温度调控亚临界水改性玉米芯不溶性膳食纤维：理化特性、功能性质及益生效应的多维度评价

本研究针对玉米芯不溶性膳食纤维（IDF）结构致密、功能受限的问题，创新性采用亚临界水（SW）温度梯度（140-220°C）改性技术。结果表明160°C处理的SW-MIDF持水性（WHC）、膨胀性（WSC）和持油性（OHC）分别提升1.84、1.39和1.44倍，葡萄糖吸附能力（GAC）达239.31 mg/g，且显著促进益生菌增殖和短链脂肪酸（SCFA）产生。该研究为农业废弃物高值化利用和功能性食品开发提供新策略。

　　

研究背景与意义

玉米芯作为中国年产量超4600万吨的农业废弃物，富含纤维素（39-45%）和半纤维素（25-35%），但其不溶性膳食纤维（IDF）存在结构致密、功能活性低等问题，目前多采用焚烧或填埋处理，造成资源浪费和环境污染。传统化学改性方法存在污染风险，而亚临界水（Subcritical Water, SW）技术因其绿色环保、高效可控的特性，成为纤维改性的新选择。这项发表在《LWT》的研究通过温度梯度SW处理（140-220°C），系统揭示了温度对玉米芯IDF结构-功能关系的调控机制，为开发兼具营养与生理活性的功能性食品配料提供了科学依据。

关键技术方法

研究采用SW高压反应器（140-220°C，30 min）改性IDF，通过激光粒度分析、扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征结构变化；测定持水性（WHC）、葡萄糖吸附能力（GAC）等功能指标；选用4株益生菌（如L. rhamnosus GG）和健康人源粪便样本进行体外发酵，通过气相色谱（GC）分析短链脂肪酸（SCFA）。

研究结果

3.1 理化性质分析

160°C处理的SW-MIDF持水性（4.12 g/g）和持油性（2.70 g/g）达峰值，较原始IDF（OIDF）提升84%和44%。220°C处理导致结构坍塌，功能下降，表明温度存在最优阈值。

3.2 功能特性

160°C-SW-MIDF的葡萄糖吸附能力（239.31 mg/g）为OIDF的2.33倍；220°C样品在pH=2时亚硝酸盐吸附能力（89.16 μg/g）显著优于中性条件（33.35 μg/g）。总酚含量（TPC）随温度升至26.84 mg GAE/g，ABTS•清除能力达6.73 μmol Trolox/g，与抗氧化活性呈正相关。

3.3 结构表征

SEM显示160°C处理形成蜂窝状多孔结构，FTIR证实羟基（3340 cm^-1）暴露；XRD显示结晶度从31.76%（OIDF）升至34.72%（220°C-MIDF），归因于无定形区降解。

3.4 体外益生效应

SW_160°C-MIDF促进L. acidophilus ATCC 4356生长（OD₆₀₀=1.45），产酸量（6.98 mL NaOH）显著高于木糖组（6.45 mL）。粪便发酵48小时后，其丙酸（78.56 mmol/g）和丁酸（46.99 mmol/g）产量分别提升1.06和1.6倍，可能通过激活丁酸单胞菌（Butyricimonas）代谢通路实现。

结论与意义

该研究阐明SW温度通过氧化-水解协同效应，同步优化IDF的孔隙率、亲水基团和结晶度，使其兼具吸附特性与益生功能。改性IDF通过双重机制——肠道环境酸化和SCFA（特别是丙酸和丁酸）产量提升——调控菌群代谢，为代谢综合征防治和功能性食品开发提供了新材料。未来需通过动物实验验证其体内功效，推动农业废弃物向高附加值产品的转化。