Effect of Ultrasonic Treatment on the Digestion Characteristics of Glutinous Rice Flour and Optimization of Process to Reduce Glutinous Rice Flour Glycemic Index
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摘要: 目的：为研究超声波处理对糯米粉消化特性及血糖生成指数（Glycemic index，GI）的影响。方法：以GI值为指标，通过单因素实验和响应面法研究糯米粉乳液浓度、超声功率、超声时间、干燥温度4个因素对糯米粉消化性的影响。研究表明，超声作用可以使淀粉间组分相互转化，提高抗性淀粉含量，并显著（P<0.05）降低糯米粉的GI值。糯米粉乳液浓度30%、超声功率400 W、超声时间4 min、干燥时间49 ℃，糯米粉的GI值降低至76.31（比普通糯米粉降低14.22%），与响应面回归方程预测值（76.28）相近，表明该回归模型可用于优化糯米粉超声处理工艺。且超声处理并未改变糯米粉的晶型。结论：该法可以提高糯米粉的抗消化性，可为进一步开发低GI糯米粉提供实验思路。Abstract: Objective: To study the effect of ultrasonic treatment on the digestion characteristics and glycemic index (GI) of glutinous rice flour. Methods: With GI value as the index, the effects of four factors, including emulsion concentration, ultrasonic power, ultrasonic time and drying temperature, on the digestibility of glutinous rice flour were studied by single factor test and response surface method. The results showed that ultrasound could transform the components between starches, increase the content of resistant starch, and significantly (P<0.05) reduce the GI value of glutinous rice flour. The GI value of glutinous rice flour decreased to 76.31 (14.22% lower than that of ordinary glutinous rice flour) with 30% emulsion concentration, 400 W ultrasonic power, 4 min ultrasonic time and 49℃, which was similar to the predicted value of the response surface regression equation (76.28), indicating that the regression model could be used to optimize the ultrasonic treatment process of glutinous rice flour. The crystal form of glutinous rice flour was not changed by ultrasonic treatment. Conclusion: This method could improve the digestibility of glutinous rice flour and provide experimental ideas for the further development of low GI glutinous rice flour.
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糯米营养丰富，口感独特，其制品糯米粉具有低致敏性、低谷蛋白含量、较易消化等特点，深受消费者喜爱。水磨糯米粉柔软、香糯、韧滑，适用于制作汤团、糍粑等小食[1]。淀粉是糯米粉的主要营养物质，且以支链淀粉为主，由于支链淀粉的特殊分叉结构，淀粉酶接触位点多，糯米粉消化效率高，快消化淀粉较多，食用后血糖反应大，易增加患肥胖、Ⅱ型糖尿病和心血管疾病的风险[2−3]。支链淀粉结晶区的微晶束会对酶的消化能力产生抵抗作用，从而抑制胰淀粉酶水解支链淀粉中的α-1,4糖苷键，且支链淀粉中的α-1,6糖苷键无法被人体α-淀粉酶正常水解，产生人体无法消化吸收的极限糊精，容易造成消化不良，严重限制了糯米粉的应用范围[4]。血糖生成指数（Glycemic index，GI）是对食物组分和含量、碳水化合物的类型和结构、食物的物理状态和加工制作过程等因素的综合评估，较全面地反映了食物在人体的消化利用状况[5−6]。影响食品GI值的因素包括直链淀粉和支链淀粉的比例、淀粉的凝胶化、淀粉颗粒的结晶度以及食品加工方式等[6]。近年来，通过物理、生物、化学技术，提高淀粉的抗消化性，降低糯米粉的GI值，已成为糯米高值化开发领域的研究热点。郭宇等[7]利用蛋白酶处理糯米粉，发现酸性蛋白酶处理的糯米粉GI值比对照降低了27.95%。王东旭等[8]利用湿热处理工艺使糯米粉GI值降低了30.1%。张振娜[9]的研究表明射频处理使糯米粉的抗性淀粉（Resistant Starch，RS）含量提高了20.27%，消化率显著降低。熊金娟等[10]采用臭氧处理降低了糊化糯米粉的消化率。然而，经处理的糯米粉仍为中/高GI值食品，探索更多方式来降低糯米粉的消化速率具有一定的研究价值。
超声波技术绿色环保、简单高效，在水体系中使用高频波（>15~20 kHz）产生强剪切力、高温和自由基，可以使淀粉晶体结构、功能发生变化，表现为RS含量增加[11−14]。超声波处理的效果取决于操作时间、温度、功率、频率和淀粉来源和种类[15]。Vidhyalakshmi等[16]将超声作用于珍珠小米淀粉，显著提高了RS含量，将经超声的珍珠小米淀粉-胚芽复合物代替部分小麦粉，制作的面包GI值显著降低；Flores-Silva等[17]研究超声对玉米淀粉消化性的影响，发现超声处理通过破坏颗粒完整性和解聚淀粉链来诱导淀粉颗粒形态和物理化学变化，且超声时间对原生淀粉和糊化淀粉消化率的影响有差异，原生淀粉RS显著增加，快消化淀粉（Rapidly digestible starch, RDS）、慢消化淀粉（Slowly digestible starch, SDS）变化不大，糊化淀粉RS、RDS增加，SDS降低。杨梦恬等[18]研究了超声对糯米、非糯米淀粉消化性的影响，超声处理可提高糯米与非糯米淀粉中直链淀粉含量、RDS和RS含量。但超声波对糯米粉消化特性及血糖指数有何影响还未见报道。本研究以糯米粉乳液浓度、超声时间、超声功率、干燥温度为考察因素，研究了超声波对糯米粉消化特性及血糖指数的影响，并通过Box-Behnken 响应面法确定最佳超声处理条件，验证超声处理对糯米粉GI值的降低效果，为低GI糯米粉的开发提供了技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
糯米粉 常州金坛江南制粉有限公司；95%乙醇、无水亚硫酸钠、无水葡萄糖、苯酚、酒石酸钾钠、氢氧化钠、无水乙酸钠、无水葡萄糖、乙酸（冰醋酸） 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；淀粉葡萄糖苷酶（酶活为100000 μ/mL）、3，5-二硝基水杨酸 上海麦克林生化科技有限公司；耐高温α-淀粉酶（酶活为2000 μ/mL） 阿拉丁生化科技股份有限公司。
HWS-26电热恒温水浴锅、DHG-9240A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；5810R高速冷冻离心机 德国Eppendorf公司；HIM 多功能酶标仪 美国 Bio-Tek 公司；DF-101T集热式磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司；PHSJ-4F pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；YP5001N 型电子天平 上海舜宇恒平科学仪器厂；MB25 谷物水分测定仪 宁波奥克斯集团有限公司；SmartLab智能转靶X射线衍射仪 日本理学株式会社。
1.2 实验方法
1.2.1 糯米粉的超声处理
参考Flores-Silva等[17]的方法，将糯米粉溶于水中配制成30%的糯米粉乳液，室温条件下磁力搅拌2 h，将超声机的探头置于糯米粉乳液中，于冰浴条件下进行超声处理。超声条件为：超声功率300 W，工作时间1 s，间歇时间1 s，总时间9 min进行超声，糯米粉乳液经10000 r/min离心5 min，随后50 ℃干燥2 h左右，使含水量控制在11%±1%，粉碎过100目筛，得到超声糯米粉样品，并以未超声糯米粉为对照进行比较。
1.2.2 单因素实验
1.2.2.1 糯米粉乳液浓度对糯米粉消化特性和GI值的影响
在超声功率300 W，超声时间9 min，干燥温度50 ℃条件下，考察糯米粉乳液浓度20%、30%、40%、50%、60%、70%对糯米粉消化特性和GI值的影响。
1.2.2.2 超声功率对糯米粉消化特性和GI值的影响
在糯米粉乳液浓度为30%，超声时间9 min，干燥温度50 ℃条件下，考察超声功率0、100、200、300、400、500、600 W对糯米粉消化特性和GI值的影响。
1.2.2.3 超声时间对糯米粉消化特性和GI值的影响
在糯米粉乳液浓度为30%，超声功率300 W，干燥温度50 ℃条件下，考察超声时间1、5、9、13、17、21 min对糯米粉消化特性和GI值的影响。
1.2.2.4 干燥温度对糯米粉消化特性和GI值的影响
在糯米粉乳液浓度为30%，超声功率300 W，超声时间9 min条件下，考察干燥温度40、50、60、70、80、90 ℃对糯米粉消化特性和GI值的影响。
1.2.3 响应面优化试验设计
在单因素实验结果的基础上，以GI值为考察指标，设计3因素3水平的Box-Behnken试验确定最佳处理条件。考察因素及水平设计见表1。在响应面优化试验设计结果基础上进行验证试验，比较预测GI值与实际GI值。
表 1 Box-Behnken 试验因素水平设计Table 1. Design of Box-Behnken experimental factor levels因素 水平 −1 0 1 超声功率（W） 300 400 500 超声时间（min） 1 5 9 干燥温度（℃） 40 50 60 1.2.4 验证试验
在优化条件下重复 3 次试验，测定超声糯米粉GI值，以验证优化试验条件的准确性与稳定性。
1.2.5 GI值的测定
参考Englyst等[19]和缪铭[20]的方法进行体外模拟消化试验，称取糯米粉200 mg装入到50 mL具塞离心管中，加入15 mL浓度为0.2 mol/L，pH5.2的醋酸钠缓冲溶液，沸水浴处理30 min，加热期间不停搅拌，结束后取出离心管冷却至室温。加入 10 mL 混合酶液（0.002 mL 的淀粉葡萄糖苷酶与 1.5 mL 猪胰腺α-淀粉酶混合定容至 10 mL，即为混合酶液），并于37 ℃水浴保温酶解。分别在酶解时间为0、10、20、40、60、90、120、180 min时吸取1 mL酶解液于试管中，加入乙醇均匀灭酶，在4 ℃下，10000 r/min离心5 min，取上清液稀释10倍。使用DNS法测定糯米粉样品中的葡萄糖含量，通过葡萄糖标准曲线（y=0.9765x+0.0383，R2=0.9992）和公式计算葡萄糖含量并绘制出糯米粉样品的水解曲线，曲线下面积表示食物消化后对血糖的影响。以白面包（定义白面包的水解率为100）为对照标准，计算营养片段RDS、SDS和RS的含量、水解指数（Hydrogenated Index，HI）和GI值。
RDS(%)=(G20−FG)×0.9TS SDS(%)=(G120−G20)×0.9TS RS(%)=TS−(RDS+SDS)TS 式中：G20—淀粉样品酶水解20 min后产生的葡萄糖含量（mg）；FG—酶水解前淀粉样品中游离的葡萄糖含量（mg）；G120—淀粉样品酶水解120 min后产生的葡萄糖含量（mg）；TS—总淀粉干基重（mg）。
水解率(%)=Gt×0.9200 HI=样品消化（水解）曲线下面积/参比标准样品消化（水解）曲线下面积×100
GI=39.71+(0.549HI) 1.2.6 X-射线衍射分析
将糯米粉样品放入XRD 衍射检测槽进行X-射线衍射扫描。测试条件为：靶型：Cu射线，电压为40 kV，电流为150 mA，扫描范围为5°~40°，步长为0.02°，扫描速度6°/min，测定的X衍射图谱的2θ。采用MDIJade6软件对样品进行相对结晶度计算，根据公式：
RC=AcAc+Aa×100 式中，RC为样品的相对结晶度，Ac为样品结晶区的面积，Aa为样品无定型区面积。
1.3 数据处理
所有实验均平行测定3次，结果以平均值±标准偏差表示。采用 IBM SPSS 19.0 统计软件对实验数据进行统计分析，显著水平P<0.05。使用 OriginPro 2015制图，Design-Expert 软件进行响应面法优化分析。
2. 结果与分析
2.1 单因素实验结果
2.1.1 糯米粉乳液浓度对消化特性及GI值的影响
RDS的含量很大程度上决定餐后血糖的应答，GI值的升高受RS和SDS含量控制，RS的含量升高代表抗消化性能力增强[21−22]。方桂红等[23]的研究表明RS是位于淀粉内部的双螺旋结构，排列紧密，酶与淀粉之间的作用位点少，具有很好的抗酶解能力，RDS是位于淀粉重结晶的外部区域的无定形结构，SDS介于两者之间。在一定浓度范围内，料液比影响超声空化效应，溶质增加，减弱了对单一淀粉颗粒的超声效应，单一淀粉颗粒接收到的能量小，淀粉结晶度降低，影响淀粉的消化性。由图1可知，当糯米粉乳液浓度为20%～60%时，RDS变化不显著，当乳液浓度为70%时，RDS含量最高（35.52%），但相较于普通糯米粉（38.04%）低，表明超声可以降低RDS含量。RS含量随着乳液浓度的提高呈下降趋势，当乳液浓度为20%时，RS含量最高（43.87%），较普通糯米粉提高了24.45%，表明超声使消化淀粉转化为不可消化淀粉，这是因为强烈的超声空化导致淀粉颗粒中形成孔，酶更易进入，以及游离直链糖分子的增加等一系列原因[24−27]。
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图 1 糯米粉乳液浓度对糯米粉消化特性及GI值的影响注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。Figure 1. Effects of glutinous rice flour emulsion concentration on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour糯米粉乳液浓度对糯米粉的降糖效果有显著（P<0.05）影响。糯米粉的HI和GI随着糯米粉乳液浓度的提高而增大，当乳液浓度为20%时，HI（67.05）和GI（76.52）最低，分别比未超声糯米粉（测得GI= 88.96）降低了25.25%、13.98%。这可能是由于RDS含量降低，RS含量提高，RS在食物消化过程中吸水溶胀形成高黏度溶胶，有助于提升饱腹感，可延缓餐后血糖升高[28]。在乳液浓度为20%~50%范围内，HI和GI值增加缓慢，抗消化性能较强。当糯米粉乳液浓度大于50%时，糯米粉水解曲线下面积大，此时淀粉分子与酶结合位点多，释放的葡萄糖量多，耐消化性较差。综合考虑成本及生产的可控制性，选取乳液浓度30%完成以下试验。
2.1.2 超声功率对消化特性及GI值的影响
超声产生强烈的空化作用使悬浮介质产生气泡，气泡坍塌前后产生的剪切力会改变淀粉链结构，从而实现对淀粉的改性。由图2可知，随着超声功率的增加，RDS含量呈先下降后上升的趋势，SDS含量几乎不变，RS含量先上升后下降，表明超声作用可以使淀粉间组分相互转化。当超声功率为400 W时RS含量达到最大值（42.22%），此时的糯米粉淀粉结晶区域更紧凑有序，更耐消化酶的作用。这是因为超声波切断直链和去支链产生的短链分子，淀粉酶降解分散淀粉链的能力减弱所致[17]。Zhuang等[29]在研究超声联合微波对荷籽淀粉-甘油单硬脂酸复合物体外消化率的影响时，发现400 W的超声波处理可提高淀粉复合物的消化阻力，增加抗性淀粉的含量，与本研究结论一致。当功率增大至500 W时，超声能量增大，糯米淀粉颗粒产生损伤，完整性被破坏，消化酶容易进入淀粉内部，致使糯米淀粉RDS含量增加，RS含量减少。
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图 2 超声功率对糯米粉消化特性及GI值的影响注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。Figure 2. Effects of ultrasound power on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour糯米粉的HI和GI随着超声功率的增大呈先下降后上升的趋势，在超声功率100~300 W范围内，HI及GI值降低幅度较大，超声波产生的高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏了淀粉结构，淀粉消化速率降低、淀粉在小肠的吸收率及摄后血糖反应均下降。当超声功率为400 W时，糯米粉的HI和GI值最小，二者的变化趋势一致。相比于未超声糯米粉（测得GI= 88.96），GI值从88.96降低至78.69，降低了11.54%，表明超声工艺可使糯米粉具有抗消化性。综合考虑成本及生产的可控制性，选取超声功率300~500 W进行响应面法优化试验。
2.1.3 超声时间对消化特性及GI值的影响
RDS的相对含量与淀粉酶降解分散淀粉链的能力有关，相反，淀粉链的淀粉水解反应受到淀粉构象效应影响。由图3可知，在17 min以内，RDS含量变化不明显，继续延长超声时间糯米粉乳液中RDS增加，这可能是由于直链淀粉分子的断裂和支链淀粉分子的脱支使短链的可用性增加。SDS随着超声时间的延长无显著变化，RS呈先增加后降低的趋势，在超声5 min时RS达到最大值（42.92%）比对照提高了21.76%，这是因为短时的超声波诱导的内部颗粒结构的增强重排，长程结晶度增加，可有效限制淀粉水解酶的水解速率，从而降低支链淀粉链的降解速度[17]。
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图 3 超声时间对糯米粉消化特性及GI值的影响注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。Figure 3. Effects of ultrasound time on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour由图3可知，糯米粉的HI和GI随着超声时间的增大呈先下降后上升的趋势。短时超声有利于降低糯米粉的HI及GI值，当超声时间为5 min时，糯米粉的HI和GI值达到最小值，相比于未超声糯米粉（测得GI= 88.96），GI值从88.96降低至77.68，降低了12.68%，这是因为超声时间较短，作用于结晶区域的机械功率低，使α-淀粉酶和淀粉葡糖苷酶对淀粉水解的敏感性低[30−31]。当超声时间在9~21 min范围内，GI显著提高，说明长时间的超声处理促进了淀粉的水解，这可能是因为随着超声时间的增加，淀粉颗粒表面产生损伤，酶更容易进入到淀粉内部进行水解反应，此时糯米粉乳液的结构变得更加均匀，淀粉分子间重排形成了新的有序化结构[32]。也可能是因为超声破坏了α-1,6糖苷链上的C-O-C键，增加了线性链数，有助于支链淀粉分支点的断裂，从而促进了淀粉水解[33]。综合考虑成本及生产的可控制性，选取超声时间1~9 min进行响应面法优化试验。
2.1.4 干燥温度对消化特性及GI值的影响
干燥温度对淀粉链的晶体结构、短程有序性及消化性有重要影响[34]，但对不同晶型及来源的淀粉影响不同。Shang等[35]研究干燥温度对玉米淀粉结构及消化率的影响时发现，在一定温度范围内，干燥温度会改变玉米淀粉短程有序结构以及对酶消化的敏感性，进而影响淀粉的消化性。Oh等[36]研究干燥温度对高直链淀粉消化性的影响时表明，在一定温度范围内，干燥温度与淀粉体外消化率呈负相关，随着干燥温度的提高，RDS含量逐渐降低，SDS与RS含量明显增加，淀粉相对结晶度的提高和短程有序性是影响淀粉酶对淀粉链可及性的重要因素。从图4可见，干燥温度对糯米粉的RDS、SDS、RS含量影响显著，随着干燥温度的升高，RDS为先降低后升高的趋势，且在50 ℃时达到最小值，SDS呈逐渐上升趋势，RS先上升后下降，在60 ℃达到最大值，表明较低的干燥温度下，有利于RS的形成。这与Oh等[36]的研究结果不一致，这可能是因为直链淀粉和支链淀粉共同决定RS的形成，两种淀粉的结晶熔融温度有明显差异，直链淀粉在160 ℃左右发生结晶熔融，支链淀粉在60 ℃左右结晶熔融，糯米粉大部分为支链淀粉，在较高的干燥温度下，部分支链淀粉熔融，结晶结构被破坏，致使RS含量降低，当温度达到80 ℃以上时RS降低尤为明显[37]，对于干燥温度对淀粉消化特性的影响研究并不统一，具体机理仍需进一步深入研究。
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图 4 干燥温度对糯米粉消化特性及GI值的影响注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。Figure 4. Effects of drying temperature on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour糯米粉HI和GI随着温度的升高呈先降低后增加趋势。在50 ℃下干燥的糯米粉GI含量为79.81，比未超声糯米粉（测得GI= 88.96）降低了10.29%，此条件下糯米粉的抗消化性最好，继续提高干燥温度，GI上升明显，这可归因于淀粉局部糊化和结合水能力的提高，较高的温度会快速带走糯米粉表面的水分，淀粉内外形成水分差从而产生拉伸应力，糯米粉出现色泽发黄、硬化结块现象。综合考虑成本及生产的可控制性，选取处理温度40~60 ℃进行响应面法优化试验。
2.2 响应面分析湿热处理工艺试验结果
2.2.1 响应面法优化试验设计及结果
应用 Design Expert 8.0.6软件对响应值GI值进行多元回归拟合分析，可得到二次项回归方程：GI=76.47+0.76A−0.35B+0.63C+0.52AB−0.095AC−1.16BC+1.13A2+1.83B2+2.36C2。结果及拟合方程预测值如表2所示。
表 2 响应面试验设计及结果Table 2. Design and results of response surface tset实验号 超声时间（min） 超声功率（W） 干燥温度（℃） GI值 1 1 300 50 79.89 2 9 300 50 80.09 3 1 500 50 77.72 4 9 500 50 80.02 5 1 400 40 78.57 6 9 400 40 80.54 7 1 400 60 79.58 8 9 400 60 81.17 9 5 300 40 78.79 10 5 500 40 80.84 11 5 300 60 82.80 12 5 500 60 80.22 13 5 400 50 76.41 14 5 400 50 76.43 15 5 400 50 76.75 16 5 400 50 76.08 17 5 400 50 76.69 2.2.2 方差分析结果
由表3所示，回归模型极显著（P<0.0001），该模型的可信度水平大于99.90%，失拟项不显著（P=0.1007>0.05），表明该回归方程模拟与实际拟合良好，方程能够反映糯米粉超声处理后各因素与GI值之间的关系；决定系数R2=0.9816，表明该模型具有良好的拟合度，R2Adj=0.9580，即该模型能解释95.80%试验数据响应值的变化，该模型预测值和实际值拟合度高；R2Adj与R2Pre的差值<0.2，表明没有显著差异，无需进一步优化响应面方程。A、C、BC、A2、B2、C2对应的P<0.01，影响极显著，对糯米粉GI值的影响大；B、AB对应的P<0.05，影响显著，AC对糯米粉GI值的影响不显著，由F值的大小可知，3个因素对超声处理糯米粉的GI值影响程度依次为：超声时间>干燥温度>超声功率，超声时间对糯米粉GI值的影响最大。
表 3 回归模型方差分析Table 3. ANOVA of regression model方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 62.67 9 6.96 41.56 <0.0001 ** A-超声时间 4.59 1 4.59 27.4 0.0012 ** B-超声功率 0.96 1 0.96 5.72 0.0480 * C-干燥温度 3.16 1 3.16 18.88 0.0034 ** AB 1.1 1 1.1 6.58 0.0373 * AC 0.036 1 0.036 0.22 0.6566 ns BC 5.36 1 5.36 31.99 0.0008 ** A2 5.38 1 5.38 32.1 0.0008 ** B2 14.07 1 14.07 83.95 < 0.0001 ** C2 23.51 1 23.51 140.29 < 0.0001 ** 残差 1.17 7 0.17 失拟项 0.89 3 0.3 4.17 0.1007 ns 纯差 0.28 4 0.071 综合 63.85 16 注：**表示差异极显著，P<0.01；*表示差异显著，P<0.05 ；ns表示无统计学差异，P>0.05。 2.2.3 各因素交互作用
为了研究变量之间的相互作用，并确定每个变量的最大响应最佳水平，生成了3D响应面图，见图5~图7。响应面中各因素的影响程度可以通过3D响应面图中响应面的陡峭角度反映。响应面图中曲面越陡，说明这两个因素交互影响作用越显著。在响应面优化试验中，干燥温度不变时，超声时间与超声功率均显著（P<0.05），3D响应面图陡峭，由此说明其交互作用显著（P=0.0373<0.05）对糯米粉GI值影响较大。超声时间一定时，超声功率与干燥温度均显著（P<0.05），3D响应面图陡峭，其交互作用极显著（P=0.0008<0.01），这与 F 值结果一致。由方差分析结果也可知AB、BC交互作用均能显著影响GI值的大小。
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图 5 超声时间与超声功率相互作用的响应面图Figure 5. Response surface map of the interaction between ultrasonic time and ultrasonic power![]()
图 6 超声时间和干燥温度相互作用的响应面图Figure 6. Response surface map of the interaction between ultrasound time and drying temperature![]()
图 7 超声功率与干燥温度相互作用的响应面图Figure 7. Response surface map of the interaction between ultrasonic power and drying temperature2.2.4 确定最佳工艺条件及验证试验
Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行优化得到模型预测理论值为76.28，该模型得到最佳的工艺条件为超声时间3.54 min，超声功率为411.09 W，干燥温度48.86 ℃，考虑到实际操作的可能性，将参数设置为超声时间4 min，超声功率为400 W，干燥温度49 ℃并以该条件进行三次重复试验，测得实际值为76.31±0.43，与理论预测值吻合度较好，表明在该模型优化得到的超声工艺参数可靠、准确。
2.2.5 超声糯米粉X-射线衍射分析
图8可见，糯米粉与超声处理糯米粉均表现出典型的A型衍射，均在17.3°和18.2°附近有未分离的峰，在15.2°和23.1°处有强峰，说明超声处理并没有改变糯米粉的晶型。糯米粉的相对结晶度为20.73%，超声糯米粉的相对结晶度为16.30%，经过超声波处理后糯米粉的结晶度显著降低，这是因为结晶区与支链淀粉含量呈正相关，超声波的机械作用切断了聚合物的结构链，切断支链淀粉的侧链，产生更多的线性分子，增加了直链淀粉的含量。
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图 8 超声糯米粉X-射线衍射图的结晶度注：小写字母不同表示数据有显著性差异（P<0.05）。Figure 8. Crystallinity of ultrasonic glutinous rice flour by X-ray diffraction3. 结论
通过体外消化试验研究了超声条件对糯米粉消化特性及血糖指数的影响，并进行了数据建模和条件优化。研究表明，糯米粉乳液浓度、超声时间、超声功率、干燥温度4个因素对糯米粉消化特性及 GI值的影响均显著。超声作用可以使淀粉间组分相互转化，可有效降低糯米粉的GI值。经 Box-Behnken 设计试验得到的回归方程极显著（P<0.0001），失拟项不显著（P>0.05），回归方程拟合度好。在糯米粉乳液浓度为30%，超声时间4 min，超声功率为400 W，干燥温度49 ℃，糯米粉GI值为76.31±0.43（比普通糯米粉降低了14.22%），实测值与理论值较为接近，表明该模型可用于优化糯米粉超声处理工艺。超声处理并没有改变糯米粉的晶型，结晶度显著降低。短时间的超声处理降低糯米粉的血糖指数为糯米资源的高值化利用提供了一个可行的方法。但单纯的超声处理还不能使糯米粉达到低GI值食品的要求，进一步研究采用超声联合其他技术是否会达到更好的效果，需要进一步深入研究。超声工艺操作简单，但如何实现工业化生产还需进行实践检验。
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图 1 糯米粉乳液浓度对糯米粉消化特性及GI值的影响
注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。
Figure 1. Effects of glutinous rice flour emulsion concentration on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour
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图 2 超声功率对糯米粉消化特性及GI值的影响
注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。
Figure 2. Effects of ultrasound power on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour
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图 3 超声时间对糯米粉消化特性及GI值的影响
注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。
Figure 3. Effects of ultrasound time on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour
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图 4 干燥温度对糯米粉消化特性及GI值的影响
注：图中同一指标小写字母不同，表示有显著性差异（P<0.05）。
Figure 4. Effects of drying temperature on digestive properties and glycemic index of glutinous rice flour
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图 5 超声时间与超声功率相互作用的响应面图
Figure 5. Response surface map of the interaction between ultrasonic time and ultrasonic power
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图 6 超声时间和干燥温度相互作用的响应面图
Figure 6. Response surface map of the interaction between ultrasound time and drying temperature
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图 7 超声功率与干燥温度相互作用的响应面图
Figure 7. Response surface map of the interaction between ultrasonic power and drying temperature
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图 8 超声糯米粉X-射线衍射图的结晶度
注：小写字母不同表示数据有显著性差异（P<0.05）。
Figure 8. Crystallinity of ultrasonic glutinous rice flour by X-ray diffraction
表 1 Box-Behnken 试验因素水平设计
Table 1 Design of Box-Behnken experimental factor levels
因素 水平 −1 0 1 超声功率（W） 300 400 500 超声时间（min） 1 5 9 干燥温度（℃） 40 50 60 
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表 2 响应面试验设计及结果
Table 2 Design and results of response surface tset
实验号 超声时间（min） 超声功率（W） 干燥温度（℃） GI值 1 1 300 50 79.89 2 9 300 50 80.09 3 1 500 50 77.72 4 9 500 50 80.02 5 1 400 40 78.57 6 9 400 40 80.54 7 1 400 60 79.58 8 9 400 60 81.17 9 5 300 40 78.79 10 5 500 40 80.84 11 5 300 60 82.80 12 5 500 60 80.22 13 5 400 50 76.41 14 5 400 50 76.43 15 5 400 50 76.75 16 5 400 50 76.08 17 5 400 50 76.69
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表 3 回归模型方差分析
Table 3 ANOVA of regression model
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 62.67 9 6.96 41.56 <0.0001 ** A-超声时间 4.59 1 4.59 27.4 0.0012 ** B-超声功率 0.96 1 0.96 5.72 0.0480 * C-干燥温度 3.16 1 3.16 18.88 0.0034 ** AB 1.1 1 1.1 6.58 0.0373 * AC 0.036 1 0.036 0.22 0.6566 ns BC 5.36 1 5.36 31.99 0.0008 ** A2 5.38 1 5.38 32.1 0.0008 ** B2 14.07 1 14.07 83.95 < 0.0001 ** C2 23.51 1 23.51 140.29 < 0.0001 ** 残差 1.17 7 0.17 失拟项 0.89 3 0.3 4.17 0.1007 ns 纯差 0.28 4 0.071 综合 63.85 16 注：**表示差异极显著，P<0.01；*表示差异显著，P<0.05 ；ns表示无统计学差异，P>0.05。
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1. 赵梦瑶，王法云，张立攀，王俊朋，李冰. 谷物低GI食品的研究进展. 现代食品. 2024(22): 165-169 . 
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