動(dòng)態(tài)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(xiàng)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(yàn)檢測(cè)中心，河北唐山 063000；2.河北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 063000；3.唐山市農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校，河北唐山 063000；4.唐山市農(nóng)機(jī)技術(shù)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(zhì)。 在消化系統(tǒng)中有吸收水分的作用，在胃腸中占據(jù)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(dòng)增強(qiáng)，推動(dòng)進(jìn)食，減少食物殘?jiān)谖改c道停留的時(shí)間，增加糞便量，促進(jìn)糞便排泄，改善腸道菌群，為益生菌的增殖提供能量和營養(yǎng)[1-3]。膳食纖維是健康飲食不可缺少的，具有清潔消化壁和增強(qiáng)消化功能，促進(jìn)鉛等重金屬及有毒物質(zhì)的吸附和排泄，預(yù)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(chǎn)生大量的副產(chǎn)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(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，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(guān)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(dòng)態(tài)高壓微射流(DHPM)技術(shù)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(shù)，其理論基礎(chǔ)包括流體力學(xué)理論、超高壓理論及撞擊流理論3種。高壓的推動(dòng)作用可使流體混合物物料瞬時(shí)通過，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)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(jìn)而影響物料的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)[11-13]。為進(jìn)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(biāo)，對(duì)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(duì)玉米芯中SDF提取物的功能特性進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1材料玉米芯由唐山潤(rùn)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(jī)處理2次，利用動(dòng)態(tài)高壓均質(zhì)超微粉碎設(shè)備處理一定次數(shù)，調(diào)節(jié)pH為5～6，添加2%纖維素酶，在50 ℃恒溫水浴搖床中反應(yīng)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(jīng)干燥得水不溶性膳食纖維(IDF)；上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)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(fēng)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(jī)處理2次，調(diào)節(jié)pH為5～6，添加2%纖維素酶，在50 ℃恒溫水浴搖床中反應(yīng)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(jīng)干燥得IDF；上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)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(fēng)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(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(tái)式離心機(jī)(鹽城凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；XD-3000BDQ旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海賢德實(shí)驗(yàn)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(zhì)壓力為60 MPa，均質(zhì)次數(shù)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(duì)SDF提取率的影響，每個(gè)水平3次重復(fù)。

1.2.1.2均質(zhì)壓力。高壓均質(zhì)次數(shù)為4次，料液比1∶6，分別選擇均質(zhì)壓力為20、40、60、80、100 MPa，考察均質(zhì)壓力對(duì)SDF提取率的影響，每個(gè)水平3次重復(fù)。

1.2.1.3均質(zhì)次數(shù)。高壓均質(zhì)壓力為60 MPa，料液比1∶6(g∶mL)，分別選擇均質(zhì)次數(shù)為2、4、6、8、10次，考察均質(zhì)次數(shù)對(duì)SDF提取率的影響，每個(gè)水平3次重復(fù)。

1.2.2可溶解性(WS)的測(cè)定。依據(jù)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?jiān)?，分別干燥，稱重。

WS=(干燥后上清液質(zhì)量/樣品粉質(zhì)量)×100%

1.2.3持水力(WHC)的測(cè)定。依據(jù)陳菊紅[15]的方法，略有修改。準(zhǔn)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(zhì)量-樣品粉質(zhì)量)/樣品粉質(zhì)量

1.2.4持油力(OHC)的測(cè)定。依據(jù)陳菊紅[15]的方法，略有修改。準(zhǔn)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(zhì)量-樣品粉質(zhì)量)/樣品粉質(zhì)量

1.2.5膨脹力(SC)的測(cè)定。依據(jù)李倫[14]的方法，略有修改。準(zhǔn)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(zhì)量

1.2.6·OH清除率的測(cè)定。依據(jù)湯小明[16]的方法，略有修改。在反應(yīng)體系中(水楊酸-乙醇溶液9 mmol/L，F(xiàn)e2+9 mmol/L，H2O28.8 mmol/L)加入具有清除·OH能力的物質(zhì)，便會(huì)與水楊酸競(jìng)爭(zhēng)·OH，而使有色物質(zhì)生成量減少。采用固定反應(yīng)時(shí)間法，在相同體積的反應(yīng)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(duì)照，在波長(zhǎng)510 nm處測(cè)量加入不同濃度DF后的吸光度，代入清除率計(jì)算公式便可計(jì)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(cè)定。依據(jù)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(yù)熱20 min，分別加入1 mL待測(cè)液和1 mL 25 mmol/L 鄰苯三酚溶液，混勻后于25 ℃水浴中反應(yīng)5 min，加入8% HCl溶液100 μL終止反應(yīng)，波長(zhǎng)320 nm處測(cè)定吸光度(A)，以1 mL蒸餾水代替待測(cè)液做空白試驗(yàn)。

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(cè)定。依據(jù)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(wěn)定的自由基，在波長(zhǎng)517 nm處有吸收峰，呈紫色。當(dāng)自由基清除劑存在時(shí)，DPPH的孤對(duì)電子被配對(duì)，顏色變淺，在最大吸收波長(zhǎng)處吸收度變小，且顏色變化與配對(duì)電子數(shù)呈化學(xué)計(jì)量關(guān)系，因此可用來評(píng)價(jià)自由基的清除情況。將4 mL待測(cè)液加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH自由基溶液，于25 ℃水浴中反應(yīng)20 min后于517 nm處測(cè)定吸光度(A)，以蒸餾水代替待測(cè)液做空白試驗(yàn)。

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(cè)定。依據(jù)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(cè)。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(yīng)5 min，再加入2 mL 7.5%(W/V)的Na2CO3溶液，振蕩20 s后反應(yīng)2 h，在760 nm處測(cè)定吸光度，空白對(duì)照以去離子水代替樣品進(jìn)行反應(yīng)?？偡雍恳詻]食子酸當(dāng)量(Gallic Acid Equivalent，mg/g，干基)表示。

1.3數(shù)據(jù)處理采用Design-Expert 7.0進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)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(dāng)玉米芯與水的比例為1∶7時(shí)，SDF/IDF和SDF提取率均達(dá)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(huì)有所減少。分析其原因，由酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，在酶濃度不變時(shí)，當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，反應(yīng)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(yīng)速率的增加逐漸減少；最后，當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢繒r(shí)，反應(yīng)速率達(dá)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(dāng)于減少了底物濃度，因而使SDF的提取率在1∶7時(shí)達(dá)到最佳，隨后逐漸下降。

圖1 料液比對(duì)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(zhì)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(shí)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(jié)構(gòu)、平均粒徑和官能團(tuán)隨瞬時(shí)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(jié)合位點(diǎn)，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(shí)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(duì)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(zhì)次數(shù)。由圖3可知，SDF/IDF比值與SDF提取率隨處理次數(shù)的增加先增大后減小，在處理8次時(shí)達(dá)到最大，分別為1.080、43.49%；IDF提取率隨處理次數(shù)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(shù)。

圖3 處理次數(shù)對(duì)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(jīng)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(shí)，一些結(jié)構(gòu)組織如纖維素、半纖維素等物質(zhì)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(jié)合能力得到提高；SDF顆粒的數(shù)量增加，溶于水后體積膨脹、產(chǎn)生更大的伸展容積，從而導(dǎo)致改性后SDF的溶解性、持水力、膨脹力增大[18]。

表1 DHPM處理對(duì)玉米芯SDF理化特性的影響

注：同列數(shù)據(jù)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(chǎn)生的一種活性物質(zhì)，如果自由基過量，就會(huì)攻擊細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、DNA等，造成衰老和引發(fā)慢性病。機(jī)體在代謝過程中產(chǎn)生的自由基有羥自由基、超氧陰離子自由基、 氫過氧自由基?？扇苄陨攀忱w維中的多糖、多酚類物質(zhì)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(dú)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(duì)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(jīng)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(jīng)過DHPM處理后物料細(xì)胞壁被破壞，活性成分較易溶出，很多不溶性活性成分轉(zhuǎn)變成小分子可溶性物質(zhì)，其提取率也相應(yīng)增加。

由圖4可知，在濃度為2～12 mg/mL內(nèi)，·OH清除率與SDF濃度呈線性關(guān)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(jù)線性方程得IC50(清除50%自由基時(shí)SDF的質(zhì)量濃度)分別為4.16、3.32 mg/mL。

圖4 DHPM對(duì)·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(nèi)，O2·-清除率與SDF濃度呈線性關(guān)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(jù)線性方程得IC50(清除50%自由基時(shí)SDF的質(zhì)量濃度)分別為4.09、3.19 mg/mL。

圖5 DHPM對(duì)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(nèi)，DPPH清除率與SDF濃度呈線性關(guān)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(jù)線性方程得IC50(清除50%自由基時(shí)SDF的質(zhì)量濃度)分別為7.90、3.09 mg/mL。

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

3 結(jié)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(zhì)壓力為60 MPa，均質(zhì)次數(shù)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。