玉米芯可溶性膳食纤维制备及其抑菌活性

王磊，曹慧慧，杜瑞焕，宋晓楠，张立田*，廖晨*

1. 唐山市食品药品综合检验检测中心（唐山 063000）；2. 河北省农产品质量安全检测技术创新中心（唐山 063000）；3. 唐山市功能性农产品产业技术研究院（唐山 063000）

膳食纤维是指不能被人体消化道酵素分解的多糖类及木植素。在消化系统中有吸收水分的作用；增加肠道及胃内的食物体积，可增加饱足感；又能促进肠胃蠕动，可舒解便秘；同时膳食纤维也能吸附肠道中的有害物质以便排出；改善肠道菌群，为益生菌的增殖提供能量和营养[1-3]。膳食纤维是非淀粉多糖的多种植物物质，主要来自于动植物的细胞壁，包括纤维素、木质素、甲壳质、果胶、β-葡聚糖、菊糖和低聚糖等，通常分为非水溶性膳食纤维及水溶性膳食纤维两大类。膳食纤维是健康饮食不可缺少的，可以预防心血管疾病、癌症、糖尿病、增强消化功能，稀释食物中的致癌物质和有毒物质，加速其移除，保护消化道，预防结肠癌，减缓消化速度，可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水平[4-7]。

我国作为玉米种植大国，每年均产生大量的副产物——玉米芯（约为2 000万 t），除少量被用作饲料外，绝大部分被焚烧或遗弃，造成严重的环境污染和资源浪费，然玉米芯中含有丰富的SDF，是制备SDF的理想原料。目前有关玉米芯SDF提取研究主要集中在酶解法[8]、超声波碱解法[9]和微波法[10]。

动态高压微射流（DHPM）是在超高压（310 MPa）作用下，经过孔径很微小的阀心，产生几倍音速的流体，从而达到分散、均质、乳化、纳米颗粒等目的。与传统的热处理相比，可以保留更多的营养成分，减少热敏成分的损失，并且不会产生热处理所带来的蒸煮味，因此能够更好地保持食品原有的性状与风味。目前，超高压技术已被应用于果汁、果酱、肉制品、乳制品、海产品、谷类及豆类的加工中[11-13]。

试验以SDF提取率为考察指标，对DHPM制备玉米芯中SDF的工艺条件进行优化，确定其最佳提取工艺，并对玉米芯中SDF提取物的抑菌活性进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

玉米芯，唐山华农玉米产业有限责任公司提供。

大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilus）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）和黑曲霉（Aspergillus niger），均由中国农业大学食品科学与营养工程学院实验室分离并保藏。

亚硝酸钠、乙醇等均为分析纯，北京化学试剂公司；JK1002电子分析天平，北京朗科兴业称重设备有限公司；TD5B台式离心机，盐城凯特实验仪器有限公司；XD-3000BDQ旋转蒸发仪，上海贤德实验仪器有限公司；DR889-1电热恒温鼓风干燥箱，苏州达瑞电热设备有限公司；HH-1水浴恒温振荡器，常州国华电器有限公司。JM-65胶体磨，上海多源机械制造有限公司；M-110EH高压微射流均质机，美国必宜DeBEE公司。

1.2 试验方法

1.2.1 DHPM处理方法

称取50 g玉米芯，按1∶6（g/mL）料液比添加去离子水，搅拌均匀，用胶体研磨机处理2次，选择一定压力和温度下用高压微射流超微粉碎设备处理一定时间，离心分离（转速4 200 r/min，离心时间20 min），上清液经旋转蒸发浓缩至原体积的1/10，用60℃的4倍体积的75%乙醇沉淀20 min，真空抽滤，将所得滤渣40℃干燥箱中低温干燥得到SDF。

1.2.2 响应面（RSM）试验设计

根据前期单因素试验结果，以玉米芯中SDF提取率为指标进行RSM试验设计，选取对SDF提取率影响最大的3个因素为自变量，分别以X1，X2和X3表示，并以+1，0和-1分别代表自变量的高、中、低水平，按方程xi=（Xi-X0）/ΔX对自变量进行编码，其中，xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，X0为试验中心点处自变量的真实值，ΔX为自变量的变化步长。SDF提取率Y为响应值，试验自变量因素编码及水平见表1。

表1 试验自变量因素编码及水平

假设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为：式中：Y为预测响应值；A0为常数项；A1，A2和A3为线性系数；A12，A13和A23为交互项系数；A11，A22和A33为二次项系数。

1.2.3 提取率的测定

1.2.4 抑菌性试验

培养基的制备：牛肉膏蛋白胨培养基、查氏培养基参照文献[14]配制。

菌悬液的制备：将上述4类菌种用相应斜面培养基活化2次，以无菌生理盐水配制成菌体或孢子浓度为106和108CFU/mL的菌悬液，备用[15]。

样品溶液的配制：采用二倍稀释法用无菌水将DHPM-SDF稀释成3个不同的浓度梯度，分别为0.5，1.0和2.0 g/mL。

抑菌效果测定：无菌条件下，将0.1 mL菌悬液均匀涂布在培养皿中，在平板上等距离放入无菌牛津杯，在杯内注入200 μL上述DHPM-SDF溶解液。培养皿置于37℃恒温培养箱中培养，24 h后观察抑菌圈大小，量取各抑菌圈直径。试验组均做3次平行试验，取其平均值。

1.3 数据处理

数据分析采用Design-Expert 7.0进行试验设计和数据处理。

2 结果与分析

2.1 响应面试验分析

2.1.1 Box-Behnken试验设计方案及试验结果

根据用Box-Behnken试验设计原理，选取物料温度（X1）、均质时间（X2）、均质压力（X3）为自变量，以SDF提取率为响应值Y，试验方案及结果见表2。试验方案的15个试验点中包括12个析因点（1～12）和3（13～15）个中心点，中心点重复的目的是估计整个试验的纯试验误差。

表2 Box-Behnken试验方案及结果

2.1.2 模型方程的建立及显著性分析

利用Design Expert 7.0软件对表2中试验数据进行二次线性回归拟合，得到数学模型：

该模型系数显著性检验见表3，模型方差分析结果见表4。从表4可看出，模型极显著（p＜0.001），因变量与所考察自变量之间的线性关系显著（R2= 0.997 6），模型调整确定系数R2Adj=0.995 1，说明该模型能解释99.51%响应值的变化，该模型拟合程度良好，失拟项不显著（p＞0.05），说明此次试验所得二次回归方程能很好地对响应值进行预测。从表3回归方程系数显著性检验可知，SDF提取率模型中一次项X1、X3表现为极显著；二次项X12、X22、X32极显著；交互项X1X2、X2X3极显著。

表3 回归方程系数显著性检验

表4 回归模型方差分析

2.1.3 响应面分析

根据回归方程，作响应面图，考察所拟合的响应面的形状，分析物料温度、均质时间和压力对SDF的提取率，所得响应面见图1～图3。

从这3个图可知，在因素所考察的范围内SDF提取率随着物料温度、均质时间和压力的变化均呈现先升高后下降的趋势。可能原因是玉米芯中IDF的β-1, 4-糖苷键在适当的物料温度、均质时间和压力下，可加快其水解速度，产生新的还原末端，使聚合度下降，由无玉米芯叶中IDF转变为可溶性物质，从而在一定程度上提高果胶得率。

图1 物料温度和均质时间对SDF提取率交互影响

图2 物料温度和均质压力对SDF提取率交互影响

图3 均质压力和时间对SDF提取率的交互影响

2.1.4 DHPM工艺条件的优化和可靠性验证

为进一步确定DHPM工艺的最佳点，用Design- Expert 7.0软件进行验证优化，得SDF最佳提取工艺参数：物料温度50.4℃、均质时间5.85 min、均质压力41.7 MPa，在此条件下玉米芯中SDF的理论提取率为8.35%。考虑到可操作性，将最优条件定为物料温度50℃、均质时间6 min、均质压力40 MPa。用此最优提取条件进行验证，得到SDF的提取率为8.27%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化玉米芯中SDF的DHPM提取工艺是可行的。

2.2 DHPM-SDF抑菌能力

由表5可知，玉米芯中DHPM-SDF对食品中常见的污染菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和黑曲霉）的抑制作用明显，且随DHPM-SDF浓度的增加，抑菌圈直径逐渐变大，表明抑菌效果随着DHPM-SDF浓度的增加而增强。在4种供试菌种中，玉米芯中SDF对金黄色葡萄球菌的抑制作用最强，其次为枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、黑曲霉。桂玲等[16]研究了大豆膳食纤维水解液的抑菌效果，结果表明大豆膳食纤维的酶水解液对大肠杆菌、假单胞菌、金黄色葡萄球菌和乳酸菌具有明显的抑菌效果，其最低抑菌浓度为5.9%。

表5 不同浓度DHPM-SDF溶解液的抑菌作用

3 结论

1) 用响应面分析法（RSM）建立了DHPM提取玉米芯中SDF的工艺模型，模型调整确定系数R2Adj=0.995 1，说明该模型能解释99.51%响应值的变化，该模型拟合程度良好，失拟项不显著（p＞0.05），说明此次试验所得二次回归方程能很好地预测SDF提取率随各参数变化的规律。

2) 通过Design Expert 7.0软件，采用Box-Behnken试验设计法对DHPM提取玉米芯中SDF工艺进行设计并优化。研究结果表明，物料温度和均质压力对SDF提取率的影响均极显著（p＜0.01）；物料温度和均质时间、均质时间和压力的交互作用极显著（p＜ 0.01）。

3) DHPM提取玉米芯中SDF的最佳工艺条件为物料温度50℃、均质时间6 min、均质压力40 MPa，在此条件下SDF提取率为8.27%。经检验证明该提取SDF工艺参数是合理可靠的。

4) DHPM-SDF溶解液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和黑曲霉抑制作用明显，并随浓度的增加抑制能力增强，对金黄色葡萄球菌表现出更高的抑菌效果。