徐 瑤，劉曉風 ，楊月欣 ，朱 婧

（1.蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州 730050；2.中國疾病預防控制中心營養(yǎng)與健康所，北京 100050；3.北京市科學技術(shù)研究院生物技術(shù)與健康研究所，北京 100089）

碳水化合物（Carbohydrates）作為人類七大營養(yǎng)素之一，是膳食能量最主要的來源。過量碳水化合物的攝入與肥胖、糖尿病以及心血管疾病等代謝性疾病相關(guān)[1]。大量研究顯示：低碳水化合物飲食（low carbohydrate diet，LCD）模式常用來應(yīng)對肥胖、糖尿病等代謝性疾病。LCD 作用機制是通過限制碳水化合物的攝入，使得機體缺乏碳水化合物供能，因此選擇消耗脂肪等其他物質(zhì)維持機體正常運作。短期內(nèi)可達到降低體重的效果[2]，短期內(nèi)其在2 型糖尿病人飲食護理中起到的作用是積極有效的[3]，對人類健康有一定的積極作用[4]。然而，過度的LCD 會使人出現(xiàn)注意力分散、記憶力衰退、酮癥等不良反應(yīng)，長期限制碳水化合物的攝入會使人體產(chǎn)生缺乏微量元素等負面反應(yīng)，對健康造成一定危害。因此需要引入碳水化合物的質(zhì)量來全方位衡量碳水化合物的健康效應(yīng)[1]。

食物中的大多數(shù)碳水化合物被人體攝入后，可在人體消化酶分解后在胃和小腸被吸收，最終以葡萄糖的形式進入血液，為人體供能，引起人體餐后血糖升高。不同食物升高血糖的能力不同，因此傳統(tǒng)上用血糖生成指數(shù)來代表碳水化合物質(zhì)量。隨著相關(guān)研究的深入，對碳水化合物質(zhì)量的理解有了更多的理論基礎(chǔ)。大量證據(jù)表明，高質(zhì)量碳水化合物食物來源為：高纖維，全谷物食物，低游離糖和低精制淀粉食物[5]。綜合研究表明[5-6]，碳水化合物的質(zhì)量包括以下四個維度：膳食纖維含量/攝入量、全谷物含量/攝入量、游離糖含量/攝入量、血糖指數(shù)和血糖負荷。本文從這四個維度來描述碳水化合物質(zhì)量指標，并從食物來源、消化吸收、加工方式、淀粉的組成和結(jié)構(gòu)等四個方面總結(jié)了影響GI 的因素。

1 碳水化合物質(zhì)量指標

1.1 膳食纖維含量

膳食纖維是指植物中天然存在的、從植物中提取或直接合成的聚合度≥3、可食用的、不能被人體小腸消化吸收的、對人體有健康意義的碳水化合物的聚合物[7]。高纖飲食對健康的有益效應(yīng)在大量研究中得到證實，表現(xiàn)在通過調(diào)控總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、餐后血糖和胰島素反應(yīng)、空腹血糖、糖化血紅蛋白等，來達到控制體重[8]、維持人體身體健康的效應(yīng)。膳食纖維的存在可以增加糞便的體積，促進腸胃蠕動，在體內(nèi)發(fā)酵可促進腸道益生菌健康，對腸道菌群產(chǎn)生有益影響，維持胃腸道的健康[9]。國際碳水化合物質(zhì)量聯(lián)盟（international carbohydrate quality consortium，ICQC）發(fā)布的膳食纖維共識中[7]，建議食品標簽應(yīng)包括膳食纖維的量，并區(qū)分內(nèi)源性膳食纖維和添加的外源性膳食纖維。共識中表明膳食纖維標簽的建立有助于使居民膳食纖維攝入達到14 g/1000 kcal/d 的推薦量。

1.2 全谷物攝入量

全谷物是包括完整的、磨碎的、破碎的、去除外殼和不可食用部分后的谷物的總稱?；窘M成包括胚乳、胚芽和麩皮，各組成部分的相對比例必須與完整谷粒相同的相對比例存在。全谷物食品應(yīng)包含至少50%的全谷物成分（以干重計）[10]。全谷物是表征碳水化合物質(zhì)量的一個重要組成部分，有利于控制體重，與2 型糖尿病和心腦血管疾病以及直腸癌的發(fā)病率呈負相關(guān)[11-12]，一項Meta 研究表明每天攝入140～160 g 全谷物可改善超重和肥胖成人的空腹血糖水平[13]。全谷物概念的進一步明確，將促進全谷物的進一步研究快速發(fā)展。

1.3 游離糖攝入量

游離糖是指廠商、廚師或消費者添加到食品中的單糖和雙糖，蜂蜜、糖漿和果汁中天然存在的糖[14]。游離糖攝入的不利影響，首先表現(xiàn)在對牙齒的損傷，研究表明高游離糖攝入量與牙周病之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[15]，造成牙齒炎癥[16]，繼而影響人體的健康，與肥胖和2 型糖尿病有關(guān)。針對此類問題，世界衛(wèi)生組織發(fā)布了糖攝入量膳食指南：建議限制游離糖的攝入量不超過總能量攝入的10%，理想情況下不超過總能量攝入的5%[17]。含糖飲料、果汁以及甜食作為游離糖的主要來源，為人體提供的飽腹感較差，一般在正餐之外食用，從而導致游離糖攝入量難以控制等問題。

1.4 GI

GI 是探究食物進食和血糖變化的重要指標[18]。在1981 年，由加拿大多倫多大學的營養(yǎng)學教授大衛(wèi)·靳克斯（David Jenkins）博士首次提出，GI 值表示含有50 g 有價值的碳水化合物的食物與50 g 碳水化合物標準參考物（葡萄糖或白面包）相比，在一定時間內(nèi)（一般為餐后2 h）引起體內(nèi)血糖應(yīng)答水平的比值[19]，是描述食物中碳水化合物質(zhì)量的重要生理學參數(shù)。GI 作為傳統(tǒng)的考察碳水化合物的質(zhì)量的生理性指標，對于富含碳水化合物的食物，具備低GI 特性，可被認為是高質(zhì)量碳水化合物食物。將GI 與碳水化合物本身性質(zhì)和消化吸收建立聯(lián)系，有利于表征高質(zhì)量碳水化合物食物。

根據(jù)食物GI 值的水平不同，可以將食物劃分為低GI 食物（GI≤55）、中等GI 食物（55＜GI≤70）和高GI 食物（GI＞70）[2]。圖1 為部分谷物及制品的GI 值水平。影響食物GI 值的因素有很多，食物本身的營養(yǎng)成分、食物加工的方式以及GI 值的測定方法等都會對GI 產(chǎn)生影響。

圖1 部分谷物及其制品GI 值水平（葡萄糖＝100）Fig.1 GI value levels of some grains and products(glucose=100)

2 食物在人體中的消化吸收對GI 的影響

食物在體內(nèi)的消化吸收的程度和速率是影響食物GI 值最主要的因素，緩慢消化或者不消化吸收的碳水化合物將降低食物的GI。按照碳水化合物能否進行水解，以及水解后的生成物對其進行分類，可基本分為單糖類、雙糖類和多糖類。單糖類為不能進行水解的糖類的基本單位，雙糖類是兩個單糖分子結(jié)合成的雙糖，多糖是大分子聚合物糖類的統(tǒng)稱，經(jīng)消化酶逐步分解為雙糖、單糖后，被人體利用。其中的單糖—葡萄糖是所有人體細胞的主要能量來源，并且?guī)缀跏谴竽X唯一的能量來源[21]。

淀粉是食物中主要的多糖。從消化特性角度，可以將淀粉分為快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢性消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[22]。其中RS在人體小腸中不能被消化吸收[23]，可完整進入結(jié)腸被微生物分解，并產(chǎn)生短鏈脂肪酸[24]。動物研究表明RS 對空腹血糖水平存在有益影響，RS 可通過增加胰島素分泌和提高胰島素敏感性。調(diào)節(jié)胰島素敏感性的可能機制是改變脂肪酸通量RS 在結(jié)腸可形成短鏈脂肪酸，包括乙酸，丙酸和丁酸鹽。這些酸可能對與胰島素代謝有關(guān)的激素的產(chǎn)生有刺激作用如胰高血糖素樣肽-1 和肽YY，并且可以通過誘導胰島素分泌，來降低食物的GI 值[24]。RS 在總碳水化合物中比例的增加可以改變食物的GI，如通過基因調(diào)控使食物RS 含量增加，或通過加工方式使非抗性淀粉轉(zhuǎn)化為RS 從而增加RS 含量，或在復配食物時以RS 取代原本配方中的可消化碳水化合物。高直鏈淀粉含量與抗性淀粉含量呈正相關(guān)關(guān)系。高直鏈玉米淀粉中含抗性淀粉高達60%。淀粉消化結(jié)構(gòu)分子調(diào)節(jié)機制，是利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)高含量抗性淀粉的依據(jù)。直鏈淀粉對淀粉功能特性影響顯著，使在生產(chǎn)中利用基因組學的方法，生產(chǎn)高水平直鏈淀粉和增加抗性淀粉數(shù)量。結(jié)合上述提高直鏈淀粉的產(chǎn)量的方法，食物中抗性淀粉的含量也會有所增加[25]。

膳食纖維是食物中另一種重要的多糖，不被消化吸收，按照是否溶于水，把膳食纖維分為可溶性膳食纖維以及不可溶性膳食纖維兩大類[26]，可溶性膳食纖維來源于果膠、魔芋等食物，能量較低、吸水性很強，可溶性膳食纖維在胃腸道內(nèi)和淀粉等碳水化合物交織在一起，可以延緩碳水化合物的吸收，能夠起到降低餐后血糖的作用。不可溶性膳食纖維主要來源于全谷類食物，如麩質(zhì)、麥片、糙米、燕麥等全谷類食物，另外常見的蔬菜和水果中也含有部分不可溶性膳食纖維。不可溶性膳食纖維通過促進胃腸蠕動，加快食物通過胃腸道減少吸收，進而同樣起到降低餐后血糖的作用，使食物GI 值降低。

除了碳水化合物，食物中的蛋白質(zhì)、脂肪也對食物的GI 造成影響。蛋白質(zhì)對GI 的影響體現(xiàn)在蛋白質(zhì)對食物中的淀粉的包埋作用，使得淀粉酶與淀粉的反應(yīng)減慢甚至不發(fā)生反應(yīng)[27]，因而降低食物GI。此外，當食物中的蛋白質(zhì)含量高時，還可以刺激機體分泌胰島素，從而快速清除血液內(nèi)葡萄糖，達到降低血糖的效果，使食物GI 偏低[28]。脂肪對GI的影響體現(xiàn)在脂肪可與直鏈淀粉結(jié)合形成復合物，減少小腸對淀粉的消化吸收[27]。或是通過降低淀粉凝膠化，推遲食物在胃的排空，阻礙淀粉酶與淀粉的結(jié)合，并且對淀粉酶具有一定抑制作用[28]，從而降低食物GI。

3 加工對食物GI 的影響

以表1 稻谷類食物的GI 為例，分析說明加工對于食物GI 的影響。

表1 稻谷類食物血糖生成指數(shù)（GI）[29]Table 1 Rice based food glycemic index (GI)[29]

相比于精白米，糙米的皮層富含大量的高纖維，質(zhì)地緊實，通過日常的蒸煮，水分不能充分滲入糙米內(nèi)部，胚乳內(nèi)部的淀粉不易糊化[30]，消化吸收較慢，因此有低的GI。加工精度是影響大米皮層以及胚芽保留率的最直接因素，按照目前大米國家質(zhì)量標準加工，營養(yǎng)物質(zhì)的流失隨著加工精度等級的提高而增大[31]。此外，大米的粒度也會影響大米的消化速率，進而影響GI。早有研究表明，小粒徑水稻淀粉會促進淀粉消化率增加[32]。因此選擇合適的稻米加工精度和粒度，有益于降低稻谷的GI 和保留更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，加水量、加工時間長短等通過影響大米的硬度、膨脹狀態(tài)以及淀粉糊化程度，進而對GI 產(chǎn)生影響。有研究表明[33]：在較高的溫度下烹飪大米可能會增加淀粉分子因糊化而浸出，從而增加GI。Onvara 等[34]通過優(yōu)化試驗探究烹飪溫度和水對大米GI 的影響，研究表明較低的溫度和較短的時間以及較高的水比可以降低大米的GI，因為其結(jié)構(gòu)空隙較少，外圍更緊湊，從而限制了酶促消化。

加工對薯類RS 含量影響巨大，生鮮馬鈴薯中RS 含量高達75%，加工后RS 的含量下降到5%～10%，同時RDS 的含量會增加到53%～86%[35]，馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)為B 型，B 型淀粉在水煮的條件下晶型容易被破壞消失，即加熱條件下，馬鈴薯淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，而導致其更易被酶水解，消化速率加快，且水煮加熱的條件更易使馬鈴薯淀粉糊化，促進了其消化，水煮加工使得馬鈴薯GI 升高[36]。蒸煮對薯類的影響在甘薯中同樣表現(xiàn)明顯，研究表明[37]，蒸煮后，甘薯淀粉含量從18.15%下降到7%，可溶性糖含量從11.78%上升到39.33%。生甘薯內(nèi)含抗性淀粉50%～60%，而熟薯降至7%。導致了甘薯的GI 升高。

由此可以看出控制加工條件對于食物GI 的重要性，選擇合適的加工精度、烹飪方式可以降低食物的GI 值，保留食物中豐富的營養(yǎng)成分。

4 淀粉類型對GI 的影響

淀粉按其鏈的結(jié)構(gòu)來說，可以分為直鏈粉和支鏈淀粉。如表2 所示，不同的鏈的構(gòu)型決定了淀粉的消化特性。直鏈淀粉以卷曲螺旋形方式存在，支鏈淀粉是樹枝型分支結(jié)構(gòu)，淀粉酶在分解淀粉產(chǎn)生葡萄糖時，結(jié)合作用的位點是淀粉鏈的末端。因直鏈淀粉和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)組成不同，支鏈淀粉相比于直鏈淀粉具有更多的淀粉酶結(jié)合位點，所以支鏈淀粉相比于直鏈淀粉有更高的消化速率。因此直鏈淀粉含量高的食物，GI 值相對低。

表2 直鏈淀粉與支鏈淀粉Table 2 Amylose and branched starch

在農(nóng)業(yè)種植過程中，通過品種改良培育含高直鏈淀粉作物，是使食物獲得低GI 的一個可行的途徑。研究表明，目前高直鏈淀粉主要來源于玉米、大麥、水稻等作物[38]。表3 中總結(jié)了從淀粉合成途徑中酶基因改良角度，提高禾谷類作物直鏈淀粉含量的途徑。

表3 提高禾谷類作物直鏈淀粉含量的途徑Table 3 Ways to increase amylose content of cereal crops

直鏈淀粉和支鏈淀粉以復雜的晶體結(jié)構(gòu)方式堆疊成小體結(jié)構(gòu)；然后大量的小體結(jié)構(gòu)以臍點為中心，呈中心環(huán)狀向外聚集；聚集的小體結(jié)構(gòu)形成洋蔥狀生長環(huán)結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成淀粉顆粒。從小體內(nèi)片狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)角度：支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)主要有兩種排列方式：單斜結(jié)晶（A-型結(jié)晶）和六方結(jié)晶（B-型結(jié)晶），根據(jù)淀粉中所含支鏈淀粉晶型可以將淀粉分為A 型、B 型、C 型[43]。此種分類方式與X-射線衍射研究中，對天然淀粉的分類具有一致性（如表4 所示）。雖然通過單斜結(jié)晶比六方結(jié)晶穩(wěn)定，以致A 型淀粉熱穩(wěn)定型最強。淀粉顆粒的大小和結(jié)晶性質(zhì)又影響著其對胰酶的敏感性，X-射線衍射下，B 型和C 型淀粉表現(xiàn)出對胰酶的一定抗性[44]。因此3 種類型的淀粉中，A 型最容易消化，B 型和C 型不易消化。

表4 淀粉的三種類型Table 4 Three types of starch

5 不同食物品類的GI 及影響因素分析

5.1 谷物

由圖1 可知，谷物及其制品的GI 值變化范圍是19～88。谷物的成分和加工方式是造成谷類食物GI 值巨大差異的重要因素。谷類的成分包括淀粉、蛋白質(zhì)、脂類以及膳食纖維。谷物中含有大量的碳水化合物（70%～80%），淀粉作為高分子碳水化合物，是谷物最重要的組成部分，對谷物食品的GI 值起決定性作用[45]。綜合淀粉類型對GI 的影響，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量和比例對谷類食物GI 影響較大，結(jié)合表3 中提高谷類食物中直鏈淀粉含量的方法，可降低谷類食物GI 值，即可提高其碳水化合物質(zhì)量。

由圖1 中還可以看出，全谷物食物具有中低GI 的特性。谷物的麩類部分含有大量膳食纖維GI 值處于低水平狀態(tài)。精米精面等精細加工的谷類食物GI 水平普遍偏高。由此可知降低谷類食物加工精度，可降低其GI 值。

5.2 薯類

薯類作物作為世界范圍內(nèi)廣泛種植的作物，其中碳水化合物的含量同樣可觀，主要以淀粉形式存在。薯類作物種植地區(qū)主要分布在亞洲、非洲、歐洲以及美洲等地[46]。世界范圍內(nèi)薯類作物的發(fā)展走向之一，就是淀粉型薯類開發(fā)和利用。薯類作物中的淀粉含量為8%～29%，全球公認三大薯類作物：馬鈴薯、木薯、甘薯提供了絕大部分薯類淀粉的生產(chǎn)量。

大部分薯類食物為中高GI 食物[20]。表2 提供的直鏈淀粉與支鏈淀粉的關(guān)系同樣適用于淀粉型薯類作物。提高其中直鏈淀粉的含量同樣也能降低薯類作物的GI 值，如抑制葡聚糖水二激酶（glucanwater dikinase，GWDs）活性：GWDs 是葉綠體中催化淀粉降解的一種酶。催化腺苷三磷酸（adenosinetriphosphate，ATP）的β磷酸轉(zhuǎn)移到支鏈淀粉的葡萄糖殘基上形成磷酸葡聚糖。作用于馬鈴薯塊莖，可以達到使其中直鏈淀粉含量由野生型的37%，上升到育種后的39%[47]。由表3 可知，薯類淀粉屬于B 型淀粉，是不易消化的淀粉。與加工方式對GI 的影響相結(jié)合，熟制導致薯類GI 的升高[36]。

5.3 豆類

碳水化合物在豆類中同樣以淀粉的形式存在，大部分豆類及其加工食物為低GI 食物[20]。一些豆類及其加工食品的GI 范圍如：蠶豆（40±5），鷹嘴豆（5±1～45±1），普通豆（9±1～75±8），豇豆（6±1～56±0.2），小扁豆（10±3～66±6），綠豆（11±2～44±6），豌豆（9±2～57±2），木豆（7±1～54±1）和混合豆類制品（35±5～66±23）[48]。由表3 可知，豆類中淀粉以C 型淀粉為主，這也是大多數(shù)豆類GI 值相對谷物GI 值較低的原因[27]。同時GI 范圍的變化也表示了加工對豆類食物GI 的影響。研磨處理會導致豆類顆粒大小的改變，增大表面積，使淀粉暴露與淀粉酶接觸，加速消化，GI 值升高[48]。豆類中含有豐富的蛋白質(zhì)，其中大豆蛋白含量在38%以上，是自然界中含量最豐富的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的包埋作用以及對機體分泌胰島素的刺激作用，使得豆類及其加工制品GI 值處于低水平。

5.4 水果

如表5 所示，水果中的碳水化合物主要以葡萄糖、果糖、蔗糖三種形式存在，在一些水果，還以山梨醇的形式存在。水果中果糖的吸收代謝不需要胰島素的參與；蔗糖的水解產(chǎn)生的是一分子葡萄糖和一分子果糖；山梨醇是人能緩慢消化的碳水化合物，作為葡萄糖對應(yīng)的羥基醇，其消化吸收不經(jīng)過葡萄糖代謝途徑，代謝不會引起人體血糖升高，使得水果的GI值處于中等甚至低水平。

表5 常見水果中糖類化合物Table 5 Carbohydrates in common fruits

結(jié)合《中國食物成分表》[20]中給出的部分水果的GI 值：西瓜GI 為72，屬于高GI 食物，菠蘿GI 為66、芒果GI 為55 屬于中GI 食物，蘋果GI 為36、梨GI 為36、桃GI 為28 等屬于低GI 水果，可以發(fā)現(xiàn)，水果中的糖類化合物的類型，是決定GI 值的關(guān)鍵。水果的甜度由糖類化合物和有機酸的類型、比例、含量水平等因素決定。從糖的角度來說，不同糖組分對甜度的貢獻不同，果糖、蔗糖和葡萄糖的甜度分別為1.75、1 和0.75。可以部分解釋西瓜為何是水果中GI 值高的水果。

溫度帶對水果的影響主要體現(xiàn)在糖類化合物的含量上，熱帶水果含糖量整體略高于溫帶水果，表明氣候因素對糖分的積累有影響，熱帶和亞熱帶地區(qū)日照時間長、晝夜溫差大，使得水果中糖分積累多。

5.5 蔬菜

蔬菜中的碳水化合物含量偏低，以淀粉、糖、纖維素和果膠等形式存在，是人體膳食纖維（纖維素、半纖維素、果膠）的重要來源，因此綠色莖葉類蔬菜一般具有低GI 值。

不同類別的蔬菜所含膳食纖維有所不同[57]：瓜茄類的蔬菜，比如黃瓜、絲瓜、苦瓜、茄子、西紅柿，在這些瓜茄類的蔬菜當中含有豐富的膳食纖維，尤其是可溶性膳食纖維數(shù)量更為豐富。葉菜，比如韭菜、芹菜、油麥菜、白菜；根莖類蔬菜，竹筍、藕、蘿卜、萵筍等在這些葉菜當中含有更多的不溶性的膳食纖維。

6 展望

我國傳統(tǒng)飲食習慣中以谷類作物為主食，有些地方以薯類作物為主食，是碳水化合物的主要來源。工業(yè)化的發(fā)展使得食物加工向精細化發(fā)展，精細化加工導致食物中膳食纖維和微量元素含量較低，消化速度快，血糖大幅波動。飽腹感持續(xù)時間短使得機體產(chǎn)生饑餓信號，導致食物攝入量增多，增加了肥胖的風險。精加工食物的攝入與胰島素抵抗和高血糖水平相關(guān)，會增加患2 型糖尿病的風險，且精致碳水的攝入通過增加甘油三酯的水平，增大心臟病和2 型糖尿病的患病的風險。大量研究表明碳水化合物的質(zhì)量的改善對超重和肥胖、2 型糖尿病、心血管疾病等慢性病有預防和調(diào)控作用。

碳水化合物的質(zhì)量指標尚未有公認的定義，但可以肯定的是膳食纖維、全谷物、游離糖、固體碳水化合物、血糖生成指數(shù)等指標均是考量食物的碳水化合物質(zhì)量指數(shù)的組成因素，碳水化合物質(zhì)量的研究是一個綜合各方面的大集合，目前對碳水化合物質(zhì)量指標只是間接性的一個描述，明確碳水化合物質(zhì)量指標定義任重而道遠。

GI 作為一個直接反映血糖應(yīng)答的衡量指標，可以間接的表示食物碳水化合物的質(zhì)量，但GI 的限制也是顯而易見的，測試個體間的差異、人體試驗高測試成本以及不穩(wěn)定性都會增加GI 測定和應(yīng)用的難度。影響食物GI 的因素是多方面的，過去的研究中，以探究食物的成分、加工、消化吸收等方面對GI 的影響居多，但對于淀粉微觀結(jié)構(gòu)的分析還較少。這方面的研究將有助于進一步深化了解GI 的影響因素，為GI 的應(yīng)用和食物碳水化合物質(zhì)量的評價補充一個新的角度。