CN106979997B - 应用于食物升糖指数评估的快速测定方法 - Google Patents

应用于食物升糖指数评估的快速测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种快速测定方法用以测量食物中的升糖指数。首先将待测食物与本发明所公开的「转糖酵素反应剂」进行转糖反应，佐以食物的击碎与超声波震荡。此转糖反应可将食物中的淀粉、原生自由糖份与膳食纤维等进行类消化模拟反应，最后得到类食糜状的转糖生成产物。依时序测定此生成产物中的葡萄糖浓度，可得到一转糖反应曲线。经由数值方法与“转糖函数对应升糖指数”的转换计算后可快速评估出被测试样品的升糖指数。本发明可大幅缩短传统以体外诊断方法(IVD)检测升糖指数所耗费的时间，并精简所需应用的高级科学仪器与人力。

Description

应用于食物升糖指数评估的快速测定方法
技术领域
本发明涉及升糖指数的检测技术，特别是指一种可在短时间内模拟出对应人体对食物的消化过程系统的所造成的血糖变化对应升糖指数大小的模式，依据此模式可以体外诊断(in-vitro diagnosis,IVD)的方法进行食物升糖指数定量/半定量的的快速测定或评估。本发明方法乃是结合对食物的物理性与化学性的解构、酵素反应、免疫测定学与数学统计推算等各个不同领域的技术建构而成。
背景技术
近年来，由于大众对于饮食观念的增进与对于健康的重视，对食物的释放与吸收更加地注重。再者，由于国人在代谢症候群的人口逐年增加，对于饮食的重视非同日而语，而食品中的碳水化合物一直以来都是跟健康息息相关的。实际上，由碳水化合物所主导的血糖变化一直以来都是众所瞩目的焦点，尤其是糖尿病与肥胖症，更是国人常见的代谢性疾病。
升糖指数(Glycemic Index)是由多伦多大学的詹金斯教授等在研究糖尿病患者饮食中被发展出来的一种重要指标。在消化作用中，碳水化合物被分解为糖类并将可吸收的葡萄糖吸收后，会增加血糖含量，经过一连串作用使血糖趋于稳定，此法主要作用在于衡量食物中糖类对于血糖的影响。升糖指数会因为食物造成血糖波动而分成三大类，若食物中的碳水化合物能被迅速分解为糖类并将可吸收的葡萄糖快速吸收后，迅速的增加血糖含量，导致血糖急剧变化者是为高升糖食物。反之，食物中的碳水化合物较慢被分解吸收，造成血糖波动不大者为低升糖食物。若以葡萄糖为100为基准参考，低升糖食物是指数值小于55以下的食物，中升糖指数介于56-70间，而高升糖食物泛指指数大于71的食物。由于低升糖食物血糖变化不会急剧改变而是较为缓慢平稳，故为有利于血糖稳定的食物。血糖快速的波动会导致胰岛素需求量的改变，以调节人体血糖的恒定。哈佛大学公共卫生院已有研究指出饮食中高升糖指数食物与第二型糖尿病或是冠心病有强烈的正相关。而世界卫生组织WHO与联合国粮食及农业组织也建议工业化国家的人民以低升糖指数饮食为基础，以预防代谢性疾病如肥胖三高、心血管疾病、糖尿病及其并发症。因此，我国的国民健康署也曾在健康专栏请营养师详细解读升糖指数与订定国内常用食物的升糖指数以便民众查找。由此可知，血糖升糖指数可用于帮助消费者与健康管理人员选择适当的食物，并可能降低某些疾病的发生机率。
升糖指数原始的测量是多位健康的成人受试者(6位以上)经过12小时禁食后，摄入50克待测食物，经过多次抽血检测(通常是取7组时间点抽血，每次间隔15-30分钟)，所得两小时内时间与血糖的关系的钟形曲线图，再将曲线下方积分除以标准食物(在亚洲区多以葡萄糖当作标准食物，而欧美多以白吐司当作标准食物，国民健康署以葡萄糖为本国升糖指数的标准食物)后得数值再乘以100即为升糖指数。为了降低受试者本身的差异或是其他个人特质的差异度，受测食物的使用需要经过严格的筛选。由于该方法的测定通常需要人当受试者以及费用昂贵费时，因此已经有相当的体外测试方法的发展。最有名的是1996年K.N.Englyst与其同事的研究，包括37℃下将食物和消化酶混合后定温分解食物，以比色法测定食物释放出的葡萄糖。1999年Englyst更将其方法改以高效能液相层析仪(HPLC)测定。其中，Englyst方法包含切碎已知定量的受测食物，加入10ml含有胃蛋白酶与瓜尔胶的HCl中混合后，经过37℃10分钟的反应后加入pH5.2的0.5M醋酸钠。接着将前述混合物加入事先混匀的淀粉酶、转化酶、胰淀粉酶中，经过37℃水浴震荡20分钟后，取出第一份样本并加入无水酒精终止反应，再以高效能液相层析仪(HPLC)测定(称为G20，即20分钟后释放的葡萄糖)。剩余样本继续作用100分钟后取出第二份样本，加入无水酒精终止反应后再以HPLC测得G120(即120分钟后所释放的葡萄糖含量)。取样两次后的残余试验混合物，将温度加至100℃促使完全水解，用以测定样品中的总葡萄糖含量。相较于使用体内测试方法测定血糖糖升指数，Englyst方法是利用葡萄糖值估算出受试食物的升糖指数数值。然而，Englyst方法也有其盲点，Brand-Miller等在2004年使用Englyst方法显示使用在低升糖指数的食品上会有误差过大的问题。Garsetti等在2005年的文章指出，某些食物(例如某些市售饼干)上面，此方法并没有预测价值。而由卡夫卡食品所持有的专利(中国专利字号：CN101784898B)改良Englyst方法，运用低温均匀研磨食物并固化或半固化食物样品，以确保食物分子完整性，模拟食品与酶的消化产生蛋白质、脂肪与糖醇的层次，最后使用HPLC测得样本糖类后，经由计算得到模拟的升糖指数，借以提高食品的升糖指数预测性。虽然提高了升糖指数预测性，但能需一天的时间处理并必须由高解析度的仪器(HPLC)分析计算后才能得到升糖指数。
由前述技术可知，要测定升糖指数需要进行长时间与复杂的实验程序，耗用大量人力，并配合昂贵的精密仪器方能够进行。但面对于广大且又千变万化的饮食检测与预防医学保健的需求而言，如何缩短测试时间与大幅降低测试成本是当务之急。故本发明着重以创新方法提供一个以快速简便为目的的升糖指数测定方法，包含快速反应试剂配方，测定程序、快速测定仪器与数学方法来达到此目的。
发明内容
发明所欲解决的问题：
本发明以创新方法提供一个以快速简便为目的的食物升糖指数测定方法，包含快速反应试剂配方，测定程序、快速测定仪器与数学方法来达到此目的。就现有的升糖指数测定技术而言，其一为“直接断食采血测定法”，必须进行大量的人体临床实验来采血测量后计算，其二为传统的体外诊断检测方法(in-vitro diagnostic test,IVD test)则需要进行长时间与复杂的实验程序，耗用大量人力，并配合昂贵的精密仪器(如高效能液相层析仪HPLC)方能够进行，更进一步，传统IVD方法大量使用强酸强碱提取食物中的转糖成分，所以必须借助大量前处理步骤，而且实验后的残留物质的清理也是一大问题。无论以上何种传统方法皆耗时、耗人力且高成本，更甚的还需要进行冗长的临床实验程序。为解决广大且又千变万化的饮食检测与预防医学保健的需求，依据本发明将提供一种新的检测方法用以大幅精简实验人力，缩短测试时间，不用强酸强碱、不须使用高成本的贵重仪器，即可进行对食物升糖指数的定量与半定量的快速评估。
解决问题的技术手段：
将欲检测升糖指数的食品样本定量采样后，与本发明所公开的「转糖酵素反应剂」进行转糖反应，佐以食物击碎与超声波震荡，可对食物进行类消化模拟反应的分解与成分转换，最终可得到相对应的葡萄糖浓度的时间变化曲线。其中「转糖酵素反应剂」的主要成分为消化酶、缓冲剂、噬糖物质、胶体与保存化学药品等，与食物中的淀粉与糖类(多糖与双糖)进行可控反应速率的葡萄糖转换与消耗反应。而食物击碎与超声波震荡方法，则是将可转糖物质不必通过强酸强碱的化学破坏，就可以将此转糖物质自组织中以物理方法提取出来，并可减少交互污染与处理程序。转糖反应后将生成“类食糜状”的转糖生成产物，此时依时序测定此产物的葡萄糖浓度对应时间的变化曲线。在适当的「转糖酵素反应剂」的成分配比、反应程序与条件控制的下所得到的生成物的葡萄糖浓度对应时间的变化曲线型态将可近似类比于依据标准升糖指数测定程序所得的血糖-时间变化曲线的型态。此时通过数学转换手法(包含数值分析、函数近似方法、基准比对与校正资料库等等)进行转糖函数与升糖指数的换算，即可定量或半定量地推算出升糖指数。而计算升糖指数的数学转换方法，可编辑成计算机程式与存取资料库，协助使用者快速运算出结果。在上述中的葡萄糖浓度测定，经常使用酵素电化学(如葡萄糖氧化酶反应)或光化学辨色方法，此为成熟的现有技术，不在于此赘述。
具体而言，本发明的测定食物的升糖指数的快速检验方法，以非侵入性的体外诊断检测方法，模拟真实消化反应后人体吸收与消耗造成血糖随时间变化的机制，所述测定食物的升糖指数的快速检验方法包括以下步骤：
(1)定量的食物样品与转糖酵素反应剂的混合；
(2)转糖酵素反应剂为消化酶与化学药品的混合试剂，用以模拟口腔消化液、胃液与肠液消化，将待测物糊化水解；
(3)利用超声波震荡与间歇性打碎搅拌的方式，除研磨绞碎样品之外，并加速析出食物结构中的可转糖成分；
(4)由上述步骤(2)与(3)使食物样品形成类食糜状态，以消化酶与超声波震荡的方式达到将碳水化合物分解转换成肠道主要吸收的葡萄糖类，过程中更进一步利用酵母菌或是可切割葡萄糖的方式来消耗由步骤(4)所转换过来的葡萄糖；
(5)在步骤(4)的反应过程中测量单糖葡萄糖浓度对应时间的变化关系曲线；
(6)由步骤(5)所取得的单糖葡萄糖浓度对应时间的变化曲线的目标为模拟消化系统在消化食物后所造成人体体内的血糖-时间变化曲线，并以此模拟曲线须先进行图形重心法进行相似度的比对验证；及
(7)由步骤(6)可得到转糖曲线具有可信赖度之后，据此开始推论演算未知待测食物的升糖指数，所使用的方法为以数学数值方法计算食物转糖曲线图形的积分面积后，借分析计算与相关资料库比对来推断升糖指数的大小。
其中步骤(1)与(2)的秤重后的食品样品，需要加相对比例的转糖酵素反应试剂，使其达到相对应转糖反应作用的目标，转糖酵素反应试剂的组成成分包含消化酵素、缓冲剂与胶体物质、储存化学品、及噬糖物质。
其中步骤(3)与(4)使用机械方法将食物样品击碎后与转糖酵素反应试剂进行搅拌，并在30℃-50℃的温度下对经击碎后的食物样品与反应试剂的混合物施以超声波或机械波震荡，形成类食糜样品。
其中超声波或机械波震荡作用用以促使类食糜样品中多种不同特性的淀粉成分释出，并缩短作用时间使碳水化合物自食物中析出，以利酵素混合试剂均匀混合后产生转糖作用，达到产生单糖糖类的目的。
其中碳水化合物的转糖作用需同时进行生成葡萄糖的消耗，利用噬糖物质消耗单糖，以模拟在时间序列中血糖会被细胞耗用而产生的相对应变化。
其中该方法用以在短时间内使食物转换出大量单糖糖类，并配合噬糖物质来消耗单糖，两者之间的消长，并对比于时间序列中，构成转糖反应的浓度-时间变化曲线，用以模拟真实消化反应吸收会产生的血糖高低变化。
其中该方法实施后将得到模拟真实消化反应的转糖生成物浓度的时间曲线，并通过步骤(5)来测得，当实际的测定为不连续提取数据时，则依据此提取的数据点进行函数的近似模拟拟合。
所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中更进一步包括：测试已知公认的低、中、高不同升糖指数的标准食物多种，以得到黄金参考样本，并据此建立ITG对应GI的转换函数关系；其中，对于此黄金参考样本的ITG转换至GI前，先验证与进行配方调整，使同一食物由本快速检验方法测定的ITG图形与此黄金参考样本的GI图形具有相同的趋势特性，若由步骤(6)所公开两图形重心百分比的相互比较的误差值在容许范围内，则可视ITG与GI两图形为特性趋势相符，判断为具有可转换性，其中ITG表示转糖生成总量、GI表示升糖指数。
所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中更进一步包括：标定取得低、中、高升糖指数的黄金参考样本的ITG与GI座标数值点后所相对应的座标函数关系，此函数用以当作未知样本推估GI值的标准对应曲线后，利用此函数关系图的内插法计算未知样本的GI值，然后将待测物的转糖反应生成产物浓度-时间曲线进行积分后所得到的“ITG”依据以下关系式进行与“GI”的对应换算：GI＝Coe(DF)×Trans(ITG)，其中Trans()表示转糖生成-GI转换函数、Coe()表示膳食纤维修正系数函数，由实验数据库归纳决定、及DF表示膳食纤维占食物组份比例。
对照现有技术的效果：
本方法即是对传统的升糖指数检测的实验设施与程序进行微型化与精简化，但其测试结果又必须具备一定程度的合理性与参考价值。本观念源自于对比1970年代所开发的便携式血糖自测仪表(SMBG)的概念，该方法大幅精减传统上以抽血、离心、血浆处理等大量处理程序后将血浆送进昂贵的生化分析仪进行血糖测定。便携式血糖自测仪表(SMBG)的发明引发血糖检测的巨大革命，糖尿病患可居家自我追踪与照护自身的血糖变异，对医疗院所而言也可以用简便快速的方法就知道血糖检测结果，其中的成功关键为测试设备的大幅精减、测试时间缩短与低廉的成本。
本发明方法的精神亦然，对照于传统的升糖指数检测方法，本方法具备以下的效益：
a.实验设施精简微型化：微型化传统IVD测试方法的实验设施，只需要一组简易型反应装置，用以进行转糖反应与测定。既不需要使用大量的样本处理设备，而在分析上也不需使用高成本的贵重仪器(如高效能液相层析仪HPLC)。
b.大幅缩减处理时间：传统上进行升糖指数测试皆要耗费十数小时以上，而应用本方法仅在数十分钟甚至于十数分钟内即可以完成主要的反应测试程序，获得初步的测定结果。
c.人力使用的减少：因步骤与设施的大幅精减，相对应的操作程序与方法也简化，故不需要大量的人力进行。
d.环境保护的效能：为顾及环境的交互污染与清洁处理问题，本方法的解构食物方式以物理方式进行(如机械击碎或超声波震荡)，比较传统方法并无强酸强碱的处理与交互污染的风险。
综观以上四项技术特点，本检测方法具备有高产出效益、低成本、快速完成与环保永续等等的优点特性。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程图。
图2为本发明的＂转糖生成反应检测的整合系统＂的功能方块图。
图3为反应生成物的时间曲线。
图4为转糖生成机制的复合结果曲线。
图5为食物个别成分对时间的转糖生成变化。
图6为升糖测试中的标示中心位置的血糖变化曲线对应面积积分。
图7为以本发明方法所测得的反应物转糖生成浓度(标有图形重心位置)。
图8为本发明方法中的转糖生成函数度对应的人体升糖测定的血糖函数。
图9为黄金参考样本测定ITG与GI值后，由标定点与膳食纤维修正实验资料来决定转糖互换函数Trans(ITG)。
图10为反应生成物的测定与数学近似曲线的拟合(curve fitting)。
图11为应用本发明方法测定不同种类食物的GI数值结果。
图12显示实施超声波结果，此为芋头粉末的电子显微镜图片。
图13为应用本发明方法测定不同种类食物的GI数值结果。
具体实施方式
本发明方法的实施程序与方式如图1所公开，由食物样本的定量取样开始，进行转糖反应、转糖生成物检测分析与数值计算模拟等程序步骤。
步骤1：
取样食物的食用部分样本(以下简称“样本”)，秤重以计算反应试剂的定量比值。
步骤2：
建构或建置检测本样本的反应装置，应具有以下特征功能：a.击碎食物与搅拌，击碎方式可为物理性或化学性；b.以超声波或机械波震荡，使组织中的淀粉成分析出；c.可控制并进行酵素与化学反应的反应槽，温度回馈控制；d.反应产物的信号检测装置：将样本反应的产物过滤杂质后，应用光学、电学或光电效应的方式检测此物质的特征特性与定量/半定量大小。反应装置的具体例如图2所示。
步骤3：
将步骤1的样本置入步骤2的反应装置的反应槽中进行反应程序。
步骤4：
以步骤1取得的样本的重量信息对照食物种类特性，来计算决定注入反应槽的“转糖萃取反应剂(Glucose Transfer Reagent，GTR)”的浓度与总量大小，进行混合反应程序。其中“转糖萃取反应剂”成分包含多种试剂，列举如下：
a.消化酵素(Digestive Enzymes)--15-40％：
淀粉酶(Amylase)，淀粉葡糖苷酶(Amylogluosidase)，转化酶(Invertase)，纤维素酶(Cellulase)，麦芽糖酶(Maltase)，胰酶(Pancreatin)，果胶酶(Pectinlyase)，木聚糖酶(Xylanase)
b.缓冲剂(Buffers)：
乙酸(Acetic Acid)(200mM-1M)，瓜尔胶(Guam Gum)(100-300mg/ml)
c.保存性化学物质(Storage Chemicals)：
抗菌剂(Antibacterial agents)(0.5-10％)，去垢剂(Detergent)(2-4％)，稳定浴(Stabilizing Bath)(100-500mg/ml)
d.噬糖物质(Consumption Chemicals)：
酵母(Yeast)，低浓度Cu(OH)2(Low concentration of Cu(OH)2)，可消耗葡萄糖的等效物质。
试剂用量、浓度与样本重量之间应为如下关系：
Pd(Creagent,Vol,Wsample)∝Wsample/Vol×erf(ActenzymeCreagent) (1)
或
式(1)与(2)中：
Pd(试剂浓度，反应溶液容积，样本重量)：反应产物生成率大小的函数
Creagent：转糖萃取反应剂浓度
Wsample：样本重量
Actenzyme：酵素活性
Vol：反应溶液总体积
方程式(1)与(2)皆可为描述反应产物与反应物浓度的典型关系模型，浓度越高其反应效率越趋近于饱和。此浓度的决定可由实际实验的数据进行修正后，据以作为定量或半定量的实验控制的依据。
步骤5：
将食物样本击碎或组织破坏(实施方式可为机械式施力、化学分解、电学分解等)后，与“转糖萃取反应剂”充分搅拌混合。
步骤6：
以超声波或机械波震荡方法处理步骤5的混合样本，并且保持反应温度(30-50℃)。以此步骤处理后将使混合样本呈现“类食糜”状态，析出待测的淀粉生成物质。此种“类食糜”产物因经转糖作用而产生多种不同的糖类片段，如葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖等等，其反应如下：
其中以上缩写的意义如下：
SDS：慢性消化淀粉(Slowly Digestible Starch)；
RDS：快性消化淀粉(Rapidly Digestible Starch)；
RS：抗性淀粉(Resistant Starch)；及
GTR：转糖萃取反应剂(Glucose Transfer Reagent)；
为模拟肠道的葡萄糖吸收与体内细胞的消耗的真实状况，故必须也应把葡萄糖消耗效应考虑的。本发明所提的方法为使用yeast或Cu(OH)2等等试剂成分(如步骤4中配方第d项所示)，对生成的葡萄糖进行消耗反应作用。
生成物的反应生成浓度会依据SDS，RDS与RS的物质结构特性不同而呈现出不同的生成浓度曲线，分析每个个别单一淀粉与转糖反应作用时，其典型的时间对应曲线如图3所示。
比较SDS，RDS与RS的个别的反应浓度快慢，短链的快速消化淀粉其反应峰值时间最短，而抗性淀粉的时间反应的峰值时间为最慢生成，关系式如下：
tpeak(RS)>tpeak(SDS)>tpeak(RDS) (3)
步骤7：
步骤6所得到的反应曲线理论上乃由淀粉在上述转糖反应作用的下的生成葡萄糖浓度与葡萄糖消耗相互影响所造成；葡萄糖生成曲线乘以消耗残留比例等于反应生成浓度曲线，其中，淀粉转糖生成浓度为饱和曲线，而葡萄糖消耗的残留比例则为指数衰减，如图4所示。
步骤8：
步骤3至7的目的为发展一种快速处理方法，可模拟推测与对比到肠胃系统对食物进行消化过程的转糖机制，快速产生足够量的转糖生成物，用以检测此转糖量的大小。将步骤6所得的转糖反应生成物进行与标准资料库的比对并结合转换方程式进行换算，即可得到该待测物的升糖指数(Glycemic Index，GI)数据。本发明测定方法所得到的实验结果可转换计算出食物的升糖指数，方法如下：
i.测得以本方法使淀粉与自由糖(free glucose)转换生成葡萄糖的时间曲线。
G总淀粉组成含量(TS)＝快速消化淀粉(RDS)+慢速消化淀粉(SDS)+抗性淀粉(RS)，在反应过程中皆为时间变化的函数：
TS(t)＝RS(t)+SDS(t)+RDS(t) (4)
其中，
TS(t)为总淀粉含量；
RDS(t)：快速消化淀粉(rapidly digestible starch)；
SDS(t)：慢速消化淀粉(slowly digestible starch)；及
RS(t)：抗性淀粉(Resistant starch)的时间函数；
虽然食物淀粉由直链淀粉和支链淀粉所组成，但人体的消化吸收能力往往被其他因素所交互影响，例如食物纤维成分、水分、蛋白质形式因而最后以RDS、SDS和RS表达其概观效应。在此过程中，最终产物为单糖类的葡萄糖或果糖，而果糖对GI升糖指数影响很小，可予以省略不计入。
在上述的转糖萃取反应中，各个组成成分的淀粉会依据反应时间的快慢与难易，逐次析出并转换为葡萄糖浓度，而各个所对应的淀粉转换转葡萄糖浓度的时间函数分别为：
RDS_G(t)：RDS的淀粉转葡萄糖浓度(5)
SDS_G(t)：SDS的淀粉转葡萄糖浓度(6)
RS_G(t)：RS的淀粉转葡萄糖浓度(7)
由公式(4)、(5)与(6)
TG(t)＝FG(t)+SDS_G(t)+RDS_G(t)+RS_G(t) (8)
其中，FG(t)为自由葡萄糖(free glucose)产生率，TG(t)总转糖生成物生成率，如图5所示。
定义转糖生成总量ITG(t)为总生成浓度对时间的积分值：
ii.测定几个广为熟知GI的食物作为黄金参考样本，用以修正本发明方法所采用的配方组份比例与实验条件/程序，直到正确为止。以本发明方法所得的转糖生成函数与传统上以基本定义方法所测得的升糖指数(glycemic index)进行数据图形的比对，验证上述步骤与配方是否能正确转换出葡萄糖的时间生成曲线。
依据食物的升糖指数的标准定义与评估方式为受测者断食12小时后摄取待测食物50克，连续检测受测者两小时内的血糖浓度，并将此血糖浓度对时间做积分，如图6。此积分面积除以同样条件下受测者摄取葡萄糖50克后的“血糖-时间”积分面积再乘以100，即可得到升糖指数(Glycemic Index，GI)
其中，BG表示血糖(blood glucose)，GI表示升糖指数(Glycemic Index)，因葡萄糖为单一食物的测定基准，所以在同一测定对象中其分母可视为固定值。
由GI的定义很显然的，摄取食物后的血糖浓度对应时间变化曲线为一切计算的基础依据。由此，我们要判断本发明方法所转换出来的葡萄糖形式是否可正确对应到人体血糖变化，必然此生成物的转糖时间曲线也需必备相近似人体血糖变化的特性。因此，在此定义一组快速的图形比对模式，比对血糖升糖指数测试(GI)与本方法的转糖生成时间函数所围绕出来的面积(ITG)的重心相对位置，亦即两近似图形必有相接近的面积重心，即可大致判定本方法所转换出来的形式是否正确。图6中的测试周期为Tg、血糖浓度对应时间所造成的曲线面积可推算出x轴方向上的重心为可定义“血糖时间重心比Wg”为
图7中以本发明方法使食物转糖反应的测试周期为T、生成物浓度对应时间所造成的曲线面积可推算出x-轴方向上的重心为可定义“生成物时间重心比Wt”为
由方程式(11)与(12)可得差值百分比Diff为
Diff＝|Wg–Wt|
由实验比对结果决定Diff的大小。在本发明的实施例当中，皆以Diff≦10％为标准，亦即两结果必须差异在10％以内才可以将测定值换算成GI的大小。否则必须调整配方比例与反应程序直到反应物生成曲线符合此误差要求为止。
iii.当上述ii项目的方式快速检验转糖萃取反应的结果是否正确后，即需要定义转糖生成物的积分面积值对应GI值(血糖测试机分值)的互换关系，如图8与图9所示。
当针对黄金参考样本进行验证与改进后，使ITG与GI具有一致性，接着就可利用这些黄金参考样本的数值结果来标定出“转糖生成物的积分面积值ITG”对应“GI值”(血糖测试机分值)的关系互换函数式如下：
GI＝Coe(DF)×Trans(ITG) (13)
ITG：转糖生成总量
Trans()：转糖生成-GI转换函数
Coe()：膳食纤维修正系数函数
DF：膳食纤维占食物组份比例
在生理学的理论中，血糖浓度与食物经过消化系统而产生的转糖物质必呈正相关的关系，但是和食物中的膳食纤维(diet fiber，DF)组份比呈现负相关或反比例关系。因此、由食物转糖生成总量ITG与膳食纤维比例两个因数可用以推测升糖指数大小，Trans(ITG)由实验数据对照真实的升糖指数值进行校正后，以多重线性回归分析后决定，数据应在九成以上的信赖区间内。实验调整使正确的配方组份与适当的反应过程条件下，以得到Trans(ITG)呈现线性关系函数为佳(参见实施例)。
Trans()函数的决定可通过多种明确已知GI的食物(例如生马铃薯、水煮花生等)来进行标定推论，或者是建构比对ITG与GI的资料库来获得。
iv.由上述第iii项目所推测估算而得到的升糖指数，可据以推论每份食物摄取后造成血糖上升的量值大小，此定义即为升糖负担(Glycemic Load，GL)。
GL＝GI％˙CR (14)
其中、CR定义为：含糖组成量(或碳水化合物组成量)/每份食物的总量，CR值可由建立食物成分资料库对照而得。
欲计算步骤7中的升糖指数，必然要先得到步骤6所得的转糖反应生成物的测定大小。而最要的检测对象必然为在转糖萃取反应剂的作用下，最后所反应得到的单糖物质，因为在生理学机制上可知果糖对升糖指数影响不大，可忽略不计入果糖的影响，故最主要的测定对象为葡萄糖浓度的变化量。
葡萄糖反应浓度的快速测量方法在商用技术或学术研究中已然发展完备，例如通过旋光吸收/反射光谱、酵素光学辨色式、酵素电化学等多种方法皆可测定，将步骤6的类食糜样本，经过过滤渗透去除杂质，萃取出所需检测的转糖样本，进行生化反应检测，并记录反应时间相关特性变化。该采样转糖样本可以应用光学式(光激发、光学辨色)、光电式或电化学式的任一种方法来检测转糖生成量，可为定量或半定量大小。葡萄糖浓度的测定一般使用酵素电化学法(如葡萄糖氧化酶反应)、偏光旋光吸收法或光化学辨色方法，都是相当成熟的现有技术，不在于此赘述。
在本发明中的样本反应后的转糖生成物浓度会随反应时间而变化，需要勾勒出转糖函数用以作为正确计算升糖指数的基础。因此、必须测量其连续多时间点的变化值。以下图10即是表示在多点测定后，可以数学方法来对本函数曲线作近似的拟合(curvefitting)，以得到浓度对应时间变化的函数曲线。具体实施方式可以是多项式近似，超越函数近似、或是任何数值分析方法来还原出原始曲线。例如以多项式函数来描述此食物转糖浓度函数。
TG(t)＝a×tn+b×tn-1+c×tn-2……(15)
其中a、b、c为实验的常数系数、t为时间、n为多项式的幂次方。通过步骤8第iv&v项目的方法进行GI的推演换算。
在取样过程中必须要注意因为步骤8所使用的测定方法，除了反应区的液体在进入生成产物浓度测定区时必须以过滤装置去除杂质、降低浊度干扰以外，还必须佐以强迫对流装置，使反应区与测定区的流体能够对流交换。其目的有二，其一为使测定区的待测物浓度与反应区的浓度随时间的变化保持一致性，其二如使用反应试剂检测时，对流可带走反应测定后的产物，避免累积在检测器上或因屏蔽负载效应干扰检测效果，使后续的检测行为能保持一致的准确性。
[实施例实验结果说明]
请参考图11，为确认超声波加上转糖萃取反应剂确实有加成作用，我们使用吐司为例，将其以三种不同条件，应用本方法检测食物的转糖反应；结果显示，在配合使用转糖萃取反应剂与超声波震荡的条件下可大幅增加转糖反应效率。图11中，带三角形符号的虚线表示单独使用转糖萃取反应剂(GTR only)，带圆形符号的虚线表示单独使用超声波震荡(ultrasonic only)，带矩形符号的虚线表示配合使用转糖萃取反应剂与超声波震荡(ultrasonic+GTR)。
请参考图12，超声波使用为本发明诉求的重要范围，以生芋头为例，使用扫描式电子显微镜(Screen electronic microscopy，SEM)观察在施以超声波前后，样本表面的结构变化；结果显示，样本表面结构在施以超声波后因淀粉析出后会出现空洞、松散的结构，如图12(B)所示。
请参考图6及图7，其中图7为应用本发明方法测定白吐司(toast)的转糖生成时间曲线，相对于生成电流曲线的近似面积与积分值，其重心比为44.1％，而图6为断食十二小时后测定食物(以吐司为例)食用后的血糖浓度对应时间变化值，用以计算实际的升糖指数，其重心比为42.5％(测定仪器：YSI2300血糖分析仪)。比较图6(ITG图形)与图7(GI图形)的重心百分比可得，其差异仅为1.6％，故本发明的转糖测定方法可相互对应于断食抽血测定GI的结果。
比较应用本发明方法测与利用抽血所得的升糖指数，结果如图9所示，其中比较黄金参考样本(依序为葡萄糖、白面包、香蕉、花生)与纯转糖萃取反应剂，显示两者关系确实呈现正相关。
而图13为应用本发明方法测定不同种类食物的GI数值结果。

Claims (6)

1.一种测定食物的升糖指数的快速检验方法，以非侵入性的体外诊断检测方法，模拟真实消化反应后人体吸收与消耗造成血糖随时间变化的机制，其特征在于，所述测定食物的升糖指数的快速检验方法包括以下步骤：
(1)定量的食物样品与转糖酵素反应剂的混合；
(2)转糖酵素反应剂用以模拟口腔消化液、胃液与肠液消化，将待测物糊化水解，其中转糖酵素反应剂包含消化酵素、缓冲剂与胶体物质、储存化学品及噬糖物质；
(3)利用超声波震荡与间歇性打碎搅拌的方式，除研磨绞碎样品之外，并加速析出食物结构中的可转糖成分；
(4)由上述步骤(2)与(3)使食物样品形成类食糜状态，以消化酶与超声波震荡的方式达到将碳水化合物分解转换成肠道主要吸收的葡萄糖类，过程中更进一步利用酵母菌或是可切割葡萄糖的方式来消耗由步骤(4)所转换过来的葡萄糖；
(5)在步骤(4)的反应过程中测量葡萄糖浓度对应时间的变化关系曲线；
(6)由步骤(5)所取得的葡萄糖浓度对应时间的变化关系曲线的目标为模拟消化系统在消化食物后所造成人体体内的血糖-时间变化曲线，并以此模拟曲线须先进行图形重心法进行相似度的比对验证；
(7)测试已知公认的低、中、高不同升糖指数的标准食物多种，以得到黄金参考样本，并据此建立ITG对应GI的转换函数关系；其中，对于此黄金参考样本的ITG转换至GI前，先验证与进行配方调整，使同一食物由本快速检验方法测定的ITG图形与此黄金参考样本的GI图形具有相同的趋势特性，若由步骤(6)所公开两图形重心百分比的相互比较的误差值在容许范围内，则可视ITG与GI两图形为特性趋势相符，判断为具有可转换性，其中ITG表示转糖生成总量、GI表示升糖指数；及
(8)标定取得低、中、高升糖指数的黄金参考样本的ITG与GI坐标数值点后所相对应的坐标函数关系，此函数用以当作未知样本推估GI值的标准对应曲线后，利用此函数关系图的内插法计算未知样本的GI值，然后将待测物的转糖反应生成产物浓度-时间曲线进行积分后所得到的“ITG”依据以下关系式进行与“GI”的对应换算：GI＝Coe(DF)×Trans(ITG)
其中，
Trans()表示转糖生成-GI转换函数，
Coe()表示膳食纤维修正系数函数，由实验数据库归纳决定；及
DF表示膳食纤维占食物组份比例。
2.如权利要求1所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中步骤(1)与(2)的秤重后的食品样品，需要加相对比例的转糖酵素反应剂，使其达到相对应转糖反应作用的目标。
3.如权利要求1所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中超声波震荡作用用以促使类食糜样品中多种不同特性的淀粉成分释出，并缩短作用时间使碳水化合物自食物中析出，以利转糖酵素反应剂均匀混合后产生转糖作用，达到产生葡萄糖的目的。
4.如权利要求3所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中碳水化合物的转糖作用需同时进行生成葡萄糖的消耗，利用噬糖物质消耗单糖，以模拟在时间序列中血糖会被细胞耗用而产生的相对应变化。
5.如权利要求3所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中该方法用以在短时间内使食物转换出大量葡萄糖，并配合噬糖物质来消耗葡萄糖，两者之间的消长，并对比于时间序列中，构成转糖反应的浓度-时间变化曲线，用以模拟真实消化反应吸收会产生的血糖高低变化。
6.如权利要求5所述的测定食物的升糖指数的快速检验方法，其中该方法实施后将得到模拟真实消化反应的转糖生成物浓度的时间曲线，并通过步骤(5)来测得，当实际的测定为不连续提取数据时，则依据此提取的数据点进行函数的近似模拟拟合。
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