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. 河北省農產品質量安全檢測技術創新中心（唐山 063000）；3. 唐山市功能性農產品產業技術研究院（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。在消化系統中有吸收水分的作用；增加腸道及胃內的食物體積，可增加飽足感；又能促進腸胃蠕動，可舒解便秘；同時膳食纖維也能吸附腸道中的有害物質以便排出；改善腸道菌群，為益生菌的增殖提供能量和營養[1-3]。膳食纖維是非淀粉多糖的多種植物物質，主要來自于動植物的細胞壁，包括纖維素、木質素、甲殼質、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，可以預防心血管疾病、癌癥、糖尿病、增強消化功能，稀釋食物中的致癌物質和有毒物質，加速其移除，保護消化道，預防結腸癌，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，每年均產生大量的副產物——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，造成嚴重的環境污染和資源浪費，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]。

動態高壓微射流（DHPM）是在超高壓（310 MPa）作用下，經過孔徑很微小的閥心，產生幾倍音速的流體，從而達到分散、均質、乳化、納米顆粒等目的。與傳統的熱處理相比，可以保留更多的營養成分，減少熱敏成分的損失，并且不會產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味。目前，超高壓技術已被應用于果汁、果醬、肉制品、乳制品、海產品、谷類及豆類的加工中[11-13]。

試驗以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提取物的抑菌活性進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

玉米芯，唐山華農玉米產業有限責任公司提供。

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），均由中國農業大學食品科學與營養工程學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 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備處理一定時間，離心分離（轉速4 200 r/min，離心時間20 min），上清液經旋轉蒸發濃縮至原體積的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 響應面（RSM）試驗設計

根據前期單因素試驗結果，以玉米芯中SDF提取率為指標進行RSM試驗設計，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為預測響應值；A0為常數項；A1，A2和A3為線性系數；A12，A13和A23為交互項系數；A11，A22和A33為二次項系數。

1.2.3 提取率的測定

1.2.4 抑菌性試驗

培養基的制備：牛肉膏蛋白胨培養基、查氏培養基參照文獻[14]配制。

菌懸液的制備：將上述4類菌種用相應斜面培養基活化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皿中，在平板上等距離放入無菌牛津杯，在杯內注入200 μL上述DHPM-SDF溶解液。培養皿置于37℃恒溫培養箱中培養，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 數據處理

數據分析采用Design-Expert 7.0進行試驗設計和數據處理。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗分析

2.1.1 Box-Behnken試驗設計方案及試驗結果

根據用Box-Behnken試驗設計原理，選取物料溫度（X1）、均質時間（X2）、均質壓力（X3）為自變量，以SDF提取率為響應值Y，試驗方案及結果見表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中試驗數據進行二次線性回歸擬合，得到數學模型：

該模型系數顯著性檢驗見表3，模型方差分析結果見表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系顯著（R2= 0.997 6），模型調整確定系數R2Adj=0.995 1，說明該模型能解釋99.51%響應值的變化，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值進行預測。從表3回歸方程系數顯著性檢驗可知，SDF提取率模型中一次項X1、X3表現為極顯著；二次項X12、X22、X32極顯著；交互項X1X2、X2X3極顯著。

表3 回歸方程系數顯著性檢驗

表4 回歸模型方差分析

2.1.3 響應面分析

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

從這3個圖可知，在因素所考察的范圍內SDF提取率隨著物料溫度、均質時間和壓力的變化均呈現先升高后下降的趨勢。可能原因是玉米芯中IDF的β-1, 4-糖苷鍵在適當的物料溫度、均質時間和壓力下，可加快其水解速度，產生新的還原末端，使聚合度下降，由無玉米芯葉中IDF轉變為可溶性物質，從而在一定程度上提高果膠得率。

圖1 物料溫度和均質時間對SDF提取率交互影響

圖2 物料溫度和均質壓力對SDF提取率交互影響

圖3 均質壓力和時間對SDF提取率的交互影響

2.1.4 DHPM工藝條件的優化和可靠性驗證

為進一步確定DHPM工藝的最佳點，用Design- Expert 7.0軟件進行驗證優化，得SDF最佳提取工藝參數：物料溫度50.4℃、均質時間5.85 min、均質壓力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，將最優條件定為物料溫度50℃、均質時間6 min、均質壓力40 MPa。用此最優提取條件進行驗證，得到SDF的提取率為8.27%，與理論值較為接近，表明數學模型對優化玉米芯中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。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，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 結論

1) 用響應面分析法（RSM）建立了DHPM提取玉米芯中SDF的工藝模型，模型調整確定系數R2Adj=0.995 1，說明該模型能解釋99.51%響應值的變化，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測SDF提取率隨各參數變化的規律。

2) 通過Design Expert 7.0軟件，采用Box-Behnken試驗設計法對DHPM提取玉米芯中SDF工藝進行設計并優化。研究結果表明，物料溫度和均質壓力對SDF提取率的影響均極顯著（p＜0.01）；物料溫度和均質時間、均質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℃、均質時間6 min、均質壓力40 MPa，在此條件下SDF提取率為8.27%。經檢驗證明該提取SDF工藝參數是合理可靠的。

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，對金黃色葡萄球菌表現出更高的抑菌效果。