動態高壓微射流制備玉米芯可溶性膳食纖維工藝及功能特性研究

曹慧慧，王 磊，趙海濤，邢希雙，項愛麗，齊 彪，張立田，周 鑫，段曉然，張 鑫，湯思凝，林 田，吳兆舉，肖 琎，杜瑞煥，孫淑玲*

(1.唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心，河北唐山 063000；2.河北省農產品質量安全檢測技術創新中心，河北唐山 063000；3.唐山市農業廣播電視學校，河北唐山 063000；4.唐山市農機技術推廣站，河北唐山 063000)

膳食纖維是指不能被人體胃腸道中消化酶所消化的，不被吸收利用的多糖類物質。 在消化系統中有吸收水分的作用，在胃腸中占據較大空間，使人有飽腹感，利于減肥；膳食纖維有吸水膨脹性，可刺激胃腸道消化液的分泌，使胃腸蠕動增強，推動進食，減少食物殘渣在胃腸道停留的時間，增加糞便量，促進糞便排泄，改善腸道菌群，為益生菌的增殖提供能量和營養[1-3]。膳食纖維是健康飲食不可缺少的，具有清潔消化壁和增強消化功能，促進鉛等重金屬及有毒物質的吸附和排泄，預防重金屬中毒。膳食纖維可減緩消化速度和最快速排泄膽固醇，可以通過延緩胃排空，改變腸運轉時間等使糖的吸收減慢，防止飯后血糖驟升[4-7]。

我國作為玉米種植大國，每年均產生大量的副產物——玉米芯(約為2 000萬t)，除少量被用做飼料外，絕大部分被焚燒或遺棄，造成嚴重的環境污染和資源浪費，然而玉米芯中含有豐富的可溶性膳食纖維(SDF)，是制備SDF的理想原料。目前有關玉米芯SDF提取方法主要有酶解法[8]、超聲波堿解法[9]和微波法[10]。動態高壓微射流(DHPM)技術是集輸送、超微粉碎、混合、膨化、加壓加溫等多種單元操作為一體的技術，其理論基礎包括流體力學理論、超高壓理論及撞擊流理論3種。高壓的推動作用可使流體混合物物料瞬時通過，當壓力發生變化時，產生的巨大壓力可使流體混合物物料受到劇烈的高速碰撞、剪切、高頻振蕩、粉碎等綜合作用，使物料受到較好的超微化、均一化和微乳化作用，進而影響物料的理化性質和結構[11-13]。為進一步研究玉米芯中SDF的功效，充分利用玉米芯資源，筆者以SDF提取率為考察指標，對DHPM制備玉米芯中SDF的工藝條件進行優化，確定其最佳提取工藝，并對玉米芯中SDF提取物的功能特性進行分析。

1 材料與方法

1.1材料玉米芯由唐山潤澤糧油食品有限公司提供。

DHPM-SDF：稱取30 g玉米芯，加入一定量的去離子水，混合均勻，用膠體研磨機處理2次，利用動態高壓均質超微粉碎設備處理一定次數，調節pH為5～6，添加2%纖維素酶，在50 ℃恒溫水浴搖床中反應30 min，酶解液于95 ℃滅酶5 min，冷卻至室溫，高速離心分離。沉淀物經干燥得水不溶性膳食纖維(IDF)；上清液經旋轉蒸發濃縮至原體積的1/8，用4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，濾渣于60 ℃鼓風干燥得到SDF。

Control-SDF：稱取30 g玉米芯，加入一定量的去離子水，混合均勻，用膠體研磨機處理2次，調節pH為5～6，添加2%纖維素酶，在50 ℃恒溫水浴搖床中反應30 min，酶解液于95 ℃滅酶5 min，冷卻至室溫，高速離心分離。沉淀物經干燥得IDF；上清液經旋轉蒸發濃縮至原體積的1/8，用4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，濾渣于60 ℃鼓風干燥得到SDF。

鹽酸、水楊酸、亞硝酸鈉、乙醇等均為分析純(北京化學試劑公司)；JK1002電子分析天平(北京朗科興業稱重設備有限公司)；TD5B臺式離心機(鹽城凱特實驗儀器有限公司)；XD-3000BDQ旋轉蒸發儀(上海賢德實驗儀器有限公司)；DR889-1電熱恒溫鼓風干燥箱(蘇州達瑞電熱設備有限公司)；HH-1水浴恒溫振蕩器(常州國華電器有限公司)；JM-65 膠體磨(上海多源機械制造有限公司)；M-110EH高壓微射流均質機(美國必宜DeBEE公司)。

1.2方法

1.2.1DHPM制備玉米芯SDF工藝條件的選擇。

1.2.1.1料液比。高壓均質壓力為60 MPa，均質次數4次，分別選擇玉米芯與水的比例為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8(g∶mL)，考察料液比對SDF提取率的影響，每個水平3次重復。

1.2.1.2均質壓力。高壓均質次數為4次，料液比1∶6，分別選擇均質壓力為20、40、60、80、100 MPa，考察均質壓力對SDF提取率的影響，每個水平3次重復。

1.2.1.3均質次數。高壓均質壓力為60 MPa，料液比1∶6(g∶mL)，分別選擇均質次數為2、4、6、8、10次，考察均質次數對SDF提取率的影響，每個水平3次重復。

1.2.2可溶解性(WS)的測定。依據李倫[14]的方法，略有修改。稱取1 g左右樣品于離心管，按1∶10的比例加入蒸餾水，混合均勻后，室溫下靜置1 h，3 000 r/min離心10 min，收集上清液和殘渣，分別干燥，稱重。

WS=(干燥后上清液質量/樣品粉質量)×100%

1.2.3持水力(WHC)的測定。依據陳菊紅[15]的方法，略有修改。準確稱取1 g樣品于50 mL離心管中，加入20 mL去離子水，混合均勻后置于4 ℃條件下放置24 h，4 200 r/min離心15 min，稱重。

WHC(g/g)=(樣品被水飽和后質量-樣品粉質量)/樣品粉質量

1.2.4持油力(OHC)的測定。依據陳菊紅[15]的方法，略有修改。準確稱取1 g樣品于50 mL離心管中，加入10 mL橄欖油，混合均勻后置于4 ℃條件下放置1 h，4 200 r/min離心15 min，稱重。

OHC(g/g)=(樣品被油飽和后質量-樣品粉質量)/樣品粉質量

1.2.5膨脹力(SC)的測定。依據李倫[14]的方法，略有修改。準確稱取0.2 g樣品置于刻度試管中并記錄其體積，加入5.0 mL蒸餾水，混合均勻后在4 ℃條件下放置18 h，記錄樣品吸水后的體積。

SC(mL/g)=(溶脹后樣品體積-樣品粉體積)/樣品粉質量

1.2.6·OH清除率的測定。依據湯小明[16]的方法，略有修改。在反應體系中(水楊酸-乙醇溶液9 mmol/L，Fe2+9 mmol/L，H2O28.8 mmol/L)加入具有清除·OH能力的物質，便會與水楊酸競爭·OH，而使有色物質生成量減少。采用固定反應時間法，在相同體積的反應體系中加入不同濃度的膳食纖維(DF)，并用蒸餾水作為空白對照，在波長510 nm處測量加入不同濃度DF后的吸光度，代入清除率計算公式便可計算出不同濃度的DF清除·OH自由基的能力。

·OH清除率=[1-(A1-A2)/A3]×100%

式中，A1為0.5 mL水楊酸-乙醇 + 1.0 mL DF + 0.5 mL Fe2++ 5.0 mL H2O2吸光度；A2為0.5 mL水楊酸-乙醇 + 1.0 mL DF + 0.5 mL 蒸餾水+ 5.0 mL H2O2吸光度；A3為0.5 mL水楊酸-乙醇 + 1.0 mL 蒸餾水 + 0.5 mL Fe2++ 5.0 mL H2O2吸光度。

1.2.7O2·-清除率的測定。依據湯小明[16]的方法，略有修改。取0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.2)4.0 mL，置于25 ℃水浴中預熱20 min，分別加入1 mL待測液和1 mL 25 mmol/L 鄰苯三酚溶液，混勻后于25 ℃水浴中反應5 min，加入8% HCl溶液100 μL終止反應，波長320 nm處測定吸光度(A)，以1 mL蒸餾水代替待測液做空白試驗。

O2·-清除率 =[1-(A1-A2)/A3]×100%

式中，A1為4 mL Tris-HCl + 1.0 mL DF + 2 mL 鄰苯三酚吸光度；A2為4 mL Tris-HCl + 1.0 mL DF + 2 mL 蒸餾水吸光度；A3為4 mL Tris-HCl + 1.0 mL 蒸餾水+ 2 mL 鄰苯三酚吸光度。

1.2.8DPPH自由基清除率的測定。依據湯小明[16]的方法，略有修改。DPPH自由基在95%乙醇溶液中是一種穩定的自由基，在波長517 nm處有吸收峰，呈紫色。當自由基清除劑存在時，DPPH的孤對電子被配對，顏色變淺，在最大吸收波長處吸收度變小，且顏色變化與配對電子數呈化學計量關系，因此可用來評價自由基的清除情況。將4 mL待測液加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH自由基溶液，于25 ℃水浴中反應20 min后于517 nm處測定吸光度(A)，以蒸餾水代替待測液做空白試驗。

DPPH自由基清除率=[1-(A1-A2)/A3]×100%

式中，A1為4 mL DF + 2.0 mL DPPH自由基吸光度；A2為4 mL DF + 2.0 mL 95%乙醇吸光度；A3為4 mL 蒸餾水 + 2.0 mL DPPH自由基吸光度。

1.2.9總酚含量的測定。依據湯小明[16]的方法，略有修改。取樣品粉末1 g于錐形瓶中，按1∶30(W/V)的比例加入70%乙醇溶液，于30 ℃的恒溫水浴搖床中(800 r/min)振蕩提取24 h。提取完成后，3 000 r/min離心10 min，并用原溶劑定容至50 mL。用棕色瓶裝好放入-20 ℃的冰箱中待測。取一定濃度的樣品0.5 mL，加入2.5 mL 0.2 N Folin-Ciocalteu 試劑，振蕩30 s后反應5 min，再加入2 mL 7.5%(W/V)的Na2CO3溶液，振蕩20 s后反應2 h，在760 nm處測定吸光度，空白對照以去離子水代替樣品進行反應。總酚含量以沒食子酸當量(Gallic Acid Equivalent，mg/g，干基)表示。

1.3數據處理采用Design-Expert 7.0進行試驗設計和數據處理。

2 結果與分析

2.1DHPM制備玉米芯SDF工藝條件

2.1.1料液比。由圖1可知，當玉米芯與水的比例為1∶7時，SDF/IDF和SDF提取率均達到最大值，隨著液料比的增加，底物和酶被稀釋，SDF的提取率和SDF/IDF比值會有所減少。分析其原因，由酶促反應動力學可知，在酶濃度不變時，當底物濃度較低時，反應速率的增加與底物濃度的增加成正比，隨底物濃度的增加，反應速率的增加逐漸減少；最后，當底物濃度增加到一定量時，反應速率達到最大值，不再隨底物濃度的增加而增加，液料比的增大相當于減少了底物濃度，因而使SDF的提取率在1∶7時達到最佳，隨后逐漸下降。

圖1 料液比對SDF、IDF提取率及SDF/IDF比值的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on the SDF, IDF extraction rate and SDF/IDF

2.1.2均質壓力。由圖2可知，SDF/IDF和SDF的提取率比值隨著壓力增加而增大，IDF的提取率隨著壓力增加而減小。研究證明，瞬時高壓作用可使SDF含量有所增加，其所受壓力越大，可溶性成分增加越多。另外，膳食纖維的微觀結構、平均粒徑和官能團隨瞬時高壓作用的壓力變化而變化，隨著壓力的增大，暴露更多的酶解結合位點，有利于纖維素酶水解IDF，從而提高SDF的提取率[17]。由于高于60 MPa處理時SDF提取率提高并不顯著，而IDF提取率下降顯著，說明60 MPa處理后，部分SDF聚合度降低，不能被乙醇沉淀，故選擇60 MPa作為最佳處理壓力。

圖2 處理壓力對SDF、IDF提取率及SDF/IDF比值的影響Fig.2 Effects of pressures on the extraction rate and SDF/IDF

2.1.3均質次數。由圖3可知，SDF/IDF比值與SDF提取率隨處理次數的增加先增大后減小，在處理8次時達到最大，分別為1.080、43.49%；IDF提取率隨處理次數的增加而減小，8次以上基本趨于平衡，故而選擇處理8次作為最佳處理次數。

圖3 處理次數對SDF、IDF提取率及SDF/IDF比值的影響Fig.3 Effects of times on the SDF,IDF extraction rate and SDF/IDF

2.2DHPM制備玉米芯SDF理化特性從表1可以看出，玉米芯SDF經DHPM處理后其理化特性均有所提高。Control-SDF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力為2.15%、7.63 g/g、7.73 g/g、10.35 mL/g；DHPM-SDF提高到3.85%、14.98 g/g、15.25 g/g、15.85 mL/g。DHPM處理時，一些結構組織如纖維素、半纖維素等物質被破壞，使得果膠類等可溶性膳食纖維暴露溶出，含量增加，水分子結合能力得到提高；SDF顆粒的數量增加，溶于水后體積膨脹、產生更大的伸展容積，從而導致改性后SDF的溶解性、持水力、膨脹力增大[18]。

表1 DHPM處理對玉米芯SDF理化特性的影響

注：同列數據后小寫字母不同表示差異顯著(P< 0.05)

Note：Different small letters within the same column mean significant differences(P<0.05)

2.3玉米芯SDF抗氧化能力自由基本身也是人體在代謝過程中產生的一種活性物質，如果自由基過量，就會攻擊細胞膜、蛋白質、DNA等，造成衰老和引發慢性病。機體在代謝過程中產生的自由基有羥自由基、超氧陰離子自由基、 氫過氧自由基。可溶性膳食纖維中的多糖、多酚類物質具有清除自由基的能力，在治療老年性癡呆癥和心血管病方面獨具療效。SDF中總酚含量在DHPM處理后得到一定程度的增加，Control-SDF和DHPM-SDF中總酚含量分別為2.623、5.173 mg/g。而總酚含量的多少可間接反映抗氧化能力的大小。DHPM處理后的玉米芯SDF對DPPH、O2·-和·OH清除率明顯高于未處理樣品，這可能是由于物料經DHPM處理后，提取劑與SDF中抗氧化成分接觸表面積增大、接觸更加充分，且經過DHPM處理后物料細胞壁被破壞，活性成分較易溶出，很多不溶性活性成分轉變成小分子可溶性物質，其提取率也相應增加。

由圖4可知，在濃度為2～12 mg/mL內，·OH清除率與SDF濃度呈線性關系，Control-SDF和DHPM-SDF線性方程分別為y=10.029 0x+8.266 7(R2=0.999 6)和y=12.689 0x+7.840 0(R2=0.999 1)，根據線性方程得IC50(清除50%自由基時SDF的質量濃度)分別為4.16、3.32 mg/mL。

圖4 DHPM對·OH清除能力Fig.4 ·OH scavenging capacitiy with DHPM

由圖5可知，在濃度2～12 mg/mL內，O2·-清除率與SDF濃度呈線性關系，Control-SDF和DHPM-SDF線性方程分別為y=10.206 0x+8.280 0(R2=0.999 1)和y=12.729 0x+9.433 3(R2=0.999 7)，根據線性方程得IC50(清除50%自由基時SDF的質量濃度)分別為4.09、3.19 mg/mL。

圖5 DHPM對O2·-清除能力Fig.5 O2·- scavenging capacitiy with DHPM

由圖6可知，在濃度2～12 mg/mL內，DPPH清除率與SDF濃度呈線性關系，Control-SDF和DHPM-SDF線性方程分別為y=5.048 6x+10.113 0(R2=0.999 3)和y=13.037 0x+9.686 7(R2=0.999 2)，根據線性方程得IC50(清除50%自由基時SDF的質量濃度)分別為7.90、3.09 mg/mL。

圖6 DHPM對DPPH清除能力Fig.6 DPPH scavenging capacitiy with DHPM

3 結論

(1)DHPM制備玉米芯SDF最佳工藝條件為料液比為1∶7(g∶mL)，均質壓力為60 MPa，均質次數為8次。

(2)Control-SDF和DHPM-SDF的溶解性分別為2.15%和3.85%，持水力分別為7.63、14.98 g/g，持油力分別為7.73、15.25 g/g，膨脹力分別為10.35、15.85 mL/g。DHPM處理提高了玉米芯SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力。

(3)Control-SDF和DHPM-SDF的總酚含量分別為2.623和5.173 mg/g，·OH、O2·-和DPPH的清除能力IC50分別為4.16和3.32 mg/mL、4.09和3.19 mg/mL、7.90和3.09 mg/mL。DHPM處理提高了膳食纖維的抗氧化活性。