王懷檳，彭星光，劉宏生，余穩(wěn)穩(wěn),*

（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

碳水化合物不僅是食物中含量最高的成分，也是人類七大營(yíng)養(yǎng)素之一。碳水化合物可提供的能量約為17 kJ/g，占每日總能量攝入的40%～75%[1]。食品中的碳水化合物，特別是以淀粉為代表的生糖類碳水化合物，經(jīng)人體消化系統(tǒng)消化后，最終以葡萄糖的形式進(jìn)入血液，是人體最重要的能量來源，也是引起人體內(nèi)餐后血糖升高的最重要原因[2]。過去幾十年，隨著生產(chǎn)力的提高和人均可支配收入的增加，飲食中碳水化合物的消費(fèi)量持續(xù)增加[3]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，長(zhǎng)期攝入高碳水化合物食物（如精米、面條、白面包等）所引起的持續(xù)性高餐后血糖濃度是引起肥胖、2型糖尿病和心血管等非傳染性慢性疾病的重要原因[4-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2030年，全球?qū)⒂屑s5.78億糖尿病患者，占人口總數(shù)的10.2%[7]。我國(guó)糖尿病患者人數(shù)將達(dá)1.3億，居世界首位，其中成年人總糖尿病患病率為12.8%，每年約有83.4萬患者死于糖尿病引發(fā)的各類并發(fā)癥[7]。因此，針對(duì)糖尿病和肥胖病患者的防控任務(wù)刻不容緩[8]。

為更好地表征碳水化合物食品對(duì)人體內(nèi)餐后血糖濃度的影響，Jenkins等[9]首次提出了血糖生成指數(shù)（glycemic index，GI）的概念，即一種食品與同樣數(shù)量的參考食品（通常為白面包或葡萄糖）相比的血糖升高潛力。根據(jù)不同食品所引起餐后血糖水平的變化，其GI值的范圍為0～100，主要包含了低（GI≤55）、中（GI 56～69）和高（GI≥70）血糖生成指數(shù)食品3 個(gè)大類[10]。GI值是當(dāng)前衡量和評(píng)價(jià)食品引起餐后血糖升高的最重要指標(biāo)，與人體健康有顯著的相關(guān)性。與GI值相對(duì)應(yīng)的還有血糖負(fù)荷（glycemic load，GL）值，GL＝食物GI×攝入該食物的實(shí)際可利用碳水化合物的含量/100[11-12]。GL同時(shí)將食品中的可利用碳水化合物總量考慮在內(nèi)[13]，往往被認(rèn)為是一個(gè)更為可靠的指標(biāo)。

低GI食品由于可較慢消化和吸收，使得人體內(nèi)餐后血糖與胰島素水平可平緩地升高，對(duì)胰島的刺激和負(fù)擔(dān)較小，不僅有助于控制食欲和延緩饑餓，利于控制人體質(zhì)量，更能夠改善糖尿病患者的葡萄糖和脂質(zhì)水平，可有效預(yù)防心血管疾病[14]、糖尿病[15-17]、肥胖[18]、膀胱癌[19]、血脂異常和癌癥[20]等常見非傳染性疾病。研究發(fā)現(xiàn)，低GI飲食可有效降低人體內(nèi)糖化血紅蛋白（HbA1c）與空腹血糖濃度、體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）指數(shù)以及總膽固醇和低密度脂蛋白的含量[15]，而長(zhǎng)期高GI飲食則會(huì)在血糖波動(dòng)和神經(jīng)刺激的雙重作用下增加用餐次數(shù)，引起營(yíng)養(yǎng)過剩，最終導(dǎo)致肥胖[21]。研究還發(fā)現(xiàn)，高GI飲食與心血管疾病和死亡風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[22]，且還會(huì)顯著增加癌癥的發(fā)生概率[23]。例如，與低GI飲食相比，高GI飲食對(duì)結(jié)直腸癌（可能還有膀胱癌和腎癌）有中度不利的影響，且更易引起胰腺癌、甲狀腺癌和子宮癌等[24-25]。因此，開發(fā)低GI值的碳水化合物食品已成行業(yè)內(nèi)外的共識(shí)，存在巨大的市場(chǎng)機(jī)遇與商業(yè)價(jià)值。

當(dāng)前，各個(gè)國(guó)家/地區(qū)測(cè)試食品G I 值仍然是以基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（International Organization for Standardization，ISO）出臺(tái)的人體餐后血糖測(cè)試規(guī)范ISO 26642:2010為通用標(biāo)準(zhǔn)[10]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：志愿者需要在15 min內(nèi)攝入25 g或50 g可利用碳水化合物的食品以及250～300 mL的水，并監(jiān)測(cè)其在2 h內(nèi)的體內(nèi)血糖濃度的變化，與食用等量標(biāo)準(zhǔn)碳水化合物（葡萄糖或白面包）的血糖濃度進(jìn)行對(duì)比，通過計(jì)算血糖應(yīng)答曲線下面積（area under the curve，AUC）的比值進(jìn)而確定待測(cè)食品的GI值?；谠摌?biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也于2019年出臺(tái)了推薦性標(biāo)準(zhǔn)（WS/T 652—2019《食物血糖生成指數(shù)測(cè)定方法》），其測(cè)試方法與ISO 26642:2010一致。體內(nèi)血糖測(cè)試雖是在真實(shí)的人體內(nèi)消化環(huán)境下測(cè)定食品GI值，但因其需要至少12 名志愿者進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，不僅涉及到相應(yīng)的倫理申請(qǐng)，且費(fèi)用昂貴、效率不高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)驗(yàn)個(gè)體的差異影響較大，不適合企業(yè)高通量低GI食品原料篩選以及低GI食品的研發(fā)與推廣等，極大地限制了其應(yīng)用范圍。

為克服體內(nèi)血糖測(cè)試存在的一系列問題，研究者們又陸續(xù)開發(fā)了一系列動(dòng)態(tài)、半動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的體外消化測(cè)試方法，通過體外模擬人體口腔咀嚼以及胃、小腸的消化與吸收過程，以期更快速、精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)食品GI值。到目前為止，國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)食品GI值的體外方法較多，但不同方法預(yù)測(cè)GI值的有效性或精確度尚未經(jīng)過驗(yàn)證，缺乏統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。本文將重點(diǎn)討論體內(nèi)、體外，特別是體外模擬消化測(cè)試在預(yù)測(cè)食品GI值方面的主要方法及其研究進(jìn)展，主要從靜態(tài)體外消化模型、動(dòng)態(tài)體外消化模型、數(shù)值型模型、動(dòng)物模型以及人體內(nèi)模擬入手。對(duì)比分析各模型預(yù)測(cè)食品GI值的優(yōu)缺點(diǎn)，并比較其局限性，為低GI食品的研發(fā)和推廣提供具有參考意義的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，以期幫助企業(yè)高效、簡(jiǎn)便地研發(fā)生產(chǎn)低GI值的碳水化合物食品，全面提升產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)健康水平，實(shí)現(xiàn)食品企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 靜態(tài)體外消化模型

1.1 Englyst模型

淀粉是日常主食（如燕麥、面包、土豆、面條、米飯等）中含量最高的食物成分，可提供人體所需總能量的40%以上（如精米飯中淀粉含量甚至可達(dá)90%[26]）。因此，基于食品中淀粉的消化特性而建立的各靜態(tài)體外消化模型及其在預(yù)測(cè)GI值方面的應(yīng)用一直受到研究者們的重視，其操作步驟可簡(jiǎn)要概括如下：1）通過剁碎或研磨待測(cè)食品樣品模擬口腔咀嚼過程；2）在旋渦混合器或磁性水浴鍋中通過加入磁力攪拌子進(jìn)行持續(xù)性攪拌以模擬胃腸蠕動(dòng)過程；3）通過添加一定濃度、體積的HCl和NaOH溶液來調(diào)節(jié)消化液的pH值，以模擬人體胃、腸道的消化環(huán)境；4）通過在不同消化步驟中添加一種或多種消化酶（通常為豬蛋白酶、豬胰酶、α-葡萄糖苷酶等）將待測(cè)食品最終消化成葡萄糖或麥芽糖，并通過分析葡萄糖濃度隨時(shí)間的變化來反映餐后血糖變化。

如圖1A所示，Englyst等[27]根據(jù)不同時(shí)間段內(nèi)食品中淀粉消化的程度，將其分為快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）（可在0～20 min內(nèi)消化）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）（可在20～120 min內(nèi)消化）以及抗性淀粉（resistant starch，RS）（120 min內(nèi)未消化）。其中，RDS的攝入能夠迅速提高餐后血糖水平，為人體活動(dòng)提供必要的能量[28]。研究發(fā)現(xiàn)，RDS含量較高的食物可導(dǎo)致餐后血糖濃度快速升高，長(zhǎng)期食用會(huì)誘發(fā)與飲食相關(guān)的代謝性慢性疾病（如2型糖尿?。29]，而SDS含量較高的食物由于消化較為平緩，餐后血糖濃度較為穩(wěn)定，更有利于健康[30]。與RDS和SDS相比，一般認(rèn)為，食品中的RS難以甚至不會(huì)在人體上消化道消化。相反地，RS最終經(jīng)結(jié)腸中的微生物群發(fā)酵利用后釋放的短鏈脂肪酸等物質(zhì)還有利于調(diào)節(jié)腸道微生物群和預(yù)防代謝性疾病[31]。

圖1 靜態(tài)體外消化曲線與體內(nèi)餐后血糖濃度變化的關(guān)系（A）和消化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)消化曲線進(jìn)行擬合后的線性關(guān)系（B）Fig.1 Relationship between in vitro digestion and postprandial blood glucose concentration (A) and overall fitting result of in vitro digestion using the logarithm of slope (LOS) (B)

研究發(fā)現(xiàn)，以淀粉為主的碳水化合物食品中的RDS及快速可利用葡萄糖（rapidly available glucose，RAG）的含量均與GI值呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.001）[32-33]。因此，一般情況下可根據(jù)待測(cè)食品中RDS、RAG以及可利用碳水化合物的含量來快速預(yù)估待測(cè)食品的GI值（expected glycemic index，eGI）（式（1）、（2））[33-34]，這一結(jié)論隨即得到了Garsetti等[35]的驗(yàn)證。Ren Xin等對(duì)谷物與純谷物食品進(jìn)行體外模擬消化后也發(fā)現(xiàn)，待測(cè)食品中RDS的含量與其eGI值具有顯著的相關(guān)性（r＝0.988）[36]。此外，Ek等[37]也發(fā)現(xiàn)，煮熟的馬鈴薯在120 min時(shí)的水解百分比可作為GI分類的重要指標(biāo)；Araya等[38]報(bào)道指出，混合早餐中碳水化合物的快/慢消化率間的比值與GI顯著相關(guān)。

式中：RAG為快速可利用葡萄糖含量/（g/100 g）；RDS為快消化淀粉含量/（g/100 g）；AV為可利用碳水化合物含量/（g/100 g）。FSG為食品中初始葡萄糖含量以及食品中的蔗糖可釋放的葡萄糖含量之和。

1.2 消化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

采用靜態(tài)體外消化模型得到的淀粉消化曲線經(jīng)公式換算和數(shù)學(xué)模型擬合后可得到的各體外消化參數(shù)也常常被用來預(yù)測(cè)食品的GI值（圖1B）。例如，基于經(jīng)擬合得到的各消化參數(shù)計(jì)算得到的一定消化時(shí)間段內(nèi)的AUC，可用來計(jì)算待測(cè)食品的水解指數(shù)（hydrolysis index，HI），并最終用來預(yù)估其GI值（公式（3）、（4））。Granfeldt等[39]研究發(fā)現(xiàn)，食品的HI值與GI值顯著相關(guān)（r＝0.877，P＜0.000 1）。Go?i等[40]進(jìn)一步指出，待測(cè)食品在90 min時(shí)的水解指數(shù)（HI90）與GI值的相關(guān)性最為顯著（r＝0.908 8，P＝0.000 56）。Zou Wei等[41]也發(fā)現(xiàn)，水稻經(jīng)豬胰酶和淀粉葡糖苷酶共同水解后得到的消化參數(shù)與GI值有顯著的相關(guān)性，這與Edwards等[42]的研究結(jié)果一致。

式中：AUCsample為樣品消化曲線下面積；AUCstandard為標(biāo)準(zhǔn)品消化曲線下面積。

1.3 其他靜態(tài)體外消化模型

盡管食物在人口腔內(nèi)停留時(shí)間較短，一般為15～20 s，但食品口腔消化即包含牙齒咀嚼等物理消化過程，也包含唾液α-淀粉酶、脂肪酶等參與的化學(xué)消化過程。食品的口腔消化受咀嚼時(shí)間及其物理特性等因素的影響，并可通過影響食團(tuán)的形成及其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)而影響待測(cè)食品的GI值。因此，靜態(tài)體外消化模型雖然具有操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但簡(jiǎn)單的剁碎或研磨無法重現(xiàn)或代替人體的口腔消化過程，更無法模擬人體小腸的吸收過程。為克服此類問題，Germaine等[43]基于剁碎（非咀嚼）非透析的方法進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)谷物食品中淀粉的體外消化率與GI值間有顯著的相關(guān)性；Hettiaratchi等[44]利用經(jīng)志愿者咀嚼并進(jìn)行透析后得到的食品殘?jiān)M(jìn)行體外消化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其得到的HI值與eGI值間有顯著的正相關(guān)性。Argyri等[45]基于Englyst模型，從國(guó)際GI和GL值表中選取已公布GI值（9 種）和GL值（16 種）的食品作為待測(cè)樣品，并采用可透析葡萄糖濃度作為預(yù)測(cè)血糖反應(yīng)的指標(biāo)。隨后的研究還發(fā)現(xiàn)，葡萄糖質(zhì)量轉(zhuǎn)移的變化量與GI成正比[46]。此外，鑒于Englyst模型沒有將葡萄糖的吸收過程考慮進(jìn)去，有研究人員將消化后的液體轉(zhuǎn)移到透析管和透析袋，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，HI值和GI值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[39,44]。最后，為更好地體外模擬人體小腸對(duì)葡萄糖的吸收過程，也有學(xué)者考慮了血糖清除率及其劑量依賴性，并提出用相對(duì)升糖影響參數(shù)（relative glycemic impact，RGI）這一指標(biāo)來預(yù)測(cè)待測(cè)食品的臨床血糖反應(yīng)[47]。

2 動(dòng)態(tài)體外消化模型

雖然靜態(tài)體外消化模型因其簡(jiǎn)單、快速、實(shí)用、低成本等優(yōu)勢(shì)在預(yù)測(cè)食品GI值方面已展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但小腸上皮細(xì)胞對(duì)食品中可生糖組分經(jīng)口腔、胃、小腸消化后產(chǎn)生的葡萄糖的吸收是引起餐后血糖濃度升高的最重要方式之一，然而當(dāng)前大多數(shù)靜態(tài)體外消化模型未能充分考慮消化過程的動(dòng)態(tài)方面，特別是腸上皮細(xì)胞等對(duì)葡萄糖的吸收作用[48]，難以模擬真實(shí)、全面、準(zhǔn)確的人體內(nèi)消化、代謝和吸收全過程。因此，靜態(tài)體外消化模型測(cè)試得到的數(shù)據(jù)往往生理相關(guān)性較低，無法揭示與食品體內(nèi)消化相關(guān)的現(xiàn)實(shí)或生理因素。

動(dòng)態(tài)體外消化模型因?yàn)榭赏ㄟ^設(shè)置相應(yīng)的步驟來更好地模擬真實(shí)的人體內(nèi)消化環(huán)境，也受到了研究者們的極大關(guān)注。當(dāng)前，各環(huán)境動(dòng)態(tài)體外消化模型主要由一個(gè)一個(gè)單腔室或多腔室所連接，內(nèi)部常結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或芯片用來調(diào)整不同消化階段的pH值、傳輸時(shí)間和消化分泌物的動(dòng)態(tài)，以盡可能地重現(xiàn)人體消化系統(tǒng)的生理狀況。

2.1 TIMcarbo模型

TIMcarbo模型（圖2A～C）[49]是動(dòng)態(tài)體外消化測(cè)試食品餐后血糖反應(yīng)的經(jīng)典模型，其不僅模擬了口腔消化對(duì)血糖生成濃度的影響，同時(shí)還綜合考慮了葡萄糖、果糖等物質(zhì)在小腸的吸收過程。TIMcarbo模型操作步驟可概括為：1）待測(cè)食品經(jīng)過機(jī)器粉碎模擬人口腔對(duì)食物的咀嚼作用后進(jìn)入到動(dòng)態(tài)的胃腸道模擬消化系統(tǒng)內(nèi)，得到消化產(chǎn)物；2）消化產(chǎn)物經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析，得到葡萄糖、果糖等物質(zhì)的含量與時(shí)間的變化關(guān)系，并得到葡萄糖釋放曲線。研究結(jié)果顯示，TIMcarbo模型預(yù)測(cè)得到的血糖釋放曲線與人體內(nèi)血糖釋放曲線高度一致（圖2D），可用于研究待測(cè)食品樣品對(duì)餐后血糖濃度的影響。

圖2 TIMcarbo動(dòng)態(tài)體外消化模型預(yù)測(cè)食品血糖釋放曲線[49]Fig.2 TIMcarbo dynamic in vitro digestion model for predicting blood glucose concentration after meal[49]

2.2 工程小腸模型

Priyadarshini等[50]將雞小腸適當(dāng)加工后制備得到的工程小腸模型應(yīng)用于體外預(yù)測(cè)食品餐后血糖水平中，結(jié)果表明該模型具有較高的精準(zhǔn)度。該模型隨即被用于測(cè)試3 款不同配方的餅干樣品，其得到的體外血糖釋放曲線與體內(nèi)血糖測(cè)試結(jié)果無顯著性差異。此外，含有大量RDS的食品會(huì)引起短時(shí)餐后血糖濃度的急劇升高，可使人血液中葡萄糖水平和胰島素濃度大幅升高[51]。有學(xué)者將動(dòng)態(tài)胃模型（dynamic gastric model，DGM）與靜態(tài)十二指腸模型相結(jié)合，為模型體內(nèi)GI測(cè)試提供了新途徑[52]。當(dāng)前，雖然對(duì)各體外動(dòng)態(tài)模型研究的相關(guān)報(bào)道仍然較少，但體外動(dòng)態(tài)模型在預(yù)測(cè)待測(cè)食品所引起的人體內(nèi)血糖反應(yīng)方面具有較高的準(zhǔn)確度，應(yīng)用潛力不容忽視。盡管如此，動(dòng)態(tài)模型由于設(shè)備占地大、費(fèi)用昂貴、操作復(fù)雜且效率低、重復(fù)性較難保證等問題仍待解決，與高通量篩選低GI食品及其產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試目的間還存在有一定差距。

3 數(shù)值模型

數(shù)值模型通常指的是對(duì)待測(cè)食品進(jìn)行初步消化或基本組分分析，得到與之相關(guān)的樣品消化、理化以及不同食品組分的含量等參數(shù)，而后基于數(shù)值統(tǒng)計(jì)和軟件進(jìn)行分析得到的一種經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測(cè)GI模型。利用數(shù)值模型來預(yù)測(cè)單種食品或由多種不同食品組成混合餐的GI或GL值可參考聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）預(yù)測(cè)模型[53]。

3.1 FAO預(yù)測(cè)模型

正常飲食過程中，消費(fèi)者往往需要同時(shí)攝入不同種類的食物。因此，為評(píng)估一份復(fù)合餐的GI值，F(xiàn)AO以該復(fù)合餐中各類食物自身的GI值為準(zhǔn)，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)庫獲得該復(fù)合餐中各類食物的GI值，代入到公式（5）中，進(jìn)而來計(jì)算其eGI值。

式中：i為單一或者復(fù)雜食品中的基本營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)（i＝1,2,3…）；Ci（i＝1,2,3…）為第i種營(yíng)養(yǎng)素所含可利用碳水化合物的含量；GIi（i＝1,2,3…）為第i種營(yíng)養(yǎng)素的GI值。

例如，一份由110 g白面包（GI值為88，可利用碳水化合物的質(zhì)量為50 g，即C1＝50，GI1＝88）和30 g黃油（GI值為0，可利用碳水化合物的質(zhì)量為0，即C2＝0，GI2＝0）組成的混合餐中，其eGI值計(jì)算如式（6）所示。

盡管公式（5）極大地方便了復(fù)合食品GI值的計(jì)算和預(yù)估，但其未充分考慮食品在真實(shí)人體內(nèi)消化和吸收過程的復(fù)雜性以及食品中各不同營(yíng)養(yǎng)組分間相互作用對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試結(jié)果與真實(shí)的體內(nèi)測(cè)試結(jié)果往往差異較大。例如，體內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示，添加黃油會(huì)將白面包的GI值從88降到67?？梢姡瑢?duì)于復(fù)合食品，簡(jiǎn)單地通過計(jì)算每種食品組分對(duì)GI值的貢獻(xiàn)來預(yù)測(cè)其GI值，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較低，可靠性難以保證。

為克服上述缺陷，研究者們?cè)贔AO數(shù)值預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上對(duì)公式（5）進(jìn)行了一系列的修改和調(diào)整后得到公式（7）[54]。

式中：i為單一或者復(fù)雜食品中的基本營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)（i＝1,2,3…）；xi（i＝1,2,3…）為第i種營(yíng)養(yǎng)素所含可利用碳水化合物的含量；GIi（i＝1,2,3…）為第i種營(yíng)養(yǎng)素的GI值；ai為校正系數(shù)，介于0～1之間，表示某一種可利用碳水化合物的利用率。例如，對(duì)于淀粉而言，其ai值為食品中RDS的含量/100。

其中，在進(jìn)一步考慮非生糖食品組分（如蛋白質(zhì)、脂肪以及非生糖碳水化合物等）對(duì)GI值的影響之后，公式（7）可轉(zhuǎn)化成公式（8）。

式中：m為待測(cè)食品中生糖類食品組分的數(shù)目；n為待測(cè)食品中不可生糖類食品組分的數(shù)目；bj（j＝1,2,3…n）為第j個(gè)不可生糖類食品組分對(duì)餐后血糖的影響能力。例如，由于食品中的水分含量對(duì)餐后血糖的影響較小，因此該值為0，蛋白質(zhì)和脂肪均能夠降低餐后血糖的濃度，其b值均為0.6[54]。

3.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

Atkinson等[11]統(tǒng)計(jì)并收錄了幾千種食品的平均GI和GL值，并每隔幾年進(jìn)行一次更新。在其最近發(fā)表的論文中，其同時(shí)考慮了相同食物在不同食用條件下GI值的差異性，并統(tǒng)計(jì)了同一種食物為高、中、低GI值的概率。圖3主要列舉了我國(guó)居民常見主食GI值分別為高、中和低的概率分布。例如，豆類食品有94%的概率為低GI食品，而土豆及其制品為低GI食品的概率僅為14%。此外，雖然一般認(rèn)為米飯的GI值較高，但結(jié)果顯示，仍然有34%的米飯為中等GI值，有28%的概率為低GI值（GI＜55）。

圖3 常見主食的GI值分布[11]Fig.3 GI values of common staple foods[11]

數(shù)值模型估算的往往只是一個(gè)粗略的GI值，其可靠度存疑。同時(shí)國(guó)際GI和GL值表中所列的GI值并不能夠反映出實(shí)際食品的特性。例如，即使是相同種類的食品或食品原料組分，根據(jù)其來源與種類不同，GI值也具有一定的差異性，但在估算GI值的過程中往往容易被忽視[55-57]。

為克服傳統(tǒng)數(shù)值模型在預(yù)測(cè)GI值方面的缺點(diǎn)，Rytz等[54]在量化生糖類碳水化合物對(duì)GI值影響的同時(shí)還考慮了食品蛋白質(zhì)、脂肪、纖維等物質(zhì)成分對(duì)GI值的影響作用，進(jìn)而預(yù)測(cè)待測(cè)食品的GI與GL值。在其進(jìn)行的60 項(xiàng)涵蓋不同產(chǎn)品類別（GI值介于15～95）和多種配方的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果顯示eGI值與實(shí)驗(yàn)之間的相關(guān)性非常大（r＝0.97，P＜0.01，n＝60）。最后用42 種早餐麥片對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所預(yù)測(cè)的GI（r＝0.90，中位殘差為2.0）和GL（r＝0.96，中位殘差為0.40）的準(zhǔn)確性與體內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（GI的標(biāo)準(zhǔn)誤差為3.5）相匹配。

此外，食品中的其他大量營(yíng)養(yǎng)素如蛋白質(zhì)[58]、脂肪[35,56,59-60]和纖維[58,61]等均會(huì)影響食品的餐后血糖反應(yīng)。Meynier等[62]首次評(píng)估了谷物產(chǎn)品的不同特性與血糖反應(yīng)參數(shù)之間的相互作用，并利用JMP軟件（10.0版本），同時(shí)結(jié)合偏最小二乘回歸法，分析了谷物產(chǎn)品特征與血糖反應(yīng)之間的關(guān)系，然后進(jìn)行建模。該數(shù)據(jù)庫包括190 種谷物產(chǎn)品。這是第一個(gè)評(píng)估淀粉組分和宏量營(yíng)養(yǎng)素含量對(duì)血糖代謝響應(yīng)的影響的研究。結(jié)果顯示，食品中的SDS、RDS、脂肪和纖維以及它們之間的相互作用顯著解釋了53%的GI和60%的血糖峰值。Hamli[63]采用多元回歸分析法分析了16 種谷類與豆類食品的直鏈淀粉含量以及這16 種食品的GI值與各營(yíng)養(yǎng)成分間的關(guān)系，結(jié)果表明，待測(cè)食品中的淀粉與脂肪是唯二與公布的GI值顯著相關(guān)的常量營(yíng)養(yǎng)素。此外，也有學(xué)者使用HCl和酶模擬胃腸消化食品，并采用高效液相色譜法測(cè)定消化液中葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、半乳糖以及糖醇（麥芽糖醋）等物質(zhì)的濃度，最后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)高效液相色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其eGI值[64]。該方法快速且成本低，可以在24 h內(nèi)完成15 次體外GI值分析。

3.3 COMSOL Multiphysics模型

Karthikeyan等[65]基于商業(yè)計(jì)算機(jī)軟件COMSOL Multiphysics建立了一個(gè)可模擬人小腸內(nèi)液體流動(dòng)、碳水化合物消化和葡萄糖吸收過程的數(shù)值模型，進(jìn)而開發(fā)了一種模擬人體消化和預(yù)測(cè)不同碳水化合物食品葡萄糖吸收率的工具，其有助于控制熱量的攝入過程。Yousefi等[66]則基于人工智能的遺傳算法-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（r＝0.984～0.993）和分組數(shù)據(jù)處理模型（r＝0.979～0.986）等首次有效地預(yù)測(cè)了天然淀粉凝膠和改性淀粉凝膠在模擬胃腸條件下消化過程中的葡萄糖釋放量。

雖然這些數(shù)值模型均可以在一定程度上進(jìn)行體外GI值的預(yù)測(cè)，但消化是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，而數(shù)值模型需要考慮更多的參數(shù)（如腸道幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、腸道內(nèi)容物性質(zhì)和消化動(dòng)力學(xué)等），同時(shí)需要結(jié)合更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法，因此其準(zhǔn)確性和模擬度仍然需要考慮。此外，其高度依賴專業(yè)軟件統(tǒng)計(jì)分析和復(fù)雜的操作系統(tǒng)也導(dǎo)致數(shù)值模型在代替人體體內(nèi)GI測(cè)試和GI產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用發(fā)展中具有局限性。表1對(duì)比分析了當(dāng)前各主要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)體外消化測(cè)試方法預(yù)測(cè)食品GI值的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 體外靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型的主要實(shí)驗(yàn)過程及其與食品GI值的相關(guān)性Table 1 Major procedures of in vitro static and dynamic models and their correlations with food GI values

4 體內(nèi)消化模型

4.1 人體血糖測(cè)試

體內(nèi)模型是在生物內(nèi)部所建立的，能夠獲得最為真實(shí)的GI值測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)前，碳水化合物食品標(biāo)準(zhǔn)的GI值是通過人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的。一般通過讓志愿者食用含有一定量可利用碳水化合物（25 g或50 g）的食品后，測(cè)定餐后2 h內(nèi)血液的血糖濃度變化并以葡萄糖或白面包為參考食品進(jìn)行比較分析。為更好地規(guī)范體內(nèi)血糖測(cè)試預(yù)測(cè)食品GI值的操作標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)AO/世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）于1998年出臺(tái)了食品血糖生成指數(shù)體內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方案[53]。大致要求如下：1）按年齡和BMI要求，招募12 名年齡介于18～65 歲的健康志愿者并給予書面的知情同意書。2）隔夜禁食10 h后，志愿者需要在15 min內(nèi)攝入含有25 g或50 g可利用碳水化合物和250 mL水。3）分別在其餐后的5、10、15、30、45、60、90、120 min進(jìn)行指尖采血。采集到的血液離心后（3 000 r/min、10 min）對(duì)分離得到的血漿測(cè)定血糖含量，并計(jì)算待測(cè)食品的GI值。

隨后，ISO于2010年頒布了更為標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)的方法——ISO 26642:2010[10]，經(jīng)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合評(píng)價(jià)得出該方法足夠精確[71]。ISO 26642:2010要求招募至少10 名以上健康的志愿者，并對(duì)志愿者的身體條件提出了相應(yīng)的要求，其中符合要求的志愿者條件主要包括但不限于：無已知食品過敏或不耐受；無已知可影響糖耐量的藥物（不包括口服避孕藥）；只服用穩(wěn)定劑量的口服避孕藥、乙酰水楊酸、甲狀腺素、維生素和礦物質(zhì)補(bǔ)充劑、治療高血壓或骨質(zhì)疏松癥等藥物。此外，其同時(shí)還規(guī)定了不符合要求的志愿者條件主要包括：有已知糖尿病史或正在使用抗高血糖藥物或胰島素治療糖尿病及相關(guān)疾病；在過去3 個(gè)月內(nèi)發(fā)生需要住院治療的重大內(nèi)科或外科事件；服用了可影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化和吸收的藥物，如類固醇、蛋白酶抑制劑或抗精神病藥物等（所有這些藥物都對(duì)葡萄糖代謝和體脂分布有重要影響）。

我國(guó)也于2019年出臺(tái)了衛(wèi)生推薦標(biāo)準(zhǔn)WS/T 652—2019，針對(duì)自制的碳水化合物食品進(jìn)行體內(nèi)GI值測(cè)定[72]。WS/T 652—2019要求招募不少于12 名的健康志愿者，年齡在18～60 歲，男女各半且非孕婦及乳母。應(yīng)符合以下要求：BMI在正常范圍內(nèi)（18.5～24.0 kg/m2）；無糖尿病史（或糖耐量受損），無其他代謝性疾病、消化系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病和精神疾病等；無對(duì)待測(cè)食品過敏史和不耐受史；近3 個(gè)月內(nèi)未服用影響糖耐量的營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充劑，以及未口服避孕藥、乙酰水楊酸、類固醇、蛋白酶抑制劑和抗精神病藥等藥物；能夠耐受至少10 h的空腹?fàn)顟B(tài)。

人體體內(nèi)餐后血糖測(cè)試將胃排空、滲透壓、體積、酸度、性別和年齡等因素的影響都考慮在內(nèi)。由于考慮了每一個(gè)生理因素，因此這種方法沒有確切的替代品[73]。人體體內(nèi)測(cè)試方法至今仍然是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方法，其中ISO頒布的ISO 26642:2010為國(guó)際共識(shí)。但人體體內(nèi)測(cè)試具有費(fèi)用昂貴、效率低、時(shí)間長(zhǎng)、存在個(gè)體差異等局限性，且涉及到相關(guān)的倫理申請(qǐng)，極大地限制了其在現(xiàn)代食品工業(yè)中的應(yīng)用。

各體內(nèi)血糖測(cè)試方法測(cè)定食品GI值的比較分析匯總?cè)绫?所示。

表2 各體內(nèi)血糖測(cè)試方法測(cè)定食品GI值的比較分析Table 2 Comparative analysis of GI values of foods measured by various in vivo blood glucose testing methods

4.2 動(dòng)物模型

動(dòng)物研究中使用的方法與人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法高度相關(guān)[2,74]。動(dòng)物模型GI值可采用與人體體內(nèi)血糖采樣實(shí)驗(yàn)相同的程序計(jì)算曲線下增量面積[75]，其中，大鼠和小鼠因?yàn)槠溲欠磻?yīng)與人體相似，故應(yīng)用較為廣泛[76]。此外，老鼠的妊娠期較短，室內(nèi)繁殖成本更低[77]。Campbell等[74]首次創(chuàng)建了一種模擬人體胃腸道消化的小鼠模型，并測(cè)定了8 種不同來源碳水化合物的小鼠食品的GI值。該模型可以作為人體實(shí)驗(yàn)的合適替代方案。此外，Marques等[78]開發(fā)了一種臨床前模型，用于評(píng)估口服碳水化合物對(duì)餐后血糖水平的影響。對(duì)3 種不同模型的大鼠分別灌胃蔗糖、乳糖和果糖以評(píng)估口服碳水化合物對(duì)餐后血糖峰值水平的影響。結(jié)果顯示，禁食15 h后的大鼠更適合建立臨床前模型以評(píng)價(jià)血糖反應(yīng)，且該結(jié)論可應(yīng)用到人體中。

此外，豬也有著和人體類似的血糖反應(yīng)，且血量與人體相似[79]。豬的消化器官和生理結(jié)構(gòu)和人體類似，在血液循環(huán)中也有著相似的營(yíng)養(yǎng)和激素物質(zhì)[80]。因此，豬模型也成為理解人門靜脈葡萄糖釋放動(dòng)力學(xué)的一個(gè)良好的模型。van Kempen等[81]對(duì)4 頭體質(zhì)量為（43.2±4.8）kg的門靜脈導(dǎo)管豬飼喂4 種含70%純度淀粉的飼糧。修正后的Chapman-Richards模型可以準(zhǔn)確地模擬淀粉消化過程，且正確地描述了在其體內(nèi)（R2＝0.964）和體外（R2＝0.998）觀察到的S形消化曲線。通過修正胃排空和腸道葡萄糖利用后的體外消化率數(shù)據(jù)，可有效預(yù)測(cè)體內(nèi)門脈葡萄糖釋放數(shù)據(jù)。同時(shí)，有學(xué)者對(duì)6 頭門靜脈導(dǎo)管豬進(jìn)行攝入3 種飼料后體內(nèi)血糖反應(yīng)的研究[82]，體內(nèi)數(shù)據(jù)基于sigmoid Gompertz模型（R2＝0.997）得到葡萄糖在體外的釋放速度遠(yuǎn)快于在體內(nèi)門靜脈葡萄糖的釋放速度。

盡管各種動(dòng)物模型都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但和人體模型一樣涉及相關(guān)的倫理問題。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還具有其他缺點(diǎn)，如需要專業(yè)人員、程序耗時(shí)、培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所成本高[83]。與人體模型相比，應(yīng)用動(dòng)物模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠更多地探究體內(nèi)生理變化的機(jī)制（如胰島素和激素控制），以合理解釋各種食品的餐后血糖反應(yīng)特征，但這涉及到更多危險(xiǎn)性方法并需要大量血液，而這些在人體實(shí)驗(yàn)中不容易實(shí)現(xiàn)[13]。

5 結(jié) 語

到目前為止，盡管研究者們已經(jīng)開發(fā)了各種，動(dòng)態(tài)或靜態(tài)模型，但仍然沒有一個(gè)令人滿意的模型能夠代替人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)地預(yù)測(cè)碳水化合物食品GI值。筆者認(rèn)為，與其他模型相比，盡管各種模型預(yù)測(cè)得到的GI值和人體體內(nèi)真實(shí)血糖測(cè)試結(jié)果均有一定的差距，但是體外靜態(tài)模型似乎是最優(yōu)解。數(shù)值模型因其快速、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)適用于原料或配方食品初期大規(guī)模的篩選工作，但其準(zhǔn)確度有待商榷。體外靜態(tài)模型快速、經(jīng)濟(jì)、重復(fù)性高且能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)食品GI值，適合代替人體血糖測(cè)試進(jìn)行高通量篩選低GI食品研發(fā)與原料篩選；但大多數(shù)靜態(tài)體外消化模型難以模擬真實(shí)食物消化吸收的全過程，無法揭示與食品體內(nèi)消化相關(guān)的現(xiàn)實(shí)或生理因素。而動(dòng)態(tài)體外消化模型可以進(jìn)一步模擬酶濃度、pH值變化、胃排空、血糖透析吸收等，在探究消化數(shù)據(jù)與生理相關(guān)性方面具有更大的潛力。而在研究血糖反應(yīng)的機(jī)理機(jī)制問題等方面，動(dòng)物模型則具有更大的優(yōu)勢(shì)。最后，為精確掌握人體對(duì)不同GI食品的血糖反應(yīng)，需要在體外靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和動(dòng)物模型進(jìn)行互補(bǔ)使用。在更可靠的方法得到驗(yàn)證之前，有必要進(jìn)行人體測(cè)試，以確定目前體外和動(dòng)物模型預(yù)測(cè)的食品的GI值。盡管人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)存在費(fèi)用昂貴、涉及倫理道德、效率低等方面的缺點(diǎn)，但人體實(shí)驗(yàn)仍然是衡量食品GI值準(zhǔn)確性的“金標(biāo)準(zhǔn)”。