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怕胖却无力抵抗美食诱惑?物理学家可以这样帮你

时间: 2016年12月29日 | 作者: Cait MacPhee | 来源: Physicsworld
软物质物理学家正在研究新型的功能食品,将产生饱腹感的激素直接释放到肠道中

 

 

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发达国家居民在变得更加肥胖。英国的肥胖率在过去25年中几乎增长到原来的4倍;而在经济合作与发展组织(OECD)大多数富裕的成员国中,超重和肥胖人群占据了大部分人口。导致群体性肥胖的原因多种多样,久坐的生活方式和高热量即食食品显然是重要因素,但事情并不完全如此。

 

在我们吃东西的时候,体内会进行极其复杂的激素调节过程,这一过程涉及的不止是我们当天吃下的食物,还与我们之前吃过的食品的种类和总量相关。不幸的是,我们的身体会在这样的过程中习得一种易于变胖的倾向,而要想翻转这种倾向让身体重新变瘦并不容易。

 

举例来说,让我们想想身体是如何意识到自己吃饱了的。饱腹感(感觉吃饱了)和满足感(不想再吃了)既来自于外部环境和物理因素,比如盘子的大小、食物的多少、胃部的饱胀程度,也来自于我们体内新陈代谢的反馈。当肠道探测到脂肪酸、糖类、氨基酸的存在,就会释放出几种已知的“饱腹感激素”。这些激素使我们感到“吃饱了”,但是人体释放这些激素的途径以及大脑对它们的调控方式非常复杂,我们还不完全清楚。我们的胃肠道是一组十分复杂的器官:举个例子,口腔中有能够让我们感知食物甜、咸、苦、鲜味道的味觉受体,而这些受体在胃部、小肠、大肠中同样存在。所以并不是只有嘴才能“品尝”食物。

 

无论一个人是超重还是偏瘦,接受任何一种“饱腹感激素”的注射都会降低他的热量摄入水平。但遗憾的是,这些激素很快就会恢复到原有水平,它们的作用甚至支撑不到下一顿饭的时间。此外,反复给药也起不到减肥的效果,因为互相联结的激素反应能够逐渐适应这些额外的激素。因此,饱腹感激素可能并不会成为一种好的候选减肥方案。那么,是否还有其它可能有效的介入方案呢?

 

一种方案需要利用能够增加饱腹感的外部因素,比如减小包装食品的单包含量:结果不出所料,我们会因此吃得更少。我们也可以把食物做得更加厚实、更有嚼劲,这样就需要咀嚼更多次、吃得更慢,从而达到少吃的目的。然而,现代人快速的生活节奏和广泛流行的速食食品使这一方案显得不够现实。在考虑实用的同时,我们也应该意识到加工食品不会在短时间内消失。

 

另一个方案是重构(re-engineer)食物。这听起来很极端,但是某种意义上,它们已经出现在了我们的生活中:许多现代加工食品为迎合消费者偏好而变得更加细腻、浓厚、味道鲜明。这一方案的主要挑战是在创造美味食物的同时,有效地将食品中添加的饱腹感激素释放到它们最能发挥作用的人体组织里。而这些所谓“功能食品”的开发就需要用到软物质物理。

 

不只是营养

 

除具有“正常”的营养价值和味道外,功能食品能带来一些额外的生理效应。举例来说,富含维生素的面包、牛奶和橙汁,加入“益生菌”的酸奶,高Ω-3脂肪酸的鸡蛋,添加纤维来减少脂肪含量的肉制品。功能食品也可以方便过敏或者有其它健康状况的人群:无乳糖和无麸质食品越来越多地出现在超市货架上。

 

但是用更健康的成分替代原有成分,或者向已有的食品配方中添加新的成分(比如饱腹感激素),都不是一件容易的事情。食品配方往往都是长时间实践研究而得的复杂成果,添加或者去除任意一部分都会产生难以预期的后果。

 

理解食物结构和食品配方的任务正好属于软物质物理的领域:软物质物理研究含有分散的气泡、胶体、乳液或聚合物的复杂流体。这些分散物质的尺度可以从纳米到微米量级——后者正是咀嚼时你的唇舌所能感知的尺度。

 

以冰淇凌为例,它含有气泡、乳液、冰晶等胶体颗粒,也含有作为聚合物和两亲性分子(同时包含亲水基和疏水基的分子)的蛋白质。而在巧克力中,可可颗粒、糖晶体和蛋白质聚合物混合于可可脂连续相中。啤酒泡沫则依靠生物分子降解产生的聚合物来保持稳定。在软物质物理学家眼中,意大利面就是一种玻璃相的无定型碳水化合物。所有这些食物成分都充满了生物学复杂性,但它们都可以被改造,并且为将功能性成分送达身体中相应部位提供了可能性。

 

乳液(分散相液滴悬浮于连续相液体的混合物)可以将饱腹感激素运送到肠道。很多加工食品都含有这样的乳液:沙拉酱就是油滴悬浮于富水相中的乳液,而黄油和人造黄油则是水滴悬浮于富油相中。这样的乳液中,作为“乳化剂”的两亲分子可以稳定其中悬浮的液滴,避免液滴间的聚集;“乳化助剂”则可以使连续相变得浓厚或发生胶化,从而避免乳滴间发生碰撞。这样的乳液中同时含有水相、油相和两亲相,就可能可以同时容纳用以提升饱腹感的多种功能成分。合理地组合、加工乳液可以使它们形成各种质地,从糊状到胶状再到可以自由流动的液体,甚至可以在干燥后成为粉状的添加成分。重要的是,很多食品级的材料都可以用相对简单又节能的方法加工成乳液。

 

然而乳液也确实存在局限,有些在食物处理阶段就会遇到。高温烹煮、低温冷藏或冷冻、强力搅拌、pH值改变都会使液滴变得不稳定,这就给功能食品的研发提出了难题。如果油相分散于水相中的乳液的稳定性被破坏,分散的液滴就会聚集在一起,在食物的内部或者表面形成富油相——也就是发生了“油析”,这样的情况是我们不想看到的。

 

通过在液滴外包裹上由带电聚合高分子电解质形成的坚实的薄膜,可以提升乳液的稳定性。我们可以对薄膜的成分进行选择,使之可以在特定pH或盐浓度条件下溶解或产生空洞,从而在肠道中特定的位置释放出饱腹感因子。

 

这种薄膜并不一定要很薄或者由聚合物构成:比如纤维素颗粒或者更小的液滴,它们的表面本身就由一层蛋白层包裹,构成了所谓的“皮克林乳液”。如何使用这样的乳液则取决于食物:这种尺寸的液滴可以被口腔感觉到,而在酸奶等半液体食品中,它们会带来沙砾般的不适口感。

 

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【图注】液滴一般在小分子乳化剂的作用下维持稳定,不过小颗粒(图中上部)或者蛋白质和多糖等生物高聚物(图中下部)也可以起到同样的作用。当液滴被小颗粒包裹时,就形成了“皮克林乳液”。小颗粒和聚合物在乳液外部组成结实的外壳,保护液滴内部成分不被外界环境降解。通过仔细筛选外壳材质,我们可以设计出不同的液滴,使之包裹的功能性成分(如饱腹感因子)只在胃肠道的特定位置释放出来,从而最大程度地发挥作用。图片来源:physicalworld

 

还有一种乳液技术是用乳液捕捉乳滴,形成一种被称为“复合型乳剂”的分层结构。这种结构可以是“油包水包油”:在油的连续相中悬浮着“油分散于水中的乳滴”;也可以是“水包油包水”:在水的连续相中悬浮着“水分散于油中的乳滴”。复合型乳剂在“捕捉”挥发性成分方面十分有效,这些成分被包裹在一种它们无法穿过的外层介质中,从而阻止它们扩散到外部。这种结构也可以防止一些苦味成分在口腔中被释放出来。另外,复合型乳剂可以保护食物中一些不稳定的成分,防止它们和外部物质发生不良化学反应,使食物变质。

 

虽然乳液能够为封装、递送功能性成分提供不错的方式,但遗憾的是,选择合适的乳液、开发功能性食品并非探囊取物般简单。我们的身体对于不同大小和组分的乳液颗粒会产生不同的反应。研究表示,较小的乳滴既能提供热量又能增强饱腹感,而较大的乳滴却会在提供热量的同时减弱饱腹效果。乳液在人体内的哪个部位解体也很重要:如果油质乳液在酸性的胃中解体,那么胃壁内就会裹上一层脂肪,从而减少饱腹感,但是脂肪降解的产物又会增强饱腹感。

 

乳液在食品领域的应用涉及到乳滴的大小、食品的味道与质地、肠道中的消化过程,以及饱腹感激素的最终释放等因素之间非常复杂的相互作用。在弄明白这些作用之前,我们就像是想要击中一个不断移动的目标,极难成功。

 

蛋白质的效能

 

蛋白质也是一种有吸引力的食物成分。相比于脂肪,它们有两点重要的优势:热量密度低,以及能够带来更强的饱腹感。简单地改变温度或pH值就可以使蛋白质变成纤维状(透明)或是颗粒状(不透明)胶质,使食物产生不一样的质地。前文中提到,这些调节食品质地的胶质能够加厚乳滴周围的介质,阻止其团聚。同样,通过简单地改变温度或pH,我们也可以控制蛋白聚集的方式,使蛋白质颗粒表现出乳液的特性。像乳液一样,这些蛋白质可以用于封装和缓释饱腹感调控成分。同时,即使不加脂肪和油,它们也能带给食物一种“奶油状”的细腻质地。

 

相似的效应也可见于碳水化合物聚合物,比如淀粉、纤维素、壳聚糖、海藻酸以及树胶。这些材料中有不少被用于封装益生菌。不过,我们必须仔细设计这些封装材料,使之能够抵抗胃中的酸性环境,防止益生菌在到达小肠之前就被破坏。很多多糖也会被用作增稠剂,而且它们中很多不能被人体消化,因此不会直接提供热量。有些“膳食纤维”同样可以导致饱腹感,这可能是因为它们增加了食物体量或含水量,从而提高了饱胀的物理感受,但也可能是因为它们在小肠中发酵后,引发了饱腹感激素的释放。

 

未来食品

 

理论上,重构的加工食物热量密度更低:高热量的食材(如脂肪)被替换成低热量的替代品(如膳食纤维)。然而,这么做很可能会影响食物的口味和质地,从而影响消费者的满意度。对于这样的两难境地,食品物理学家提供了可能的解决方法:开发出能够模仿热销产品口味和口感、同时又加入了可以在特定部位释放内容物的新产品。智能食品加工也可能会减少糖和盐的使用量,尤其是当糖和盐的使用并不是出于调味或营养考虑的情况下。

 

在一个人们很少或完全不吃加工食物的理想世界中,上面的解决方案都没有存在的必要。然而在现实世界中,90%美国人会购买方便食品,英国民众50%以上的热量摄入来自深加工和高热量食品:食品的改善十分必要。或许,聪明的物理学家可以帮助我们阻止这场肥胖危机。

 

撰文  Cait MacPhee(英国爱丁堡大学生物物理学家)

翻译  王可

审校  杨晨 赵维杰

 

原文链接:http://physicsworld.com/cws/article/indepth/2016/nov/10/hungry-for-solutions


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