玉米芯可溶性膳食纖維制備及其抑菌活性

王磊，曹慧慧，杜瑞煥，宋曉楠，張立田*，廖晨*

1. 唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心（唐山 063000）；2. 河北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)創(chuàng)新中心（唐山 063000）；3. 唐山市功能性農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（唐山 063000）

膳食纖維是指不能被人體消化道酵素分解的多糖類及木植素。在消化系統(tǒng)中有吸收水分的作用；增加腸道及胃內(nèi)的食物體積，可增加飽足感；又能促進(jìn)腸胃蠕動，可舒解便秘；同時膳食纖維也能吸附腸道中的有害物質(zhì)以便排出；改善腸道菌群，為益生菌的增殖提供能量和營養(yǎng)[1-3]。膳食纖維是非淀粉多糖的多種植物物質(zhì)，主要來自于動植物的細(xì)胞壁，包括纖維素、木質(zhì)素、甲殼質(zhì)、果膠、β-葡聚糖、菊糖和低聚糖等，通常分為非水溶性膳食纖維及水溶性膳食纖維兩大類。膳食纖維是健康飲食不可缺少的，可以預(yù)防心血管疾病、癌癥、糖尿病、增強(qiáng)消化功能，稀釋食物中的致癌物質(zhì)和有毒物質(zhì)，加速其移除，保護(hù)消化道，預(yù)防結(jié)腸癌，減緩消化速度，可讓血液中的血糖和膽固醇控制在最理想的水平[4-7]。

我國作為玉米種植大國，每年均產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物——玉米芯（約為2 000萬 t），除少量被用作飼料外，絕大部分被焚燒或遺棄，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費，然玉米芯中含有豐富的SDF，是制備SDF的理想原料。目前有關(guān)玉米芯SDF提取研究主要集中在酶解法[8]、超聲波堿解法[9]和微波法[10]。

動態(tài)高壓微射流（DHPM）是在超高壓（310 MPa）作用下，經(jīng)過孔徑很微小的閥心，產(chǎn)生幾倍音速的流體，從而達(dá)到分散、均質(zhì)、乳化、納米顆粒等目的。與傳統(tǒng)的熱處理相比，可以保留更多的營養(yǎng)成分，減少熱敏成分的損失，并且不會產(chǎn)生熱處理所帶來的蒸煮味，因此能夠更好地保持食品原有的性狀與風(fēng)味。目前，超高壓技術(shù)已被應(yīng)用于果汁、果醬、肉制品、乳制品、海產(chǎn)品、谷類及豆類的加工中[11-13]。

試驗以SDF提取率為考察指標(biāo)，對DHPM制備玉米芯中SDF的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定其最佳提取工藝，并對玉米芯中SDF提取物的抑菌活性進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

玉米芯，唐山華農(nóng)玉米產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司提供。

大腸桿菌（Escherichia coli）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilus）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）和黑曲霉（Aspergillus niger），均由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院實驗室分離并保藏。

亞硝酸鈉、乙醇等均為分析純，北京化學(xué)試劑公司；JK1002電子分析天平，北京朗科興業(yè)稱重設(shè)備有限公司；TD5B臺式離心機(jī)，鹽城凱特實驗儀器有限公司；XD-3000BDQ旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海賢德實驗儀器有限公司；DR889-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，蘇州達(dá)瑞電熱設(shè)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(jī)械制造有限公司；M-110EH高壓微射流均質(zhì)機(jī)，美國必宜DeBEE公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 DHPM處理方法

稱取50 g玉米芯，按1∶6（g/mL）料液比添加去離子水，攪拌均勻，用膠體研磨機(jī)處理2次，選擇一定壓力和溫度下用高壓微射流超微粉碎設(shè)備處理一定時間，離心分離（轉(zhuǎn)速4 200 r/min，離心時間20 min），上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至原體積的1/10，用60℃的4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，將所得濾渣40℃干燥箱中低溫干燥得到SDF。

1.2.2 響應(yīng)面（RSM）試驗設(shè)計

根據(jù)前期單因素試驗結(jié)果，以玉米芯中SDF提取率為指標(biāo)進(jìn)行RSM試驗設(shè)計，選取對SDF提取率影響最大的3個因素為自變量，分別以X1，X2和X3表示，并以+1，0和-1分別代表自變量的高、中、低水平，按方程xi=（Xi-X0）/ΔX對自變量進(jìn)行編碼，其中，xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，X0為試驗中心點處自變量的真實值，ΔX為自變量的變化步長。SDF提取率Y為響應(yīng)值，試驗自變量因素編碼及水平見表1。

表1 試驗自變量因素編碼及水平

假設(shè)該模型通過最小二乘法擬合的二次多項方程為：式中：Y為預(yù)測響應(yīng)值；A0為常數(shù)項；A1，A2和A3為線性系數(shù)；A12，A13和A23為交互項系數(shù)；A11，A22和A33為二次項系數(shù)。

1.2.3 提取率的測定

1.2.4 抑菌性試驗

培養(yǎng)基的制備：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基參照文獻(xiàn)[14]配制。

菌懸液的制備：將上述4類菌種用相應(yīng)斜面培養(yǎng)基活化2次，以無菌生理鹽水配制成菌體或孢子濃度為106和108CFU/mL的菌懸液，備用[15]。

樣品溶液的配制：采用二倍稀釋法用無菌水將DHPM-SDF稀釋成3個不同的濃度梯度，分別為0.5，1.0和2.0 g/mL。

抑菌效果測定：無菌條件下，將0.1 mL菌懸液均勻涂布在培養(yǎng)皿中，在平板上等距離放入無菌牛津杯，在杯內(nèi)注入200 μL上述DHPM-SDF溶解液。培養(yǎng)皿置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，24 h后觀察抑菌圈大小，量取各抑菌圈直徑。試驗組均做3次平行試驗，取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert 7.0進(jìn)行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗分析

2.1.1 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及試驗結(jié)果

根據(jù)用Box-Behnken試驗設(shè)計原理，選取物料溫度（X1）、均質(zhì)時間（X2）、均質(zhì)壓力（X3）為自變量，以SDF提取率為響應(yīng)值Y，試驗方案及結(jié)果見表2。試驗方案的15個試驗點中包括12個析因點（1～12）和3（13～15）個中心點，中心點重復(fù)的目的是估計整個試驗的純試驗誤差。

表2 Box-Behnken試驗方案及結(jié)果

2.1.2 模型方程的建立及顯著性分析

利用Design Expert 7.0軟件對表2中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合，得到數(shù)學(xué)模型：

該模型系數(shù)顯著性檢驗見表3，模型方差分析結(jié)果見表4。從表4可看出，模型極顯著（p＜0.001），因變量與所考察自變量之間的線性關(guān)系顯著（R2= 0.997 6），模型調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.995 1，說明該模型能解釋99.51%響應(yīng)值的變化，該模型擬合程度良好，失擬項不顯著（p＞0.05），說明此次試驗所得二次回歸方程能很好地對響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測。從表3回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知，SDF提取率模型中一次項X1、X3表現(xiàn)為極顯著；二次項X12、X22、X32極顯著；交互項X1X2、X2X3極顯著。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

表4 回歸模型方差分析

2.1.3 響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸方程，作響應(yīng)面圖，考察所擬合的響應(yīng)面的形狀，分析物料溫度、均質(zhì)時間和壓力對SDF的提取率，所得響應(yīng)面見圖1～圖3。

從這3個圖可知，在因素所考察的范圍內(nèi)SDF提取率隨著物料溫度、均質(zhì)時間和壓力的變化均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。可能原因是玉米芯中IDF的β-1, 4-糖苷鍵在適當(dāng)?shù)奈锪蠝囟取⒕|(zhì)時間和壓力下，可加快其水解速度，產(chǎn)生新的還原末端，使聚合度下降，由無玉米芯葉中IDF轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)，從而在一定程度上提高果膠得率。

圖1 物料溫度和均質(zhì)時間對SDF提取率交互影響

圖2 物料溫度和均質(zhì)壓力對SDF提取率交互影響

圖3 均質(zhì)壓力和時間對SDF提取率的交互影響

2.1.4 DHPM工藝條件的優(yōu)化和可靠性驗證

為進(jìn)一步確定DHPM工藝的最佳點，用Design- Expert 7.0軟件進(jìn)行驗證優(yōu)化，得SDF最佳提取工藝參數(shù)：物料溫度50.4℃、均質(zhì)時間5.85 min、均質(zhì)壓力41.7 MPa，在此條件下玉米芯中SDF的理論提取率為8.35%。考慮到可操作性，將最優(yōu)條件定為物料溫度50℃、均質(zhì)時間6 min、均質(zhì)壓力40 MPa。用此最優(yōu)提取條件進(jìn)行驗證，得到SDF的提取率為8.27%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化玉米芯中SDF的DHPM提取工藝是可行的。

2.2 DHPM-SDF抑菌能力

由表5可知，玉米芯中DHPM-SDF對食品中常見的污染菌（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和黑曲霉）的抑制作用明顯，且隨DHPM-SDF濃度的增加，抑菌圈直徑逐漸變大，表明抑菌效果隨著DHPM-SDF濃度的增加而增強(qiáng)。在4種供試菌種中，玉米芯中SDF對金黃色葡萄球菌的抑制作用最強(qiáng)，其次為枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、黑曲霉。桂玲等[16]研究了大豆膳食纖維水解液的抑菌效果，結(jié)果表明大豆膳食纖維的酶水解液對大腸桿菌、假單胞菌、金黃色葡萄球菌和乳酸菌具有明顯的抑菌效果，其最低抑菌濃度為5.9%。

表5 不同濃度DHPM-SDF溶解液的抑菌作用

3 結(jié)論

1) 用響應(yīng)面分析法（RSM）建立了DHPM提取玉米芯中SDF的工藝模型，模型調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.995 1，說明該模型能解釋99.51%響應(yīng)值的變化，該模型擬合程度良好，失擬項不顯著（p＞0.05），說明此次試驗所得二次回歸方程能很好地預(yù)測SDF提取率隨各參數(shù)變化的規(guī)律。

2) 通過Design Expert 7.0軟件，采用Box-Behnken試驗設(shè)計法對DHPM提取玉米芯中SDF工藝進(jìn)行設(shè)計并優(yōu)化。研究結(jié)果表明，物料溫度和均質(zhì)壓力對SDF提取率的影響均極顯著（p＜0.01）；物料溫度和均質(zhì)時間、均質(zhì)時間和壓力的交互作用極顯著（p＜ 0.01）。

3) DHPM提取玉米芯中SDF的最佳工藝條件為物料溫度50℃、均質(zhì)時間6 min、均質(zhì)壓力40 MPa，在此條件下SDF提取率為8.27%。經(jīng)檢驗證明該提取SDF工藝參數(shù)是合理可靠的。

4) DHPM-SDF溶解液對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和黑曲霉抑制作用明顯，并隨濃度的增加抑制能力增強(qiáng)，對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出更高的抑菌效果。