李 華,吳慶峰,薛晴晴,李玉棟,劉鑫慧

河南工業(yè)大學 糧油食品學院,河南 鄭州 450001

隨著人民生活水平的提高、飲食習慣的改變及人口老齡化的加重,糖尿病已成為目前威脅全人類健康的公共衛(wèi)生問題之一[1]。糖尿病是一種由于胰島素分泌不足引起的綜合性代謝疾病,臨床表現(xiàn)為人體內(nèi)血糖水平長期高于正常值,導致糖代謝紊亂而引起一系列的并發(fā)癥。糖尿病主要分為1型和2型,其中2型糖尿病患者占該病總人數(shù)的90%以上。研究表明,2型糖尿病發(fā)病原因與遺傳、環(huán)境和肥胖等有關,不合理的膳食結構是影響糖尿病患者健康的重要因素之一[2]。

我國是世界上糖尿病患者絕對人數(shù)最多的國家,患病率和患病人數(shù)均呈上升趨勢。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(IDF)相關數(shù)據(jù)顯示[3],2021年中國糖尿病患者人數(shù)約為1.41億人,健康中國行動(2019—2030年)估算糖尿病前期患病率為總人口35.2%。糖尿病及其并發(fā)癥嚴重影響著患者的身體健康和生活質量,也加重了社會醫(yī)療資源和保障的負擔,因此,對于糖尿病的防治迫在眉睫。

血糖指數(shù)(glycemic index,GI)是衡量人體攝入食品后血糖水平變化的有效指標,是評價碳水化合物的一個重要生理學參數(shù)。GI是一個相對值,反映了與標準食物相比,不同食物對餐后血糖的升高速率和能力。利用GI對食品中的碳水化合物含量進行排序和分類,是一種全新的分析和評價食品的方法。一般以葡萄糖或白面包為標準食物,并將其血糖指數(shù)定為100,與之對比所得其他食物的分類：GI<55,低血糖指數(shù)食物;55≤GI≤70,中等血糖指數(shù)食物;GI>70,高血糖指數(shù)食物。

近年來,食品GI的概念正在被越來越多的人關注,國內(nèi)外對有關食品GI的研究和認識也在不斷深入。澳大利亞和新西蘭已經(jīng)將 GI 作為生產(chǎn)食品的營養(yǎng)指標之一。我國對食品GI的研究應用于糖尿病患者的膳食管理、居民營養(yǎng)教育和食欲研究等多項用途中。其中,GI的應用為糖尿病患者的膳食健康提供了指導性的思路,也對糖尿病的預防和控制起積極作用。食品的GI在糖尿病患者的膳食干預治療中的作用也將越來越大。

1 低GI食物與糖尿病的關系

目前,還沒有徹底治愈糖尿病的藥物,一般采用飲食療法、運動療法、監(jiān)測和藥物治療相結合的方法進行預防。以GI為指導的飲食干預是治療糖尿病的基礎,可以在控制總能量攝入的基礎上,兼顧營養(yǎng)成分,使糖尿病患者的飲食更加科學合理,對病程各個階段的預防和控制具有重要意義。

胰島素是葡萄糖代謝的主要調節(jié)因子,在糖代謝中起著關鍵作用[4]。胰島素抵抗是誘發(fā)2型糖尿病的重要原因之一,抵抗能力的大小與食物GI呈正相關性,長期食用高GI食物會引起胰島素水平升高,造成胰島素抵抗[5-6],因此,需要胰島β細胞分泌和釋放超過正常量的胰島素,才能使相應效應器官產(chǎn)生正常的生理效應。胰島素抵抗會引發(fā)高胰島素血癥,呈現(xiàn)糖代謝紊亂以及胰島β細胞功能不足的惡性循環(huán),引發(fā)2型糖尿病。相比較正常人,糖尿病患者對胰島素的需求更高,以刺激機體抑制肝糖異生和利用外圍葡萄糖[7]。臨床上通過改善胰島素抵抗,可以達到降血糖的作用。研究表明[4,8-10],低GI食物能夠改善胰島素抵抗、胰島素敏感性和胰腺分泌功能,并有效緩解糖脂代謝異常。同時,低GI食物可以減緩餐后機體對碳水化合物的消化和吸收,降低葡萄糖釋放速率,從而減少對胰島素的需求。

張晴等[11]研究顯示,低GI食物可以降低2型糖尿病患者空腹及餐后2 h血糖水平。Li等[12]對2型糖尿病患者進行飲食干預12周后發(fā)現(xiàn),低GI飲食可以降低2型糖尿病患者血糖水平,體內(nèi)還產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸,能誘導機體釋放酪酪肽(腸道衍生激素),抑制胃酸分泌,進而控制進食的欲望,有利于患者控制體重。Wang等[13]分析表明,相比較于高GI食物,低GI食物使糖尿病患者的糖化血紅蛋白平均降低了9%,具有與口服降糖藥物相似的臨床作用。Botero等[14]研究發(fā)現(xiàn),低GI食物可以提升糖尿病患者機體的總體抗氧化能力,從而延緩糖尿病等相關代謝疾病的惡化。綜上所述,長期食用低GI食物對人體健康有益,對糖尿病患者的干預治療具有重要意義。

2 影響食品GI的因素

2．1 食品組分

各類食品及原料均是由多種組分構成的復雜體系,其組成成分主要包括淀粉、蛋白質、脂肪、膳食纖維、礦物質等,這些組分對淀粉的消化率以及抗性淀粉的形成會產(chǎn)生不同影響,進而影響食品的血糖指數(shù)。因此,食品的組成成分對調節(jié)食品血糖生成指數(shù)具有至關重要的作用。

2．1．1 淀粉

淀粉是為人體提供能量最主要碳水化合物來源,經(jīng)過消化道后被水解成葡萄糖,引發(fā)人體血糖值的波動。通過控制食品中淀粉的消化率,可以調節(jié)體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)以及能量代謝水平[15]。淀粉的顆粒大小、顆粒結構和直支比例等均會影響淀粉在人體腸道的消化率,進而影響食品的餐后血糖水平[16-18]。

一般來說,淀粉顆粒體積越小,與酶接觸的比表面積越大,消化速率越高,餐后血糖值升高越快。淀粉顆粒表面存在的孔洞和通道數(shù)量、大小和形狀等也會影響淀粉消化率,這些因素決定了酶對淀粉作用的難易程度及作用位點[19]。Gallant等[20]研究表明：水稻淀粉有與內(nèi)部通道相連的外圍孔,具有“由內(nèi)而外”的消化率模式,淀粉酶較容易進入孔洞進行酶水解反應;而馬鈴薯淀粉和高直鏈玉米淀粉具有難以消化的“由外而內(nèi)”模式,淀粉酶不容易進入淀粉顆粒內(nèi)部,從而具有較低的淀粉消化速率,更適合糖尿病患者食用。

淀粉顆粒是由許多直鏈和支鏈淀粉分子構成的聚合體,顆粒中的直/支鏈淀粉比例也會影響食品GI。與支鏈淀粉相比,直鏈淀粉分子量小,聚合度低,分支程度輕,空間構象卷曲成螺旋形,結構更加致密。由于淀粉酶作用淀粉時需要結合在淀粉鏈的末端,相比于直鏈淀粉支鏈淀粉具有更多的端點,因此體內(nèi)消化過程中支鏈淀粉更容易被淀粉酶降解生成葡萄糖,引起血糖的上升[21-22]。Srikaeo等[23]通過添加高直鏈玉米粉來調整米粉中不同淀粉類型比例,結果表明,隨著米粉中直鏈淀粉含量的增加,淀粉回生能力更強,米粉GI明顯降低。因此,直鏈淀粉含量越高,食品GI通常越低。

2．1．2 蛋白質

蛋白質和部分氨基酸具有刺激胰島素分泌的功能[24],與高脂肪食品相比,高含量蛋白質會促進胰島素分泌,減慢胃排空速度[25],進而降低餐后血糖反應,保持更低的血糖和胰島素水平。

蛋白質可以在淀粉顆粒周圍形成物理涂層進而緩解淀粉水解,表面蛋白會抑制淀粉的溶脹并且阻止消化酶接觸淀粉分子,從而降低食品GI。Yang等[26]在玉米淀粉中添加不同比例的乳清蛋白分離物,進行體外消化模擬實驗,結果表明蒸煮過程中蛋白質和淀粉分子之間發(fā)生氫鍵相互作用,形成淀粉-蛋白質復合物,蛋白質構成的物理屏障在空間上阻礙了淀粉酶靠近淀粉的作用位點,導致富含蛋白質的淀粉類食品GI降低。

2．1．3 脂肪

食品中脂肪氧化分解會消耗大量葡萄糖分解的中間產(chǎn)物,阻礙葡萄糖的徹底氧化分解,導致血糖濃度增加,胰島素分泌增加[27]。當膳食中游離脂肪酸濃度較高時,肌肉攝取脂肪酸進行氧化供能的作用會增強,從而減少葡萄糖的利用,胰島β細胞分解胰島素的功能受損,發(fā)生糖尿病的風險增高。當多不飽和脂肪酸含量較高時,特別是長鏈n-3系列具有改善糖代謝和胰島素敏感性的功能,具有預防糖尿病發(fā)生和發(fā)展的生物學作用[28]。動物油脂富含游離脂肪酸,而橄欖油、魚油、堅果等富含多不飽和脂肪酸。

脂肪會對淀粉酶產(chǎn)生一定抑制作用,阻礙淀粉與淀粉酶結合,其中長鏈飽和單甘油酯比短鏈單甘油酯更能抵抗淀粉酶對淀粉的消化作用[29]。此外,脂肪還能夠延遲胃排空時間并可刺激腸抑胃肽的釋放,進而使胰島素分泌增強以降低餐后血糖值[30]。Ren等[31]研究了脂肪對小米體外淀粉消化速率和GI的影響,結果顯示,與未脫脂小米相比,脫脂小米中快消化淀粉含量顯著增加,慢消化淀粉含量和抗性淀粉含量顯著減少,餐后血糖顯著上升。原因是小米烹飪過程中淀粉和脂肪之間形成的5型抗性淀粉,即直鏈淀粉-脂肪復合物,可以延緩葡萄糖在小腸中的消化速率和吸收率[32],從而降低小米GI。

2．2 加工方式

食品經(jīng)加工后,質構特性、營養(yǎng)特性和消化性均發(fā)生變化,GI也會因食品加工和儲存條件的影響而發(fā)生改變[33],例如蒸、煮、炸等熱處理,拋光、碾磨、擠壓等機械力處理及低溫儲存方式等,通過加工和儲存方式調控食品GI對于新產(chǎn)品開發(fā)具有重要意義。

2．2．1 熱處理

高溫下的蒸、煮、炸等食品熟化方式可賦予產(chǎn)品良好的質地和風味,并提升各種營養(yǎng)素的生物利用度,改變蛋白質和淀粉的消化率。Wolever等[34]研究發(fā)現(xiàn)在大米的蒸煮過程中,隨著蒸煮時間的增加,大米淀粉逐漸糊化,高溫也促進了淀粉分子的溶出。同時,蒸煮過程中淀粉分子間的氫鍵被水破壞、螺旋狀結構解開、結晶度損失,淀粉在消化過程中更容易受到酶的水解作用,從而增加大米GI[35]。Reed等[36]研究了不同烹飪方式對馬鈴薯淀粉結構及水解率的影響,相對蒸煮方式而言,煎炸馬鈴薯的抗性淀粉含量較高,淀粉水解率較低。這也是因為煎炸過程中,食用油中的游離脂肪酸與馬鈴薯中直鏈淀粉形成直鏈淀粉-脂質復合物,并在馬鈴薯淀粉顆粒上形成不溶性膜,具有較高抗消化性。He等[37]發(fā)現(xiàn)蒸煮過程中,縮短加熱時間并降低蒸煮溫度會導致淀粉中分子鏈堆積,慢消化淀粉和抗性淀粉含量增加,同時降低了酶在淀粉顆粒中的擴散和滲透,最終降低淀粉的消化率。

2．2．2 機械力處理

食品加工會對蛋白質、淀粉等組分結構造成破壞,如大米拋光過程中,麩皮層被去除,胚乳層暴露出來,產(chǎn)生了大量破損淀粉。不完整的淀粉粒容易被淀粉酶降解,淀粉消化率增加而導致GI上升[38-39]。食品的顆粒大小影響食品組分在體內(nèi)外的消化率。Farooq等[40]研究發(fā)現(xiàn),大米經(jīng)碾磨后,得到粗粒(<300～450 mm)、中等粒(150～300 mm)和細粒(<150 mm)3種組分,細粒組分的米粉蒸煮后淀粉消化率明顯高于其他兩種組分,相對應地血糖應答水平也明顯升高。與碾磨工藝相比,擠壓大米的GI更低,可能是因為擠壓過程中升溫和剪切力破壞了淀粉結構,直鏈淀粉分子間或與支鏈淀粉長直鏈間通過氫鍵作用重新排列形成抗性淀粉。

2．2．3 低溫儲存

溫度可以顯著影響淀粉糊化和老化程度,從而改變淀粉消化率。Guraya等[41]發(fā)現(xiàn)煮熟的糯米和粳米在1 ℃下冷卻后,淀粉消化率分別降低了59%和42%。直鏈淀粉和支鏈淀粉分子在低溫下會形成雙螺旋結構,進一步失去結合水的能力。雙螺旋分子無法到達淀粉酶的結合位點,水解反應受到抑制[42],生成的抗性淀粉減緩食用后體內(nèi)血糖應答反應,降低糖尿病的患病風險。

3 低GI食品

我國的主食主要是淀粉基為主的饅頭、面條、米飯和米粉等,其中碳水化合物含量均達到70%以上,攝入體內(nèi)后很容易轉變成糖分,引起餐后血糖值升高[43]。近年來國內(nèi)市場上出現(xiàn)的代餐食品多以五谷雜糧為主,按照不同配比搭配而成的一類綜合性產(chǎn)品,具有食用方便等優(yōu)點。對于糖尿病患者而言,要嚴格控制淀粉的攝入量,因此,亟須開發(fā)既具有飽腹感又能控制血糖的食品,低GI代餐食品基于此需求應運而生。

3．1 低GI代餐餅干

在疏水相互作用下,脂肪酸、芳香族化合物以及其他小的配體分子會進入由直鏈淀粉分子形成的螺旋腔中,形成淀粉-脂質復合物(5型抗性淀粉)單螺旋結構[44]。淀粉-脂質復合物可以有效抵抗淀粉酶的水解,降低淀粉的消化率[45]。陳雪華等[46]研究表明,在餅干中添加不同脂質(包括飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸)與玉米直鏈淀粉的復合物,可以降低餅干的體外消化率與餐后血糖值,為糖尿病患者的代餐餅干開發(fā)提供參考。Di Cairano等[47]利用麥芽糖醇、菊粉、抗性淀粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)餅干生產(chǎn)中的蔗糖與面粉,制得的餅干GI、脆性和甜度降低,黏附性和堅果味增加。

袁漢思等[48]設計了適合糖尿病人群食用的低GI餅干,產(chǎn)品中加入了雷公藤內(nèi)酯和二甲雙胍改性纖維素,阻礙了葡萄糖的擴散和吸收,同時還能預防結腸癌和心臟病,增強腸液的黏度等。

3．2 低GI代餐粉

膳食纖維是碳水化合物中的一類非淀粉多糖,具有延緩血糖上升、促進腸道蠕動等功能[49]。任向楠等[50]研究了食用燕麥代餐粉的飽腹感、血糖值及胰島素應答變化,與大米粉相比,燕麥代餐粉含有更豐富的可溶性膳食纖維,可以延緩胃中食物消化,避免胃部過早排空。因此,長期食用膳食纖維含量高的代餐粉有助于維持正常血糖水平和胰島素功能。

酵母肽是利用多種酶降解酵母蛋白, 破除酵母壁并從酶解體系中分離純化而制成的小分子多肽,含有豐富的氨基酸、B族維生素和礦物質鉻等營養(yǎng)成分,是優(yōu)質的蛋白質來源,具有調節(jié)消化系統(tǒng)、降低心血管疾病等功能[51-52]。左旋肉堿可改善人體餐后胰島素抵抗水平,對血糖控制起輔助作用[53-54]。趙可心等[55]通過添加優(yōu)質蛋白酵母肽、左旋肉堿、高膳食纖維紫甘薯粉、木耳粉以及多種谷物粉制成了酵母肽代餐粉。其水提物能促進細胞吸收葡萄糖,減緩細胞內(nèi)肝糖原的降解,促進糖脂代謝,從而維持人體正常的糖代謝平衡。

任昱燦等[56]開發(fā)了苦蕎葉排毒保健代餐粉,苦蕎葉中含豐富的黃酮類化合物和膳食纖維,具有降血糖和抗氧化的活性,為糖尿病患者提供了可靠的代餐選擇,也為后續(xù)深入開發(fā)低GI代餐粉提供了一定的參考。

3．3 低GI饅頭

α-葡萄糖苷酶是碳水化合物消化降解的關鍵酶,抑制酶的活性可以減緩淀粉分解,降低糖尿病患者餐后血糖水平[57]。金慧敏等[58]以青稞粉、藜麥粉和蕎麥粉為主要原料,復配動植物雙蛋白,所得烤制雜糧饅頭對α-葡萄糖苷酶具有較強體外消化抑制作用,較純小麥粉饅頭可顯著降低糖尿病患者的血糖水平。

鉻是碳水化合物和脂質代謝中的一種必需營養(yǎng)素,可以協(xié)助維持人體的糖耐受性和增強胰島素敏感性,膳食補充鉻對于糖尿病等并發(fā)癥的輔助治療具有有益療效[59-60]。南瓜中有較高的鉻含量,陳穎等[61]據(jù)此研制了一款南瓜綠豆饅頭,相比較普通饅頭具有更平穩(wěn)的餐后血糖水平與較低的血糖峰值,更適合糖尿病患者食用。

劉士偉等[62]以高筋小麥粉為主要原料,復配馬鈴薯粉、苦蕎粉、青稞粉等原料研發(fā)了一款低GI雜糧饅頭,其餐后血糖濃度變化趨勢較為穩(wěn)定。張三杉等[63]通過添加全麥粉與蕎麥粉,結合柚子果肉、奇亞籽、菊粉以及淀粉回生處理工藝研制的雜糧饅頭,彌補了市場上普通饅頭口感不佳,碳水化合物含量高的缺點,為低GI饅頭的開發(fā)提供了參考。

3．4 低GI面條

豆科植物含有較高的膳食纖維和抗性淀粉,這些物質不被消化和吸收,能有效抑制餐后葡萄糖升高[64]。Yoshimoto等[65]研究表明僅由黃豌豆粉制成的面條具有較低的GI并緩解胰島素抵抗。華燕菲[66]研究的一款適合糖尿病患者食用的低GI小米綠豆面條,在全麥粉為31%、綠豆全粉為19%、谷朊粉為10%、交聯(lián)淀粉為10%、食鹽為0.5%、雞蛋為8%的配方下,面條感官最佳,GI為48.94,氨基酸營養(yǎng)價值優(yōu)于小麥面條,更能滿足人體對氨基酸的需求。王潤等[67]通過在青稞粉中添加20%豌豆粉、5%蕎麥粉、5%藜麥粉,制作的青稞低GI擠壓面條,具有較高的營養(yǎng)價值與抗氧化活性,有助于減少糖尿病、心血管疾病等。

Ademosun等[68]研究表明,在面條中加入35%未成熟車前草粉和10%橙皮可以降低碳水化合物水解酶活性與餐后血糖水平,提高抗氧化酶活性。

4 存在的問題及展望

隨著社會不斷發(fā)展以及人們對健康食品益處的認識,功能性代餐食品具有豐富的營養(yǎng)價值、對某些疾病潛在的治療效果,已成為一種追求健康飲食的新時尚。低GI代餐食品作為一類新型食品,在工廠生產(chǎn)、市場銷售、終端消費各環(huán)節(jié)缺乏嚴格的監(jiān)管法律,導致目前存在產(chǎn)品標準化程度不夠、行業(yè)監(jiān)管力度不足和市場方向把控不準等問題[69]。另外,在線銷售和電子商務逐漸成為“快、省、廣”的主流銷售途徑,在線零售平臺極大地促進了代餐食品銷售,并在宣傳時往往夸大其詞甚至虛假宣傳,導致部分消費者盲目追捧。低GI代餐食品嚴格意義上屬于營養(yǎng)保健品,可以起到預防和輔助治療某些疾病的功能,但是易與其他食品衍生制劑相混淆,應與功能性食品、益生菌、食品補充劑加以區(qū)分,更不能替代藥品[70]。當前市場上的低GI代餐產(chǎn)品仍集中在將各種谷物成分整合到低GI代餐食品中,側重研究淀粉含量和類型,忽略了營養(yǎng)元素的種類和含量不均衡的問題,以及改善腸道微生物的低GI產(chǎn)品研發(fā)較少。

因此,進一步改善低GI代餐食品感官品質、增加代餐食品種類和提高市場占有率,產(chǎn)品配方改良、工藝優(yōu)化及利用新資源開發(fā)新產(chǎn)品是目前該類產(chǎn)品研發(fā)的關鍵問題和主要挑戰(zhàn)。隨著低GI代餐食品綜合品質、研發(fā)工藝和標準化水平的提高,會進一步激發(fā)食品科研工作者對健康食品的研發(fā),以應對不斷增加的慢性病風險。