杂粮为粗粮,富含膳食纤维、维生素E、钙、钾、叶酸、生物类黄酮等物质,且镁、锌、硒和铁等微量元素的含量通常高于细粮[1-2]。枸杞富含多种活性成分,其中枸杞多糖的抗氧化、抗衰老、降血糖等效果显著[3]。近年来,由低血糖生成指数(glycemic index,GI)杂粮制成的谷物代餐粉因其良好的溶解度、独特的风味及高营养价值成为人们关注的焦点[4-5]。

Ⅱ型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是一种严重危害人类健康的代谢疾病,近年来患病比例不断上升,可以通过饮食疗法,养成良好的饮食习惯来预防T2DM[6]。GI指食用某种食物后的血糖反应程度,通常情况下,低GI食物由于低消化速率,对血糖的影响很小[7-8],如果用低GI食物替换掉一半的高GI食物,就可以明显改善人体血糖水平[9]。因此,研制低GI的代餐保健品,有助于预防此类疾病。

目前对于代餐粉的研究大多侧重于单一谷物原料的研究,而对于多种杂粮复配的低GI代餐粉的研究较少。因此,本研究旨在以黄豆、黑豆、绿豆、燕麦、苦荞、藜麦辅以宁夏枸杞为原料,开发一种营养均衡的低GI枸杞杂粮代餐粉,并优化了低GI枸杞杂粮代餐粉的最佳配方,以T2DM小鼠作为试验对象,观察其对小鼠血糖的影响,评价低GI枸杞杂粮代餐粉的功效作用,以期为杂粮产品进一步的研究和应用提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄豆、绿豆、黑豆、燕麦、苦荞、藜麦、枸杞均购于宁夏银川市西夏区新百超市;柠檬酸钠缓冲液(pH=4.5)、链脲佐菌素(streptozotocin,STZ),北京索莱宝科技有限公司;盐酸二甲双胍,中美上海施贵宝制药有限公司;易淮Ga-3血糖仪、一次性使用采血针,三诺生物传感股份有限公司。

1.2 仪器与设备

BPG-9156A鼓风干燥箱,郑州南北仪器设备有限公司;SE-150型高速万能粉碎机,北京科一电器有限公司;AL204分析天平、ME203E/02电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司;TDL-5型低速离心机,上海安亭科学仪器厂;LSC-316C立式冷藏陈列柜,星星生物科技有限公司;DK-8B电热恒温水槽,上海精宏实验设备有限公司;AK-RO-C2实验室超纯水机,济南艾肯环保科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 代餐粉原料的筛选及制备

参照《中国食物成分表》(第六版)中的营养成分及GI值对原料进行筛选。将各原料预处理后,粉碎过80目筛于4 ℃保存备用,原料筛选情况如表1所示。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 预试验

在张园园[10]前期研究基础上,以感官评价为标准尝试多种搭配组合和配方比例进行预试验,经过感官评价最终确定基础配方中各添加量为黄豆粉16.7%,绿豆粉16.7%,黑豆粉16.7%,燕麦粉16.7%,苦荞粉13.3%,藜麦粉13.3%,枸杞粉15%(均为质量分数,下同)。

1.3.2.2 黄豆粉添加量单因素试验

固定绿豆粉、黑豆粉、燕麦粉添加量均为16.7%,苦荞粉、藜麦粉添加量13.3%,枸杞粉添加量15%,以感官评价为指标,选取黄豆粉添加量为8.3%、15.4%、21.4%、26.7%、31.3%进行单因素试验。

1.3.2.3 绿豆粉添加量单因素试验

固定黄豆粉、黑豆粉、燕麦粉添加量均为16.7%,苦荞粉、藜麦粉添加量13.3%,枸杞粉添加量15%,以感官评价为指标,选取绿豆粉添加量为8.3%、15.4%、21.4%、26.7%、31.3%进行单因素试验。

1.3.2.4 黑豆粉添加量单因素试验

固定黄豆粉、绿豆粉、燕麦粉添加量均为16.7%,苦荞粉、藜麦粉添加量13.3%,枸杞粉添加量15%,以感官评价为指标,选取黑豆粉添加量为8.3%、15.4%、21.4%、26.7%、31.3%进行单因素试验。

1.3.2.5 燕麦粉添加量单因素试验

固定绿豆粉、黑豆粉、黄豆粉添加量均为16.7%,苦荞粉、藜麦粉添加量13.3%,枸杞粉添加量15%,以感官评价为指标,选取燕麦粉添加量为8.3%、15.4%、21.4%、26.7%、31.3%进行单因素试验。

1.3.2.6 苦荞粉添加量单因素试验

固定黄豆粉、绿豆粉、黑豆粉、燕麦粉添加量均为16.4%,藜麦粉添加量13.1%,枸杞粉添加量14.8%,以感官评价为指标,选取苦荞粉添加量为6.6%、12.3%、17.4%、21.9%、26%进行单因素试验。

1.3.2.7 藜麦粉添加量单因素试验

固定黄豆粉、绿豆粉、黑豆粉、燕麦粉添加量均为16.4%,苦荞粉添加量13.1%,枸杞粉添加量14.8%,以感官评价为指标,选取藜麦粉添加量为6.6%、12.3%、17.4%、21.9%、26%进行单因素试验。

1.3.2.8 枸杞粉添加量单因素试验

固定黄豆粉、绿豆粉、黑豆粉、燕麦粉添加量均为16.9%,苦荞粉、藜麦粉添加量13.6%,以感官评价为指标,选取枸杞粉添加量为5.1%、9.7%、13.8%、17.6%、21.1%进行单因素试验。

1.3.3 Plackett-Burman试验

根据单因素测试结果,采用Plackett-Burman试验设计各影响因素进行分析。以感官评分为响应值,取各因素高水平值及低水平值并筛选出显著影响因素用于后续响应面试验。Plackett-Burman试验设计如表2所示。

1.3.4 Box-Behnken响应面优化试验

在Plackett-Burman试验结果基础上,筛选出黑豆粉、燕麦粉及枸杞粉3个对代餐粉感官评分影响显著的因素进行Box-Behnken设计试验,试验设计如表3所示。

1.3.5 感官评定

根据GB 10220—2012《感官分析 方法学 总论》中的基本要求选择评价员并进行培训,最终确定10名具有一定感官评价经验的同学成立感官评分小组,根据表4的评分标准对每个样品进行评分,重复3次,计算平均值。

1.3.6 冲调性测定

取代餐粉50 g,加入60 ℃温水500 mL进行冲调,搅拌使其均匀溶解,记录搅拌时间,平行测定3次,计算平均值。

1.3.7 动物实验

1.3.7.1 试验动物

6周龄ICR雄性小鼠56只(体重10～15 g),由宁夏医科大学实验动物中心提供,生产许可证号为SCXK(宁)2015—0001;屏障环境(温度22～25 ℃,相对湿度55%～70%,照明时间12 h/d)。

1.3.7.2 餐后血糖测定

适应性饲喂ICR小鼠7 d后禁食12 h,将小鼠随机分为6组,每组8只,尾静脉取血测定各组小鼠的空腹血糖值作为灌胃前血糖值,以料液比1∶2(g∶mL)分别将低GI枸杞杂粮代餐粉与粉状葡萄糖用水冲调,沉淀10 min后,取代餐粉上清液0.3 mL灌胃前3组小鼠,取葡萄糖粉上清液0.3 mL灌胃后3组小鼠,测定小鼠灌胃后30、60、90、120 min时的血糖值。每天进行3次餐后血糖值的平行测定计算平均值并连续测定7 d。

1.3.7.3 试验小鼠分组

餐后血糖值测定结束后,将小鼠随机分为5组:正常对照组(喂食日常基础饲料),T2DM模型对照组(喂食日常基础饲料),T2DM+阳性对照组[喂食1%(质量分数)盐酸二甲双胍纯化基础饲料],T2DM+实验1组[喂食添加20%(质量分数)低GI枸杞杂粮代餐粉纯化基础饲料]、T2DM+实验2组[喂食添加40%(质量分数)低GI枸杞杂粮代餐粉纯化基础饲料],每组8只。

1.3.7.4 高血糖模型建立

所有小鼠餐后血糖值测试结束后,除正常对照组外,其他4组以高糖高脂饲料饲喂50 d后禁食12 h,并根据小鼠体重以80 mg/kg的剂量采用腹腔注射对小鼠注射20 mg/mL STZ水溶液。连续注射3 d后,尾静脉取血测定模型组小鼠的空腹血糖,选择血糖值大于11.1 mmol/L的小鼠作为T2DM模型。

1.3.8 基本生理指标测定

连续饲养过程中,每隔7 d测定1次小鼠体重和摄食量,测试前对小鼠禁食不禁水12 h。

1.3.9 空腹血糖测定

连续饲养过程中,每2周测量1次小鼠的空腹血糖:禁食禁水12 h后,于小鼠尾静脉采集血液,用血糖试纸采集1滴自然流出的血液样本测定血糖值。

1.3.10 数据处理

使用Origin 2021进行统计分析绘图,采用SPSS 26对试验数据检验统计分析,利用Design-Expert 10分析响应面试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 黄豆粉对代餐粉感官评分的影响

黄豆粉富含大量粗纤维、优质蛋白及皂荚,可有效抑制糖分过度吸收、降低血糖血脂及减轻体重[11-12]。由图1-a可知,黄豆粉添加量在8.3%～15.4%时,感官评分逐渐增加,超过15.4%时,感官评分逐渐降低。当添加量超过15.4%时,影响代餐粉的口感及冲调性。因此,选择黄豆粉添加量为15.4%。

2.1.2 绿豆粉对代餐粉感官评分的影响

绿豆富含球蛋白和多糖,可以促进体内胆固醇在肝脏分解成胆酸,加快胆汁里胆盐的分泌,降低小肠对胆固醇的吸收[13]。由图1-b可知,随着绿豆粉添加量的增加,代餐粉的感官评分先增加后又逐渐降低,当绿豆粉添加量超过15.4%时,代餐粉的冲调性变差,导致口感不好。因此,选择绿豆粉添加量为15.4%。

2.1.3 黑豆粉对代餐粉感官评分的影响

黑豆中不饱和脂肪酸含量较高,可有效减少血液中的胆固醇,防止血脂上升[14]。由图1-c可知,代餐粉感官评分随黑豆粉的增加先增大,后缓慢下降且趋于平缓,当黑豆粉添加量为15.4%时,感官评分接近最大值,继续增大黑豆粉添加量,代餐粉口感变得绵腻且香味浓郁。因此,预选黑豆粉添加量为15.4%。

2.1.4 燕麦粉对代餐粉感官评分的影响

食用燕麦能够改善人们的膳食结构,从而实现营养均衡。现代研究表明,燕麦有降脂、通便、预防心血管、预防糖尿病、抗疲劳的作用[15-16]。由图1-d可知,随着燕麦粉的增加,代餐粉感官评分先快速升高,后逐步下降,当燕麦粉添加量超过15.4%时,代餐粉冲调性及适口性变差。因此,选择燕麦粉添加量为15.4%。

2.1.5 苦荞粉对代餐粉感官评分的影响

苦荞富含荞麦碱、多酚类和黄酮类化合物等抗氧化物质,研究表明,苦荞具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗菌和预防肥胖病等功效[17-18]。由图1-e可知,随苦荞粉的增加,代餐粉感官评分先逐步上升,后快速下降,当苦荞粉添加量超过12.3%时,苦荞粉苦味过于突出,严重覆盖了代餐粉的香味且口感粗糙。因此,选择苦荞粉添加量为12.3%。

2.1.6 藜麦粉对代餐粉感官评分的影响

藜麦营养全面且均衡,富含多酚、生物黄酮、皂苷等多种功能活性成分,在增强机体免疫力、防治糖尿病、抗肿瘤和减肥等方面具有良好的效果[19-20]。由图1-f可知,感官评分随藜麦粉添加量的增加先增加,后持续降低。由于藜麦味苦,当藜麦粉添加量超过12.3%时继续增加导致代餐粉发苦,藜麦粉味道突出,代餐粉冲调性降低,适口性差,感官评分下降明显,因此,选择藜麦粉添加量为12.3%。

2.1.7 枸杞粉对代餐粉感官评分的影响

枸杞味甘甜,富含多种活性成分且含糖量高,其中枸杞多糖对Ⅱ型糖尿病患者功效显著,降血糖作用明显[21]。由图1-g可知,代餐粉随枸杞粉的增加,感官评分先缓慢增加后逐步下降,且枸杞粉与杂粮粉混合后,其口感互补明显,杂粮粗糙的口感得到明显提升。当添加量超过15%时,由于枸杞相对杂粮口味偏甜,所以添加过多导致代餐粉口感甜腻,适口性差,枸杞粉味道突出,使得代餐粉感官评分降低,因此,选择枸杞粉添加量为13.8%。

2.2 Plackett-Burman因素筛选试验结果与分析

在单因素试验结果基础上,进行6因素2水平Plackett-Burman试验,结果见表5。由表6可知,黑豆粉、燕麦粉和枸杞粉对低GI枸杞杂粮代餐粉感官品质具有显著影响,且其影响由大到小依次为黑豆粉、燕麦粉、枸杞粉,因此选择这3个因素进行最陡爬坡试验,优化低GI枸杞杂粮代餐粉配方。

2.3 显著因素的爬坡试验结果与分析

在Plackett-Burman试验结果基础上,选取黑豆粉添加量、燕麦粉添加量和枸杞粉添加量3个较为显著的因素设计最陡爬坡试验,固定苦荞和藜麦均为13.3%,黄豆和绿豆均为16.7%,黑豆、燕麦和枸杞粉添加量各为16.7%,如表7所示。

2.4 响应面法优化实验结果与分析

2.4.1 Box-Behnken试验设计

通过Design-Expert 10.0软件对表8的数据进行分析,得到回归方程:感官评分R1=82.90-2.13C+0.33D+3.35G-1.93CD-3.22CG-0.87DG-5.01C2-4.06D2-11.66G2。对该方程进行方差分析结果见表9。

由表9可知,回归方程的F值为425.33(P<0.000 1),表明此模型差异极显著;对回归方程进行失拟项检验,F=2.14,P=0.237 6>0.05,不显著,表明残差均由随机误差所引起。模型这进一步表明该模型对试验拟合度较好,可解释99.58%响应值的变化。因此,该模型可用于分析和预测低GI枸杞杂粮代餐粉的感官品质。由检验值F可知,对低GI枸杞杂粮代餐粉感官评分的影响大小依次是:G(枸杞粉添加量)>CG(黑豆-枸杞混合粉添加量)>C(黑豆粉添加量)>CD(黑豆-燕麦添加量)>DG(燕麦-枸杞混合粉添加量)>D(燕麦粉添加量)。由各因素的P值可知,除燕麦粉外,其余单组分粉添加量及混合粉添加量对低GI枸杞杂粮代餐粉的影响及显著。两两交互项中,CD交互作用P=0.000 1<0.05,CG交互作用P<0.000 1,说明黑豆-燕麦添加量的交互作用及黑豆-枸杞混合粉添加量的交互作用对低GI枸杞杂粮代餐粉的感官评分影响显著;二次项C2、D2、G2对低GI枸杞杂粮代餐粉的感官评分均有极显著影响。

2.4.2 响应面试验结果分析

当等高线为椭圆形,则表明两个因素之间的相互作用显著,而等高线为圆形时,则表示两个因素之间的相互作用显著。根据图2-a响应面曲线,黑豆粉和燕麦粉添加量交互作用极显著(P=0.000 1),对感官评分影响较大;由图2-b可知,黑豆粉和枸杞粉添加量交互作用极显著(P<0.000 1);由图2-c可知,燕麦粉和枸杞粉添加量交互作用显著(P=0.011)。综上,黑豆粉添加量、燕麦粉添加量和枸杞粉添加量各交互作用,对低GI枸杞杂粮代餐粉感官评分影响显著。通过软件对所建立的模型进行分析,此配方感官评分预测值为84.65,实际值为84.3±0.85,预测值与实际值基本一致,表明模型有很好的精度和拟合度。

通过单因素试验、Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验优化得到低GI枸杞杂粮代餐粉最佳配方为黄豆粉添加量15.1%,绿豆粉添加量15.1%,黑豆粉添加量14%,燕麦粉添加量15.6%,苦荞粉添加量12.1%,藜麦粉添加量12.1%,枸杞粉添加量16%,且该配方得到的代餐粉冲调效果良好,无颗粒及结块。

2.5 餐后2 h血糖值分析

如图3所示,灌胃葡萄糖粉溶液和低GI枸杞杂粮代餐粉溶液后,餐后血糖值在约30 min时达到峰值,低GI枸杞杂粮代餐粉的小鼠餐后血糖值比葡萄糖低;120 min时,灌胃低GI枸杞杂粮代餐粉的小鼠血糖值基本接近空腹血糖水平,而灌胃葡萄糖的小鼠餐后血糖值相对于空腹血糖值仍较高。以上结果说明低GI枸杞杂粮代餐粉改善下调小鼠餐后血糖值的作用明显于葡萄糖。

2.6 小鼠基本生理指标分析

从表10可以看出,各组间小鼠饲料利用率差异显著性(P<0.05),结果显示,实验1组较实验2组增重效果明显且饲料利用率高,说明低GI枸杞杂粮代餐粉富含纤维素,可提高小鼠的饱腹感且存在剂量依赖性。模型组和阳性组相比于正常组小鼠均有明显的减重。

2.7 小鼠空腹血糖分析

由图4可知,随着试验周期数的增加,除正常组小鼠外,其余组小鼠空腹血糖值均呈现缓慢上升趋势(P>0.05),而在喂养到第2周和第4周时,阳性组小鼠血糖值明显下降,显著低于其他组别(P<0.05),其他3组的血糖值稍有升高且实验1组(低剂量组)相较于模型组血糖上升趋势比较平缓,喂养到第6周时,阳性组小鼠血糖值仍有较大幅度的下降,实验2组(高剂量组)血糖值开始出现下降但不显著(P>0.05),实验1组(低剂量组)血糖值略有上升,模型组血糖值始终持续上升且血糖值最高。

综上分析,实验1组(低剂量组)血糖值一直没有出现下降推测可能是因为摄入代餐粉剂量较低或给药周期较短,而实验2组(高剂量组)血糖值到第6周时出现下降可能是因为相较于实验1组(低剂量组)摄入代餐粉剂量较高,该结果与郑淑娟等[22]和王司琪[23]研究结论一致。因此可说明在进行饲喂6周的试验周期内食用低GI枸杞杂粮代餐粉无明显降血糖效用,但可使空腹血糖值上升缓慢且整体趋于平稳状态。

3 结论

本研究通过采用单因素试验、Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验,优化了低GI枸杞杂粮代餐粉配方,并以ICR小鼠为实验对象,高脂饲料诱导后,结合STZ建立T2DM小鼠模型,加入不同剂量的低GI枸杞杂粮代餐粉,探究其对T2DM小鼠的基本生理指标及血糖的影响。结果表明,黄豆粉添加量15.1%,绿豆粉添加量15.1%,黑豆粉添加量14%,燕麦粉添加量15.6%,苦荞粉添加量12.1%,藜麦粉添加量12.1%,枸杞粉添加量16%。低GI枸杞杂粮代餐粉可改善下调小鼠餐后血糖并能够改善小鼠基本生长状况,但使小鼠的空腹血糖值缓慢上升且整体趋于平稳状态。综上,由最佳配方制得的低GI枸杞杂粮代餐粉具有辅助调节餐后血糖的能力,应用前景广阔,有待进一步开发。

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Formula optimization of low GI barbary wolfberry multigrain meal replacement powder and its hypoglycemic effect

MA Jiao, ZHANG Yuanyuan, MA Qin, ZHENG Anran, LIU Jun, LIU Dunhua*

(School of Food Science and Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

ABSTRACT To explore the optimal formula and hypoglycemic effect of the low glycemic index (GI) barbary wolfberry of coarse grain meal replacement powder, in this study, six grains were used in soybean, mung bean, black bean, oats, Tartary buckwheat and quinoa as the main raw materials, and a low GI barbary wolfberry of coarse grain meal replacement powder was prepared from Ningxia barbary wolfberry with similar medicine and food.With the sensory score as an indicator, univariate test, Plackett-Burman test, steepest climbing test and Box-Behnken test were used to optimize the low GI barbary wolfberry coarse grain meal replacement powder formula, and the hypoglycemic effect of low GI barbary wolfberry coarse grain meal replacement powder was evaluated by establishing a type 2 diabetes mellitus mouse model.The results showed that the best formula of barbary wolfberry multigrain meal replacement powder was 15.1% of soybean flour, 15.1% of mung bean flour, 14% of black bean flour, 15.6% of oat flour, 12.1% of tartary buckwheat flour, 12.1% of quinoa flour, and 16% of barbary wolfberry flour.Low GI barbary wolfberry multigrain meal replacement powder improved the postprandial blood glucose value and improved the basic growth status of mice, but the fasting blood glucose value slowly increased and became overall stable (P>0.05).

Key words low glycemic index;coarse grains;barbary wolfberry;formula optimization;hypoglycemic

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.035665

引用格式：马娇,张园园,马琴,等.低GI枸杞杂粮代餐粉的配方优化及其降血糖作用研究[J].食品与发酵工业,2024,50(11):233-240.MA Jiao, ZHANG Yuanyuan, MA Qin, et al.Formula optimization of low GI barbary wolfberry multigrain meal replacement powder and its hypoglycemic effect[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(11):233-240.

第一作者：硕士研究生(刘敦华教授为通信作者,E-mail:dunhualiu@126.com)

基金项目：国家星火计划项目(2015GA880005);宁夏自然科学基金项目(2021AAC03013,2022AAC02021);宁夏回族自治区农业科技自主创新资金项目(NGSB-2021-6-05)

收稿日期：2023-03-29,改回日期:2023-05-19