每組小鼠分別使用代謝籠單籠飼養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)周期20 d[12]。

鼠普通維持飼料成分為粗蛋白21.1%、粗脂肪4.0%、粗纖維3.1%、水分9.8%、粗灰分6.8%、總鈣1.1%、總磷0.69%。

血清指標(biāo)測(cè)定：末次禁食12 h，乙醚麻醉后，摘眼球取血，所取血液4℃靜置20 min，4 000 r/min離心20 min，吸出上清液即為血清，用全自動(dòng)生化儀測(cè)定甘油三酯（triglyceride，TG）、高密度脂蛋白膽固醇（high density liptein cholesterol，HDL-C）、低密度脂蛋白膽固醇（low density lipoprotein，LDL-C）和總膽固醇（cholesterol，CHO）的含量[12]。

血糖值測(cè)定：尾部取血用血糖儀測(cè)定空腹血糖值（fasting blood glucose，F(xiàn)BG）[12]。

蛋白質(zhì)表觀消化率測(cè)定：在小鼠實(shí)驗(yàn)期間收集所有糞便，迅速置于-20℃保存，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后糞樣混合均勻，取適量的樣品烘干得糞便樣品。凱氏定氮[13]檢測(cè)小鼠日糧的氮和糞便樣品中的蛋白質(zhì)含量。

蛋白質(zhì)表觀消化率/%=（攝入氮-糞氮）/攝入氮×100。

鈣表觀消化率測(cè)定：樣品前處理同蛋白質(zhì)表觀消化率測(cè)定的前處理。乙二胺四乙酸滴定法測(cè)定小鼠日糧的鈣和糞便樣品中的鈣含量。

鈣表觀消化率/%=（攝入鈣-糞鈣）/攝入鈣×100。

1.2.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

對(duì)所得數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和t檢驗(yàn)分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 配方設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)上述所建立的模型，使用軟件LINGO進(jìn)行配方計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 老年食品的各成分比例Table 2 Calculation results of the elderly food

根據(jù)軟件LINGO計(jì)算結(jié)果，遵循計(jì)算方便原則將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，得到老年雜糧粉的各原料為：紅小豆82.5%，薏米5%，燕麥1%，大豆蛋白6.7%，天門冬氨酸鈣2.8%，脫脂奶粉2%。

2.2 老年食品各理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的配方結(jié)果，制備以紅小豆、薏米、燕麥、大豆蛋白等為主要原料得到的老年食品。將產(chǎn)品中能量、蛋白質(zhì)、碳水化合物等重要營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)[12]，結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 老年食品各種理化指標(biāo)及成本結(jié)果Table 3 The physical and chemical indexes and cost calculation of the formulas

根據(jù)《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)參考攝入量》推薦的參考指標(biāo)來(lái)看，優(yōu)化后制備的以紅小豆等雜糧為主要原料的老年產(chǎn)品屬于低能量、高蛋白、低糖、高膳食纖維、低脂肪、低膽固醇、高鈣、低鈉鹽產(chǎn)品，符合老年食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，適合老年人食用[11]。

2.3 血糖值的影響

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，兩組小鼠餐前和餐后1 h血糖值變化情況見(jiàn)圖1。

圖1 小鼠血糖值變化Fig.1 Changes of blood glucose in each group

由圖1可知，喂食前，對(duì)照組小鼠的平均血糖值比實(shí)驗(yàn)組小鼠的血糖值略低；喂食1 h后，通過(guò)測(cè)量?jī)山M小鼠的血糖值無(wú)明顯差異，說(shuō)明紅小豆、薏米為主要成分的老年食品和小鼠維持飼料在對(duì)血糖的影響情況是相似的，優(yōu)化后的老年食品配方不會(huì)對(duì)血糖造成不利的影響[14]。方海濱等[15]利用高糖高脂大鼠模型研究薏米燕麥配方膨化食品對(duì)大鼠血糖血脂的作用，發(fā)現(xiàn)處理組之間體重和臟器指數(shù)無(wú)顯著性差異；與模型組相比，薏米燕麥實(shí)驗(yàn)組大鼠的血糖、總膽固醇和甘油三酸酯均有明顯降低，研究表明燕麥β－葡聚糖具有控制血糖穩(wěn)定的作用，燕麥β－葡聚糖在腸道內(nèi)形成黏性溶液可阻止糖類物質(zhì)的吸收，延緩血糖濃度升高，降低餐后血糖和胰島素水平。

2.4 血脂指標(biāo)的影響

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組小鼠的血脂指標(biāo)：TG、HDL-C、LDL-C和CHO的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 小鼠血脂指標(biāo)Table 4 Indexes of blood lipids of mice in each group

由表4可知，實(shí)驗(yàn)組小鼠血脂4項(xiàng)指標(biāo)正常，無(wú)異常表現(xiàn)，與對(duì)照組比較差異性不顯著，說(shuō)明優(yōu)化后的以紅小豆為主要原料的雜糧粉飼料與普通維持飼料對(duì)小鼠的血脂影響無(wú)明顯差異。高劑量組的薏米和燕麥可以起到降血糖和血脂的作用[15]。王立峰等[7]研究利用高膽固醇大鼠模型評(píng)價(jià)薏米提取物降血脂和抗氧化作用，發(fā)現(xiàn)薏米提取物可顯著降低高膽固醇膳食大鼠血清中TG和LDL-C含量，并且薏米提取物高劑量組能夠使其恢復(fù)到正常水平，說(shuō)明薏米成分中含有的黃酮、多酚等活性物質(zhì)起到相關(guān)作用。

2.5 蛋白質(zhì)和鈣的消化率

根據(jù)優(yōu)化后的配方制備老年食品進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組小鼠的蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 小鼠表觀消化率Table 5 Apparent digestibility of mice in each group

以紅小豆、燕麥等為主要原料的老年食品中蛋白質(zhì)表觀消化率達(dá)到61.83%，更容易被小鼠消化吸收；鈣的表觀消化率也較高達(dá)到55.91%。蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較差異極顯著。

3 結(jié)論

根據(jù)老年人對(duì)食品“四足四低”的營(yíng)養(yǎng)需求，建立食品配方的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過(guò)線性規(guī)劃利用LINGO軟件快速、簡(jiǎn)單地求解老年食品雜糧粉最優(yōu)配方為：紅小豆82.5%、薏米5%、燕麥1%、大豆蛋白6.7%、天門冬氨酸鈣2.8%、脫脂奶粉2%。該組成的老年食品在最低成本的限制條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)原料和營(yíng)養(yǎng)成分的有效調(diào)控，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)評(píng)估，食用該食品后對(duì)血糖、血脂沒(méi)有明顯影響，并且可以有效提高蛋白質(zhì)和鈣的表觀消化率。